CN208208950U - 一种e波段波导e-t分支和多探针耦合结构功率合成放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种E波段波导E‑T分支和多探针耦合结构功率合成放大器，采用两级级联的波导E‑T分支实现输入的E波段毫米波信号分为在波导内传输的四路信号，该四路信号分别经波导多探针过渡结构由波导传输模式转换为四路微带传输模式，该功率分配结构实现将经矩形波导输入的信号转换为传输与微带电路的等幅同相的16路信号，并分别进行功率放大，经功率放大后的16路微带传输模式信号再经波导多探针过渡结构和波导E‑T分支结构合成一路大功率毫米波信号输出波导，实现毫米波功率合成放大器多路数、高效率功率合成放大，实现E波段信号大功率输出。

Description

一种E波段波导E-T分支和多探针耦合结构功率合成放大器

技术领域

本实用新型涉及一种功率放大器，特别涉及一种E波段波导E-T分支和多探针耦合结构功率合成放大器。

背景技术

随着毫米波技术在雷达、制导及通信等领域的广泛应用，对毫米波信号源的带宽、增益及输出功率等指标都提出了越来越高的要求。毫米波固态功放芯片虽然具有尺寸小、重量轻、可靠性高及电路结构紧凑等优点，但由于目前单个固态器件的输出功率受自身半导体物理特性的影响以及散热、加工工艺、阻抗匹配等问题的限制而远远达不到实际工程中要求的输出功率，因而无法满足毫米波大功率通信系统的要求。因此，在单个器件输出功率有限的情况下，采用多个固态器件的功率合成技术是提高系统输出功率的有效方法。

E波段(60GHz～90GHz))波导E-T分支和多探针耦合功率合成放大器采用带补偿结构的波导E面T型分支(E-T分支)和多探针耦合组合结构，实现将波导端口输入的毫米波信号分为16路，分别由毫米波固态功率放大器芯片进行功率放大，再经多探针耦合与E-T分支组合结构合为一路输出大功率毫米波信号，可有效提高E波段毫米波信号输出功率。

功率放大器作为微波毫米波雷达、制导、通信及测试仪器等系统的重要组成部分，一直是微波毫米波领域的重要研究课题。随着各系统对工作带宽、发射系统输出功率以及探测距离等指标的要求不断提高，对功率放大器的输出功率也提出了更高的要求。

现有毫米波功率合成放大器主要分为两种，分别是基于平面功率分配/合成器的平面功率合成放大器和基于径向波导的同轴腔功率合成放大器。这两种功率合成放大器的缺点是随着工作频率升高，平面功率分配/合成器的损耗增大，通过增加功率分配/合成器的级数实现功率合成路数增加的方案，合成效率较低，难以获得较大的合成输出功率；基于径向波导的同轴腔功率合成放大器因为径向波导的尺寸减小，可用的合成路数大大减少。

同轴径向波导功率合成器如图1所示，径向波导主要由具有高幅相一致性和高功率分配/合成效率的多路矩形脊波导构成，每一路脊波导均可通过波导- 微带转接器在微带电路上实现功率的单路放大，最终的功率合成可通过微带-波导转接器在径向波导内完成。采用该技术后，可将功率放大器的增益放大电路和功率放大电路置于径向波导外。此方法存在随工作频率的升高，径向波导尺寸减小，导致合成路数减少和对多路脊波导装配精度要求增加的固有缺陷。

基于平面功率分配器的功率合成放大器结构如图2所示，该类型功率合成器采用平面功率分配电路实现输入信号分为多路分别进行功率放大，然后经平面功率合成电路合成一路大功率信号输出。可通过采用多级平面功率分配电路级联的方案实现多路功率合成放大。该类功率合成放大器在平面点路上实现，结构简单。但随着工作频率的升高和合成路数的增加，平面功率分配/合成器的损耗大大增加，导致合成效率下降，难以获得较大的合成输出功率。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种E波段波导E-T分支和多探针耦合结构功率合成放大器，解决E波段多路功率合成放大的问题，以获得大功率的E波段输出信号。

为实现上述目的，本实用新型采用如下方案：

一种E波段波导E-T分支和多探针耦合结构功率合成放大器，包括矩形波导、第一波导E-T分支、第一波导多探针耦合结构、功率放大器芯片、第二波导多探针耦合结构和第二波导E-T分支；

矩形波导经两级带补偿结构的第一波导E-T分支分为四路波导支路，每路波导支路分别连接有由四路波导探针构成的第一波导多探针耦合结构，每路波导探针都连接有功率放大器芯片，多路功率放大器芯片连接第二波导多探针耦合结构，第二波导多探针耦合结构连接两级带补偿结构的第二波导E-T分支；

E波段毫米波信号经矩形波导输入，经两级带补偿结构的第一波导E-T分支分为四路以波导模式传输的毫米波信号，四路毫米波信号分别经第一波导多探针耦合结构转换为微带传输模式，16路经微带电路传输的毫米波信号分别经功率放大器芯片进行功率放大，放大后的毫米波信号经第二波导多探针耦合结构转换为四路以波导模式传输的较大功率信号，然后再经两级带补偿结构的第二波导E-T分支合成一路输出大功率E波段毫米波信号。

进一步，所述第一波导多探针耦合结构与第二波导多探针耦合结构结构相同，均由分别位于矩形波导内几何尺寸相同的的四路波导至微带过渡探针构成；四路波导至微带过渡探针包括第一探针、第二探针、第三探针和第四探针，第一探针和第二探针关于波导E面对称、第一探针和第四探针关于波导H面对称，探针第二探针与第三探针关于波导H面对称，第三探针和第四探针关于波导E 面对称，实现毫米波信号由波导传输模式至微带传输模式的转换。

进一步，四路波导至微带过渡探针由波导内探针、匹配高阻线和截止波导窗口构成。

进一步，功率放大器芯片安装在散热腔体上。

本实用新型的E波段波导E-T分支和多探针功率耦合放大结构，可有效增加E波段功率合成放大器的输出功率。该技术通过采用两级级联的波导E-T分支实现输入的E波段毫米波信号分为在波导内传输的四路信号，该四路信号分别经波导多探针过渡结构由波导传输模式转换为四路微带传输模式。该功率分配结构实现将经矩形波导输入的信号转换为传输与微带电路的等幅同相的16路信号，并分别进行功率放大。经功率放大后的16路微带传输模式信号再经波导多探针过渡结构和波导E-T分支结构合成一路大功率毫米波信号输出波导。实现毫米波功率合成放大器多路数、高效率功率合成放大，实现E波段信号大功率输出。

本实用新型所提出的E波段波导E-T分支和多探针耦合功率合成放大器具有以下特点和创新：

(1)工作频带宽：可实现工作于E波段全波导带宽60GHz～90GHz频率范围内的宽带毫米波功率合成放大器；

(2)合成路数多：采用两级波导E-T分支和多探针耦合结构组合，可实现多达16路信号功率合成放大；

(3)散热好：毫米波固态功率放大器芯片分别安装于腔体两侧，保证芯片底部散热面积大的同时可方便安装散热片或采取其他散热措施；

(4)功率合成效率高：通过优化设计波导多探针耦合结构的单个波导至微带过渡探针和四个探针之间的间距，以及E-T分支的补偿结构尺寸，可获得不低于75％的功率合成效率。

附图说明

图1为同轴径向波导功率合成器；

图2为平面功率合成放大器；

图3为本实用新型的结构示意图；

图3(a)波导多探针耦合结构图；

图3(b)探针耦合结构；

图3(c)波导E-T分支结构图；

图3(d)波导E-T分支和多探针耦合结构图；

图中：1-矩形波导；2-波导；3-第一波导E-T分支；4-第一波导多探针耦合结构；5-功率放大器芯片；6-第二波导多探针耦合结构；7-第二波导E-T分支；8-耦合探针；9-匹配高阻线；10-截止波导窗口；11-第一探针；12-第二探针；13- 第三探针；14-第四探针。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型所采用的波导E-T分支和多探针耦合放大器结构如图3所示：

参考图3(a)、图3(b)和图3(d)所示，在该结构中，E波段毫米波信号经矩形波导1输入，经如图3(c)所示的两级带补偿结构的第一波导E-T分支3分为四路以波导2模式传输的毫米波信号，再分别经四路波导探针构成的第一波导多探针耦合结构4转换为微带传输模式，16路经微带电路传输的毫米波信号分别经功率放大器芯片5进行功率放大。放大后的毫米波信号经第二波导多探针耦合结构6转换为四路以波导模式传输的较大功率信号，然后再经两级带补偿结构的第二波导E-T分支7合成一路输出大功率E波段毫米波信号。

如图3(b)所示，第一波导多探针耦合结构4由分别位于矩形波导内分别关于E面和H面对称的四路波导至微带过渡探针构成，包括第一探针11、第二探针12、第三探针13和第四探针14，四路波导至微带过渡探针几何尺寸完全相同，分别由波导内耦合探针8、匹配高阻线9和截止波导窗口10构成，其中第一探针11和第二探针12关于波导E面对称、第一探针11和第四探针14关于波导H面对称，探针第二探针12与第三探针13关于波导H面对称，第三探针13和第四探针14关于波导E面对称。四路波导至微带过渡探针实现毫米波信号由波导传输模式至微带传输模式的转换，第二波导多探针耦合结构6与第一波导多探针耦合结构4结构相同。

本实用新型通过使用带补偿结构的第一波导E-T分支3，同时配合第一波导多探针耦合结构4，使输入的E波段毫米波信号由波导传输模式转换为以微带传输模式的16路信号，分别经毫米波固态功率放大器芯片5进行功率放大。放大后的16路以微带模式传输的毫米波信号再经第二波导多探针耦合结构6和第二波E-T分支7转换为波导传输模式输出大功率毫米波信号。

由于构成波导多探针耦合结构的四路波导过渡探针分别基于E面和H面对称，以及E-T分支的对称性，以微带模式传输的16路毫米波信号幅度和相位一致，因此可获得高效率毫米波高效功率合成。同时由于毫米波固态功率放大器芯片均安装于大面积的腔体上，功放芯片可获得良好的散热，使得E波段合成放大器具有高可靠性的特点。通过优化设计波导至微带过渡探针和多探针之间的间距以E-T分支的补偿结构，可实现在60GHz～90GHz工作频率范围内16路功率合成效率大于75％的良好性能，解决了现有方案功率合成放大器合成路数和功率合成效率的问题。

本实用新型的保护点有如下几项：

E波段波导E-T分支和多探针耦合功率合成放大器的结构形式和实现方式：

A、采用带补偿结构的波导E-T分支实现输入的E波段宽带毫米波信号分为等幅同相的四路信号；

B、采用波导多探针耦合结构实现E波段毫米波信号由波导传输模式转换为四路等幅同相的以微带模式传输的毫米波信号；

C、输入信号分为等幅同相的16路信号分别经毫米波固态功率放大器芯片进行功率放大；

D、由固态功率放大芯片进行功率放大后的16路以微带模式传输的毫米波信号经波导多探针耦合结构转换为四路以波导模式传输的较大功率毫米波信号；

E、四路较大功率的毫米波信号经两级带补偿结构的波导E-T分支合成为一路大功率毫米波信号输出。

F、通过优化设计波导多探针耦合结构的单个波导至微带过渡探针和四个探针之间的间距，以及E-T分支的补偿结构尺寸，可在整个E波段(60GHz～90GHz) 获得不低于75％的功率合成效率。该结构具有工作频率范围宽、散热效果好、功率合成效率高的特点。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种E波段波导E-T分支和多探针耦合结构功率合成放大器，其特征在于：包括矩形波导(1)、第一波导E-T分支(3)、第一波导多探针耦合结构(4)、功率放大器芯片(5)、第二波导多探针耦合结构(6)和第二波导E-T分支(7)；

矩形波导(1)经两级带补偿结构的第一波导E-T分支(3)分为四路波导支路，每路波导支路分别连接有由四路波导探针构成的第一波导多探针耦合结构(4)，每路波导探针都连接有功率放大器芯片(5)，多路功率放大器芯片(5)连接第二波导多探针耦合结构(6)，第二波导多探针耦合结构(6)连接两级带补偿结构的第二波导E-T分支(7)；

E波段毫米波信号经矩形波导(1)输入，经两级带补偿结构的第一波导E-T分支(3)分为四路以波导(2)模式传输的毫米波信号，四路毫米波信号分别经第一波导多探针耦合结构(4)转换为微带传输模式，16路经微带电路传输的毫米波信号分别经功率放大器芯片(5)进行功率放大，放大后的毫米波信号经第二波导多探针耦合结构(6)转换为四路以波导模式传输的较大功率信号，然后再经两级带补偿结构的第二波导E-T分支(7)合成一路输出大功率E波段毫米波信号。

2.根据权利要求1所述的E波段波导E-T分支和多探针耦合结构功率合成放大器，其特征在于：所述第一波导多探针耦合结构(4)与第二波导多探针耦合结构(6)结构相同，均由分别位于矩形波导内几何尺寸相同的四路波导至微带过渡探针构成；四路波导至微带过渡探针包括第一探针(11)、第二探针(12)、第三探针(13)和第四探针(14)，第一探针(11)和第二探针(12)关于波导E面对称、第一探针(11)和第四探针(14)关于波导H面对称，第二探针(12)与第三探针(13)关于波导H面对称，第三探针(13)和第四探针(14)关于波导E面对称，实现毫米波信号由波导传输模式至微带传输模式的转换。

3.根据权利要求2所述的E波段波导E-T分支和多探针耦合结构功率合成放大器，其特征在于：四路波导至微带过渡探针由波导内探针(8)、匹配高阻线(9)和截止波导窗口(10)构成。

4.根据权利要求1-3任一项所述的E波段波导E-T分支和多探针耦合结构功率合成放大器，其特征在于：功率放大器芯片(5)安装在散热腔体上。