CN210839489U - 一种Ka波段卫通功率放大器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种Ka波段卫通功率放大器，包括功分器以及功分器的各路输出分别连接的一个功率放大器。Ka波段卫通功率放大器采用波导合成结构与场合成结构相结合的方式实现功率合成；其中，功率放大器前级由微带电路完成多路不同相位的等功率分配，功率放大器后端采用微带鳍线方式实现两路反相位功率的第一级功率合成，进一步由波导耦合器实现第二级功率合成。本申请的射频功率放大器封装结构紧凑，体积小，易于与系统其他部分集成，容易应用于室外卫通地面站或动中通系统，解决了高频段、高功率微波、高效率合成等技术问题。

Description

一种Ka波段卫通功率放大器

技术领域

本实用新型涉及通信领域，尤其是一种Ka波段卫通功率放大器。

背景技术

合成功率放大器具有射频、供电、控制等各种接口，导致其难以封装为简单接口模块。由于半导体技术和工艺的限制，目前单管芯功率放大器仅能提供5W量级的功率输出，高功率输出的放大器必须采用多功率放大器合成的方式实现；而功率合成需要复杂的阻抗匹配等技术，导致其可工作的带宽不宽。为提高功率放大器的功率合成效率，合成网络需具有较小的损耗，因而要求结构紧凑；但这样导致放大器的热沉减小，不足以及时吸收热量并将其扩散至放大器表面，因此为保证放大器的工作寿命，需减小单位时间的放大器加电工作的时长，即降低脉冲工作的占空比，平均功率约10W。现有的Ka波段高功率放大器多采用波导功分结构进行功率分配和合成，同时为保证各个功率放大器芯片处于良好的散热环境，芯片间间距应适当增大，并在芯片周边布置热沉和散热结构，必要的情况下还要考虑加入散热齿等结构，这些措施都导致最终的放大器结构尺寸大，重量重。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种Ka波段卫通功率放大器，解决现有Ka波段卫通功率放大器高频段、高功率、高效率合成等技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种Ka波段卫通功率放大器，包括功分器以及功分器的各路输出分别连接的一个功率放大器；所述Ka波段卫通功率放大器采用波导合成结构与场合成结构相结合的方式实现功率合成；其中，功率放大器前级由微带电路完成多路不同相位的等功率分配，功率放大器后端采用微带鳍线方式实现两路反相位功率的第一级功率合成，进一步由波导耦合器实现第二级功率合成。

进一步地，所述Ka波段卫通功率放大器包括波导滤波器，功率放大器最终输出采用所述波导滤波器完成谐波滤波。

作为一些实施例，所述波导耦合器是采用90度3dB波导耦合器；功率放大器最终输出采用三阶波导滤波器完成谐波滤波。

作为一些实施例，所述功分器包括：

输入端连接的90度微带电桥的一分二功分器，两路相位差为90度；以及

一分二功分器的两路输出连接的两个180度混合电桥，从而实现一分四的功分输出，各路功率相等，相位分别相差90度；

90度微带电桥和/或180度混合电桥的隔离端需采用高频50欧电阻实现良好匹配；

180度混合电桥的四路输出分别各连接一个功分器；

四路输出连接的功分器具有相同型号、相同批次。

作为一些实施例，功率放大器由微带输出功率，经由微带-鳍线转换结构将功率传输至波导腔体；

微带-鳍线的走线结构相反，对称走线，鳍线中电场方向一致，完成第一级功率合成，第一级功率合成后两路波导的相位相差90度；

采用90度的3dB波导耦合器实现所述第二级功率合成；

波导耦合器的隔离端口采用吸收负载完成端口匹配。

进一步地，所述Ka波段卫通功率放大器由波导结构实现，采用波导实现各级功率合。

作为一些实施例，Ka波段卫通功率放大器的波导结构包括波导屏蔽盒，屏蔽盒内部为腔体；

所述腔体内设置微带电路、功率放大器平台、微带波导过渡结构、耦合器、谐波滤波器；

波导屏蔽盒包括上半部分和下半部分，由波导的中轴线对称分开；

所述上半部分和下半部分通过法兰组装；

波导屏蔽盒两端分别设置射频功率输入端和射频功率输出端；

导屏蔽盒上还设置有控制和电源接口。

作为一些实施例，所述其中微带电路包括所述功分器及其功分电路；

功率放大器平台焊接功率放大器芯片；

微带波导过渡结构中设置微带-鳍线转换结构；

耦合器对应为波导屏蔽盒内的耦合器下半部分和耦合器上半部分；

上半部分内的腔体内设有电路部分腔体结构、波导上半部分腔体、耦合器上半部分、谐波滤波器和波导输出上半部分，自输入端至输出端依次设置；

下半部分内设置有微带电路、功率放大器平台、微带波导过渡结构、耦合器下半部分以及谐波滤波器和波导输出下半部分；

下半部分的腔体内设置的微带电路、功率放大器平台、微带-鳍线转换结构与上半部分和腔体内设置的电路部分腔体结构及波导上半部分腔体对应；

下半部分的腔体内设置的耦合器下半部分与上半部分内设置的耦合器上半部分相对设置，共同形成耦合器；

下半部分的腔体内设置的谐波滤波器和波导输出下半部分与上半部分内设置的谐波滤波器和波导输出上半部分相地设置，共同组成谐波滤波器及其波导输出，最终由波导屏蔽盒尾部的射频功率输出端输出。

作为一些实施例，功率放大器平台还焊接电源单元及偏置电路，外部电源供电通过金丝连接到电容上后再接到芯片的电源焊盘上，偏置电路中配置有旁路电容；

芯片与微带波导过渡结构的连接采用金丝键合焊接；

波导屏蔽盒腔体内侧边或顶部贴上吸波材料；

波导屏蔽盒外部配置有散热结构。

作为一些实施例，所述Ka波段卫通功率放大器的工作带宽覆盖34~36GHz，可用频带2GHz；

所述Ka波段卫通功率放大器的峰值功率20W；

所述Ka波段卫通功率放大器适于脉冲工作方式和或连续波工作方式；

所述Ka波段卫通功率放大器的功放增益18dB；

所述Ka波段卫通功率放大器的带内平坦度0.5dB；

所述Ka波段卫通功率放大器的电源效率18%。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型Ka波段卫通功率放大器，采用4路射频功率波导合路方式实现功率合成，封装结构紧凑，体积小，易于与系统其他部分集成，容易应用于室外卫通地面站或动中通系统，解决了高频段、高功率微波、高效率合成等技术问题。

进一步地，本实用新型的Ka波段卫通功率放大器射频频段覆盖34~36GHz，输出功率可达20W，电源效率可达 18%。

下面结合附图对本实用新型作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本实用新型实施例Ka波段卫通功率放大器的原理框图。

图2是本实用新型实施例Ka波段卫通功率放大器的电路板版图示意图。

图3是本实用新型实施例Ka波段卫通功率放大器的四功放功率合成结构示意图。

图4是本实用新型实施例Ka波段卫通功率放大器的外形结构。

图5是本实用新型实施例Ka波段卫通功率放大器的上部结构。

图6是本实用新型实施例Ka波段卫通功率放大器的下部结构。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的各实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

请参照图1-6所示，本实用新型的实施例涉及一种Ka波段卫通功率放大器，广泛应用于卫星通信、5G通信、气象预报、雷达探测等领域。本实用新型采用波导合成结构与场合成结构相结合的方式实现四路功率合成，合成效率到90%；前级由微带电路完成一分四路不同相位的等功率分配，功放后端采用微带鳍线方式实现两路反相位功率合成，然后再采用90度3dB波导耦合器实现总计四路的功率合成。

本实用新型的Ka波段卫通功率放大器波导结构具有尺寸紧凑，仅48x25x15mm，体积小、重量轻、精巧封装，外部需配装合适的散热结构。

具体实施例中，Ka波段卫通功率放大器采用四路功率放大器13合成方式实现20W总功率输出。具体地，参照图1-2，Ka波段卫通功率放大器电路包括：一分二功分器11、两个180度混合电桥/180度耦合功分器12、四个功率放大器13依次连接，较佳地，形成微带电路21（参照图6），完成一分四路不同相位的等功率分配。各功率放大器13由微带-鳍线转换结构14完成第一级功率合成，第一级功率合成后两路波导的相位相差90度，由90度的3dB波导电桥/3dB耦合器16进一步第二级功率合成，功率放大器最终输出采用三阶波导滤波器153完成谐波滤波。最终输出采用标准WR28波导和相应的法兰结构。为降低电路的链路损耗，本实用新型主要采用波导实现各级功率合路器。本实用新型采用波导合成结构与场合成结构相结合的方式实现四路功率合成，合成效率到90%；前级由微带电路完成一分四路不同相位的等功率分配，功放后端采用微带鳍线方式实现两路反相位功率合成，然后再采用90度3dB波导耦合器实现总计四路的功率合成。

具体地，功率分配首先采用90度微带电桥/90度耦合功分器11实现一分二功分器，两路相位差为90度，90度微带电桥/90度耦合功分器11的隔离端连接一个匹配阻抗10，匹配阻抗10末端设置接地通孔102；本实施例中，电桥的隔离端需采用高频50欧电阻实现良好匹配。

两个180度混合电桥/180度耦合功分器12：一分二功分器11的两路功率采用两个180度混合电桥/180度耦合功分器12，实现一分四的功分器，各路功率相等，相位分别相差90度，两个180度混合电桥/180度耦合功分器12的隔离端各连接一个匹配阻抗122，匹配阻抗122末端设置接地通孔123；本实施例中，各个电桥的隔离端需采用高频50欧电阻实现良好匹配。

四个功率放大器13：两个180度混合电桥/180度耦合功分器12功分后的四路功率分别连接一功率放大器13放大，较佳地，各功率放大器13具有相同型号、相同批次。功率放大器13包括功率放大器芯片131及其电源单元，电源单元包括栅极电源132和漏极电源133，以及电容134。结合图6的波导结构，

90度微带电桥11的一分二功分器、两个180度混合电桥12以及四个功率放大器13依次连接形成的一分四路不同相位的等功率分配，功分电路设置在波导结构的微带电路21中，参照图6。

功率放大器13的输出端经由微带-鳍线转换结构14（参照图1和图3）将功率传输至波导腔体15。微带-鳍线转换结构14包括与功率放大器13的输出端分别连接的微带线141、142、143、144；微带线141、142、143、144设置于微带波导过渡结构23（如图2和图6）。微带线与鳍线145连接，功率放大器由微带141-144输出功率，由于1路和2路功放以及3路和4路功放输出的信号相位相反（自上至下或自下至上的顺序），因而鳍线145的走线结构也相反即对称走线，如图3所示鳍线145的微带底面地板版图，鳍线145的开口146展开，因此，最终鳍线中电场方向一致，从而完成第一级功率合成。第一级功率合成后两路波导的相位相差90度。

微带-鳍线转换结构14完成的第一级功率合成后两路功能输出采用90度的3dB波导电桥/3dB耦合器16（如图2-3）即可以实现第二级功率合成，此时耦合器16的隔离端口采用吸收负载/匹配负载152完成端口匹配，功率合成部分结构如图3所示。在波导结构中，耦合器16包括3dB耦合器上半部分35和3dB耦合器下半部分24（如图6）。

3dB耦合器16进行第二级功率合成的输出最终采用三阶波导滤波器153完成谐波滤波，如图6所示的波导结构中，三阶波导滤波器153相应包括谐波滤波器和波导输出上半部分35和谐波滤波器和波导输出下半部分25，最终输出总功率可以达到20W。

本申请的功率放大器芯片增益20dB，饱和输出功率为38dBm。四路合路增益为6dB，合路损耗约0.6dB，最终合成输出功率为43.4dBm(约22W，标称输出功率20W)，前级功分结构损耗约1.5dB，因此功率放大器整体增益约18dB。

本申请Ka波段卫通功率放大器的输出采用波导和相应的法兰结构来实施的，具体参照图4-6，为降低电路的链路损耗，本实用新型主要采用波导实现各级功率合路器，为保证加工工艺的可实现性，波导结构分为若干零件进行加工，然后组装在一起。本申请Ka波段卫通功率放大器可采用标准WR28波导和法兰结构6来实施，功率放大器的波导总体结构如图4所示，包括波导屏蔽盒以及内部的腔体，波导屏蔽盒包括上半部分结构3和下半部分结构2，由波导的中轴线对称剖开。上半部分结构和下半部分结构分别如图5和图6所示。 波导屏蔽盒相对两端分别设置射频功率输入端1和射频功率输出端4，与内部腔体电路和信号连接。腔体内部设置微带电路21、功率放大器平台22、微带波导过渡结构23、3dB耦合器16、谐波滤波器15。其中微带电路21中包括功分电路，功率放大器平台22焊接功率放大器芯片131及其电源及电路元件，微带波导过渡结构23中设置微带-鳍线转换结构14。3dB耦合器16对应为波导屏蔽盒内的3dB耦合器下半部分24和3dB耦合器上半部分34。波导屏蔽盒上还设置有控制和电源接口5，与放大器芯片13的电源电连接。波导结构上半部分3对应有腔体内，设置有电路部分腔体结构31、波导上半部分腔体33、3dB耦合器上半部分34、谐波滤波器和波导输出上半部分35，自输入端至输出端依次设置。下半部分结构2内设置有微带电路21、设置功率放大器13的功率放大器平台22、设置微带-鳍线转换结构14的微带波导过渡结构23、3dB耦合器下半部分24以及谐波滤波器和波导输出下半部分25。波导下半部分结构2的腔体内设置的微带电路21、设置功率放大器13的功率放大器平台22、设置微带-鳍线转换结构14位置与上半部分3的腔体内设置的电路部分腔体结构31及波导上半部分腔体33对应，以收纳及电密封微带电路21、功率放大器13和微带-鳍线转换结构14。下半部分结构2的腔体内设置的3dB耦合器下半部分24与上半部分结构3内设置的3dB耦合器上半部分34相对设置，共同形成3dB耦合器16。下半部分结构2的腔体内设置的谐波滤波器和波导输出下半部分25与上半部分结构3内设置的谐波滤波器和波导输出上半部分35相地设置，共同组成谐波滤波器15及其波导输出，最终由波导屏蔽盒尾部的射频功率输出端4输出。

其中，微带电路21（包括功分器11、12）、功率放大器13、微带鳍线结构14等电路设置于波导下半部分2。为保证各个电路分支具有等幅同相特性以及电密封要求，要求结构的机械加工较佳精度和组装精度在0.02mm以下。各个放大器芯片131选择同一批次的芯片并调节在相同的工作状态。同时为确保功率分配和合路时损耗低，防止射频能量泄露，法兰面的加工精度要求0.02mm以下，表面粗糙度在0.8微米以下。

芯片131的安装主要有导电胶粘接、共晶焊、超声热压焊、平行微隙焊等方式。其中共晶焊技术具有焊区导电性好、导热性好、机械强度高、成品率高等优点，在微波毫米波芯片的安装中经常使用。芯片的焊装主要分两步进行，首先在图5和图6所示的芯片安装平台上用金锡焊料焊接钨铜薄片，钨铜片具有与芯片一致的热膨胀系数，防止热胀冷缩时的不一致伸缩造成放大器芯片损坏，再将功率放大器芯片131共晶焊接于钨铜薄片上。通常焊料的热导率相对于金属都比较低，且堆积时结构疏松，热阻较大，为提高散热效率，焊料厚度应控制在0.1mm以下。

功率放大器芯片131需要设置栅极和漏极的偏置电路，外部电源供电通过金丝连接到100pF的单层瓷片电容上后再接到芯片的电源焊盘上，栅极电流很小，采用一根金丝即可，漏极电流较大，每个电源焊盘需采用两根金丝传输直流电源。功率放大器芯片的典型静态工作点为：漏极电压为 24V，漏极电流为300mA，栅极电压为-0.6V，饱和功率工作时，漏极电流上升至近1500mA。为了避免直流供电电路和射频微波电路之间的干扰，除了100pF的瓷片电容以外还需旁路10nF和0.1uF的贴片电容，这两种电容未在图2中体现，旁路电容可以滤除直流电源中的杂波，提高了直流供电电路的负载能力，又避免射频微波电路因杂波的影响而产生寄生震荡。

芯片与微带波导过渡结构（或微带平面电路）的连接采用金丝键合技术完成焊接，同时参照图2，直径25um金丝136相当于在电路中引入了一段电感，电感量的大小会对电路的性能产生重大的影响。在大功率和高电流的情况下，应采用两根或多跟金丝136以分担电流和功率。键合的金丝要考虑腔体、电路、芯片间的热膨胀系数不同，平直键合金丝在高、低温冲击中容易发生应力集中，受到温度冲击或振动时容易发生断裂，因此键合金丝136应具有一定弧度，能够释放因温度和振动带来的应力，保证金丝的焊接稳定性。兼顾微波特性和可靠性，必须保持适当的拱高情况下，尽量降低金丝的跨距，并在不过分增加装配的复杂度和不确定性的前提下尽量采用多根金丝。

放大器处于不稳定状态容易产生自激，可在波导屏蔽盒腔体内侧边或顶部贴上吸波材料和改变放大器外围直流偏置电路的旁路电容来消除放大器的自激。

本实用新型采用波导合成结构与场合成结构相结合的方式实现4路功率合成，合成效率到90%；前级由微带电路完成一分四路不同相位的等功率分配，功放后端采用微带鳍线方式实现两路反相位功率合成，然后再采用90度3dB波导耦合器实现总计四路的功率合成。

本实用新型具有尺寸紧凑，仅48x25x15mm，体积小、重量轻、精巧封装，外部需配装合适的散热结构。

本实用新型采用波导合成结构与场合成结构相结合的方式实现4路功率合成，合成效率到90%；前级由微带电路完成一分四路不同相位的等功率分配，功放后端采用微带鳍线方式实现两路反相位功率合成，然后再采用90度3dB波导耦合器实现总计四路的功率合成。

本实用新型具有尺寸紧凑，仅48x25x15mm，体积小、重量轻、精巧封装，外部需配装合适的散热结构。本实用新型实现的高效率功率合成放大器，工作带宽覆盖34~36GHz，可用频带2GHz，峰值功率20W，可工作在脉冲工作方式和连续波工作方式，功放增益18dB，带内平坦度0.5dB，电源效率18%。

在其他实施例中，采用上述实施例的方式可以实施一分多路的功率放大器的合成。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可传输数据地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，均应属于本申请的范围；本实用新型的保护范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (10)

1.一种Ka波段卫通功率放大器，包括功分器以及功分器的各路输出分别连接的一个功率放大器；其特征在于，所述Ka波段卫通功率放大器采用波导合成结构与场合成结构相结合的方式实现功率合成；其中，功率放大器前级由微带电路完成多路不同相位的等功率分配，功率放大器后端采用微带鳍线方式实现两路反相位功率的第一级功率合成，进一步由波导耦合器实现第二级功率合成。

2.如权利要求1所述的Ka波段卫通功率放大器，其特征在于，所述Ka波段卫通功率放大器包括波导滤波器，功率放大器最终输出采用所述波导滤波器完成谐波滤波。

3.如权利要求2所述的Ka波段卫通功率放大器，其特征在于，所述波导耦合器是采用90度3dB波导耦合器；功率放大器最终输出采用三阶波导滤波器完成谐波滤波。

4.如权利要求1所述的Ka波段卫通功率放大器，其特征在于，所述功分器包括：

输入端连接的90度微带电桥的一分二功分器，两路相位差为90度；以及

一分二功分器的两路输出连接的两个180度混合电桥，从而实现一分四的功分输出，各路功率相等，相位分别相差90度；

90度微带电桥和/或180度混合电桥的隔离端需采用高频50欧电阻实现良好匹配；

180度混合电桥的四路输出分别各连接一个功分器；

四路输出连接的功分器具有相同型号、相同批次。

5.如权利要求1所述的Ka波段卫通功率放大器，其特征在于，功率放大器由微带输出功率，经由微带-鳍线转换结构将功率传输至波导腔体；

微带-鳍线的走线结构相反，对称走线，鳍线中电场方向一致，完成第一级功率合成，第一级功率合成后两路波导的相位相差90度；

采用90度的3dB波导耦合器实现所述第二级功率合成；

波导耦合器的隔离端口采用吸收负载完成端口匹配。

6.如权利要求1~5任一项所述的Ka波段卫通功率放大器，其特征在于，所述Ka波段卫通功率放大器由波导结构实现，采用波导实现各级功率合。

7.如权利要求6所述的Ka波段卫通功率放大器，其特征在于，Ka波段卫通功率放大器的波导结构包括波导屏蔽盒，屏蔽盒内部为腔体；

所述腔体内设置微带电路、功率放大器平台、微带波导过渡结构、耦合器、谐波滤波器；

波导屏蔽盒包括上半部分和下半部分，由波导的中轴线对称分开；

所述上半部分和下半部分通过法兰组装；

波导屏蔽盒两端分别设置射频功率输入端和射频功率输出端；

导屏蔽盒上还设置有控制和电源接口。

8.如权利要求7所述的Ka波段卫通功率放大器，其特征在于，所述微带电路包括所述功分器及其功分电路；

功率放大器平台焊接功率放大器芯片；

微带波导过渡结构中设置微带-鳍线转换结构；

耦合器对应为波导屏蔽盒内的耦合器下半部分和耦合器上半部分；

上半部分内的腔体内设有电路部分腔体结构、波导上半部分腔体、耦合器上半部分、谐波滤波器和波导输出上半部分，自输入端至输出端依次设置；

下半部分内设置有微带电路、功率放大器平台、微带波导过渡结构、耦合器下半部分以及谐波滤波器和波导输出下半部分；

下半部分的腔体内设置的微带电路、功率放大器平台、微带-鳍线转换结构与上半部分和腔体内设置的电路部分腔体结构及波导上半部分腔体对应；

下半部分的腔体内设置的耦合器下半部分与上半部分内设置的耦合器上半部分相对设置，共同形成耦合器；

下半部分的腔体内设置的谐波滤波器和波导输出下半部分与上半部分内设置的谐波滤波器和波导输出上半部分相对设置，共同组成谐波滤波器及其波导输出，最终由波导屏蔽盒尾部的射频功率输出端输出。

9.如权利要求8所述的Ka波段卫通功率放大器，其特征在于，所述功率放大器平台还焊接电源单元及偏置电路，外部电源供电通过金丝连接到电容上后再接到芯片的电源焊盘上，偏置电路中配置有旁路电容；

芯片与微带波导过渡结构的连接采用金丝键合焊接；

波导屏蔽盒腔体内侧边或顶部贴上吸波材料；

波导屏蔽盒外部配置有散热结构。

10.如权利要求1所述的Ka波段卫通功率放大器，其特征在于，

所述Ka波段卫通功率放大器的工作带宽覆盖34~36GHz，可用频带2GHz；

所述Ka波段卫通功率放大器的峰值功率20W；

所述Ka波段卫通功率放大器适于脉冲工作方式和或连续波工作方式；

所述Ka波段卫通功率放大器的功放增益18dB；

所述Ka波段卫通功率放大器的带内平坦度0.5dB；

所述Ka波段卫通功率放大器的电源效率18%。

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