一種新型組合式波導功率合成器的製作方法

2023-07-17 19:32:12 2

本發明涉及波導功率合成器技術領域，尤其涉及的是一種新型組合式波導功率合成器。

背景技術：

為了滿足大功率通信、測試等系統的需要，要採用多路功率放大再進行功率合成的方法。常用的主要功率合成技術有平面功率合成技術和空間功率合成技術。平面功率合成技術主要指的是微帶技術；空間功率合成技術又可分為矩形波導傳輸和同軸傳輸兩種。平面微帶功率合成技術可以實現較寬頻帶功率合成，但插入損耗很大，合成效率低，而且合成路數少、空間利用率低，很難滿足高效率大功率的需求；採用同軸波導的功率合成技術能夠實現較小的插入損耗及較寬的工作頻帶，但通路損耗較大，且形狀大多以圓形為主，加工精度要求高，裝配拆卸難度大，空間利用率低，通風效果較差，面臨大功率條件下高密度散熱的難題。採用矩形波導傳輸的功率合成技術不僅具有插入損耗小、合成效率高的優點，更能滿足寬工作頻帶和較小物理尺寸的實際應用要求，加工裝配簡易，放大器模塊分布整齊，可有效提高合成器的散熱效率。微波毫米波固態功率放大器作為微波毫米波雷達、制導及通信、測試等系統的一個重要組成部分，已經成為微波毫米波領域研究的重要方向。隨著對放大器輸出功率要求的不斷提高，單個放大晶片的輸出功率已不再能夠滿足實際系統工作的需要，因此，必須採用多路放大、功率合成的技術來有效提高整個放大電路的輸出功率。

基於微帶的平面功率分配/合成技術具有工作頻帶寬，加工裝配簡單等優點，但因介質損耗大，合成效率低，空間利用率低等缺點，很難滿足高效大功率放大器的要求。

基于波導的空間功率合成技術可以有效地防止輻射損耗，具有通路損耗低、散熱效率高、幅相一致性高及功率容量大等優點，但波導結構的加工成本高，且主要集中在較高的毫米波頻段應用，在較低頻率的微波頻段，波導功率分配/合成結構由於尺寸過大，難以應用到實際工程中。

基於平面微帶電路的超寬帶功率分配/合成技術是常用的超寬帶大功率放大器技術，其結構如圖1所示，經逐級阻抗變換，信號一分二、二分四。隨著輸出功率指標的提高，需要更多路數的功率放大器晶片進行合成，這種平面微帶電路的尺寸不斷增大，介質損耗變大，從而導致合成效率低下，難以滿足大功率高效合成輸出的要求。

因此，現有技術存在缺陷，需要改進。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供一種新型組合式波導功率合成器。

本發明的技術方案如下：

一種新型組合式波導功率合成器，其中，包括若干個基本功率合成器單元和若干個二合一組件實現2n路組合式的功率合成，其中n≥2。

所述的新型組合式波導功率合成器，其中，所述基本功率合成器單元由四個有源放大器組件和二個四合一組件組成。

所述的新型組合式波導功率合成器，其中，所述四合一組件是由三個二合一組件一體化加工而成，包括一個輸出埠、四個輸入埠、三個負載匹配圓柱和三個負載匹配窗口。

所述的基本功率合成器單元，其中，所述基本功率合成器單元中的兩個四合一組件的結構是完全相同的，一個用於一分四的功率分配，另一個用於四合一的功率合成；當用於功率分配時其中一個四合一組件的原輸入埠用作輸出埠，原輸出埠用作輸入埠。

所述的基本功率合成器單元，其中，所述的有源放大器組件包括輸入矩形波導埠及輸出矩形波導埠、二個同軸耦合探針的輸入和輸出，和一個微帶放大電路，輸入矩形波導埠與微帶放大電路的輸入端之間通過一個同軸耦合探針連接，輸出矩形波導埠與微帶放大電路的輸出端之間通過另一個同軸耦合探針連接。

所述的基本功率合成器單元，其中，當用於功率分配時的四合一組件的四個輸出埠分別與四個有源放大器組件的輸入埠對接，四個有源放大器組件的輸出埠分別與發揮功率合成作用的四合一組件的四個輸入埠對接。

所述的新型組合式波導功率合成器，其中，所述耦合探針採用包括但不限於臺階變換或曲線變換結構；所述耦合補償柱為圓柱、方形柱或長方形柱。

所述的新型組合式波導功率合成器，其中，所述二合一組件包括一個輸出埠、兩個輸入埠、一個負載匹配圓柱和一個負載匹配窗口；所述的二合一組件，用於功率分配或功率合成；當用於功率分配時作為原功率合成的原一個輸出埠用作輸入埠，原兩個輸入埠用作輸出埠。

所述的新型組合式波導功率合成器，其中，所述負載匹配窗口的終端為吸收界面，吸收界面用於優化信號隔離參數。

採用上述方案，可實現拓寬功率合成器的工作頻帶、提高合成效率、簡化加工裝配、提高散熱效率、組合靈活多變，解決傳統方案合成效率低、組合性差、散熱困難等技術難題。

附圖說明

圖1為現有技術中微帶電路的平面功率分配/合成結構示意圖。

圖2為本發明新型組合式波導功率合成器的一種實施例的結構示意圖。

圖3為本發明分解的16路功率合成部分結構示意圖。

圖4為本發明四合一組件示意圖。

圖5為本發明中有源放大器組件示意圖。

圖6為本發明中基本功率合成器單元示意圖之一。

圖7為本發明中基本功率合成器單元示意圖之二。

具體實施方式

為了便於理解本發明，下面結合附圖和具體實施例，對本發明進行更詳細的說明。但是，本發明可以採用許多不同的形式來實現，並不限於本說明書所描述的實施例。需要說明的是，當元件被稱為「固定於」另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者也可以存在居中的元件。當一個元件被認為是「連接」另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或者可能同時存在居中元件。

除非另有定義，本說明書所使用的所有的技術和科學術語與屬於本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本說明書中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是用於限制本發明。本說明書所使用的術語「及/或」包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。

實施例1

本專利提出了一種新型組合式波導功率合成器，該合成器採用若干個基本功率合成器單元和若干個二合一組件實現2n(n≥2)路組合式的功率合成，其中，基本功率合成器單元由四個有源放大器組件和二個四合一組件組成。如圖6所示，「基本功率合成器單元」裡面c是輸入埠，信號輸入後，通過一個「四合一組件」分成四路，分別進入到四個「有源放大器組件」中進行信號放大，放大後的信號上行再通過上方的「四合一組件」合成，最後從d輸出，在這個過程中，兩個『四合一組件』結構是完全相同的，但是發揮了不同的作用，c埠所在的組件發揮的是一分四的功率分配作用，d埠所在的組件發揮的事四合一的功率合成作用」。圖7中，放大器組件波導口就是e埠，波導信號和微帶信號就是通過同軸耦合探針5來過渡的，同軸耦合探針5前面有一個小柱子，形成補償柱結構。在合成器中每個矩形波導的埠連接一個有源功率放大器組件，矩形波導埠與放大器組件之間採用同軸耦合探針結構進行信號變換傳輸，每個探針前端設置一個耦合補償柱。

該功率合成器結構具有合成效率高、易於加工裝配、可靈活組合、散熱效率高等眾多優點，解決了寬頻帶的多路功率合成的難題，也為波導功率合成提供了有效的研究設計思路。本發明提出的組合式波導功率合成器整體結構舉例如圖2所示，分解的16路功率合成部分結構如圖3所示。在該結構中，由四合一組件1、二合一組件2級聯實現了16路功率合成結構；每兩路信號的合成都需要經過一個負載匹配窗口3和一個負載匹配圓柱4，用於減小反射損耗及通路損耗，並在失配時提供保護；合成器中每個波導支路通過同軸耦合探針與功率放大器組件的平面微帶電路連接，為改善插入損耗和駐波指標，設置了補償柱結構。圖2、圖3所示的16路功率合成器只是本發明的一種舉例，本發明可實現2n(n≥2)路電磁信號的功率合成，可根據實際需要靈活選用四合一組件和二合一組件進行搭配級聯。圖2所述16路的合成器只是本發明的一個舉例，本發明涉及的合成器可以是4路、8路、16路、32路、64路……等等，如下表所示，舉例而言，其實一個16路的合成器是由兩個8路的合成器加上兩個「二合一組件」拼接而成的；而每一個8路的合成器就是由兩個4路的合成器加上兩個「二合一組件」拼接而成的，以此類推，可以實現更多級的拼接。

如圖3所示，與二合一組件2相連的兩個組件也都是「二合一組件」，圖中左側g和h就是二合一組件2的輸入埠，j就是二個一組件的輸出埠，與輸出埠j相對接的就是二合一組件2的輸入埠，對稱的，右側的組件也是這樣的。從輸出埠j出來的信號是由兩個「基本功率合成器單元」合成之後的信號(每個「單元」是四路有源放大器信號，因此，這也是八路有源放大器合成之後的信號)，因此，從二合一組件2的輸出埠i出來的就是4個「基本功率合成器單元」合成之後的信號(總共是16路「有源放大器組件」合成的信號)。如圖2所示，圖2中的合成器一共包括16個「有源放大器組件」，8個「四合一組件」(其中，四個用作功率分配，四個用作功率合成)，4個一級「二合一組件」(其中，兩個用作功率分配，兩個用作功率合成)，和2個二級「二合一組件」(其中，一個用作功率分配，一個用作功率合成)。

如圖4所示，為「四合一組件」示意圖，這個四合一的組件是無源的，每個四合一組件中有4個輸入終端a，還包含一個合成輸出埠b。每個輸入終端都要與一個「有源放大器組件」的波導埠對接，如圖5所示，圖5為有源放大器組件示意圖。

如圖3所示，每個二合一組件中包括兩個輸入埠和一個輸出埠(即合成埠)，包括一個負載匹配窗口和一個負載匹配圓柱，負載匹配窗口的終端為吸收界面3，圖中吸收界面3是省略小蓋子的，正常裝配的時候上面有一個小蓋子，小蓋子上有吸收體，吸收界面的作用是用於優化合成器的信號隔離等參數；每個四合一組件是由三個二合一組件結構級聯一體化加工而成，因此，每個四合一組件包括四個輸入埠和一個輸出埠(即合成埠)，包括三個負載匹配窗口和三個負載匹配圓柱，包括三個吸收界面。

有源放大器組件中的每個輸入埠包括一個同軸耦合探針結構，實現了平面微帶電路到波導埠的信號模式變換傳輸，為優化插入損耗及駐波指標，設置了一個耦合補償柱。該耦合探針結構可採用但不限於臺階變換、曲線變換等結構；該耦合補償柱可以是但不限於圓柱、方形柱或長方形柱，可採用但不限於臺階變換、曲線變換等結構。

四合一組件中的每個輸入端波導埠連接一個有源功率放大器，可進行單獨的裝配與測試，裝配拆卸簡易，方便調試和維修。有源功率放大器組件的排布整齊，風道通暢，提高了散熱效率。

本專利中所述的四合一組件、二合一組件即可作為功率合成組件，也可以用作功率分配組件，上述輸入端也可以作為輸出端(功率分配端)，輸出端(功率合成端)也可作為輸入端，整個功率合成模塊中功率分配部分和功率合成部分結構完全相同且對稱安裝。本發明的關鍵點有如下幾項：

(1)組合式級聯結構：通過四合一組件、二合一組件級聯可實現合成路數靈活多變的功率合成器結構。

(2)新型負載匹配結構：通過一個負載匹配圓柱和一個負載匹配窗口結構實現等幅同相的功率合成與分配，損耗低效率高。

(3)同軸探針耦合及耦合補償柱結構：實現了無源功分合成結構與有源功率放大器組件之間的波導連接，實現了電磁信號在同軸波導與平面微帶之間高效低損耗傳輸，加工裝配簡易，可靠性高。

(4)高度模塊化設計：有源功率放大器模塊和無源功分合成模塊可進行單獨測試與維修，完全相同的功分與合成結構使得整個功率合成器結構規整、排布整齊。

本發明的保護點有如下幾項：

組合級聯結構：通過多個四合一組件、二合一組件的組合級聯可實現2n(n≥2)路功率合成。

二合一組件構成：每個二合一組件是由兩個輸入埠、一個輸出埠(合成埠)、一個負載匹配圓柱、一個負載匹配窗口、一個吸收界面組成；負載匹配圓柱和負載匹配窗口可有效改善二合一組件結構的插入損耗、駐波參數等指標。

四合一組件構成：每個四合一組件是由三個二合一組件結構級聯一體化加工而成，每個四合一組件包括四個輸入埠和一個輸出埠(即合成埠)，包括三個負載匹配窗口、三個負載匹配圓柱、三個吸收界面。

負載匹配圓柱結構：可採用但不限於臺階變換、曲線變換等結構。

負載匹配窗口結構：可採用但不限於臺階變換、曲線變換等結構。

同軸耦合探針結構：可採用但不限於臺階變換、曲線變換等結構。

耦合補償柱結構：可以是但不限於圓柱、方形柱或長方形柱；可採用但不限於臺階變換、曲線變換等結構；耦合補償柱結構可有效改善插入損耗、駐波參數等指標。

功率分配與功率合成結構相同：二合一組件、四合一組件、由二合一組件和四合一組件組合級聯而成的功率合成結構都可以起到相應的功率分配的作用。

本發明著重解決了功率合成器可組合級聯的難題，採用四合一組件、二合一組件作為基本單元，可實現不同路數的多種組合式功率合成器結構，採用負載匹配圓柱、負載匹配窗口、同軸耦合探針、耦合補償柱等結構實現了低損耗高效率、加工裝配簡易、可靠性高、可逐個模塊測試、散熱效率高等眾多優點。可實現拓寬功率合成器的工作頻帶、提高合成效率、簡化加工裝配、提高散熱效率、組合靈活多變，解決傳統方案合成效率低、組合性差、散熱困難等技術難題。本發明採用了組合式的結構設計，降低了加工裝配的難度，提高了散熱效率，可進行靈活組合，且合成效率高。

需要說明的是，上述各技術特徵繼續相互組合，形成未在上面列舉的各種實施例，均視為本發明說明書記載的範圍；並且，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。