使用空間合成技術的高線性推挽放大器的製作方法
2023-05-22 16:01:51
專利名稱：使用空間合成技術的高線性推挽放大器的製作方法
技術領域：
本發明專利涉及一種使用空間合成技術的高線性功率放大器的設計技術，可廣泛用於衛星通信和微波，毫米波通信等通信系統中。
背景技術：
微波與毫米波放大器是通信領域的關鍵設備之一，目前在大功率放大器領域中廣泛採用的是真空管放大器。但是由於真空管器件的壽命有限，並且需要使用高電壓，導致操作危險增大。更為重要的是真空管放大器的線性度差，通常需要由標稱輸出功率回退6dB 以上，才能滿足線性度的要求。半導體放大器的壽命遠遠長於真空管器件，而且具有操作電壓低等優點。但是由於半導體電晶體和單片集成電路的輸出功率很有限，其最高輸出功率和真空管放大器相差一個數量級，必須使用能夠實現大規模合成的空間功率合成技術來提高輸出功率，而基於同軸波導的功率合成技術是適合於大功率合成的最佳選擇。在使用同軸波導功率合成技術的放大器中，由呈放射狀均勻對稱分布在同軸腔內的鰭線天線陣列將輸入功率均勻分配至腔體內部的每一個放大器單元，並由相同的輸出鰭線天線陣列將功率合成至輸出埠。由於同軸腔的對稱特性，每一個鰭線天線上耦合的信號的幅度與相位都相同，所以與鰭線天線相連的每個放大器單元可以得到相同幅度與相位的輸入信號，而其輸出信號也可以實現同幅同相的功率疊加。這種空間合成陣列即使在最理想的情況下只是使得整個功率放大器保持和每個放大器單元一致的線性度，由於天線陣列在生產和組裝過程中產生的不可避免的幅度與相位誤差，在實際應用中其線性度還會有所下降。B類放大器具有同高線性的A類放大器相似的線性度，但是由於B類放大器的輸出有偶次諧波，需要在輸出端加入濾波器，導致系統體積增加，不利於系統小型化。利用波導空間合成中的鰭線天線結構來形成具有幅度相同並且相位相反的兩路輸出的巴倫，可以使用於功率合成的每個放大器單元成為B類推挽放大器單元。B類推挽放大器單元的偶次諧波可以相互抵消，在其輸出端不需要使用低通濾波器。通過將組成放大器的各單元構成B類推挽放大器單元後，再進行功率合成，可以提高整個放大器的線性度， 而且不需要再在輸出端加入任何濾波器。
發明內容
為了克服大功率半導體放大器的線性度差，輸出諧波高，需要外加濾波器的缺點， 本發明專利提供一種利用空間合成結構的B類推挽放大器放大器設計。該放大器具有線性度好，輸出功率高和體積小的優點，便於移動及固定系統採用。B類推挽放大器具有線性度好，輸出諧波低等優點，但是其需要輸入巴倫以產生兩路幅度相同相位相反的信號，同時需要對稱的輸出巴倫將輸出信號疊加。巴倫電路要增加電路的尺寸，同時引入額外的損耗。
本發明專利為解決該技術問題所採用的技術方案是利用空間合成結構中的鰭線天線構成具有雙路同幅輸出和180度相移的巴倫，由對稱的輸入和輸出巴倫構成B類推挽放大器單元，使得每個放大器單元具有高線性度和高效率特性。同時通過空間合成結構將 B類推挽放大器單元陣列進行有效的合成，可是實現大功率輸出，同時保證良好的線性度和
高的效率。使用空間合成結構的功率放大器的工作原理是在波導中加入鰭線天線陣列，輸入端的信號被均勻分配給鰭線天線陣列中的每一個單元，耦合到每個天線的信號經過半導體放大器單元放大以後，再通過對稱的鰭線天線陣列將信號合成到輸出埠。為了便於組裝，中間的波導部分由多個卡組成，而輸入天線，放大器單元和輸出天線都組裝在卡上。當多個卡疊加在一起時就形成完整的波導，而天線陣列則分布于波導之中。這種空間合成結構的一個具體例子就是基於同軸腔的空間合成結構。其中部同軸腔由多個具有楔形橫截面的卡組成，而卡的輸入和輸出端有槽，只有中間由金屬橋聯通，輸入輸出天線便分別安裝在槽上，而放大器單元則安裝於金屬橋之上。當多個卡疊加形成同軸腔時，天線便在波導內形成每個天線表面沿徑向分布而整個陣列相對於軸線呈放射線均勻分布的天線陣列。中部同軸腔的輸入端接有同軸阻抗變換器，其一端連接尺寸很小的輸入接頭，另一端連接中部的大尺寸的同軸腔。這段同軸阻抗變換器不僅在尺寸上將波導由接頭端逐漸變換到中部同軸腔，而且具有阻抗變換的功能，實現由接頭到中部同軸腔的阻抗匹配。同時在中部同軸腔的輸出端接有對稱的輸出同軸阻抗變換器，使得輸出信號匯集到輸出接頭。在一種情況下，卡上的鰭線天線有並列的兩個。在起始端的基底電路板的上表面由兩塊金屬構成，在基底電路板的底面的中間位置從起始端也印有金屬，與上表面面的兩塊金屬形成兩路並列的異面鰭線。兩路異面鰭線各自的寬度逐漸減小，然後上表面的兩塊金屬逐漸過渡為兩路微帶線。由於鰭線天線在同軸腔內的沿徑向分布，而同軸腔內的電場隨著半徑的增加而逐漸減弱，所以位於同一卡上而尺寸相同的兩個異面鰭線天線將有不同的輸出幅度。而且由於中部同軸腔是與一個尺寸逐漸增大的同軸阻抗變換器相連，輸入信號到達位於外側的異面鰭線天線的距離要相對較遠，導致其傳播相位也較長。這樣，如果位於同一卡上的兩個異面鰭線天線尺寸相同，其輸出幅度和相位都會不同。因此，需要將兩個異面鰭線天線的的尺寸和相對位置作出調整以保證其輸出幅度和相位保持一致。具體的做法之一就是加大外側異面鰭線的天線的起始端寬度，增加其耦合功率的幅度；並且使得其起始端相對於內側異面鰭線天線更靠近同軸阻抗變換器，以保證其相位與內側異面鰭線一致。同樣的結構將被用於輸出端的鰭線天線設計。在另一種情況下，卡上的鰭線天線有並列的兩個，但在起始端的基底電路板的背面有兩塊金屬，在基底電路板的上表面的中央印有金屬，與背面的兩塊金屬形成兩路並列的異面鰭線。兩路異面鰭線的寬度逐漸減小，上表面金屬在其末端逐漸過渡為為兩路微帶線。同樣通過加大外側異面鰭線的天線的起始端寬度，增加其耦合功率的幅度；並且使得其起始端相對於內側異面鰭線天線更靠近同軸阻抗變換器，以保證其相位與內側異面鰭線一致。同樣的結構將被用於輸出端的鰭線天線設計。在另一種情況下，卡上的鰭線天線有並列的兩個，但在起始端的基底電路板的背面為空白，而有三塊金屬在基底電路板的上表面，分別形成兩路並列的同面鰭線。兩路同面鰭線的寬度逐漸減小，轉化為兩路槽線。而兩路微帶線分別與兩路槽線不同極性的末端相耦合，形成兩路相位相反信號的輸出。同樣通過加大外側同面鰭線的天線的起始端寬度， 增加其耦合功率的幅度；並且使得其起始端相對於內側同面鰭線天線更靠近同軸阻抗變換器，以保證其相位與內側同面鰭線一致。同樣的結構將被用於輸出端的鰭線天線設計。在另一種情況下，卡上的鰭線天線在起始端由分布在基底電路板背面的兩塊金屬構成，金屬之間的間距由起始端與波導腔的寬度相同逐漸變化到很窄的槽線。而在基底電路板的上表面在初始段為空白，只有在天線的終端附近印有微帶線，與背面的槽線垂直相交，其相交的位置距槽線的短路終端距離為工作頻率的四分之一波長。由於微帶線與背面具有相反相位的槽線的兩極分別耦合，微帶線的兩個埠的相位相差為180度，構成巴倫， 它的兩路輸出分別與一個電晶體或者集成電路放大器相連。而電晶體或者集成電路放大器的輸出端則和完全對稱的微帶線，槽線及鰭線天線相連。當電晶體或者集成電路放大器工作在B類工作點，這個放大器單元就形成B類推挽放大器，具有很好的線性度和效率，而其輸出的偶次諧波相互抵消。在另外的情況下，可以將上述的各種並列的異面與同面鰭線天線結構用於矩形波導空間合成系統之中。矩形波導空間合成系統同樣使用卡式結構，由多個卡組成矩形波導， 而卡上集成有輸入天線，放大器單元和輸出天線。與上面介紹的各種用於同軸波導內的鰭線天線結構相同，在每個卡上由兩個並列的鰭線構成輸入巴倫，同樣在輸出端使用對稱的結構形成輸出巴倫。不同的是每個卡的橫截面是矩形，當多個卡疊加在一起時，卡上的槽就形成矩形波導腔，而卡上的鰭線天線就位於與電力線方向平行的截面上。由於沿電力線方向的電場呈均勻分布，所以兩個異面鰭線的尺寸與位置保持相同，以保證兩路輸出信號的幅度相同，相位相反。這樣每個卡可以形成B類推挽放大器單元，經過空間功率合成以後的放大器同樣具有高線性度，高效率，低諧波等優點。雖然上面給出了具體的實例，但是本發明專利的內容並不是局限於上述幾個例子，基於本發明專利的設計方法可以拓展到更寬的領域，也都屬於本專利覆蓋的範圍。本實用發明專利的有益效果是，可以在保證大功率輸出的同時，提高系統的線性度和效率，減少高次諧波輸出，保證系統具有體積小的特點。
下面結合附圖和實施例對本發明專利進一步說明。圖1是背景技術中的一種同軸空間功率合成結構。圖2是使用同軸空間合成結構的高線性放大器的第一個實施例。圖3是圖2的截面圖。圖4是圖2的多截面剖視圖。圖5是使用同軸空間合成結構的高線性放大器的第二個實施例的卡的構造圖。圖6是使用同軸空間合成結構的高線性放大器的第三個實施例的卡的構造圖。圖7是使用同軸空間合成結構的高線性放大器的第四個實施例的卡的構造圖。圖8是使用矩形波導空間合成結構的放大器的構造圖。圖9是使用矩形波導空間合成結構的高線性放大器的一個實施例的卡的構造圖。
具體實施例方式在圖1中，一個背景技術中介紹的基於同軸空間合成的放大器1由以下幾部分組成輸入同軸接頭2，輸入同軸漸變波導3，中部合成同軸波導6，輸出同軸漸變波導7和輸出同軸接頭10。其中輸入和輸出同軸漸變波導的內腔體由同軸接頭的尺寸變化到與中部合成同軸波導腔尺寸，它們由錐狀內導體4和8，以及具有錐形腔的外導體5和9組成。而中部合成同軸波導由多個楔形卡11沿放射狀疊加而成，每個卡11又包括金屬基板12，輸入異面鰭線天線13，放大器單元14和輸出異面鰭線天線15組成。當整個放大器1組裝在一起後，電磁波由輸入接頭2，經同軸漸變波導3均勻的照射到垂直於軸線成放射狀分布在中部同軸腔內的異面鰭線天線陣列。由於天線陣列呈對稱分布，每個天線耦合到相同的輸入信號，傳輸到中部的放大器單元，經過放大器單元的放大後的信號經過對稱的輸出鰭線天線再耦合到輸出同軸腔內，然後經過輸出同軸漸變波導7傳輸到輸出接頭10。圖1所示的放大器具有帶寬寬及合成數量高的優點，但是放大器僅僅將放大器單元的功率疊加，整個放大器的線性度取決於用於合成的每個放大器單元14的線性度。為了改善系統的線性度和效率，本發明專利提出了改進合成陣列中的卡的電路結構，使之具有推挽特性，同時調整放大器單元的工作狀態，如工作在B類放大器狀態，實現效率的提高和高次諧波的消除，同時提高線性度。放大器的工作狀態也可以設置在其他狀態，以取得最理想的輸出特性。圖2中，用於構成中部合成同軸波導的卡19由輸入天線電路20，兩個放大器單元 21和22，以及輸出天線電路23組成。而輸入天線電路20包括兩個並行的異面鰭線天線30 和31。當卡疊加在一起構成中部同軸波導時，異面鰭線天線30在同軸腔的外側，而異面鰭線天線31在同軸腔的內側。M是輸入天線的基板，通常選擇損耗很低的軟板材料，但是在某些應用中可以選擇氧化鋁或者氮化鋁等陶瓷材料。基板M上層的金屬25與背面的金屬 27構成異面鰭線30。異面鰭線30上下兩金屬的間距逐漸變小，最後上層金屬逐漸轉化為微帶線觀，而下層金屬轉化為地層。同樣背面金屬27的另一側與上層金屬沈構成異面鰭線31，同樣上層金屬逐漸轉化為微帶線四，而下層金屬轉化為地層。由於同軸腔內基模為橫電磁(TEM)模式，其電場成輻射狀，隨著半徑的增加而場的密度降低。另外，由於介於輸入接頭與中部合成同軸波導之間的同軸漸變波導內的腔體為半徑逐漸增大的同軸腔，由同軸接頭到外側天線的傳播距離長於到內側天線的距離。所以為了保持異面鰭線天線30與31能夠取得同樣幅度與相位的信號，外側異面鰭線30的初始寬度寬於內側異面鰭線31，而且外側異面鰭線30的起始位置也相比於內側異面鰭線更靠近同軸漸變波導。在一種情況下，基板M具有與同軸腔中心線呈非直角的邊緣，異面鰭線上下金屬的起始點與基板的邊緣保持一致，對於每一個異面鰭線其上下金屬的起始點相對卡的邊緣有所不同。在其他情況下，基板的邊緣可以是呈階梯狀，異面鰭線30與31各自的上下金屬起始點相同，但是30與31之間有一定距離。在天線的設計上，通過調整兩個異面天線30和31的初始寬度與相對位置最終保證兩個異面鰭線天線取得相同幅度與相位的信號。異面鰭線30與31的終端為微帶線觀與四，它們分別與放大器單元21與22的輸入端相連。放大器21與22的輸出端和輸出天線電路23相連。輸出天線電路23與輸入天線20對稱，同樣有並列的兩個異面鰭線，並且兩個鰭線天線的寬度與相對位置和輸入天線電路一致，以保證每個鰭線天線取得相同的信號幅度與相位。圖3是使用具有推挽結構的卡的放大器的縱截面圖40，輸入信號經輸入埠 41和輸入同軸漸變波導42傳輸到中部有多個卡44構成的中部合成同軸波導43。每個卡43上的輸入端有兩個並列的異面鰭線天線47與48。兩個異面鰭線天線的初始寬度與相對位置不同以保證它們能夠取得相同幅度和相位的輸入信號。靠近外側的異面鰭線天線47寬度更寬，位置更靠近輸入埠，以補償由於場密度隨半徑下降和到輸入埠距離更長這兩個因素造成的影響。異面鰭線在基板上層的金屬為53和M。圖中還顯示了相對於軸心線的另一個卡55，由於同軸對稱性，該卡上顯示的是異面鰭線天線底部的金屬56。圖3中異面鰭線47與48的上層金屬轉化為微帶線並與放大器單元49與50相連， 然後輸出到對稱的異面鰭線51與52，再通過輸出同軸漸變波導45將放大後的信號傳輸到輸出埠 46。圖4顯示了圖3中A-A，，B_B，和C_C，三個位置的橫截圖。㈧中所示為同軸腔的一部分60在A-A』平面的截圖，其內部電場沿徑向方向發散，強度隨半徑增加而減弱。圖中箭頭表示電場方向。(B)中所示為同軸腔的一部分在B-B』平面的截圖，基板61上印有兩個異面鰭線天線。上層金屬62與底層金屬63構成靠近內側的異面鰭線天線65，電場方向由上層金屬62指向底層金屬63，並且強度較大。而底層金屬63還與另外一個上層金屬64 構成外側異面鰭線天線66，其電場方向由底層金屬63指向上層金屬64，並且強度隨著同軸腔半徑增加而減小。(C)中所示為同軸腔的一部分在C-C』平面上的截圖，外側異面鰭線的上層金屬轉化為微帶線67，而內側異面鰭線的上層金屬轉化為微帶線68，底層金屬轉化為覆蓋整個底層的地板69。微帶線68上的電場方向由微帶線線指向地層，而微帶線67上的電場方向相反。所以微帶線67與68上的信號具有相反的相位，而這正好滿足推挽結構的要求。所以鰭線天線將信號轉化為兩路幅度相同相位相反的信號，可以用來驅動兩個工作在B類狀態的放大器單元，再通過同樣的鰭線天線電路將兩路信號在輸出端相加，這樣就構成B類推挽放大器。這種結構具有效率高，線性度好，諧波低等優點。同時由於應用了鰭線天線的內在特性，所以結構簡單，尺寸小，損耗低。通過合成多個具有B類推挽結構的卡的放大器整體也將有著效率高，線性度好等所有優點。在其他情況下放大器單元的工作狀態也可以進行調整，例如可以工作在B類，AB 類，C類或者A類等狀態，以取得最佳的效率和線性度等指標。而天線電路也可以有所不同。如圖5顯示了在卡70上的另一種異面鰭線天線結構其上層金屬71不是位於基板的兩側，而是中間；其底層金屬72則是由兩側逐漸過渡為整個地板。上層金屬71在末端分為兩路微帶線75與76，分別與兩個放大器相連。該結構還是使用兩個並列的異面鰭線天線73 (外側)和74 (內側)，每個異面鰭線天線的尺寸和相對位置同樣要加以調整以保持每一路信號的幅度與相位保持一致。圖6顯示了卡80上使用的同面鰭線天線電路。在基板上81有兩個寬帶逐漸變小的同面鰭線天線82(外側)和83(內側)，每個同面鰭線天線的寬度逐漸變小，轉變為槽線 84和85，並且在槽線的末端連接有槽線到微帶線的轉換電路，將信號轉換到微帶線後傳輸給放大器單元。每個同面鰭線天線的初始寬度與位置同樣需要加以調整以保證每一路上的信號幅度與相位相同。
圖7顯示了卡90上的另外一種鰭線天線電路。該電路只有一個同面鰭線天線91， 其金屬92位於基板93的底層。同面鰭線天線的寬度逐漸變小轉變為槽線94，在距離槽線終端96四分之一波長的距離處的上層有微帶線95，該微帶線通過與槽線的正交結構相耦合，其兩個輸出端97和98耦合有幅度相同而相位相反的信號。其功能與使用兩個並列的鰭線天線的電路相同，可以與兩個放大器單元99和100和一個對稱的輸出天線電路101結合，形成推挽結構，以提高效率和線性度。由圖2至圖7的卡的結構都是應用在同軸腔之內的，它們也可以使用在矩形波導腔內。不過每個卡Iio的金屬基底不再具有楔形截面，而是如圖8所示具有矩形截面，並且兩邊對稱。當多個卡疊加在一起就形成矩形波導111，而波導內有鰭線天線陣列從波導腔內耦合能量。每個卡上的推挽電路可以提高效率與線性度，同樣整個放大器也就具有了更好的效率與線性度。圖9是一個用於矩形波導內的卡120。它的金屬基板有矩形橫截面，並且是對稱的。它的輸入和輸出端有矩形槽122和123，而中間部分相連通，當多個卡疊加在一起就形成矩形波導腔。它使用兩個並列的異面鰭線天線1 和125，天線的基板與電場方向平行。 異面鰭線的上層金屬1 與127位於電路板的上層，而金屬1 位於電路板底層。上層金屬逐漸過渡為微帶線1 和130，分別與兩個放大器131和132相連，然後同與輸入端對稱的輸出天線133相連。由於矩形波導內沿電場方向場強分布均勻，所以每個卡上的兩個異面鰭線天線1 與125對稱，可以獲得同樣幅度與相位的信號。
權利要求
1.一種推挽放大器結構，包括輸入埠，輸入波導，輸出波導和輸出埠以及中部由多個卡疊加而成的中部波導結構，其特徵是每個卡上都有著一對可以輸出兩路同幅度和相位相反信號的電路結構，和兩個放大器單元構成推挽放大器單元。
2.根據權利要求1所述的推挽放大器結構，其特徵是中部的波導結構是同軸波導，每個卡具有楔形界面，可以疊加構成同軸波導。
3.根據權利要求1所述的推挽放大器結構，其特徵是中部的波導結構是矩形波導，每個卡具有矩形界面，可以疊加構成矩形波導。
4.一種推挽放大器結構，包括輸入埠，輸入波導，輸出波導和輸出埠以及中部由多個卡疊加而成的波導結構，其特徵是每個卡上有輸入天線和輸出天線，及兩個放大器單元； 輸入與輸出天線上各自包括一對並行的異面鰭線電路，異面鰭線天線的起始位置及寬度略有不同以保證各自的微帶線輸出端具有相同的幅度和相反相位；輸入和輸入天線的兩個微帶線埠分別和兩個放大器單元的輸入和輸出埠相連，構成推挽放大器單元。
5.根據權利要求4所述的推挽放大器結構，其特徵是中部的波導結構是同軸波導，每個卡具有楔形界面，可以疊加構成同軸波導。
6.根據權利要求4所述的推挽放大器結構，其特徵是中部的波導結構是矩形波導，每個卡具有矩形界面，可以疊加構成矩形波導。
7.根據權利要求4所述的推挽放大器結構，其特徵是輸入和輸出天線上的一對異面鰭線的上表面金屬分別由兩側漸變為兩路微帶線。
8.根據權利要求4所述的推挽放大器結構，其特徵是輸入和輸出天線上的一對異面鰭線的上表面金屬由中部漸變分為兩路微帶線。
9.一種推挽放大器結構，包括輸入埠，輸入波導，輸出波導和輸出埠以及中部由多個卡疊加而成的波導結構，其特徵是每個卡上有輸入天線和輸出天線，及兩個放大器單元； 輸入與輸出天線上各自包括一對位於上表面面的同面鰭線，由同面鰭線漸變為的兩個槽線和與槽線相連的兩個微帶線接口 ；同面鰭線天線的起始位置及寬度略有不同，並且兩個微帶線接口和兩個槽線的相反極性的埠相連，使兩個微帶線接口具有相同幅度和相反相位的輸出；輸入和輸入天線的兩個微帶線接口分別和兩個放大器單元的輸入和輸出埠相連，構成推挽放大器單元。
10.根據權利要求9所述的推挽放大器結構，其特徵是中部的波導結構是同軸波導，每個卡具有楔形界面，可以疊加構成同軸波導。
11.根據權利要求10所述的推挽放大器結構，其特徵是中部的波導結構是矩形波導， 每個卡具有矩形界面，可以疊加構成矩形波導。
12.一種推挽放大器結構，包括輸入埠，輸入波導，輸出波導和輸出埠以及中部由多個卡疊加而成的波導結構，其特徵是每個卡上有輸入天線和輸出天線，及兩個放大器單元；輸入與輸出天線上各自包括一個位於背面的同面鰭線，由同面鰭線漸變為的槽線和位於上表面的微帶線，其中微帶線和槽線交叉耦合，具有兩路相同幅度和相反相位的輸出；輸入和輸入天線的兩個微帶線埠分別和兩個放大器單元的輸入和輸出埠相連，構成推挽放大器單元。
13.根據權利要求9所述的推挽放大器結構，其特徵是中部的波導結構是同軸波導，每個卡具有楔形界面，可以疊加構成同軸波導。
14.根據權利要求10所述的推挽放大器結構，其特徵是中部的波導結構是矩形波導， 每個卡具有矩形界面，可以疊加構成矩形波導。
全文摘要
為了克服大功率半導體放大器的線性度難以滿足通信系統要求，輸出諧波高，需要外加濾波器的缺點，本發明提供一種利用空間合成結構的B類推挽放大器放大器設計。該放大器具有線性度好，輸出功率高和體積小的優點。本發明將B類推挽放大器所需產生兩路幅度相同相位相反的信號的巴倫集成於用於空間合成的天線之內，實現了系統的小型化。其解決技術問題所採用的具體方案是利用空間合成結構中的鰭線天線構成具有雙路輸出和180度相移的巴倫，由同樣的輸入和輸出巴倫構成B類推挽放大器單元，通過空間合成結構將B類推挽放大器單元陣列進行有效的合成，可實現大功率輸出，同時保證良好的線性度和高的效率。
文檔編號H03F3/26GK102315825SQ20101021825
公開日2012年1月11日 申請日期2010年7月6日 優先權日2010年7月6日
發明者楊健 申請人:楊健