高合成效率的毫米波段功率放大器的製作方法

2023-04-27 20:53:21

專利名稱：高合成效率的毫米波段功率放大器的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種應用於微波毫米波系統的功率合成放大器實現方法及實 現裝置，屬於微波毫米波技術領域。
背景技術：
在毫米波頻段，由於受微波單片集成電路(MMIC)工藝水平的限制，單個 MMIC功放晶片所能提供的最大輸出功率往往不能滿足系統設計要求。解決這個 問題的有效途徑就是採用功率合成技術來構建發射機的末級功率放大器。以往的 研究表明，隨著功率放大器中MMIC器件個數的增加，空間功率合成比平面功率 合成具有更高的合成效率。然而，空間功率合成電路的設計和製作都比較複雜，
生產成本也比較高。
基片集成波導(SIW)是近年來興起的一種新型導波技術。利用這項技術， 可以通過在上下面敷銅的低損耗介質基片加入兩排金屬化通孔陣列，來實現傳統 的矩形金屬波導的功能。由於它的傳播特性與矩形金屬波導類似，所以具有高Q 值、低損耗、高功率容量等優點。同時由於基片集成波導是可用普通的印製板工 藝實現的平面結構，並且通過調節印製板厚度或金屬化通孔陣列間距的方式就可 方便的控制傳輸信號的相位特性，因此利用該項技術設計的無源器件就會具有設 計簡單、加工成本較低、易於與其它平面電路實現無縫集成、調試和測試方便、 便於大批量生產等優點。
發明內容
技術問題本實用新型的目的是解決目前毫米波功率合成放大器技術方案 中工作帶寬較窄、設計複雜、加工精度要求高、器件安裝不容易、生產成本較貴、 電路的調試和測試比較困難等問題。提供一種設計簡單、加工成本較低、易於生 產、調試和測試的高合成效率的毫米波段功率放大器，促進基片集成波導技術在 微波毫米波系統及設備中更好的應用。
技術方案本實用新型的高合成效率的毫米波段功率放大器的基本組成單 元是SIW功分合成單元，將n個輸入對稱尖劈過渡結構層疊在一起，沿輸入波導緊密插入到輸入波導中，將n個輸出對稱尖劈過渡結構層疊在一起，沿輸出波導 緊密插入到輸出波導中；SIW功分合成單元作為柔性波導來使用，MMIC功放器件 及其附件分別被安裝在每個SIW功分/合成單元中間部位；利用基片集成波導具 有和矩形金屬波導相類似的傳輸特性和場分布特性，通過輸入波導與n個等厚度 的SIW功分合成單元上的輸入對稱尖劈過渡結構和輸入基片集成波導組成n路功 分器，通過n個等厚度的SIW功分/合成單元上的輸出基片集成波導和輸出對稱 尖劈過渡結構與輸出波導組成n路合成器。
SIW功分合成單元從其一端至另一端順序設有輸入對稱尖劈過渡結構、輸入 基片集成波導、基片集成波導-微帶轉換結構、MMIC功放器件、微帶-基片集 成波導轉換結構、輸出基片集成波導、輸出對稱尖劈過渡結構。輸入基片集成波 導和輸出基片集成波導採用不等寬方案設計，保證各SIW功分合成單元傳輸相位一致。
有益效果本實用新型提出的高合成效率的毫米波段功率放大器設計方案 具有以下優點
(1) 良好的寬帶特性。由于波導的傳播主模為TEw模，其沿波導窄壁的電 場分量為零。而且，SIW的傳播主模為類TE,。模。
(2) 高合成效率。通過調節基片集成波導的寬度，可使功分器或合成器的 每路輸出或輸入信號具有等幅、同相的特性。
(3) 隨著功放中功放晶片數量的增加，功率合成效率不會受到太大的影響。 這個特性是由功放中功分/合成器的結構特點所保證的，其功率分配或功率合成 分別在輸入波導或輸出波導內完成。
(4) 具有良好的性能，便於設計、製作和與其它平面電路(包括有源器件) 銜接。這是由於基片集成波導本身所具有的高Q值、低損耗、易集成和便於加工 等特性。


圖1是本實用新型所採用的siw功分/合成單元結構示意圖。
圖2是本實用新型所採用的高合成效率的毫米波段功率放大器結構示意圖 (頂視圖)。
圖3是本實用新型所採用的高合成效率的毫米波段功率放大器結構示意圖 (側視圖)。
圖4是本實用新型的一種具體實施方式
，高合成效率的毫米波段功率放大器
4的測試結果。
圖5是本實用新型的一種具體實施方式
，高合成效率的毫米波段功率放大器
的功率合成效率計算結果。
以上的圖中有輸入對稱尖劈過渡結構l、輸入基片集成波導2、基片集成
波導-微帶轉換結構3、薩IC功放器件4、微帶-基片集成波導轉換結構5、輸出 基片集成波導6、輸出對稱尖劈過渡結構7、金屬襯底8、 SIW功分合成單元9、 輸入波導10、輸出波導11、功分器12、合成器13、底座散熱器14、上蓋散熱 器15、金屬襯底16。
具體實施方式
高合成效率的毫米波段功率放大器的設計方法中，功率放大器的基本組成 單元是一對含對稱尖劈過渡結構的薄基片集成波導(簡稱SIW功分/合成單元)， 將單元上的對稱尖劈過渡結構層疊在一起，並沿波導窄壁分別緊密插入到輸入和 輸出波導中，SIW功分/合成單元處于波導外的部分被折彎，作為柔性波導來使 用，麗IC功放器件及其附件分別被安裝在每個SIW功分/合成單 元中間部位。由
於單元長度各不相同，為保證各單元傳輸相位一致，採用不等寬方案設計單元上
的基片集成波導。圖l給出了SIW功分/合成單元結構示意圖，圖2給出了基於 FSIW技術的合成型功率放大器結構示意圖(頂視圖)，圖3給出了基於FSIW技 術的合成型功率放大器結構示意圖(側視圖)。
利用基片集成波導具有和矩形金屬波導相類似的傳輸特性和場分布特性， 通過輸入波導10與n個等厚度的SIW功分/合成單元9上的輸入對稱尖劈過渡結 構1和輸入基片集成波導2可組成n路功分器12，通過n個等厚度的SIW功分/ 合成單元9上的輸出基片集成波導6和輸出對稱尖劈過渡結構7與輸出波導11 可組成n路合成器13。
信號進入輸入波導10，被分為n個等份再分別進入相應的輸入基片集成波 導2，經基片集成波導-微帶轉換結構3後進入n個MMIC功放器件4放大，n路 放大後的信號經微帶-基片集成波導轉換結構5後進入相對應的輸出基片集成波 導6，並送入到輸出波導ll完成功率合成和信號輸出。功率放大器的n路功分 器12和n路合成器13的結構是對稱的。
該Ka波段功率合成放大器裝置主要器件包括輸入波導IO、八個SIW功 分/合成單元9、輸出波導ll、金屬底座14、上蓋散熱器15、底座散熱器16, 其中八個SIW功分/合成單元9上分別裝有八個MMIC功放器件4。信號進入輸入波導10，被分為八等份在分別進入相應的輸入基片集成波導2，經基片集成波導 -微帶轉換結構3後進入八個MMIC功放器件4放大，八路放大後的信號經微帶-基片集成波導轉換結構5後進入相對應的輸出基片集成波導6，最後送入到輸出 波導11完成功率合成和信號輸出。金屬底座14起安放八個SIW功分/合成單元 9的作用，上蓋散熱器15和底座散熱器16用來散去功放晶片工作時所產生的熱 量。該裝置中輸入波導IO和輸出波導11結構相同，均為Ka波段減高波導。
本實用新型實際研製了一個高合成效率的毫米波段功率放大器。該功放主要 由輸入波導10、八個SIW功分/合成單元9、輸出波導11、金屬底座14、上蓋散 熱器15、底座散熱器16組成，其中八個SIW功分/合成單元9上分別裝有八個 MMIC功放器件4，同時每個SIW功分/合成單元9的接地背面均焊接有一塊金屬 襯底8。該裝置中輸入波導10和輸出波導11結構相同，均為Ka波段減高波導。
八個輸入對稱尖劈過渡結構1層疊在一起,並沿波導窄壁緊密地插入到輸入 波導9內，八個輸出對稱尖劈過渡結構7層疊在一起，並沿波導窄壁緊密地插入 到輸出波導10內。八個金屬襯底8的下端部分則依次插入到金屬底座H對應的 刻槽中，並通過螺釘固定。金屬底座14安裝在底座散熱器16上，通過底座散熱 器16為功放散熱。同時，上蓋散熱器15通過螺釘與金屬襯底8上端部分緊密連 接，具有附助散熱作用。安裝在SIW功分/合成單元9上的MMIC功放器件4的背 部接地面被焊接在金屬襯底上，MMIC功放器件4的信號接口和電源接口則通過 鐧合工藝與外部相連。金屬襯底8可以將躍IC功放器件4產生的熱量傳導到金 屬底座14和上蓋散熱器15上。
信號進入輸入波導10，被分為八等份在分別進入相應的輸入基片集成波導 2，經基片集成波導-微帶轉換結構3後進入八個MMIC功放器件4放大，八路放 大後的信號經微帶-基片集成波導轉換結構5後進入相對應的輸出基片集成波導 6，最後送入到輸出波導ll完成功率合成和信號輸出。
圖4給出了該八路功率放大器在連續波(CW)工作方式下輸入和輸出功率的 測試結果，可以看出，在26. 5GHz頻率上該功率放大器的最大輸出功率約為4. 2W。 在25.6GHz 28.2GHz頻率範圍內，功率增益均大於13dB。圖5給出了計算所得 到的合成效率曲線，在26. 4GHz頻點上其最大合成效率約為72. 5%,在25. lGHz 28. 4GHz頻率範圍內，合成效率大於60%。
權利要求1、一種高合成效率的毫米波段功率放大器，其特徵在於該功率放大器的基本組成單元是SIW功分合成單元(9)，將n個輸入對稱尖劈過渡結構(1)層疊在一起，沿輸入波導(10)緊密插入到輸入波導(10)中，將n個輸出對稱尖劈過渡結構(7)層疊在一起，沿輸出波導(11)緊密插入到輸出波導(11)中；SIW功分合成單元(9)作為柔性波導來使用，MMIC功放器件(4)及其附件分別被安裝在每個SIW功分/合成單元(9)中間部位；利用基片集成波導具有和矩形金屬波導相類似的傳輸特性和場分布特性，通過輸入波導(10)與n個等厚度的SIW功分合成單元(9)上的輸入對稱尖劈過渡結構(1)和輸入基片集成波導(2)組成n路功分器(12)，通過n個等厚度的SIW功分/合成單元(9)上的輸出基片集成波導(6)和輸出對稱尖劈過渡結構(7)與輸出波導(11)組成n路合成器(13)。
2、 如權利要求1所述的高合成效率的毫米波段功率放大器，其特徵在於 SIW功分合成單元(9)從其一端至另一端順序設有輸入對稱尖劈過渡結構(1)、 輸入基片集成波導(2)、基片集成波導-微帶轉換結構(3)、 MMIC功放器件(4)、 微帶-基片集成波導轉換結構(5)、輸出基片集成波導(6)、輸出對稱尖劈過渡 結構(7)。
3、 如權利要求1所述的高合成效率的毫米波段功率放大器，其特徵在於 輸入基片集成波導(2)和輸出基片集成波導(6)採用不等寬方案設計，保證各 SIW功分合成單元(9)傳輸相位一致。
專利摘要高合成效率的毫米波段功率放大器可作為毫米波系統中發射機的末級功率放大器的技術方案。功率放大器的基本組成單元是一對含對稱尖劈過渡結構的薄基片集成波導。將該單元上的對稱尖劈沿波導窄壁分別插入相應的輸入和輸出矩形金屬波導，就可在波導內實現寬帶、高效率的功率分配和功率合成。同時，由於信號經FSIW被引入到波導外進行放大，方便了放大器安裝、調試和散熱。實現了一個Ka波段八路合成寬帶功率放大器裝置，在26.5GHz頻率上最大輸出功率約為4.2W(連續波)。在26.4GHz頻率上最大合成效率約為72.5％，在25.1GHz～28.4GHz頻率範圍內，合成效率大於60％。
文檔編號H03F3/60GK201378827SQ20092004112
公開日2010年1月6日 申請日期2009年4月3日 優先權日2009年4月3日
發明者朱紅兵, 偉 洪, 玲 田 申請人:東南大學