基于波導的功率合成器的製作方法

2023-10-04 10:05:34 1

專利名稱：基于波導的功率合成器的製作方法
技術領域：
本發明涉及微波技術領域，特別是涉及一種基于波導的應用於低損耗大功率的微波功率合成器。
背景技術：
在微波技術領域，微波功率放大器是一個不可或缺的組成部分，而微波功率放大 器最重要的指標則是輸出功率、效率以及增益。近年來固態微波功率器件發展迅猛，逐漸替 代了以往笨重的行波管放大器，其中半導體固態微波器件具有體積小、重量輕、穩定性高等 特點，然而固態微波功率器件的最大缺點是輸出功率相對較低，為了獲得大功率微波，往往 需要採用功率合成的方式。功率合成網絡有很多種，主要以平面電路的Wilkinson功率分配器、Langer耦合 器等為主，波導功率合成通常採用E面分支或H面分支器，近年來空間功率合成的方式發展 迅速。平面電路的功分/功合器優點是體積小，成本低，但是損耗相對較大。基于波導的功 率合成器特點是損耗極小，但是體積往往較大。另外，普通的波導E面或H面分支器，帶寬 往往受限比較大，通常只能達到中心頻率的10% 20%，應用範圍受限。平面電路微波功率合成還有其他一些缺點，由於平面電路的基板最終總是要安裝 在一個特定大小的腔體內，由於腔體往往較大，容易在不連續處激發出其他的模式造成增 益不平坦或者幹擾其他電路，為了減少這種效應，往往需要在腔體內加入吸波材料，從而進 一步加大插入損耗。並且，平面電路的功率容量也要遠小于波導結構。其次，大功率功率放大器還面臨散熱的問題。由於固態微波功率器件效率通常在 20% 30%之間，放大器產生的熱量會使功率器件溫度上升過高，從而影響器件性能，嚴重 時將引起器件燒毀，由於不同材料有不同的膨脹係數，所以溫度過高也會影響微波功率器 件安裝的可靠性。為了更好的散熱，功率合成器往往採用全金屬結構，功率器件與熱沉之間的距離 越短越好，一般採用熱導率高的金屬銅或鋁作為載體。

發明內容
(一)要解決的技術問題本發明的目的在於克服以往波導功率分配/合成器帶寬受限、體積大的缺點，提 供一種基于波導的功率合成器，該功率合成器採用不同寬度的波導結構，以避免通常的E 面分支器1/4 λ匹配部分，在波導功率分配的同時，還與微帶探針形式的3dB功率分配/合 成相結合，在更小的體積內實現四路波導功率合成。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種基于波導的功率合成器，該功率合成器採用 上下雙層結構，由兩個3dB矩形波導功分/功合模塊、四個功率放大模塊和八個微帶探針構 成，其中，兩個3dB矩形波導功分/功合模塊左右對稱，四個功率放大模塊位於兩個3dB矩形波導功分/功合模塊的對稱平面上，且該四個功率放大模塊關於兩個3dB矩形波導功分 /功合模塊對稱平面的中心對稱分布，每個功率放大模塊的兩端分別連接一個微帶探針，微 帶探針的另一端插入3dB矩形波導功分/功合模塊與3dB矩形波導功分/功合模塊耦合。上述方案中，所述每個3dB矩形波導功分/功合模塊由一個波導分支器和兩個波 導分支構成，用於實現3dB功率的分配與合成，且3dB矩形波導功分/功合模塊、波導分支 器和波導分支均為上下兩部分共同構成。上述方案中，所述兩個3dB矩形波導功分/功合模塊分為上下兩層安裝在八個微 帶探針之間，上下兩層對稱安裝。
上述方案中，所述3dB矩形波導功分/功合模塊是MMIC晶片，或是內匹配功率管。上述方案中，所述波導分支為E面分支，波導分支的寬度為主波導寬度的1/2。上述方案中，所述主波導寬度為7. 9mm，波導分支的寬度為3. 95mm。上述方案中，所述微帶探針由波導分支的側壁插入，每個波導分支被插入兩個微 帶探針，微帶探針平面平行于波導分支的窄邊，微帶探針一側在波導分支內用以耦合微波 能量，另一側連接功率放大模塊。上述方案中，所述微帶探針與波導分支之間的連接關係關於功率放大模塊左右對 稱，四個功率放大模塊分為上下兩層安裝在八個微帶探針之間。上述方案中，所述微帶探針與波導短路面的距離為工作頻段中心頻率1/4波長的 0. 6 0. 8倍，微帶探針深入波導的距離為波導分支寬度的0. 7 0. 9倍。上述方案中，該功率合成器工作時，微波信號由一個3dB矩形波導功分/功合模塊 輸入，經由一個波導分支器分為兩路分別傳輸至兩個波導分支，兩個波導分支各將微波信 號耦合至兩個微帶探針，四個微帶探針分別連接四個功率放大模塊，經由功率放大模塊將 微波功率放大之後，又將微波信號傳輸至另一側的四個微帶探針，然後經由微帶探針將微 波信號耦合至兩個波導分支，兩個波導分支再將微波信號傳輸至一個波導分支器，波導分 支器將微波信號合成之後輸出至另一個3dB矩形波導功分/功合模塊的波導口。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果1、本發明提供的這種基于波導的功率合成器，具有插入損耗極低，Ku波段小於 0. ldB，體積較一般的波導分支器小。2、本發明提供的這種基于波導的功率合成器，具有寬帶的特性，帶寬等于波導本 身固有的帶寬。3、本發明提供的這種基于波導的功率合成器，微帶探針功率分配具有高帶寬的特 性，從而使得整個功率合成器具有寬帶特性。4、本發明提供的這種基于波導的功率合成器，其安裝方式適合散熱和加工製作， 上下兩層的熱量分別由上下兩塊載體傳導出來。5、本發明提供的這種基于波導的功率合成器，具有帶寬大的特點，其中功分/功 合模塊部分的帶寬僅取決于波導本身的帶寬，如使用在Ku波段，則帶寬為Ku波段矩形波導 的固有帶寬範圍，該功率合成器還具有損耗極低、散熱好的特點，從而實現高功率、高效率 的微波功率合成。


圖1是本發明提供的基于波導的功率合成器的結構示意圖；圖2是本發明提供的基于波導的功率合成器中波導分支器的等效圖；圖3是本發明提供的基于波導的功率合成器中波導分支器的等效電路圖；圖4是本發明提供的基于波導的功率合成器中微帶探針匹配的示意圖；圖5是本發明提供的基于波導的功率合成器在無源時反射係數與插入損耗測試 結果；圖6是本發明提供的基于波導的功率合成器中(1 4)功分/功合的電磁場仿真結果。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。如圖1所示，圖1是本發明提供的基于波導的功率合成器的結構示意圖，該功率合 成器採用上下雙層結構，由兩個3dB矩形波導功分/功合模塊、四個功率放大模塊和八個微 帶探針構成，其中，兩個3dB矩形波導功分/功合模塊左右對稱，四個功率放大模塊位於兩 個3dB矩形波導功分/功合模塊的對稱平面上，且該四個功率放大模塊關於兩個3dB矩形 波導功分/功合模塊對稱平面的中心對稱分布，每個功率放大模塊的兩端分別連接一個微 帶探針，微帶探針的另一端插入3dB矩形波導功分/功合模塊與3dB矩形波導功分/功合 模塊耦合。微帶探針和功率放大模塊分為上下兩層，完全對稱，不僅緊湊，而且可以很方便的 加工實現，且由於上下兩面都是金屬，功率器件產生的熱量在很短的距離內散到放大器外 殼，從而具有良好的散熱性能。工作時，微波先由主波導口輸入，然後經過波導分支器分成兩路，每一路又通過上 下兩層探針分成兩路，通過功率放大器件放大後再由同樣的微帶探針、波導分支器功率合 成到主波導輸出。圖2示出了本發明提供的基于波導的功率合成器中波導分支器的等效圖。該波導分支器實際可以等效成兩個窄波導90度拐角的疊加，其帶寬決定于波導拐角，而90度拐角 的波導帶寬幾乎是不受限制的，往往可以在波導本身的帶寬內達到_30dB以下的駐波，所 以該波導分支器帶寬才得以覆蓋整個波導所在頻段。為了更好的理解該分支器，其場-路 等效電路圖如圖3所示，設主波導阻抗為Z0，則分支波導的阻抗為Z0/2，該分支器直接將兩 個Z0/2串聯得到主波導阻抗Z0，從而避免了 1/4λ阻抗匹配。分為兩層的微帶探針又相當於3dB功率分配/合成，從而實現4路功率分配/合 成。微波探針與波導短路面的距離為工作頻段中心頻率1/4波長的0. 6 0. 8倍而不是剛 好等於1/4波長，也是為了提高微帶探針耦合的帶寬。由于波導內模式非常複雜，難以用公 式定量表示，但是實際結果是取探針和短路面距離在0. 6 0. 8倍1/4波長附近，並且探針 深入長度取波導分支的寬度的0. 7 0. 9倍時，探針的阻抗約相當於ZO (假設微帶的特徵 阻抗為Z0)串聯一段阻抗較大，長度為負數的傳輸線，剛好可以用一段長度合適的高阻匹 配線來抵消，如圖4所示，匹配後的阻抗與頻率關係不大，從而達到較大的帶寬。
再參照圖1，本發明提供的基于波導的功率合成器包括兩個3dB矩形波導功分/功合模塊(1)、四個功率放大模塊(2)和八個微帶探針(3)。其中，3dB矩形波導功分/功合模 塊(1)、波導分支器(4)和波導分支(5)均為上下兩部分共同構成。一個3dB矩形波導功 分/功合模塊(1)由一個波導分支器(4)和兩個波導分支(5)組成，實現了 3dB功率分配 與合成，兩個波導分支(5)為E面分支，波導分支的寬度為主波導寬度的1/2。主波導寬度 為7. 9mm,分支的寬度為3. 95mm。微帶探針(3)由波導分支(5)的側壁上插入，每個波導分支(5)插入兩個微帶探 針(3)，微帶探針平面平行于波導分支(5)窄邊，微帶探針(3) —側在波導分支(5)內用以 耦合微波能量，另一側連接功率放大模塊(2)，功率放大模塊(2)兩側的微帶探針(3)以及 波導分支(5)之間的連接關係完全一樣。整個功率合成器共有四個波導分支(5)，這四個波導分支(5) —共連接八個微帶 探針(3)，八個微帶探針(3)與波導短路面的距離為4. 8mm，微帶探針(3)伸入波導的部分 長為3. 2mmο四個功率放大模塊(2)分為上下兩層安裝在八個微帶探針(3)之間，上下兩層對 稱安裝的4個功率放大模塊為GaAs匪IC裸晶片。微帶基片厚度為0. 254mm，匹配線長度為2. 17mm用於將探針阻抗匹配到50歐姆。整個功率合成器工作時，微波信號由1個3dB矩形波導功分/功合模塊(1)輸入， 經由一個波導分支器(4)分為兩路分別傳輸至兩個波導分支(5)，兩個波導分支(5)各將微 波信號耦合至兩個微帶探針(3)，四個微帶探針(3)分別連接四個功率放大模塊(2)，經由 功率放大模塊(2)將微波功率放大之後，又將微波信號傳輸至另一側的四個微帶探針(3)， 然後經由微帶探針將微波信號耦合至兩個波導分支(5)，兩個波導分支(5)再將微波信號 傳輸至一個波導分支器(4)，波導分支器(4)將微波信號合成之後輸出至3dB矩形波導功分 /功合模塊(1)的波導口。圖1中，由於上下兩部分合起來之後才算是矩形波導，矩形波導應當是矩形的封 閉腔體，所以上下兩部分各包括的兩個矩形波導功分/功合模塊實際上只是兩個。即，3dB 矩形波導功分/功合模塊(1)、波導分支器(4)和波導分支(5)均為上下兩部分共同構成。本實例所述Ku波段功率合成器無源測試結果如圖5所示，測試時，功率放大晶片 用50歐姆微帶線代替。從圖5可以看到，Sll在12 18GHz整個Ku頻段內小於15dB，S12在12 17GHz 內小於0. 3dB,由於背靠背測試相當於功率器件直接到達輸出端損耗的兩倍，所以估計功率 器件的損耗應當小於0. 15dB，合成效率高達97%，幾乎沒有損耗。由於1-4的功分/功合無源模塊無法單獨測試，只能給出電磁場仿真結果，如圖 6所示，其中Pl埠為波導口，P2 P5為探針匹配到50歐的微帶線埠，可以看到S12、 S13、S14、S15均在-6dB -6. IdB之間，Sll在全頻段內小於_16dB。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡 在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保 護範圍之內。
權利要求
一種基于波導的功率合成器，其特徵在於，該功率合成器採用上下雙層結構，由兩個3dB矩形波導功分/功合模塊、四個功率放大模塊和八個微帶探針構成，其中，兩個3dB矩形波導功分/功合模塊左右對稱，四個功率放大模塊位於兩個3dB矩形波導功分/功合模塊的對稱平面上，且該四個功率放大模塊關於兩個3dB矩形波導功分/功合模塊對稱平面的中心對稱分布，每個功率放大模塊的兩端分別連接一個微帶探針，微帶探針的另一端插入3dB矩形波導功分/功合模塊與3dB矩形波導功分/功合模塊耦合。
2.根據權利要求1所述的基于波導的功率合成器，其特徵在於，所述每個3dB矩形波導 功分/功合模塊由一個波導分支器和兩個波導分支構成，用於實現3dB功率的分配與合成， 且3dB矩形波導功分/功合模塊、波導分支器和波導分支均為上下兩部分共同構成。
3.根據權利要求2所述的基于波導的功率合成器，其特徵在於，所述兩個3dB矩形波導 功分/功合模塊分為上下兩層安裝在八個微帶探針之間，上下兩層對稱安裝。
4.根據權利要求2所述的基于波導的功率合成器，其特徵在於，所述3dB矩形波導功分 /功合模塊是MMIC晶片，或是內匹配功率管。
5.根據權利要求2所述的基于波導的功率合成器，其特徵在於，所述波導分支為E面分 支，波導分支的寬度為主波導寬度的1/2。
6.根據權利要求5所述的基于波導的功率合成器，其特徵在於，所述主波導寬度為 7. 9mm，波導分支的寬度為3. 95mm。
7.根據權利要求2所述的基于波導的功率合成器，其特徵在於，所述微帶探針由波導 分支的側壁插入，每個波導分支被插入兩個微帶探針，微帶探針平面平行于波導分支的窄 邊，微帶探針一側在波導分支內用以耦合微波能量，另一側連接功率放大模塊。
8.根據權利要求2所述的基于波導的功率合成器，其特徵在於，所述微帶探針與波導 分支之間的連接關係關於功率放大模塊左右對稱，四個功率放大模塊分為上下兩層安裝在 八個微帶探針之間。
9.根據權利要求2所述的基于波導的功率合成器，其特徵在於，所述微帶探針與波導 短路面的距離為工作頻段中心頻率1/4波長的0. 6 0. 8倍，微帶探針深入波導的距離為 波導分支寬度的0.7 0.9倍。
10.根據權利要求2所述的基于波導的功率合成器，其特徵在於，該功率合成器工作 時，微波信號由一個3dB矩形波導功分/功合模塊輸入，經由一個波導分支器分為兩路分 別傳輸至兩個波導分支，兩個波導分支各將微波信號耦合至兩個微帶探針，四個微帶探針 分別連接四個功率放大模塊，經由功率放大模塊將微波功率放大之後，又將微波信號傳輸 至另一側的四個微帶探針，然後經由微帶探針將微波信號耦合至兩個波導分支，兩個波導 分支再將微波信號傳輸至一個波導分支器，波導分支器將微波信號合成之後輸出至另一個 3dB矩形波導功分/功合模塊的波導口。
全文摘要
本發明公開了一種基于波導的功率合成器，該功率合成器採用上下雙層結構，由兩個3dB矩形波導功分/功合模塊、四個功率放大模塊和八個微帶探針構成，其中，兩個3dB矩形波導功分/功合模塊左右對稱，四個功率放大模塊位於兩個3dB矩形波導功分/功合模塊的對稱平面上，且該四個功率放大模塊關於兩個3dB矩形波導功分/功合模塊對稱平面的中心對稱分布，每個功率放大模塊的兩端分別連接一個微帶探針，微帶探針的另一端插入3dB矩形波導功分/功合模塊與3dB矩形波導功分/功合模塊耦合。所述功率合成器具有帶寬大的特點，還具有損耗極低、散熱好的特點，從而實現高功率、高效率的微波功率合成。
文檔編號H01P5/12GK101826648SQ20091007886
公開日2010年9月8日 申請日期2009年3月4日 優先權日2009年3月4日
發明者劉新宇, 吳旦昱, 李濱, 陳曉娟 申請人:中國科學院微電子研究所