CN114725641A - 基于波导内纵向分布式功率合成建造毫米波大功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于波导内纵向分布式功率合成建造毫米波大功率放大器，包括：分配单元，分配单元将第一波导口输入的信号沿波导传输途径经多路第一微带耦合探针将输入信号分配成多路信号输出；放大单元，放大单元和分配单元电连接，将多路信号放大；合成单元，合成单元和放大单元电连接，合成单元通过多路第二微带耦合探针将多路放大的信号合成并沿波导传输途径从第二波导口输出。本发明的毫米波大功率放大器，能够通过频段高低来高效合成得到大功率的毫米波输出，且安装简单易于散热，可以显著提升功率合成型放大器的合成效率和可生产性，构建的大功率放大器具有小型化、高集成、全固态的特点。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于波导内纵向分布式功率合成建造毫米波大功率放大器。
背景技术
现有的功率合成方法中，电路级合成在低频应用中很成功但进入高频毫米波就变得效率低下，而空间功率合成的自由空间/准光合成技术***复杂、制作困难且工作的稳定性和可靠性欠佳，波导内功率合成技术空间受限、散热困难导致合成器件数量有限制且操作实现极其困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了解决现有技术中的功率合成技术在高频毫米波段效率低下、实现困难的问题。本发明提供一种基于波导内纵向分布式功率合成建造毫米波大功率放大器，通过纵向分布式功率合成的波导结构，代替传统的平面传输线作为射频信号的主传输线，在需要采用放大器件进行放大的位置才通过一种过渡结构将能量转换至平面电路上，有效缩短高损耗的平面传输线长度，提高功率合成的效率和整个放大器的功率容量，并简化功率放大器的安装结构和生产制作过程。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于波导内纵向分布式功率合成建造毫米波大功率放大器，包括：
分配单元，所述分配单元将第一波导口输入的信号沿波导传输途径经多路第一微带耦合探针将输入信号分配成多路信号输出；
放大单元，所述放大单元和所述分配单元电连接，将多路信号放大；
合成单元，所述合成单元和所述放大单元电连接，所述合成单元通过多路第二微带耦合探针将多路放大的信号合成并沿波导传输途径从第二波导口输出。
进一步地，所述分配单元包括：
第一波导，所述第一波导内设有第一波导腔，所述第一波导前端敞口形成第一波导口，所述第一波导的后端闭合，所述第一波导侧壁上设有至少两个通孔，所述通孔均穿透所述第一波导侧壁并与所述第一波导腔相连通；
至少两路第一微带耦合探针，所述第一微带耦合探针和所述通孔一一对应，所述第一微带耦合探针的一端穿过所述通孔，朝向所述第一波导腔。
进一步地，所述放大单元包括：
第一放大单元，所述第一放大单元包括至少两个放大器，所述放大器和所述第一微带耦合探针一一对应，所述第一微带耦合探针的另一端和对应的放大器输入端相连。
进一步地，所述合成单元包括：
第二波导，所述第二波导内设有第二波导腔，所述第二波导前端敞口形成第二波导口，所述第二波导的后端闭合，所述第二波导的侧壁上设有至少两个通孔，所述通孔均穿透所述第二波导侧壁并与所述第二波导腔相连通；
至少两个第二微带耦合探针，所述第二微带耦合探针和所述通孔一一对应，所述第二微带耦合探针的一端穿过所述通孔，朝向所述第二波导腔，所述第二微带耦合探针的另一端和所述放大器的输出端相连。
进一步地，所述第一微带耦合探针的输出端均为50欧姆阻抗。
进一步地，所述放大单元还包括第二放大单元，用以将所述第一放大单元的信号放大，所述第二放大单元包括至少两个放大器，所述第二放大单元的放大器的输入端均对应连接所述第一放大单元放大器的输出端，所述第二放大单元的放大器的输出端均对应连接所述第二微带耦合探针。
进一步地，为了便于连接，所述第一波导和所述第二波导的前端均具有波导法兰。
进一步地，所述通孔沿前后方向依次间隔排列。
进一步地，为了固定所述第一微带耦合探针，所述第一波导侧壁上固设有绝缘柱，所述绝缘柱和所述第一微带耦合探针一一对应，所述第一微带耦合探针抵靠在所述绝缘柱上。
本发明的有益效果是，本发明的基于波导内纵向分布式功率合成的毫米波大功率放大器，借助低损耗的波导结构传输线代替传统的同轴或平面传输线作为射频信号的主传输线，在需要采用放大器件进行放大的位置才通过波导-微带过渡结构将能量转换至平面电路上，有效缩短高损耗的平面传输线长度，提高了功率放大合成的效率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是功率合成放大器的拓扑结构；
图2是本发明的波导内纵向分布式功率分配/合成网络；
图3是本发明的基于波导内纵向分布式功率合成的毫米波大功率放大器。
图中：
10、分配单元；11、第一波导；12、第一波导腔；14、第一微带耦合探针；15、绝缘柱；21、第一放大单元；22、第二放大单元；30、合成单元；31、第二波导；32、第二波导腔；34、第二微带耦合探针。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
毫米波是指波长在1到10毫米之间的电磁波，其频率范围在30到300GHz之间。由于其独特的频谱特点，毫米波技术在电信、无线通信、汽车、国防和航空航天、成像、安全、医疗和其他工业得到了广泛的应用，随着低轨卫星建设以及5G毫米波通讯的商用，对毫米波领域相关技术的需求也在大幅增长。而在毫米波频段，大功率信号的获得始终是一个具挑战性的难题，随着超远程的卫星通讯、车载雷达、遥感以及毫米波5G覆盖的参入，对收发机中核心部件毫米波大功率固态功放的需求越来越迫切，对功放能达到的输出功率及放大效率要求也在日益提升。
毫米波频段的放大器件输出功率有限，欲实现大功率输出，采用功率合成技术是一种有效地解决途径。目前，应用最多的功率合成技术包括电路合成与空间功率合成两种。
(一)电路合成
电路合成技术是指将多个功率单元通过合成网络组合起来，获得更大的功率输出，它通常采用平面传输线结构的多级阻抗变换威尔金森电桥和多指Lange耦合器，而合成路数的扩展采用将它们自身或相互级联实现。若对多路合成，需要通过多级合成网络逐步实现的，称之为多级“树形”结构的功率合成，其合成网络级数随着合成支路数量增加而增多，合成损耗则随合成级数迅速增加。对毫米波N-路固态功率合成来说，随着合成支路数目增多，相应的合成网络除了结构、损耗、工作带宽等原因外，合成时还存在模式问题和多路固态功率器件集成问题。已出现的N-路功率合成网络有径向线合成电路、同轴-波导合成电路和Rucker合成电路等形式。在这些传统的N-路功率合成网络中，由于结构和工艺原因，参与合成的支路数量不多，电路损耗较高，几乎不能用于毫米波频段有效地实现多路合成。
电路合成的另一种特殊形式是芯片级合成。芯片级合成技术领域，随着半导体材料工艺，微波毫米波集成技术，精密加工技术和计算机应用技术发展，采用以上电路级的合成技术特别是多级树形二进制合成技术，在同一块半导体基片上多路合成而得到了微波、毫米波功率单片。近数十年来，在同一块芯片上，通过多级二进制Wilkinson电桥网络将多个晶体管的输出组合起来，在毫米波低端GaAs MMIC功率器件上取得了很好的结果。
限制单片集成功率放大器输出能力的主要因素是合成电路损耗。半导体基片上制作的传输线具有较高损耗，当参与合成的器件数量增大时，在多级合成中的最后几级合成时信号路径长，路径损耗大，合成效率低下，难以有效地实现多支路合成。另外，在面积有限的单片集成电路芯片上，多个功率管芯同时工作，集中的多热源导致热量传递问题比较严重。还有，在多路合成的MMIC功率器件上，绝大部分芯片面积用作了合成网络和无源匹配，多路合成的器件制作成本更高。通常，在芯片级合成中，合成级数一般不超过三级。为了提高单个MMIC功率芯片输出能力，除了研究更低损耗的多路合成电路网络外，当前最有效的途径就是从半导体材料，器件以及工艺入手，寻求新器件新方法。
总之，平面传输线随着频率上升越来越大的损耗，限制了电路级合成在高频毫米波的功率合成效率和应用空间。
(二)空间功率合成
空间功率合成技术是八十年代提出的一种微波毫米波功率合成方法，尽管这项技术的提出是在八十年代初，但它真正被人们所重视并加以广泛的研究却是在八十年代后期和九十年代。空间功率合成技术是当前微波、毫米波技术领域中最活跃和最有前途的研究课题之一，它与其他功率合成方法的最大不同之处是可以将合成空间设计成足够大，在微波、毫米波等波长很短的频率上实现多器件的功率合成。
近数十年来研究较多的三种微波、毫米波空间功率合成技术分别为：(a)准光功率合成；(b)波导内功率合成；(C)自由空间波功率合成。准光功率合成技术采用透镜和偏振器控制合成区域中的电磁场，达到功率有效合成的目的。波导内功率合成是在波导中***有源放大阵列，通过波导控制电磁场及波导内场的模式。而自由空间波功率合成则采用过模波导增大了波导横截面，可以实现更多放大单元的功率合成。自由空间波功率合成是准光功率合成的一种变形，与准光功率合成最大的不同之处在于：自由空间波功率合成是一种非谐振型功率合成，而准光功率合成则是一种谐振型功率合成。
从获取更高的固态毫米波功率角度来看，自由空间/准光功率合成技术显示出了突出的优势。在这种合成技术中，多个功率辐射单元，以正确的相位关系，在空间实现功率的叠加，叠加后的功率可以通过探针接收，也可以将功率叠加点直接定位于空间高功率需求处。与电路合成不同，在空间/准光功率合成技术中，功率由有源器件耦合为大直径的导播波束，再通过波束聚焦到空间功率需求点或转换为波导模式输出，合成损耗主要由有源器件输出耦合为传播波束以及传播波束耦合到功率需求点/端口时引起。在这种合成技术中，大直径的波束横截面允许采用的合成单元数目更多，从而可以提供更大的输出功率；而所有的合成单元都处于并联工作状态，理想情况下损耗与合成单元数量无关，使得这种合成技术在大的合成单元数目时具有十分明显的优势，可以满足高功率的需求。但是，在这种多路空间/准光合成技术中，整个合成***结构复杂，设计制作困难；合成输出功率除了受准光阵列各路辐射波相互间的相位关系和空间辐射功率收集效率影响外，保证阵列中各放大单元被均匀照射，完全发挥阵列中所有器件功率输出能力也非常关键；另外，多个固态功率放大器组成的准光阵列实际上也是一个多热源集中的阵列，在保证阵列电性能的同时，很难兼顾阵列中的有效热传输途径，难以保证阵列中功率器件的正常工作。
波导内功率合成被采用的比较多，并有大量高功率输出的成果报道。然而，这项技术随着合成器件量的增多、频率的升高，腔体空间将变得越来越小，各种不连续边界所产生的模式将变得越来越复杂，从而严重地影响功率合成器的工作稳定性、合成效率以及输出功率。因此，在毫米波波段若采用单腔多器件功率合成技术，其合成器件一般不多于4-6只。
本发明的基于波导内纵向分布式功率合成建造毫米波大功率放大器，通过纵向分布式功率合成的波导结构，代替传统的平面传输线作为射频信号的主传输线，在需要采用放大器件进行放大的位置才通过一种过渡结构将能量转换至平面电路上，有效缩短高损耗的平面传输线长度，提高功率合成的效率和整个放大器的功率容量，并简化功率放大器的安装结构和生产制作过程。
如图1至图3所示，一种基于波导内纵向分布式功率合成建造毫米波大功率放大器，包括：分配单元10、放大单元以及合成单元30，分配单元10将第一波导口输入的信号沿波导传输途径经多路第一微带耦合探针14将输入信号分配成多路信号输出，分配单元10包括：第一波导11和N路第一微带耦合探针14，第一波导11内设有第一波导腔12，第一波导11前端敞口形成第一波导口，第一波导11的前端具有波导法兰，第一波导11的后端闭合，第一波导11侧壁上设有N个通孔，通孔沿前后方向依次间隔排列，通孔均穿透第一波导11侧壁并与第一波导腔12相连通；第一微带耦合探针14和通孔一一对应，第一微带耦合探针14的一端穿过通孔，朝向第一波导腔12，第一微带耦合探针14的输出端均为50欧姆阻抗。第一波导11侧壁上固设有绝缘柱15，绝缘柱15和第一微带耦合探针14一一对应，第一微带耦合探针14抵靠在绝缘柱15上。
放大单元和分配单元10电连接，将多路信号放大，放大单元包括：第一放大单元21和第二放大单元22，第一放大单元21包括N个放大器，放大器和第一微带耦合探针14一一对应，第一微带耦合探针14的另一端和对应的放大器输入端相连，第二放大单元22用以将第一放大单元21的信号放大，第二放大单元22包括至N个放大器，第二放大单元22的放大器的输入端均对应连接第一放大单元21放大器的输出端，第二放大单元22的放大器的输出端均对应连接第二微带耦合探针34。
合成单元30和放大单元电连接，合成单元30通过多路第二微带耦合探针34将多路放大的信号合成并沿波导传输途径从第二波导口输出，合成单元30包括：第二波导31和N个第二微带耦合探针34，第二波导31内设有第二波导腔32，第二波导31前端敞口形成第二波导口，第二波导31的前端具有波导法兰，第二波导31的后端闭合，第二波导31的侧壁上设有N个通孔，通孔沿前后方向依次间隔排列，通孔均穿透第二波导31侧壁并与第二波导腔32相连通，第二微带耦合探针34和通孔一一对应，第二微带耦合探针34的一端穿过通孔，朝向第二波导腔32，第二微带耦合探针34的另一端和放大器的输出端相连。
本发明的功率合成放大器发明采用典型的电路级合成拓扑结构，即待放大毫米波信号先经过一个1-to-N的功率分配网络，被分成N路信号分别送进N个放大单元进行功率放大，放大后的N路信号经一个后续的N-to-1功率合成网络合而为一成一大功率毫米波信号输出。若不考虑网络的损耗，理论上最后此功率放大器的功率容量是单一放大器单元的N倍。
本发明的波导内纵向分布式功率分配/合成网络，是一个将波导-微带转换结构用作功率分配或合成的首创发明，沿着波导纵向以一定间隔***N个微带探针，将波导中电磁能量耦合分配到微带传输线通道中。
本发明的波导腔腔体为金属材质，内壁镀金或银等高导电率金属镀层，腔体内为空气填充，内腔为矩形腔，矩形截面的宽和高采用各波段的标准尺寸，腔体长度由参与功率合成的放大器个数N决定，理论上此N及腔体长度可无限，短路段的长度及各微带耦合探针的间距，通过全波电磁仿真设计根据分布式网络功率分比、最低插损、最佳匹配等优化得到。
本发明的微带耦合探针一窄条状微带线，***波导耦合毫米波电磁能量到微带传输线上，微带耦合探针的安装方向为微带面和波导横截面(E面)平行，微带探针深入波导长度、探针微带线阻抗匹配结构等，通过全波电磁仿真设计根据分布式网络功率分比、最低插损、最佳匹配等优化得到。
本发明的毫米波大功率放大器的制作实现中，可将各放大通道制作在N个单独片状单元上，然后叠加组合成最终放大器，从而具备安装简易生产性高的特点。
本发明的毫米波大功率放大器构建方法，可应用到各高频毫米波频段，乃至亚毫米波和太赫兹频段。
本发明基于波导内纵向分布式功率合成的毫米波大功率放大器，借助低损耗的波导结构传输线代替传统的同轴或平面传输线作为射频信号的主传输线，在需要采用放大器件进行放大的位置才通过波导-微带过渡结构将能量转换至平面电路上，有效缩短高损耗的平面传输线长度，提高了功率放大合成的效率。
本发明毫米波大功率放大器，具有小型化、高集成、全固态的特点，而且易于散热。理论上本发明大功率放大器的构建方法对合成器件和通道的数量没有限制。
总而言之，本发明的基于波导内纵向分布式功率合成的毫米波大功率放大器，可以不受器件和通道的数量的限制，能够通过频段高低来高效合成得到大功率的毫米波输出，且安装简单易于散热，可以显著提升功率合成型放大器的合成效率和可生产性，构建的大功率放大器具有小型化、高集成、全固态的特点。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要如权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (9)
1.一种基于波导内纵向分布式功率合成建造毫米波大功率放大器，其特征在于，包括：
分配单元(10)，所述分配单元(10)将第一波导口输入的信号沿波导传输途径经多路第一微带耦合探针(14)将输入信号分配成多路信号输出；
放大单元，所述放大单元和所述分配单元(10)电连接，将多路信号放大；
合成单元(30)，所述合成单元(30)和所述放大单元电连接，所述合成单元(30)通过多路第二微带耦合探针(34)将多路放大的信号合成并沿波导传输途径从第二波导口输出。
2.如权利要求1所述的基于波导内纵向分布式功率合成建造毫米波大功率放大器，其特征在于，所述分配单元(10)包括：
第一波导(11)，所述第一波导(11)内设有第一波导腔(12)，所述第一波导(11)前端敞口形成第一波导口，所述第一波导(11)的后端闭合，所述第一波导(11)侧壁上设有至少两个通孔，所述通孔均穿透所述第一波导(11)侧壁并与所述第一波导腔(12)相连通；
至少两路第一微带耦合探针(14)，所述第一微带耦合探针(14)和所述通孔一一对应，所述第一微带耦合探针(14)的一端穿过所述通孔，朝向所述第一波导腔(12)。
3.如权利要求2所述的基于波导内纵向分布式功率合成建造毫米波大功率放大器，其特征在于，所述放大单元包括：
第一放大单元(21)，所述第一放大单元(21)包括至少两个放大器，所述放大器和所述第一微带耦合探针(14)一一对应，所述第一微带耦合探针(14)的另一端和对应的放大器输入端相连。
4.如权利要求3所述的基于波导内纵向分布式功率合成建造毫米波大功率放大器，其特征在于，所述合成单元(30)包括：
第二波导(31)，所述第二波导(31)内设有第二波导腔(32)，所述第二波导(31)前端敞口形成第二波导口，所述第二波导(31)的后端闭合，所述第二波导(31)的侧壁上设有至少两个通孔，所述通孔均穿透所述第二波导(31)侧壁并与所述第二波导腔(32)相连通；
至少两个第二微带耦合探针(34)，所述第二微带耦合探针(34)和所述通孔一一对应，所述第二微带耦合探针(34)的一端穿过所述通孔，朝向所述第二波导腔(32)，所述第二微带耦合探针(34)的另一端和所述放大器的输出端相连。
5.如权利要求2所述的基于波导内纵向分布式功率合成建造毫米波大功率放大器，其特征在于，所述第一微带耦合探针(14)的输出端均为50欧姆阻抗。
6.如权利要求4所述的基于波导内纵向分布式功率合成建造毫米波大功率放大器，其特征在于，所述放大单元还包括第二放大单元(22)，用以将所述第一放大单元(21)的信号放大，所述第二放大单元(22)包括至少两个放大器，所述第二放大单元(22)的放大器的输入端均对应连接所述第一放大单元(21)放大器的输出端，所述第二放大单元(22)的放大器的输出端均对应连接所述第二微带耦合探针(34)。
7.如权利要求1所述的基于波导内纵向分布式功率合成建造毫米波大功率放大器，其特征在于，所述第一波导(11)和所述第二波导(31)的前端均具有波导法兰。
8.如权利要求1所述的基于波导内纵向分布式功率合成建造毫米波大功率放大器，其特征在于，所述通孔沿前后方向依次间隔排列。
9.如权利要求1所述的基于波导内纵向分布式功率合成建造毫米波大功率放大器，其特征在于，所述第一波导(11)侧壁上固设有绝缘柱(15)，所述绝缘柱(15)和所述第一微带耦合探针(14)一一对应，所述第一微带耦合探针(14)抵靠在所述绝缘柱(15)上。
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