CN1331310C - 基于三支线合成网络的高功率毫米波上变频功放组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于三支线合成网络的高功率毫米波上变频功放组件。它包括本振倍频器、本振滤波器、本振放大器、混频器、射频放大器、滤波器、增益放大器、功率驱动放大器，倍频后信号经过本振滤波器滤出二次谐波分量，滤出的二倍频信号经过本振放大器放大的信号与输入的中频信号在混频器中进行上变频；射频放大器对上变频信号进行放大，滤波器用于射频放大器后的射频信号带通滤波，增益放大器、功率驱动放大器对滤波器后的射频信号预放大，功率驱动放大器后设置末级功率合成放大器对射频信号进行高功率放大，输出高功率毫米波信号。本发明采用三支线合成网络及多芯片功率合成技术，实现了毫米波段的大功率输出，电路集成度高、可靠性好。
Description
一技术领域
本发明涉及一种毫米波组件，特别是一种基于三支线合成网络的高功率毫米波上变频功放组件。
二背景技术
毫米波上变频组件是毫米波***中的关键部件，可广泛用于毫米波通信、雷达以及遥测遥控等领域中。毫米波上变频组件在国内外已有相关的报道，如文献1：“毫米波倍频上变频功放组件”，半导体情报，2000.8。该组件是将输入信号(15GHz，10dBm)倍频至30GHz，与本振信号(5GHz，10dBm)上变频到35GHz，然后进行功率放大输出。其倍频部分采用GaAs PHEMT有源倍频并进行放大，混频电路采用GaAs二级管的双平衡混频，滤波放大后由8mm波导输出。最终结果为输出频率为35GHz输出功率为17dBm。文献2：“47GHz上变频组件的研制”，微波与卫星通信，1999年，该组件由鳍线结构的上变频器和注入锁定本根源组成，采用波导结构，要求本振功率60mW，输出功率为2mW。如文献中所述，现有毫米波上变频组件一般采用分立模块实现，集成化程度不高，而且具有高功率输出的毫米波上变频功放组件也未见相关的报道。
三发明内容
本发明的目的在于提供一种输出频率38～40GHz，输出功率大于2W，增益大于55dB的一体化毫米波高功率上变频功放组件。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于三支线合成网络的高功率毫米波上变频功放组件，它包括本振倍频器、本振滤波器、本振放大器、混频器、射频放大器、滤波器、增益放大器、功率驱动放大器，本振倍频器用于本振输入端，对输入本振信号进行倍频；倍频后信号经过本振滤波器滤出二次谐波分量；滤出的二倍频信号经过本振放大器放大到混频器所需要的功率；本振放大后的信号与输入的中频信号在混频器中进行上变频；射频放大器对上变频信号进行放大，以更好地抑制带外杂散；滤波器用于射频放大器后对射频信号进行带通滤波，抑制带外杂散；增益放大器、功率驱动放大器用于滤波器后对射频信号进行预放大；其特征在于：功率驱动放大器后设置末级功率合成放大器对射频信号进行高功率放大，输出高功率毫米波信号。
本发明的一体化毫米波上变频组件主要完成输入中频信号(中心频率2.3GHz)到输出射频信号(频率38～40GHz，功率33dBm)的变频过程，输入本振信号频率18.15～18.65GHz。首先对输入本振信号进行倍频后，由于输出信号中包括不需要的多次谐波和基波分量，因此需要在倍频器输出端加一个带通滤波来得到二次谐波分量，此时得到的信号很小，还需要进行放大到混频器所需要的功率；倍频后的本振信号与输入中频信号进行混频，为了更好地抑制带外杂散，混频后先接一级高增益射频放大器，然后进行滤波，得到需要带宽内的信号；信号最后要经过高功率放大器进行功率放大后再发射，但是由于最后一级高功率放大器的增益一般都不大，尤其是在毫米波段，最后一级功率放大器的增益一般不超过10dB。所以在末级功放之前，加入功率增益以及驱动放大器，将射频信号进行预放大；预放大的信号最后通过三支线功率合成网络，由四个1W的毫米波芯片进行功率合成，最后输出2W的输出功率；在末级功率输出端还加入了毫米波检波器以检测模块的工作状态。
在末级功率合成放大器的实现上，选用三支线定向耦合器来构成功率合成放大电路，采用多芯片功率合成技术以及MMIC功率芯片，即所述末级功率合成放大器采用多芯片功率合成，其包括第一、第二和第三功率分配器，第一、第二、第三和第四功率放大芯片，以及第一、第二和第三功率合成器，其中经预放大的射频信号进入第一功率分配器分成两路信号后分别进入第二和第三功率分配器，然后经第二和第三功率分配器输出的四路信号分别进入第一、第二、第三和第四功率放大芯片功率放大后，第一和第二功率放大芯片的输出由第一功率合成器功率合成输出第一合成射频信号，第三和第四功率放大芯片的输出由第二功率合成器合成输出第二合成射频信号，最后第一和第二合成射频信号输入第三功率合成器后输出最终的射频信号。由于合成单元的电路损耗以及两路信号合成时的相位不一致是影响合成效率的主要因素，对此我们采取以下三点措施来提高合成效率：选择介质损耗小的介质基片以减少合成网络的电路损耗；对选用的MMIC功放芯片按照***相位进行筛选分类；对功率分配/合成网络进行优化。
在整个上变频组件的集成上，采取单片集成及多芯片组装(MCM)技术。利用多芯片组装(MCM)技术可实现微波毫米波模块的各个腔室。在各个腔室之间的信号传输都是用其内部导体来实现。这样的一个最大好处：一方面减小了体积，另一方面是对整体性能的一个提升。这种腔室结构对同种频率的微小型集成具有其优越性。可以有效地将***中的放大器、混频器、功分器、功放分成若干个腔室，组成一个小型化的、立体结构的模块。在本组件中，上变频器，射频放大器、倍频器、本振放大器为实现小型化器件集成，均采用MMIC芯片来实现。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：1)在毫米波波段上采用了三支线合成网络，同时为了提高合成效率，实现电路的平面化、小型化，选择和实现了性能良好的功率分配/合成器。2)采用多芯片功率合成技术实现了高功率功率放大组件，实现了毫米波段的大功率输出；3)采用一体化毫米波上变频组件集成技术，对毫米波上变频组件组成部分上变频器、射频放大器、本振倍频器、本振放大器、滤波器、检波器等进行了电路制作，在保证各部件实现的同时，完成一体化的实现；4)采用多芯片组装(MCM)实现小型化、集成化的电路组成，既实现了集成化组件，同时保证了各功能部件的匹配以及高可靠性，提高了成品率。一体化毫米波高功率上变频器具有集成度高，超小型化，输出频段高，输出功率大的特点。
四附图说明
图1是本发明的基于三支线合成网络的高功率毫米波上变频功放组件的一体化三支线合成网络的毫米波高功率上变频组件构成框图。
图2是本发明的基于三支线合成网络的高功率毫米波上变频功放组件的应用毫米波三支线合成网络实现毫米波高功率合成放大器的构成框图。
图3是本发明的基于三支线合成网络的高功率毫米波上变频功放组件的毫米波三支线合成网络电路版图。
五具体实施方式
结合图1，将一体化毫米波上变频组件组成单元本振倍频器、本振滤波器、本振放大器、混频器、射频放大器、滤波器、增益放大器、功率驱动放大器、末级功率合成放大器以及检波器进行连接。首先对本振输出信号进行倍频，倍频后由于输出信号中包括不需要的多次谐波和基波分量，因此需要在倍频器输出端加一个带通滤波来得到二次谐波分量，此时得到的信号较小，还需要进行放大，因此加一级本振放大器；然后将倍频后的本振信号与中频信号进行混频，为了更好地抑制带外杂散，混频后先接一级高增益射频放大器，然后进行滤波，得到需要带宽内的信号，信号一般都要经过高功率放大器进行功率放大后再发射，但是由于最后一级高功率放大器的增益一般都不大，尤其是在毫米波段，最后一级功率放大器的增益一般不超过10dB。所以在末级功放之前，还应当加入增益放大器与驱动放大器，将射频信号进行预放大；最后按图2功率合成放大器的实现框图，采用图3所示的毫米波三支线合成网络以及功放芯片，实现毫米波高功率输出。
在末级功率合成放大器的实现上，选用三支线定向耦合器来构成功率合成网络，也即图2中的功率分配器和功率合成器。在三支线定向耦合器中没有很细的微带线，也没有很窄的缝隙，其隔离端口所加的隔离电阻的位置对电路性能影响很小。为了增加工作带宽，我们最终选择如图3所示的三支线定向耦合器作为功率分配/合成单元，信号从输入端1输入，一部分由直通端2输出，另一部份耦合信号则通过耦合端3输出，而隔离端4通过50欧姆电阻将反射信号抵消。这种结构输入、输出驻波比小，隔离度高，对加工要求不是很高，在毫米波频段体积也不大，并具有一定的工作带宽，***损耗、输入输出反射系数都较小、直通以及耦合两路输出端隔离度大，两路输出的幅度相同，相位相差90°。
末级功率合成放大器采用多芯片合成，功率合成芯片采用Raytheon公司的RMPA39100，其工作频率为37-40GHz，1dB压缩点输出功率为29dBm，小信号增益为18dB，采用四路功率合成，最大的1dB压缩点输出功率可达到33dBm，因此用RMPA39100来进行功率合成可以达到要求，在具体实现上，选择介质损耗小的熔融石英作为微带电路的介质基片以减少合成网络的电路损耗；其厚度为0.127mm，相对介电常数为3.78，导带金属层厚度为0.017mm。在进行多芯片功率合成时，各个芯片必须给予相同的偏置电压和电流，这样才能保证各路功率放大芯片有相同的电气特性。每个MMIC的偏置电路中的金丝焊线尽量一样长，以确保各路金丝上的电压降相同，从而使各个MMIC放大芯片工作在相同的偏置条件下。同时，为了防止大电流流过金丝时熔化金丝，金丝的直径要足够大，并且金丝的长度应尽可能短，可采用两根并联的直径为1.5mil的金丝作为漏极的偏置电压连接焊线。
在上变频组件集成中，上变频器选用TRW公司的单片HEMT肖特基二极管单平衡混频器MSH108C，它不需要外部偏置，可以用作上混频或下混频，连接时用三根直径0.5mil长度小于10mil的金丝相连；射频放大器与功率增益放大器选用Agilem公司的HMMC-5040高增益宽带MMIC放大器，功率驱动放大器选用Agilent公司的MMIC功率放大器HMMC-5034；倍频器采用砷化镓场效应管(GaAs FET)的有源倍频器，可在至少高达40GHz的输出频率同时提供较高的效率(甚至增益)和较宽的工作频带，对输入功率的要求相当低，噪声系数低，动态范围大，输入端与输出端之间有一定隔离度，采用HMMC-5040作为二倍频器；本振放大器选用Hittite公司的HMC261单片放大器，该放大器是一个工作在20～40GHz范围的GaAs MMIC分布式放大器，只需要单电源供电；本振信号倍频后加入一个微带带通滤波器，带通滤波器的类型很多，而最适合于微波集成电路的带通滤波器是不要求微带电路接地的微带滤波器，采用半波长谐振器平行耦合滤波器形式，采用一个三阶滤波器，通带为36.1GHz～37.5GHz，带内插损为0.9dB；混频后的RF信号也需要加入一个微带带通滤波器滤除杂波，采用一个7阶的半波长谐振器平行耦合滤波器，通带为37.9GHz～40GHz，带内插损为0.9dB；检波器是利用半导体二极管的非线性特性产生直流或低频电流及电压，用以检测微波功率，用作状态监视器时，用定向耦合器分离一部分功率，用检波器监视发射功率的变化，选用MPD公司的肖特基势垒二极管MS8000来实现检波。
Claims (5)
1、一种基于三支线合成网络的高功率毫米波上变频功放组件，它包括本振倍频器、本振滤波器、本振放大器、混频器、射频放大器、滤波器、增益放大器、功率驱动放大器，本振倍频器用于本振输入端，对输入本振信号进行倍频；倍频后信号经过本振滤波器滤出二次谐波分量；滤出的二倍频信号经过本振放大器放大到混频器所需要的功率；本振放大后的信号与输入的中频信号在混频器中进行上变频；射频放大器对上变频信号进行放大，以更好地抑制带外杂散；滤波器用于射频放大器后对射频信号进行带通滤波，抑制带外杂散；增益放大器、功率驱动放大器用于滤波器后对射频信号进行预放大；其特征在于：功率驱动放大器后设置末级功率合成放大器对射频信号进行高功率放大，输出高功率毫米波信号。
2、根据权利要求1所述的基于三支线合成网络的高功率毫米波上变频功放组件，其特征在于：所述末级功率合成放大器采用多芯片功率合成，其包括第一、第二和第三功率分配器，第一、第二、第三和第四功率放大芯片，以及第一、第二和第三功率合成器，其中经预放大的射频信号进入第一功率分配器分成两路信号后分别进入第二和第三功率分配器，然后经第二和第三功率分配器输出的四路信号分别进入第一、第二、第三和第四功率放大芯片功率放大后，第一和第二功率放大芯片的输出由第一功率合成器功率合成输出第一合成射频信号，第三和第四功率放大芯片的输出由第二功率合成器合成输出第二合成射频信号，最后第一和第二合成射频信号输入第三功率合成器后输出最终的射频信号。
3、根据权利要求1或2所述的基于三支线合成网络的高功率毫米波上变频功放组件，其特征在于：混频器，射频放大器、倍频器、本振放大器均采用单片微波集成电路MMIC实现。
4、根据权利要求1或2所述的基于三支线合成网络的高功率毫米波上变频功放组件，其特征在于：滤波器采用微带形式的半波长谐振器平行耦合滤波器。
5、根据权利要求1或2所述的基于三支线合成网络的高功率毫米波上变频功放组件，其特征在于：末级功率合成放大器输出端耦合一路信号至检波器，用以检测输出功率，作为状态监视器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Nanjing Science And Technology Park Co., Ltd. Assignor: Nanjing University of Science and Technology Contract fulfillment period: 2009.6.26 to 2014.12.31 contract change Contract record no.: 2009320001402 Denomination of invention: High power millimeter wave upper frequency converter power amplification assembly based on three branch combining network Granted publication date: 20070808 License type: Exclusive license Record date: 2009.8.5 |
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| LIC | Patent licence contract for exploitation submitted for record |
Free format text: EXCLUSIVE LICENSE; TIME LIMIT OF IMPLEMENTING CONTACT: 2009.6.26 TO 2014.12.31; CHANGE OF CONTRACT Name of requester: NANJING UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY TECHN Effective date: 20090805 |
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| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20070808 Termination date: 20100411 |