专利名称：宽带空气微带高隔离径向功率合成放大器的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及用于微波和毫米波频段的功率合成技术，尤其涉及一种宽带空气微带结构的高隔离度(端口之间的耦合系数小于-20dB以下可称为高隔离度)的径向功率合成放大器。
背景技术：
在微波高端和毫米波频段，随着频率的提高，半导体固态器件的尺寸减小、功率容量下降、单个器件的输出功率难以满足通信电子系统需求，人们提出了将多个固态器件的功率合成的方式来实现大功率固态功率器件。功率合成网络的性质直接决定了合成放大器的性质，因此功率合成技术的关键是功率合成网络的性质，研究的重心是探索哪种合成网络拓扑结构可以实现最大效率的宽带大数目的功率合成。
在各种功率合成网络拓扑结构中，径向功率分配/合成器一直是人们的关注热点，各种径向结构被提出并应用于功率合成技术中。径向功率分配/合成器的起源可以追溯到上世纪六十年代威尔金森提出的N路功分器，后来该功分器以其名字命名，并被广泛使用。径向功率分配/合成器往往是通过圆对称传输线(如同轴线)在一个圆盘结构的中心馈入输入信号，然后在圆盘结构的周围引出多个输出端口。圆盘结构和输出端口的形式有很多种，整体来说有谐振型结构和非谐振型结构，前者的圆盘结构为一封闭腔体，后者则为开放式结构。
径向功率分配/合成器的最大优点是可以一次性完成大数目的功率分配/合成， 插入损耗基本不受合成路数的影响，因此该结构特别适合于大数目的功率合成放大器。同时径向功率分配/合成器在结构上的对称性保证了功率分配在幅度和相位上的一致。在毫米波波段，径向功率分配结构需要既保证很小的插入损耗，同时又能抑制高次模式。这些性能的实现在一些专利中已经提到一些方法，如专利US4673899采用纯波导结构保证小插入损耗，同时在径向波导表面开槽实现高次模式抑制；专利US4926145也是采取波导结构，在输入同轴线和径向波导表面均开槽，在槽表面覆盖吸波材料实现高次模式抑制。
不过，以往结构中都没有实现能应用于毫米波波段的输出端口匹配且隔离的径向功率分配/合成器。而端口匹配且隔离的功率分配/合成器中间的有源器件单元相互独立， 可以有效避免合成放大器自激等问题。同时，高隔离分配器也会使得合成放大器的失效特性良好，即当存在有源器件单元损毁时，其余单元仍可以正常工作，输出功率只会按一个可预测的比例掉落。因此有必要研究一种能应用于毫米波波段，可实现多路、宽带、高效率的输出端口匹配且隔离的径向功率合成放大器。发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供了一种宽带空气微带高隔离径向功率合成放大器，该结构通过一分多路、单模工作、宽带、低损耗、高隔离的径向功率分配/合成器来实现。利用该宽带空气微带高隔离径向功率分配/合成器，进而在毫米波高端和微波波段实现多路、宽带、高效率的功率合成放大器。
为了达到上述目的，本发明是通过下述技术方案予以实现一种宽带空气微带高隔离径向功率合成放大器，其特征在于由两个宽带空气微带高隔离径向功率分配/合成器和至少一个功率放大器模块构成；所述宽带空气微带高隔离径向功率分配/合成器包括输入波导、输入波导与径向波导之间的同轴过渡结构、径向波导、径向空气微带线，以及至少一个输出波导；所述径向波导在其中心位置通过同轴探针过渡结构与输入波导进行连接；所述径向波导的周围连接有径向分布的空气微带线，相邻空气微带线之间贴有薄膜电阻片；所述每条空气微带线分别连接一个输出波导；
所述两个宽带空气微带高隔离径向功率分配/合成器和至少一个功率放大器模块按如下方式连接其中一个宽带空气微带高隔离径向功率分配/合成器作为功率分配器，另一个宽带空气微带高隔离径向功率分配/合成器作为功率合成器，所述功率合成器在结构形式上与功率分配器一致，其应用方式与功率分配器相反；外部输入连接所述功率分配器的输入波导，所述功率分配器的每个输出波导连接一个功率放大器模块的输入口， 该功率放大器模块的输出口对应连接功率合成器的一个输出波导，功率合成器的输入波导作为宽带空气微带高隔离径向功率合成放大器的输出口。由于功率合成器与功率分配器应用方式相反，上述方案中的功率合成器的每个输出波导作为宽带空气微带高隔离径向功率合成器的输入。
更进一步地说，所述径向空气微带线的导带的形成方式是在平整导体上以开槽的方式形成的；空气微带线的导带呈径向扩大形状。
所述薄膜电阻片覆盖在所述空气微带线导带的底部；所述薄膜电阻片可以有效抑制高次模式，实现输出匹配与输出端口之间的高隔离特性；所述薄膜电阻片的阻值由奇偶模法根据输出端口匹配和端口之间的高隔离特性确定，假定每个输出波导的阻抗为Ztl，则薄膜电阻片的阻值Z的初值可按如下公式确定Z = IJ2,由于场的不连续性，需要对薄膜电阻片的阻值进行优化。
所述输入波导与径向波导之间还包括第一匹配过渡结构、径向波导与径向空气微带线之间还包括第二匹配过渡结构、径向空气微带线与输出波导之间还包括第三匹配过渡结构，所述第一、第二、第三匹配过渡结构用于实现宽带阻抗匹配，均为腔体结构，所述匹配结构可以由以下匹配结构之一实现单节四分之一阻抗变换器、多节四分之一阻抗变换器、 切比雪夫阻抗变换器和渐变传输线。
所述宽带空气微带高隔离径向功率分配/合成器为全波导结构。
所述功率分配器和功率合成器的输入输出端口均为波导端口。
本发明提供的宽带空气微带高隔离径向功率合成放大器中的宽带空气微带高隔离径向功率分配/合成器的工作原理如下当微波信号进入输入波导后通过波导-同轴的转换器将信号传输到场分布是圆对称的同轴线中，同轴线在径向波导的中心位置馈入信号，信号在径向波导中沿着径向传播，馈入到空气微带线中，最后传输到矩形波导输出。为了实现宽带匹配特性，输入波导与径向波导之间，径向波导与径向微带线之间，径向空气微带线与输出波导之间分别设计了第一、第二、第三匹配过渡结构。径向空气微带线导带底部设置了薄膜电阻，用于实现输出端口之间的匹配和端口之间的隔离特性，同时吸收掉一些高次模，即电流方向为横向的模式，有效的抑制高次模式。
本发明的宽带空气微带高隔离径向功率合成放大器是利用上述宽带空气微带高隔离径向功率分配/合成器构成的功率合成放大器。这种功率合成放大器包括一个功率分配器，至少一个功率放大模块，一个功率合成器。所述功率分配器和功率合成器的结构形式都是宽带空气微带高隔离径向功率分配器，功率合成器只是将功率分配器反过来应用而已。该功率合成器与功率分配器呈现上下镜像对称形式。功率放大模块位于功率分配器和功率合成器之间，功率放大模块的输入口连接功率分配器的输出口，输出口连接功率合成器的输入口。功率放大模块的形式并不固定，只需满足上述端口要求。功率放大模块为波导端口，这时可以结合其余高性能的功率合成结构，例如可以在功率放大模块中结合耦合器结构或者魔T结构等。
与现有的技术相比，本发明具有如下优点
1、本发明提供的宽带功率合成放大器包含的宽带空气微带高隔离径向功率分配器/合成器，可以实现一分多路、单模工作、宽带、低损耗、高隔离的功率分配/合成。
2、本发明提供的宽带空气微带高隔离径向功率合成放大器，其功率分配/合成器通过设计空气微带线，并在相邻空气微带线之间增加薄膜电阻片，可以有效抑制高次模式， 实现很好的输出匹配与输出端口之间的高隔离特性。通过抑制高次模式，该结构可以实现任意路功率分配/合成。
3、本发明提供的宽带空气微带高隔离径向功率合成放大器，其功率分配/合成器通过设计多个阻抗匹配过渡结构，实现了宽带工作的特性。
4、本发明提供的宽带空气微带高隔离径向功率合成放大器，其功率分配/合成器为全波导结构，无介质损耗，只有很低的导体损耗，因此由该功率分配/合成器构成的功率合成放大器具有高的功率合成效率的特点。
5、本发明提供的宽带空气微带高隔离径向功率合成放大器，其功率分配/合成器的输入/输出端口形式为波导端口，这种结构形式非常容易结合其他高性能功率合成结构，如耦合器结构、魔T结构等。功率放大模块可以单独制作，便于加工调试。
6、本发明提供的宽带功率合成放大器，包括两个宽带空气微带高隔离径向功率分配/合成器以及至少一个功率放大模块构成的。该宽带空气微带高隔离径向功率合成放大器能实现一分多路、单模工作、宽带、高效率的功率合成。
图1是本发明中宽带空气微带高隔离径向功率分合成放大器的一个实施例的结构图2是图1中功率分配/合成器的分离结构俯视图3是图2中A部分局部图4是图2中B部分局部图5是图1中功率分配/合成器的原理图6是图1中功率放大模块6的一种结构图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细的描述。但本发明的实施方式不限于此。 实施例
下面以一个36路宽带空气微带高隔离径向功率合成放大器为例进行说明。
36路宽带空气微带高隔离径向功率合成放大器的整体结构图如图1所示，该结构包括一个功率分配器8，多个功率放大模块6，一个功率合成器9。功率合成器的结构和功率分配器的结构形式一样的，功率合成器只是将功率分配器反过来应用而已。功率合成器与功率分配器成上下镜像对称。功率放大模块6位于功率分配器8和功率合成器9之间，其输入口连接功率分配器8的输出口 41，输出口连接功率合成器9的输入口 41。功率分配器 8和功率合成器9的输入输出端口形式均为波导端口。功率放大模块6的形式并不固定，只需满足上述波导端口的要求。
图2所示的是宽带空气微带高隔离径向功率分配/合成器分离结构的俯视图。该功率分配/合成器由两大部分构成，即顶层结构1和底层结构2。顶层结构1和底层结构2 紧密结合，共同形成输入波导11、径向波导21、输入波导11与径向波导21之间的同轴过渡结构51、空气微带线31、输出波导41、以及空气微带线31与输出波导41之间的过渡结构 412等腔体结构。
所述功率分配器为波导结构。这样设计该结构没有填充任何介质，只有导体损耗， 可以获得很好的低损耗特性。在顶层结构1的表面，切出部分导体形成输入波导11腔体。 在顶层结构1面向底层结构2的一面，是一个平整的导体平面，在中心有一个孔，可以插入同轴探针。在底层结构2的正中心有输入波导11与径向波导21之间的同轴过渡结构51。 同轴过渡结构51的周围是一个导体平面，与顶层平面共同构成径向波导21。其中，径向波导21的半径不宜过大，大小满足单模工作的条件即可。径向波导21的周围连接空气微带线31，空气微带线的导带是结构312。空气微带线的导带312的形成方式是在底层结构2 上的平整导体上开槽形成。空气微带线的导带312呈现径向扩大形状。在槽312的底部， 覆盖有薄膜电阻片313。空气微带线31通过一小段宽边扩大的波导412连接输出波导41， 宽边扩大的波导412实现阻抗匹配的作用。输出波导41的主腔体是在底部结构2中挖出腔体形成。
图3是图2中A部分局部图，从图可以看出输入波导11的具体结构。垂直传播的输入波导111通过一个切角结构112转换为水平传播的波导113。在波导113中，通过同轴探针结构51转换到径向波导21。同轴探针的腔体结构通过开孔114实现。
图4是图2中B部分局部图，从图可以看出同轴探针过渡结构51的具体结构。同轴探针过渡结构51由三个不同半径的导体圆柱连接构成。最上边的是511，该部分将穿过孔114深入到水平波导113中。在511下边连接有较大半径的导体圆柱512，然后连接一个更大半径的导体圆柱513。通过这些导体圆柱可以实现输入波导11与径向波导21之间良好的阻抗匹配。
图5进一步给出了该功率分配/合成器的电路原理图，可以帮助理解本实施例。本实施例中的空气微带线31也可以换成双面平行带线，这只需要在底层结构2开槽处正对着的顶层结构1上也开槽即可，薄膜电阻片313可以覆盖到两层开槽的表面。
图6给出了图1中功率放大模块6的一种结构图，该图显示的是双探针空间功率合成结构形式。功率放大模块6分为上层61和下层62两部分。放大模块的基本工作过程是通过一个波导71输入信号功率，然后通过平面探针72耦合到微带中，再连接放大器73， 最后由放大器输出的功率通过微带探针耦合到输出波导中。放大模块中的微带探针72和放大器单元73均是底层和顶层同时存在的，这实际上是一种两路空间功率合成结构。图8 中所有的放大器芯片均是焊接到底层或底层金属腔体上，这可以实现很好的散热。顶层和底层表面可设计为片状散热结构，进行发黑处理，进一步改善散热，还可进一步使用风扇进行强制散热。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种宽带空气微带高隔离径向功率合成放大器，其特征在于由两个宽带空气微带高隔离径向功率分配/合成器和至少一个功率放大器模块构成；所述宽带空气微带高隔离径向功率分配/合成器包括输入波导、输入波导与径向波导之间的同轴过渡结构、径向波导、径向空气微带线，以及至少一个输出波导；所述径向波导在其中心位置通过同轴探针过渡结构与输入波导进行连接；所述径向波导的周围连接有径向分布的空气微带线，相邻空气微带线之间贴有薄膜电阻片；所述每条空气微带线分别连接一个输出波导；所述宽带空气微带高隔离径向功率分配/合成器和至少一个功率放大器模块按如下方式连接其中一个宽带空气微带高隔离径向功率分配/合成器作为功率分配器，另一个宽带空气微带高隔离径向功率分配/合成器作为功率合成器，所述功率合成器在结构形式上与功率分配器一致，其应用方式与功率分配器相反；外部输入连接所述功率分配器的输入波导，所述功率分配器的每个输出波导连接一个功率放大器模块的输入口，该功率放大器模块的输出口对应连接功率合成器的一个输出波导，功率合成器的输入波导作为宽带空气微带高隔离径向功率合成放大器的输出口。
2.根据权利要求1所述的宽带空气微带高隔离径向功率合成放大器，其特征在于所述径向空气微带线的导带的形成方式是在平整导体上以开槽的方式形成的；空气微带线的导带呈径向扩大形状。
3.根据权利要求2所述的宽带空气微带高隔离径向功率合成放大器，其特征在于薄膜电阻片覆盖在所述空气微带线导带的底部。
4.根据权利要求3所述的宽带空气微带高隔离径向功率合成放大器，其特征在于所述薄膜电阻片是在一块介质基片的一侧镀上薄膜电阻形成的，所述薄膜电阻片的阻值由奇偶模法根据输出端口匹配和端口之间的高隔离特性确定。
5.根据权利要求1所述的宽带空气微带高隔离径向功率合成放大器，其特征在于所述输入波导与径向波导之间还包括第一匹配过渡结构、径向波导与径向空气微带线之间还包括第二匹配过渡结构、径向空气微带线与输出波导之间还包括第三匹配过渡结构；所述第一、第二和第三匹配过渡结构用于实现宽带阻抗匹配，均为腔体结构；所述匹配结构用一节以上的四分之一阻抗变换器或渐变阻抗匹配器实现。
6.根据权利要求1所述的宽带空气微带高隔离径向功率合成放大器，其特征在于所述宽带空气微带高隔离径向功率分配/合成器为全波导结构。
7.根据权利要求1所述的宽带空气微带高隔离径向功率合成放大器，其特征在于所述功率分配器和功率合成器的输入/输出端口均为波导端口。
全文摘要
本发明提供了一种宽带空气微带高隔离径向功率合成放大器，包括两个宽带空气微带高隔离径向功率分配/合成器和至少一个功率放大器模块。所述宽带空气微带高隔离径向功率分配/合成器包括输入波导、输入波导与径向波导之间的同轴过渡结构、径向波导、径向空气微带线，以及至少一个输出波导；所述径向波导在其中心位置通过同轴探针过渡结构与输入波导进行连接；所述径向波导的周围连接有径向分布的空气微带线，相邻空气微带线之间贴有薄膜电阻片；所述每条空气微带线分别连接一个输出波导。本发明的宽带空气微带高隔离径向功率合成放大器能实现一分多路、单模工作、宽带、高效率的功率合成。
文档编号H01P5/16GK102509840SQ20111033917
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月31日 优先权日2011年10月31日
发明者康智勇, 褚庆昕, 龚志 申请人:华南理工大学