專利名稱：基于鰭線巴侖結構的波導內固態推挽放大功率合成器的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于微波和毫米波發射系統的大功率固態放大器技術，具體是基于鰭線巴侖結構的一種波導內固態推挽放大功率合成器。
背景技術：
目前固體器件的頻率已擴展到數百GHz，即亞毫米波段。在微波和毫米波波段，單個固體器件的混合集成電路和單片微波毫米波集成電路(MMIC)已得到了廣泛應用，低噪聲和小功率的電真空器件(TWT & Klystron)已被全面取代。
但在大功率寬頻帶方面，固體器件仍顯不足，電真空器件仍據主導地位。然而，由于固體器件體積小、重量輕、低電壓、高可靠、長壽命和易于大規模生產等優點，人們一直在大力發展大功率固體器件，并取得了巨大進展。與此同時，又發展了功率合成技術，即將多個固體功率器件的輸出疊加起來，以得到數倍于單個器件的功率。目前廣泛采用的功率合成技術有三大類，分別稱為芯片級、電路級、空間級功率合成技術，在輸出功率大大提高的同時頻帶寬度能夠復蓋整個波導帶寬，與TWT相比毫不遜色，在最近的將來，國外市場上將出現微波毫米波固態功率放大器(SSPA)勢必將取代大功率TWT的局面。
(1)芯片級功率合成技術主要由器件設計制造者采用，它是后幾種功率合成技術的基礎。隨著頻率的提高，單個固體器件芯片的面積越來越小，限制了功率的進一步提高。由于器件設計制造者的不斷努力，單片微波集成電路的功率輸出越來越大，目前已達到相當高的水平，在各個波段幾乎接近輸出功率極限。
(2)電路級功率合成放大器發展較為迅速，型式多樣，應用較廣泛，最常用的是二路合成，四路和八路合成的也有，微波電路較多采用平面電路。當采用的有源器件增加時，合成器的損耗增加，合成效率降低，加工制造愈復雜，要求也愈高。另外，大的帶寬和高的效率難于兼得。以這種功率合成技術生產的SSPA可達到中等大小的功率輸出，無論在功率電平還是帶寬方面，都無法與大功率TWT等競爭。
(3)空間功率合成放大器又分開放空間、半開放空間和封閉空間合成三種類型。開放空間功率合成主要用于相控陣雷達，半開放空間合成主要用于毫米波-光波波段。
封閉空間功率合成是1997年發展出的功率合成新技術。它是一種三維立體結構，在波導內進行功率合成。現有的封閉空間功率合成器結構比較復雜，組裝煩瑣，散熱效果不理想，直接影響功率合成器的功率和效率的提高。
發明內容
鑒于現有技術存在的上述不足，本發明提出一種建立在鰭線巴侖(finline balun)結構基礎上的波導內固態推挽放大功率合成器，使微波和毫米波功率合成器能同時達到大功率、寬頻帶、高效率、高增益和優良的線性。
本發明是這樣實現的，它包括兩個開口功率合成模塊，在兩開口功率合成模塊之間拼裝至少一個H形功率合成模塊和一個部分波導塊，所有的模塊和部分波導塊的相關面構成封閉的波導；每一個模塊的若干對推挽連接的功放器件(MMIC)直接焊裝在它的熱沉上，所有模塊的若干個具有鰭線巴侖結構的輸入漸變縫寬鰭線巴侖陣基片三維立體地設置在輸入波導段的電場方向上，每個輸入漸變縫寬鰭線用于二次功率分配、阻抗變換和倒相，輸入漸變縫寬鰭線巴侖陣與MMIC輸入端之間連接微帶阻抗變換器陣；所有模塊的若干個具有鰭線巴侖結構的輸出漸變縫寬鰭線巴侖陣基片三維立體地設置在輸出波導段的電場方向上，每個輸出漸變縫寬鰭線用于二次功率合成、阻抗變換和倒相，輸出漸變縫寬鰭線巴侖陣與MMIC輸出端之間連接微帶阻抗變換器陣。
本波導內固態推挽放大功率合成器為多個功率合成模塊組合結構，采用鰭線巴侖結構的漸變縫寬鰭線巴侖陣和以推挽方式工作的多對MMIC在封閉的波導內實現功率合成，將具有二次功分或功合、阻抗變換和倒相三種功能集成一體的漸變縫寬鰭線巴侖陣三維立體地設置在波導E面；實現了大功率、寬頻帶、高效率、高增益和好的線性，能夠取代大功率電真空器件，如行波管(TWT)和速調管(Klystron)。
功耗大的大功率固態器件直接焊在與波導側壁相連的熱沉上，而波導側壁被設計成散熱片狀，能有效地將固體器件消耗的功率耗散到周圍空間中去。
本功率合成器中每對MMIC以推挽方式工作在A類、或B、或AB類狀態下，推挽放大器的輸出沒有偶次諧波，因而輸入輸出線性好。在B類狀態下，電源效率在理論上可達到78.5％，實際可達到50～65％，已達到或優于高效率TWT。
圖1是本發明波導內MMIC推挽放大功率合成原理圖；圖2是其漸變縫寬鰭線巴侖陣基片在波導E面(電場方向)配置示意圖；
圖3是其氮化鋁陶瓷、或氧化鋁陶瓷、或TEFLON基片上單面或雙面對趾漸變縫寬鰭線巴侖陣圖；圖4是其輸入、輸出漸變縫寬鰭線巴侖陣，微帶阻抗變換器陣及推挽放大MMIC對配置示意圖；圖5是其微帶阻抗變換器陣和MMIC直流偏置電路圖；圖6是其H形熱沉結構圖；圖7是其H形功率合成模塊結構圖；圖8是其開口熱沉結構圖；圖9是其開口功率合成模塊結構圖；圖10是其部分波導塊；圖11是其波導內MMIC對推挽放大功率合成器總裝圖。
具體實施例方式
本發明的結構和原理簡圖如圖1、4所示，它包括兩個開口功率合成模塊，在兩開口功率合成模塊之間拼裝至少一個H形功率合成模塊和一個部分波導塊，所有的模塊和部分波導塊的相關面構成封閉的波導；由在波導26的一個或多個E面(即電場方向)上并列放置多對(至少一對)微波或毫米波固體放大器件(MMIC)14，器件的輸入端設有鰭線巴侖結構的輸入漸變縫寬的鰭線天線巴侖陣16和微帶阻抗變換器陣17，器件的輸出端設有鰭線巴侖結構的輸出漸變縫寬的鰭線天線巴侖陣16’和微帶阻抗變換器陣17’，它們的基片12、12’、13、13’采用導熱性能優良的氮化鋁陶瓷、氧化鋁陶瓷或者TEFLON材料制成。MMIC芯片14直接焊接在銅質或鋁質熱沉21和22上，熱沉與波導側壁連成一體，波導厚側壁的外部則加工成片狀作為散熱器。固體器件MMIC的直流偏置電路用微帶線制成，引線從波導側壁隙縫引出。
工作時，來自輸入波導的電磁波總功率被無反射且等份地耦合到每一輸入漸變縫寬鰭線隙縫中去，并沿鰭線縫隙傳輸，在與每一輸入鰭線的輸出端口縫隙兩邊連接的兩條微帶線上形成電場幅度相等但相位相反的一對電磁波，經由相應的微帶阻抗變換器傳輸到相應的一對推挽固態功率放大器MMIC的輸入端，得到功率放大，推挽放大器可根據效率要求設置在A類、AB類或B類工作狀態。
被功率放大后的每一對等幅反相電磁波信號再經由相應的輸出微帶阻抗變換器傳輸到相應的輸出漸變縫寬鰭線的輸入端口縫隙處，每對等幅反相的電磁波在其中一路電場相位倒相后與另一路相加合成，繼續沿相應的輸出漸變縫寬鰭線無反射地傳輸，輻射到輸出波導空間，最終實現總的功率合成。
假設每一個固體器件的最大功率輸出為P瓦，如有N對固體器件MMIC用作為推挽放大器，在滿足同相位等幅度條件時，合成功率輸出將是Po＝η2NP，其η中是功率合成效率，最大潛在值為87％，且不受器件數量影響。由此式可見，N越大，Po則越大。
本發明的特點之一是極易實現8對以上的功率合成。以目前單個內匹配MESFET器件的最大功率為例C波段，30W；X波段，10W；Ku波段，10W為例，按功率合成效率η＝80％計算，8對MMIC合成后則分別達到C波段，380W；X波段，130W；Ku波段，130W，與大功率TWT相比毫不遜色。
由于鰭線的特性阻抗隨頻率的變化很小，在極寬的頻帶內易于實現阻抗匹配，功率合成器的帶寬僅受限于波導本身和固體器件，因此本功率合成器具有與波導相同的寬帶寬，如在X波段用32個MMIC已經達到輸出功率P＝150W，帶寬Δf＝4GHz的水平，完全能與TWT相比美。
本功率合成器中每對MMIC以推挽方式工作在A類、或B、或AB類狀態下，推挽放大器的輸出沒有偶次諧波，因而輸入輸出線性好。在B類狀態下，電源效率在理論上可達到78.5％，實際可達到50～65％，已達到或優于高效率TWT。
漸變縫寬鰭線巴侖陣(The taper slot finline balun array)在波導E面橫向的設置如圖2所示，輸入、輸出漸變縫寬的鰭線巴侖陣16設置在基片12上，各模塊多個基片12被平行地放置在波導26的E面，相互間保持適當距離，且所有的輸入、輸出漸變縫寬鰭線窄縫端端口的金屬帶線均不接地。基片數最少為一片，其上至少有一個漸變縫寬鰭線，基片數可多達5～6片，每片上可設置1～5個漸變縫寬鰭線，如果5個基片，每個基片上4個漸變縫寬鰭線，則將構成20個漸變縫寬鰭線巴侖的陣列，實現20對(即40個)MMIC推挽放大器的功率合成。由于波導內E面電場在橫向(H面)呈正弦分布，即電場是不均勻的，為使耦合到每一片漸變鰭線中去的功率相等，基片在波導E面的位置要仔細考慮和設計。
漸變縫寬鰭線巴侖陣在波導E面縱向結構見圖3A、3B。在輸入、輸出漸變縫寬鰭線巴侖陣的基片上，其漸變縫寬鰭線巴侖陣可單面設置(圖3A)，也可雙面對趾設置(圖3B)。單面或雙面對趾漸變縫寬鰭線16的長度L1在0.5～1導波波長之間，漸變縫寬鰭線窄縫端端口帶線皆不接地，端口的特性阻抗應設計在100～150歐姆范圍內，漸變縫寬鰭線的形狀應使特性阻抗按最優函數變化，在所需帶寬內實現始端波導阻抗和漸變縫寬鰭線終端阻抗間的匹配，使其入口處的反射系數最小。輸入漸變縫寬鰭線巴侖陣和輸出漸變縫寬鰭線巴侖陣是對稱的。
漸變縫寬鰭線巴侖陣16做在導熱特性優良的氮化鋁陶瓷或氧化鋁陶瓷或TEFLON基片12上，基片厚度為0.25～0.5mm。漸變縫寬鰭線巴侖陣16是在基片金屬化后用光刻方法制成電路，最后鍍金形成約3～4微米厚的薄膜。
參照圖4、圖7和圖9，從總體上看漸變縫寬鰭線巴侖陣分輸入、輸出兩組，輸入漸變縫寬鰭線巴侖陣位于MMIC14輸入端，輸出漸變縫寬鰭線巴侖陣位于MMIC14輸出端，兩者在結構上是對稱的，其作用亦大致相同，一為與輸入和輸出波導內電磁場耦合，并且作為功率分配器和功率合成器，二為阻抗變換，三是在MMIC14輸入端的每一漸變縫寬鰭線的輸出端口再次將微波信號分配成功率相等的二路并使其中一路倒相，而在MMIC14輸出端的每一漸變縫寬鰭線的輸入端口，將傳來的等幅反相的二路微波信號中的一路倒相后進行功率合成。
輸入漸變縫寬鰭線將功分器、阻抗變換器和巴侖(balun)的三種作用集于一身，用于二次功率分配、阻抗變換和倒相。輸出漸變縫寬鰭線用于二次功率合成、阻抗變換和倒相。這種設計對漸變縫寬鰭線的輸出或輸入阻抗要求放寬，并使微帶阻抗變換器的負擔大大下降。
微帶阻抗變換器陣如圖4、圖5所示。微帶阻抗變換器陣有17、17’兩組，一組位于MMIC14輸入端和輸入漸變縫寬鰭線巴侖陣16之間并與其連接，另一組位于MMIC14輸出端和輸出漸變縫寬鰭線巴侖陣16’之間并與其連接，兩者在結構上是對稱的，起的作用相同，即實現MMIC14輸入、輸出阻抗(皆為50歐)與漸變縫寬鰭線巴侖陣間的阻抗匹配。
微帶阻抗變換器陣制作在基片13、13’上，基片是氮化鋁、或氧化鋁陶瓷、或TEFLON基片，采用單級或多級1/4波長阻抗變換形式，根據帶寬、最小反射系數和插入損耗以及輸入輸出端連接的阻抗數值，選取最平坦、等波紋或橢圓變換函數，計算出微帶阻抗變換器電路尺寸。當然也可采用漸變形式的微帶線變換器，它們被安裝在熱沉21和22上。為減小它們占用的面積，其幾何形狀可制成曲折線形式。其上還印制有用于MMIC14電源引線的微帶線19，微帶線19與中間的兩個MMIC14通過空氣橋20連接(見圖5)。電路的制造方法與漸變縫寬鰭線陣相同。輸入、輸出微帶阻抗變換器陣17和直流偏置微帶線19可分別做在三塊基片上，亦可做在一塊基片上，根據需要靈活設計。
其H形功率合成模塊參照圖7、圖6。圖6為H形熱沉21，H形熱沉21用來安裝MMIC14，輸入、輸出微帶阻抗變換器陣基片13和輸入、輸出漸變縫寬鰭線巴侖陣基片12、12’。H形熱沉21厚度由并列的漸變縫寬鰭線巴侖陣基片數和MMIC14最大功率輸出經熱學設計確定，保證足夠大的熱容量和導熱截面。尺寸b1與波導窄面b相同，H內側面在總裝后將成為波導內表面的一部分，尺寸L2由MMIC14和二個微帶阻抗變換器17尺寸而定。在H形熱沉向上的一面與內側面相交的棱處加工成L形，以便嵌裝輸入、輸出漸變縫寬鰭線巴侖陣基片。MMIC14被焊裝在H的中橫隔向上一面的淺槽內，相互間保持適當間隔，最外邊的MMIC14可焊裝到加厚了的波導側壁部分向上的表面淺槽內。H形熱沉是用銅材或鋁材制成的，H形熱沉外壁均設置片狀散熱器。
圖7所示H形功率合成模塊包括H形熱沉21，H形熱沉的中橫隔上間隔焊裝若干對MMIC，在MMIC對的輸入側裝有輸入漸變縫寬鰭線巴侖陣基片12、輸入微帶阻抗變換器陣基片13，在MMIC對的輸出側裝有輸出微帶阻抗變換器陣基片13、輸出漸變縫寬鰭線巴侖陣基片12’和直流偏置微帶電路一個部件。
其開口功率合成模塊參照圖9、圖8。圖8為開口熱沉22，開口熱沉22用來安裝MMIC14，輸入、輸出微帶阻抗變換器陣基片13、13’和輸入、輸出漸變縫寬鰭線巴侖陣基片12、12’。開口熱沉22實際上是三個側壁加厚了的部分波導，中間部分有橫隔。由于此橫隔與波導的三個側面相連，熱容量大，熱傳導橫截面大，熱阻小，熱特性好，特別適合單片MMIC功率較大時采用。開口熱沉是用銅材或鋁材制成的，開口熱沉的外壁均設置片狀散熱器。該熱沉結構的其它部分與前一種熱沉相同。
圖9所示開口功率合成模塊含開口熱沉22，開口熱沉中間設有與波導三側壁相連接的橫隔，橫隔上間隔焊裝若干對MMIC，在MMIC對的輸入側裝有輸入漸變縫寬鰭線巴侖陣基片12和輸入微帶阻抗變換器陣基片13，在MMIC的的輸出側裝有輸出微帶阻抗變換器陣、輸出漸變縫寬鰭線巴侖陣基片12’和直流偏置微帶電路的一個部件。
圖10是其部分波導塊23的結構圖。部分波導塊23呈H形，其兩側可設置散熱片，其內側面是總裝后完整波導內側面的一部分，其上的橫隔使上下微波電路隔開，避免相互間產生耦合。
圖11為一個典型實例的功率合成器整體結構圖。包括兩個開口功率合成模塊22，在兩開口功率合成模塊22之間拼裝一個H形功率合成模塊21和一個部分波導塊23，就構成一個完整的波導內大功率固態推挽放大功率合成器，所有的模塊和部分波導塊的相關面構成封閉的波導。其中四個定位銷25保證前述部件構成的波導兩個寬的內表面分別在一個平面上，功率合成器用螺母24緊固，使波導內表面的隙縫最小。在實際設計中，根據功率的要求可以配置多個H形功率合成模塊21。
功率合成器的輸入輸出結構分三種波導入---波導出，同軸入---同軸出，同軸入---波導出或波導入---同軸出，這只要在功率合成器的輸入或輸出波導處加接波導---同軸轉換器即可。
鋁質片狀散熱器安裝在側壁適當加厚的波導外側四周，它們之間填充有導熱膠，也可將加厚的波導側壁加工成散熱片狀(見圖6、圖8和圖10)，以加大與空氣的接觸面積，鋁質散熱片經過發黑處理，加大熱輻射效率，提高散熱效果。
在上述功率合成器中使用的MMIC是無包裝外殼的集成電路芯片，具有50歐姆的輸入和輸出阻抗，它們直接焊裝在開口熱沉之橫隔的淺槽內和H形熱沉之中橫隔的淺槽內。功率合成器中的MMIC對以推挽方式工作的，在B類工作狀態時，電源效率將達到50～65％的高數值。采用高效率大功率PHEMT微波毫米波固體器件，即使在A類工作狀態功率合成器的電源效率亦可以達到35～60％。
目前MMIC的增益已達到18dB，可在功率合成器的輸入端再接入一個18dB的MMIC小功率放大器，則很容易使整個放大器的增益達到36dB。
直流偏置電路見圖5所示，直流偏置電路19用微帶線制成，一頭從波導側壁兩邊隙縫引出(見圖11)與直流電源連接，另一頭與每個MMIC14的加壓電極或直接連接(外側MMIC)，或通過空氣橋20連接。
權利要求
1.基于鰭線巴侖結構的波導內固態推挽放大功率合成器，其特征是包括兩個開口功率合成模塊，在兩開口功率合成模塊之間拼裝至少一個H形功率合成模塊和一個部分波導塊，所有模塊和部分波導塊的相關面構成封閉的波導；每一個模塊的若干對推挽工作的MMIC直接焊裝在它的熱沉上，所有模塊的若干個輸入漸變縫寬鰭線巴侖陣基片三維立體地設置在輸入波導段的電場方向上，每個輸入漸變縫寬鰭線用于二次功率分配、阻抗變換和倒相，輸入漸變縫寬鰭線巴侖陣與MMIC輸入端之間連接微帶阻抗變換器陣；所有模塊的若干個輸出漸變縫寬鰭線巴侖陣基片三維立體地設置在輸出波導段的電場方向上，每個輸出漸變縫寬鰭線用于二次功率合成、阻抗變換和倒相，輸出漸變縫寬鰭線巴侖陣與MMIC輸出端之間連接微帶阻抗變換器陣。
2.根據權利要求1的波導內固態推挽放大功率合成器，其特征是開口功率合成模塊含開口熱沉，開口熱沉中間設有與波導三側壁相連接的橫隔，橫隔上間隔焊裝若干對MMIC，在MMIC對的輸入側裝有輸入漸變縫寬鰭線巴侖陣基片和輸入微帶阻抗變換器陣基片，在MMIC的的輸出側裝有輸出微帶阻抗變換器陣基片、輸出漸變縫寬鰭線巴侖陣基片；H形功率合成模塊具有H形熱沉，H形熱沉的中橫隔上間隔焊裝若干對MMIC，在MMIC對的輸入側裝有輸入漸變縫寬鰭線巴侖陣基片、輸入微帶阻抗變換器陣基片，在MMIC對的輸出側裝有輸出微帶阻抗變換器陣基片、輸出漸變縫寬鰭線巴侖陣基片和直流偏置微帶電路一個部件。
3.根據權利要求1或2的波導內固態推挽放大功率合成器，其特征是在功率合成模塊中，若干對MMIC以推挽方式工作在A類、或B、或AB類狀態下。
4.根據權利要求1或2的波導內固態推挽放大功率合成器，其特征是所有的輸入、輸出漸變縫寬鰭線窄縫端端口的金屬帶線均不接地。
5.根據權利要求2的波導內固態推挽放大功率合成器，其特征是在功率合成模塊中使用的MMIC是無包裝外殼的集成電路芯片，具有50歐姆的輸入和輸出阻抗，它們直接焊裝在開口熱沉之橫隔的淺槽內和H形熱沉之中橫隔的淺槽內。
6.根據權利要求2的波導內固態推挽放大功率合成器，其特征是所述開口熱沉、H形熱沉是用銅材或鋁材制成的，所有的開口熱沉和H形熱沉外壁均設置片狀散熱器。
7.根據權利要求2的波導內固態推挽放大功率合成器，其特征是在輸入漸變縫寬鰭線巴侖陣的基片上，其漸變縫寬鰭線巴侖陣是單面或雙面對趾設置的；在輸出漸變縫寬鰭線巴侖陣的基片上，其漸變縫寬鰭線陣是單面或雙面對趾設置的。
8.根據權利要求7的波導內固態推挽放大功率合成器，其特征是漸變縫寬鰭線的長度為0.5～1導波波長，漸變縫寬鰭線終端端口特性阻抗為100～150歐姆。
9.根據權利要求2的波導內固態推挽放大功率合成器，其特征是輸入、輸出漸變縫寬鰭線巴侖陣的基片，輸入、輸出微帶阻抗變換器陣的基片均是氮化鋁陶瓷、或氧化鋁陶瓷、或TEFLON基片。
10.根據權利要求1或2的波導內固態推挽放大功率合成器，其特征是在功率合成器中的每一個MMIC輸入端接入小功率放大器。
全文摘要
本發明涉及基于鰭線巴侖(finline balun)結構的波導內固態推挽放大功率合成器，包括兩個開口功率合成模塊，在兩開口模塊之間拼裝至少一個H形功率合成模塊和一個部分波導塊構成封閉的波導；每一個模塊的若干對推挽MMIC直接焊裝熱沉上，若干鰭線巴侖結構的輸入、輸出漸變縫寬鰭線巴侖陣三維立體地分別設置在輸入和輸出波導段的電場方向上，采用漸變縫寬鰭線巴侖陣和以推挽方式工作的多對MMIC在封閉的波導內實現功率合成。其中每對MMIC以推挽方式工作在A類、或B、或AB類狀態下，在B類狀態下電源效率理論可達78.5％，實測達到50～65％，具有寬頻帶、高增益和理想線性，能夠取代大功率電真空器件。
文檔編號H01P5/00GK1549388SQ03126548
公開日2004年11月24日 申請日期2003年5月9日 優先權日2003年5月9日
發明者姜遵富 申請人:深圳市利原宏通信技術有限公司