专利名称：Ka波段多路波导空间功率合成放大器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及波导功率合成放大器，尤其涉及一种Ka波段多路波导空间功率 合成放大器。
背景技术：
空间功率合成放大器技术的研究起源于80年代末，近年来，随着微波和毫米波集 成电路和固态有源器件的发展，研究空前热烈。它主要研究的问题是如何在波导内部进行 毫米波频段空间功率合成放大。其应用前景十分广阔，可以广泛应用于导航以及民用电子 设备的毫米波频段大功率固态源上。传统的电路功率合成器在合成器件数量不是很多时有其优势，但随着合成器件增 多，无源匹配电路和合成电路将占据很大面积，相应的损耗也会变得很大。空间功率合成方法把有源元件与波导里的导波直接耦合，不像电路合成结构那样 通过平面传输线传输，故能提高射频效率。一个大的波导截面可以让很多器件在合成的单 级上集成。因为所有元件并行工作，所以损耗基本上和放大器的数量没关系。这些系统的 欧姆损耗很小，因为能量通过低损耗的波导在空间里直接分配和合成。空间功率合成放大阵列，除了电性能设计外，放大器模块的直流偏置、散热结构的 设计也是影响阵列性能的关键问题。因此，必须采用机电一体化设计，充分考虑各类因素的 影响。选取合适的结构，解决放大器的直流偏置和散热问题，以免放大器因为散热不佳导致 性能下降。传统的基于波导的空间功率合成有源阵列，通过波导壁控制电磁场和限定工作模 式。由于Ka波段的标准波导尺寸太小，难以同时安装多路功放，采用渐变波导，又会有多模 问题。在波导内安置多路功放同时也存在散热问题不好解决。于是，有学者提出一种Ka波 段矩形波导内4路(2X2)的空间功率合成器。它的工作频率在35GHz到40GHz，在能量传 输上，采用对极鳍线实现波导-微带的过渡，在结构上，对Ka波段标准矩形波导的波导宽边 进行两层剖分，从而实现波导内置两层过渡结构；其中每层鳍线上放置两个放大器，实现4 路合成，但该放大器芯片置于矩形波导内，散热性能不够理想。还有学者在此结构上进行改 进，提出一种Ka波段矩形波导内4路(2X2)的空间功率合成器，改进的地方是把每片鳍线 上的两个放大器芯片交错放置，以便散热。但这两种放大器的合成路数仅为4路，可输出的 最大功率受到放大器数目限制，输出功率有限。
实用新型内容本实用新型的目的在于提出了一种Ka波段多路波导的空间功率合成放大器，该 放大器采用波导放大电路外置设计方案，把功放芯片放在波导外部实现，同时把同一基片 上的两个放大器芯片交错放置，以便散热。为实现本实用新型的目的采用的技术方案一种Ka波段多路波导空间功率合成 放大器，其特征是，由均采用金属制成的顶盖(1)、一片两边托盘(2)、一片中心托盘(3)、一片中心托盘(4)、一片两边托盘(5)、底座(6)从上到下组合而成，组合后的相关面形成Ka 波段的矩形波导口(18)；四片渐变鳍线卡(10)分别放置在中心托盘(3)、(4)和两边托盘 (2)、(5)上；组合时，中心托盘(4)朝上的一面为平面，朝下的一面设有方向与矩形波导口 (18)开设方向一致的凹槽(21)，及与凹槽(21)垂直相交的凹槽(22)，渐变鳍线卡(10)放 置在凹槽(21)和(22)内，渐变鳍线卡(10)接触两边托盘(5)的一面中，放置在凹槽(21) 的部分延伸出两条50欧姆微带线(16)，两条微带线(16)在凹槽(21)和(22)的相交处采 用微带拐角结构(17)使两条微带线(16)之间的垂直距离扩大，扩大后的两条微带线(16) 相互平行且方向平行于矩形波导口(18)开设的方向，两路放大器芯片(13)安装位置在凹 槽(21)和(22)相交处，分别连接在两条所述微带线(16)上且位置左右交错，放大器芯片 (13)的旁路电容(14)、(15)与放大器芯片(13)相连接并连接到设置位置在凹槽(22)中的 直流偏置馈线(12)上；所述渐变鳍线卡(10)靠近中心托盘(3)的一面中，对应于渐变鳍线 卡(10)另一面有微带线(16)的地方均设有作为微带线地板的金属层；所述两边托盘(5) 与放置在中心托盘(4)中的渐变鳍线卡(10)接触的一面在与凹槽(21)对应的位置上设有 用于压住渐变鳍线卡(10)的凸边(23)，与底座(6)接触的一面结构与中心托盘(4)朝下的 一面相同，鳍线卡(10)放置的位置也相同；所述底座(6)朝上的一面开设有与凹槽(22)位 置对应的凹槽(20)，在与凹槽(21)对应的位置上设有用于压住鳍线卡的凸边(19)；中心托 盘⑶和⑷结构相同，两边托盘⑵和(5)结构相同，顶盖⑴和底座(6)结构相同，组 合时中心托盘(3)和(4)、两边托盘⑵和(5)、顶盖⑴和底座(6)的安装的方向相反。更具体的说，所述顶盖(1)、一片两边托盘(2)、一片中心托盘(3)、一片中心托盘 (4)、一片两边托盘(5)、底座(6)均由铜制成且均设有相应的螺孔(7)和销钉孔(8)，螺钉 通过螺孔(7)和销钉孔(8)将顶盖(1)、一片两边托盘(2)、一片中心托盘(3)、一片中心托 盘(4)、一片两边托盘(5)、底座(6)组合固定。所述渐变鳍线卡(10)是指用印刷电路板的方法在双面覆铜的罗杰斯5880基片上 制作的渐变鳍线卡(10)。所述渐变鳍线卡(10)设有用于安装的边框(18)，所述边框(18)在靠近波导口 (18)的两端设有密集过孔阵列。在边框(18)的介质板上添加密集过孔阵列，以模拟金属波 导壁，用于抑制装槽深度可能会带来的影响。所述旁路电容(14)采用lOOOOpF的电容，旁路电容(15)采用IOOpF的电容。所述放大器芯片(13)采用Triquint公司的TGA4516的放大器芯片。所述放大器中所有导体材料的表面均设有镀银层。这样可将毫米波波导的电损耗 减至最少的限度。本实用新型的主要工作原理是作为工作在毫米波段的空间功率合成放大器，要 求合成的效率尽量高。这里主要体现在阻抗匹配技术上面。在此，把波导口的能量转换为 微带线上的能量，实现阻抗匹配的实用方法是采用渐变鳍线阵列。鳍线的特性阻抗随频率 变化很小，在极宽的频带内易于实现阻抗匹配，渐变鳍线的形状按余弦平方过渡的最优函 数变化，在所需带宽内实现始端波导阻抗和终端鳍线阻抗间的匹配，使得波导输入口的反 射系数最小，从而提高合成的效率。微带拐角技术可以实现电路在空间上的延升，保证芯片 可以置于波导外部。由此会不可避免带来反射，降低电路的匹配性能。但通过微带拐角的 设计和优化，可以将反射控制在可以接受的技术指标之内。散热技术体现在芯片错位放置的方案上面。芯片本身是发热源，所以把同一片电路上的两个放大器芯片对角错开，可以方 便散热。与现有的技术相比，本实用新型具有如下优点1.传统的波导内多路(大于4路)固态功率合成器只能在波导尺寸较大的C到 Ku波段内实现，而本实用新型通过采用将放大芯片置于波导外部的方法，可以突破Ka波段 波导尺寸小的瓶颈，实现符合性能要求的Ka波段多路空间功率合成放大器；2.本实用新型把放大芯片错位放置，可以分散热源，改善散热效果；3、本实用新型可实现8路Ka波段波导空间功率合成，且结构紧凑、频带宽、效率 尚ο
图Ia是本实用新型组合时的整体结构示意图；图Ib是本实用新型顶盖拉开时的整体结构示意图；图2是本实用新型的底座组合时朝上的一面的结构示意图；图3a是本实用新型的中心托盘4与中心托盘3接触那一面的结构示意图；图3b是本实用新型的中心托盘4与两边托盘5接触那一面的结构示意图；图4a是本实用新型的渐变鳍线卡安装在中心托盘4中与两边托盘5接触的那一 面的结构示意图；图4b是本实用新型的渐变鳍线卡安装在中心托盘4中与中心托盘3靠近的那一 面的结构示意图；图5是本实用新型的两边托盘5组合时朝上的一面的结构示意图；图6是本实用新型的工作流程图；图7是本实用新型的渐变鳍线卡阵列模型的电磁仿真曲线。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述。实施例本实用新型整体的结构如图Ia和图Ib所示，在金属铜构成的矩形波导口 18的宽 边上对其进行六层分割，组成托盘结构，包括顶盖1、底座6、中心托盘3、4，两边托盘2、5 ； 螺孔7和销钉孔8用于组合固定顶盖1、中心托盘3和4、两边托盘2和5、底座6，构成含鳍 线结构的矩形波导。从上到下的组合顺序为顶盖1、一片两边托盘2、一片中心托盘3、一片 中心托盘4、一片两边托盘5、底座6。组合后的相关面形成Ka波段的矩形波导口 18，组合 完整的矩形波导放大器的波导口 18长度为a，宽度为b，对应Ka波段的标准矩形波导，a的 长度为7. 112mm,b的长度为3. 556mm，输入微波以主模TElO模进行传播。有螺孔9的两个 侧面为矩形波导输入或输出端口，螺孔9是为了与外接波导相连接。四片渐变鳍线卡10分 别放置在中心托盘3、4和两边托盘2、5上(中心托盘3和4相同，两边托盘2和5相同)， 实现模块组合。渐变鳍线卡10可在双面覆铜的罗杰斯5880基片上用印刷电路版的方法制 作，罗杰斯5880基片上基片的厚度为0. 254mm。放置在中心托盘和两边托盘上的渐变鳍线 卡10实现波导到微带的阻抗变换。如图2、图3a、图3b、图4a、图4b和图5所示，组合时，中心托盘4朝上的一面为平面，朝下的一面设有方向与矩形波导口 18开设方向一致的凹槽 21，及与凹槽21垂直相交的凹槽22，渐变鳍线卡(10)放置在凹槽21和22内，渐变鳍线卡 10的边框部分18为渐变鳍线卡10相应安装在中心托盘4上的固定端，装槽深度为2mm，以 固定鳍线卡10。在边框18的介质板上可以添加密集过孔阵列，以模拟金属波导壁，抑制装 槽深度可能会带来的影响；渐变鳍线卡(10)接触两边托盘(5)的一面中，放置在凹槽(21) 的部分延伸出两条50欧姆微带线(16)，两条微带线(16)在凹槽(21)和(22)的相交处采 用微带拐角结构(17)使两条微带线(16)之间的垂直距离扩大，扩大后的两条微带线(16) 相互平行且方向平行于矩形波导口(18)开设的方向，两路放大器芯片(13)安装位置在凹 槽(21)和(22)相交处，分别连接在两条所述微带线(16)上且位置左右交错，放大器芯片 (13)的旁路电容(14)、(15)与放大器芯片(13)相连接并连接到设置位置在凹槽(22)中 的直流偏置馈线(12)上；所述渐变鳍线卡(10)靠近中心托盘(3)的一面中，对应于渐变鳍 线卡(10)另一面有微带线(16)的地方均设有作为微带线地板的金属层；两边托盘(5)与 放置在中心托盘4中的渐变鳍线卡(10)接触的一面在与凹槽(21)对应的位置上设有用于 压住渐变鳍线卡(10)的凸边23，与底座(6)接触的一面结构与中心托盘(4)朝下的一面 相同，鳍线卡(10)放置的位置也相同；底座(6)朝上的一面开设有与凹槽(22)位置对应 的凹槽(20)，在与凹槽(21)对应的位置上设有用于压住鳍线卡的凸边(19)；中心托盘(3) 和⑷结构相同，两边托盘⑵和(5)结构相同，顶盖⑴和底座(6)结构相同，组合时中 心托盘⑶和(4)、两边托盘⑵和(5)、顶盖⑴和底座(6)的安装的方向相反。放大器 芯片(13)采用Triquint公司的TGA4516的放大器芯片，芯片尺寸为2. 79X2. 315X0. 1謹； 工作频段为30-40GHZ ；标称饱和输出功率大于33dBm，饱和输入功率为20dBm ；标称增益为 18dB ；偏置电压为6V，静态电流为1. 05A，动态电流为1. 9A。放大器芯片13的旁路电容14 是lOOOOpF的旁路电容，15是IOOpF的旁路电容，它们用金线以绑定的方式与放大器芯片 13的相应引脚相连接，并连接到直流偏置馈线12上。这样就实现了 Ka波段一共8路芯片 合成的方案。其工作流程图如图6所示。把放大器芯片13和偏置电容14和15去掉，使得连接放大器芯片13的输入输出 的50欧姆微带线16直接连通，对全模型的无源匹配部分使用软件HFSS进行仿真，观察其 回波反射Sll特性，如图7所示。在31GHz到36GHz通频带内，Sll都在-16dB以下，说明 系统阻抗匹配性能良好，能够实现宽频带、高效率的放大器。本实用新型散热方案放大器芯片13直接焊接固定在金属铜波导的中心托盘和 两边托盘上面，可以方便热量扩散到外面，每片渐变鳍线卡上的两个放大器交错放置，也为 分散热源分别提供了帮助。本实用新型中所有导体材料的工件表面都要镀银。这样可将毫米波波导的电损耗 减至最少的限度。上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述 实施例的限制，任何未背离本实用新型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，都包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求一种Ka波段多路波导空间功率合成放大器，其特征是，由均采用金属制成的顶盖(1)、一片第一两边托盘(2)、一片第一中心托盘(3)、一片第二中心托盘(4)、一片第二两边托盘(5)、底座(6)从上到下组合而成，组合后的相关面形成Ka波段的矩形波导口(18)；四片渐变鳍线卡(10)分别放置在第一中心托盘(3)、第二中心托盘(4)和第一两边托盘(2)、第二两边托盘(5)上；组合时，第二中心托盘(4)朝上的一面为平面，朝下的一面设有方向与矩形波导口(18)开设方向一致的第一凹槽(21)，及与第一凹槽(21)垂直相交的第二凹槽(22)，渐变鳍线卡(10)放置在第一凹槽(21)和第二凹槽(22)内，渐变鳍线卡(10)接触第二两边托盘(5)的一面中，放置在第一凹槽(21)的部分延伸出两条50欧姆微带线(16)，两条微带线(16)在第一凹槽(21)和第二凹槽(22)的相交处采用微带拐角结构(17)使两条微带线(16)之间的垂直距离扩大，扩大后的两条微带线(16)相互平行且方向平行于矩形波导口(18)开设的方向，两路放大器芯片(13)安装位置在第一凹槽(21)和第二凹槽(22)相交处，分别连接在两条所述微带线(16)上且位置左右交错，放大器芯片(13)的第一旁路电容(14)、第二旁路电容(15)与放大器芯片(13)相连接并连接到设置位置在第二凹槽(22)中的直流偏置馈线(12)上；所述渐变鳍线卡(10)靠近第一中心托盘(3)的一面中，对应于渐变鳍线卡(10)另一面有微带线(16)的地方均设有作为微带线地板的金属层；所述第二两边托盘(5)与放置在第二中心托盘(4)中的渐变鳍线卡(10)接触的一面在与第一凹槽(21)对应的位置上设有用于压住渐变鳍线卡(10)的凸边(23)，与底座(6)接触的一面结构与第二中心托盘(4)朝下的一面相同，鳍线卡(10)放置的位置也相同；所述底座(6)朝上的一面开设有与第二凹槽(22)位置对应的第三凹槽(20)，在与第一凹槽(21)对应的位置上设有用于压住鳍线卡的凸边(19)；第一中心托盘(3)和第二中心托盘(4)结构相同，第一两边托盘(2)和第二两边托盘(5)结构相同，顶盖(1)和底座(6)结构相同，组合时第一中心托盘(3)和第二中心托盘(4)、第一两边托盘(2)和第二两边托盘(5)、顶盖(1)和底座(6)的安装的方向相反。
2.根据权利要求1所述的Ka波段多路波导空间功率合成放大器，其特征是，所述顶盖 (1)、一片第一两边托盘(2)、一片第一中心托盘(3)、一片第二中心托盘(4)、一片第二两边 托盘(5)、底座(6)均由铜制成且均设有相应的螺孔(7)和销钉孔(8)，螺钉通过螺孔(7) 和销钉孔(8)将顶盖(1)、一片第一两边托盘(2)、一片第一中心托盘(3)、一片第二中心托 盘(4)、一片第二两边托盘(5)、底座(6)组合固定。
3.根据权利要求1所述的Ka波段多路波导空间功率合成放大器，其特征是，所述渐变 鳍线卡(10)是指用印刷电路板的方法在双面覆铜的罗杰斯5880基片上制作的渐变鳍线卡 (10)。
4.根据权利要求1所述的Ka波段多路波导空间功率合成放大器，其特征是，所述渐变 鳍线卡(10)设有用于安装的边框(18)，所述边框(18)在靠近波导口(18)的两端设有密集 过孔阵列。
5.根据权利要求1所述的Ka波段多路波导空间功率合成放大器，其特征是，所述第一 旁路电容(14)采用lOOOOpF的电容，第二旁路电容(15)采用100pF的电容。
6.根据权利要求1所述的Ka波段多路波导空间功率合成放大器，其特征是，所述放大 器芯片(13)采用Triquint公司的TGA4516的放大器芯片。
7.根据权利要求1所述的Ka波段多路波导空间功率合成放大器，其特征是，所述放大器中所有导体材料的表面均设有镀银层。
专利摘要本实用新型公开了一种新型的多路(大于4路)Ka波段波导空间功率合成放大器，该放大器是采用金属铜构成的托盘组合结构模块，包括一个底座、一个顶盖，两个中心托盘和两个两边托盘，所有结构组合后的相关面形成Ka波段的矩形波导口；四片渐变鳍线卡分别置于中心托盘和两边托盘上，实现由波导到微带的阻抗变换和多路功率分配与合成，最后通过微带拐角结构使放大器置于波导空间之外，放大器芯片交错放置以便散热。与现有技术相比，本实用新型的功率合成可以突破尺寸限制，在更高频率的Ka波段得以实现，具有宽频带、高效率、组合方便、散热性能好的优点。
文档编号H01P5/00GK201638920SQ20092023674
公开日2010年11月17日 申请日期2009年9月30日 优先权日2009年9月30日
发明者吕盛奇, 褚庆昕 申请人:华南理工大学