金属封闭腔准光功率分配网络的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种主要应用于毫米波高频段大规模有源器件高效率功率合成放大 器中的功率分配网络。
【背景技术】
[0002] 毫米波高功率放大器是毫米波通信、雷达、测控、导航系统发射装置的关键部件。 为了实现系统更大的作用半径、更强的抗干扰能力、更好的通信质量等性能，必须具备足够 大的输出功率。而由于半导体物理特性以及加工工艺等诸多方面的限制，目前还难以生产 出大功率、低噪声、高性价比的毫米波固态放大器，尤其是在毫米波高频段，因此功率合成 成为实现优良性能固态系统的必由之路，分为芯片级、电路级、空间级，而各种功率合成技 术的核心都是功率分配网络。芯片级功率合成是在同一个半导体基片上，将多个功率管管 芯并联在小于波长的一定区域内，利用匹配网络将其连接起来，实现其功率叠加输出高功 率。这种合成方式存在一定限制：随着工作频率的升高，工作波长变短，可用于功率合成的 区域尺寸减小，偏置和匹配电路的制作难度相应加大，合成芯片的数目也随之受到限制，从 而制约了整个合成系统的输出功率。同时由于芯片间的间距变窄，使得散热问题更加突出。 因此芯片式功率合成并不能满足大输出功率的要求。电路级功率合成按电路形式的不同可 分为非谐振式电路合成和谐振式电路合成。两种方式存在一些固有的缺点，非谐振式电路 合成随着合成放大器数量的增加，传输损耗越来越大，导致合成效率较低，频率升高时，性 能恶化更加严重；谐振式电路合成工作频带窄，器件数目受腔体模式限制；随着合成器件 增多，频率升高，腔体空间会越来越小，各种不连续边界所产生的模式将变得越来越复杂， 严重影响合成器工作的稳定性、合成效率以及输出功率。空间功率合成通过把有源器件的 功率耦合至大孔径导行波束再输出。单级中可实现大规模器件集成，且损耗与器件数目几 乎无关。又由于能量是分散耦合在空间合成，欧姆损耗很小。但是目前的空间功率合成的 分配网络存在两次波束转换，球面波转准平面波和准平面波转相位廓线，多次转换都会存 在损耗；多为自由空间内实现的，电磁波泄漏严重，不利于提高效率和电磁兼容性设计；各 个分模块相对定位结构不够，如果偏离设计位置，将引起波束相对相位关系变化，系统效率 会显著降低。
[0003] 综上所述，现有技术还难以实现毫米波高频段大规模、高效率、优良电磁屏蔽的功 率分配。
【发明内容】
[0004] 本发明针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种可高效率大规模集成有源器 件、电磁屏蔽性能优良、适用于毫米波高频段的金属封闭腔准光功率分配网络，以突破毫米 波高频段难以实现大功率输出的瓶颈。
[0005] 本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种金属封闭腔准光功率分配网 络，包括：金属封闭衍射腔1、变宽波导阵移相透镜2、输入喇叭上腔3、输入喇叭下腔4、输出 喇叭阵上腔5和输出喇叭阵下腔6,其特征在于：输入喇叭上腔3和输入喇叭下腔4结合 在一起形成输入喇叭19,输出喇叭阵上腔5和输出喇叭阵下腔6结合在一起形成输出喇叭 12 ;变宽波导阵移相透镜2输入平面10、输出平面11分别与输入喇叭19、输出喇叭12紧密 连接；射频信号从内壁设有一级输入阶梯变换9的输入波导口 8输入，经金属封闭的输入喇 叭19变换在变宽波导阵移相透镜2输入平面10处形成近似等幅度波束，以此波束为相干 准平面波照射到变宽波导阵移相透镜2,在输出平面11处产生多个幅度近似相同，相位周 期规律分布的相干分波束，相干分波束在金属封闭衍射腔1内衍射、干涉，在周期分布的输 出喇叭12 口径处形成18个幅度近似相同、相位按周期规律变化的聚焦点，并被18个输出 喇叭12接收，再经一级输出阶梯变换15后，由18个标准输出波导口 7输出，从而完成了通 过一级分配网络实现1分18路功率分配。 本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
[0006] 本发明通过一级功率分配实现了 1分18路，而实现1分16路分配都需要级联4 级1分2电路功率分配网络，功率分配级数的减少降低了电路损耗，提升了功率分配效率。 本发明基于全息术原理：将多个相干光源波束与一束参考光束相干平面波在空间干涉，利 用空间特定位置的底片记录干涉条纹形成全息照片；当用同一参考光束照射全息照片，可 以完全恢复各相干光源波束的幅度和相位。在本发明中，以输入喇叭变换19后的波束作 为参考光束相干平面波照射到作为全息照片的变宽波导阵移相透镜2的输入平面10,在输 出平面11以后经过干涉、衍射，会产生多个幅度近似相等的相干分波束，来完成功率分配。 应用该原理，本发明通过1级功率分配实现了 1路分18路，而且在不显著降低分配效率的 前提下分配波束数目可以进一步提高，同时具备进一步改进为二维分配网络的潜力，实现1 分N1XN2的二维功率分配。
[0007] 本发明中对输入喇叭19与变宽波导阵移相透镜2进行一体化设计，无需考虑输入 平面10的相位的分布，与目标相位廓线的任意相位差都可在变宽波导阵移相透镜2设计时 一并补偿。这样就可省去目前已存的几种准光功率分配网络中必须的球面波-平面波前变 换，简化了结构，能显著减小网络体积，实现小型化设计；同时也减少了准光功分/合成网 络的损耗，有利于提尚合成效率。
[0008] 与目前存在的几种开放腔结构的准光功率分配网络不同，本发明实现了准光功率 分配网络波束传输内腔为金属全封闭性，有效屏蔽电磁波泄漏，有利于高效功率分配和改 善电磁兼容性。特别设计了输入喇叭19,使得在与其紧密连接的变宽波导阵移相透镜2输 入平面上，场幅度分布变化范围较小，实现了输入端的金属封闭。在输出平面11的场相位 廓线也为特别设计的，使得在金属封闭衍射腔1内的衍射场存在固有的幅度为零的区域， 且方向平行于波束传播方向。将金属边界置于零场区域，根据唯一性定理，不会影响原有理 想场的幅度相位分布，使得分配网络实现了衍射腔的封闭。相邻输出喇叭12之间垂直于波 束传播的金属直壁13上覆有吸波材料，避免了因为部分波束反射回衍射场带来有害的扰 动。
[0009] 本发明中除了变宽波导阵为金属波导，其余部分为大面积空腔，有效降低了欧姆 损耗；且变宽波导阵相移透镜2的波束传播长度是经过优化的，在满足移相要求的前提下， 长度尽量短，也降低了波导传输的损耗，有利于提高分配效率。
[0010] 本发明中输入输出端口都设置了阶梯变换，以匹配输入输出阻抗，优化驻波性能。
[0011] 本发明输出喇叭12结构上设计了输出喇叭阵位置调节孔14,使得其在金属封闭 衍射腔1内，可沿输出喇叭阵位置调节孔14的长边方向（即波束传播方向）移动，即可调 整接收的最佳位置来校正仿真设计、机加带来的误差。输出喇叭12左右两侧刻有若干定位 标记21，对应的定位标记处于垂直波束传播方向上的直线上，将左右对应的定位标记21与 金属封闭衍射腔1边壁齐平，保证输出喇叭12垂直于波束传播方向，且根据定位标记21的 序数可以确定输出喇叭12的相对位置。目前大多数开放腔准光功率分配网络各部分结构 是散置的，其相对定位是调试过程中的巨大难题，而由于本发明中分配网络各部分都为硬 连接，通过销钉及螺钉紧固，可以很好得实现准确的相对定位。通过上述措施，使得功率分 配效果最佳。
[0012] 在不影响功率分配效率的前提下，设计时可调整本发明中的输出波导口 7之间的 间距，使得在毫米波高频段，也可保持有源器件之间的间距足够大，从而降低了高功率放大 器有源部分集成工艺、散热、馈电电路的设计难度。
[0013] 综上，本发明通过一级功率分配网络实现了 1分18路的高效率功率分配，并且适 用于更高频段、分配路数更多的应用，突破了毫米波频段（尤其是毫米波高频段）难以同时 具备合成规模大、效率高、电磁屏蔽性能优良等优点的功率分配/合成的瓶颈。
【附图说明】
[0014] 图1是本发明金属封闭腔准光功率分配网络的三维构造示意图。
[0015] 图2是图1中的金属封闭腔准光功率分配网络的输入波导口方向视图。
[0016] 图3本发明图1中金属封闭腔准光功率分配网络的原理框图。
[0017] 图4是图1金属封闭腔准光功率分配网络的内部结构示意图。
[0018] 图5是图1输出喇叭结构示意图。
[0019] 图6是图1变宽波导阵移相透镜结构示意图。
[0020] 图中：1金属封闭衍射腔，2变宽波导阵移相透镜，3输入喇叭上腔，4输入喇叭下 腔，5输出喇叭阵上腔，6输出喇叭阵下腔，7输出波导口，8输入波导口，9输入阶梯变换，10 输入平面，11输出平面，12输出喇叭，13金属直壁，14位置调节孔，15输出阶梯变换，16输 入波导口平面，17梯形斜边，18短直边，19输入喇叭，20锁定螺钉孔阵，21定位标识，22侧 壁。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0022] 参阅图1、图2,两图分别是从输出波导口 7、输入波导口 8方向看过去的金属封闭 腔准光功率分配网络。在以下描述的实施例中，金属封闭腔准光功率分配网络包括：输入喇 口八19、变宽波导阵移相透镜2、金属封闭衍射腔1、输出喇叭12,其中，输入喇叭19由镜面对 称的输入喇叭上腔3、输入喇叭下腔4结合形成；输出喇叭12由镜面对称的输出喇叭阵上 腔5和输出喇叭阵下腔6结合在一起形成；输入喇叭19、变宽波导阵移相透镜2、金属封闭 衍射腔1和输出喇叭12的内腔高度相同，且为金属全封闭的，可以有效屏蔽电磁波泄漏，有 利于提高功率分配