专利名称：使用空间合成技术的高线性推挽放大器的制作方法
技术领域：
本发明专利涉及一种使用空间合成技术的高线性功率放大器的设计技术，可广泛用于卫星通信和微波，毫米波通信等通信系统中。
背景技术：
微波与毫米波放大器是通信领域的关键设备之一，目前在大功率放大器领域中广泛采用的是真空管放大器。但是由于真空管器件的寿命有限，并且需要使用高电压，导致操作危险增大。更为重要的是真空管放大器的线性度差，通常需要由标称输出功率回退6dB 以上，才能满足线性度的要求。半导体放大器的寿命远远长于真空管器件，而且具有操作电压低等优点。但是由于半导体晶体管和单片集成电路的输出功率很有限，其最高输出功率和真空管放大器相差一个数量级，必须使用能够实现大规模合成的空间功率合成技术来提高输出功率，而基于同轴波导的功率合成技术是适合于大功率合成的最佳选择。在使用同轴波导功率合成技术的放大器中，由呈放射状均勻对称分布在同轴腔内的鳍线天线阵列将输入功率均勻分配至腔体内部的每一个放大器单元，并由相同的输出鳍线天线阵列将功率合成至输出端口。由于同轴腔的对称特性，每一个鳍线天线上耦合的信号的幅度与相位都相同，所以与鳍线天线相连的每个放大器单元可以得到相同幅度与相位的输入信号，而其输出信号也可以实现同幅同相的功率叠加。这种空间合成阵列即使在最理想的情况下只是使得整个功率放大器保持和每个放大器单元一致的线性度，由于天线阵列在生产和组装过程中产生的不可避免的幅度与相位误差，在实际应用中其线性度还会有所下降。B类放大器具有同高线性的A类放大器相似的线性度，但是由于B类放大器的输出有偶次谐波，需要在输出端加入滤波器，导致系统体积增加，不利于系统小型化。利用波导空间合成中的鳍线天线结构来形成具有幅度相同并且相位相反的两路输出的巴伦，可以使用于功率合成的每个放大器单元成为B类推挽放大器单元。B类推挽放大器单元的偶次谐波可以相互抵消，在其输出端不需要使用低通滤波器。通过将组成放大器的各单元构成B类推挽放大器单元后，再进行功率合成，可以提高整个放大器的线性度， 而且不需要再在输出端加入任何滤波器。
发明内容
为了克服大功率半导体放大器的线性度差，输出谐波高，需要外加滤波器的缺点， 本发明专利提供一种利用空间合成结构的B类推挽放大器放大器设计。该放大器具有线性度好，输出功率高和体积小的优点，便于移动及固定系统采用。B类推挽放大器具有线性度好，输出谐波低等优点，但是其需要输入巴伦以产生两路幅度相同相位相反的信号，同时需要对称的输出巴伦将输出信号叠加。巴伦电路要增加电路的尺寸，同时引入额外的损耗。
本发明专利为解决该技术问题所采用的技术方案是利用空间合成结构中的鳍线天线构成具有双路同幅输出和180度相移的巴伦，由对称的输入和输出巴伦构成B类推挽放大器单元，使得每个放大器单元具有高线性度和高效率特性。同时通过空间合成结构将 B类推挽放大器单元阵列进行有效的合成，可是实现大功率输出，同时保证良好的线性度和
高的效率。使用空间合成结构的功率放大器的工作原理是在波导中加入鳍线天线阵列，输入端的信号被均勻分配给鳍线天线阵列中的每一个单元，耦合到每个天线的信号经过半导体放大器单元放大以后，再通过对称的鳍线天线阵列将信号合成到输出端口。为了便于组装，中间的波导部分由多个卡组成，而输入天线，放大器单元和输出天线都组装在卡上。当多个卡叠加在一起时就形成完整的波导，而天线阵列则分布于波导之中。这种空间合成结构的一个具体例子就是基于同轴腔的空间合成结构。其中部同轴腔由多个具有楔形横截面的卡组成，而卡的输入和输出端有槽，只有中间由金属桥联通，输入输出天线便分别安装在槽上，而放大器单元则安装于金属桥之上。当多个卡叠加形成同轴腔时，天线便在波导内形成每个天线表面沿径向分布而整个阵列相对于轴线呈放射线均勻分布的天线阵列。中部同轴腔的输入端接有同轴阻抗变换器，其一端连接尺寸很小的输入接头，另一端连接中部的大尺寸的同轴腔。这段同轴阻抗变换器不仅在尺寸上将波导由接头端逐渐变换到中部同轴腔，而且具有阻抗变换的功能，实现由接头到中部同轴腔的阻抗匹配。同时在中部同轴腔的输出端接有对称的输出同轴阻抗变换器，使得输出信号汇集到输出接头。在一种情况下，卡上的鳍线天线有并列的两个。在起始端的基底电路板的上表面由两块金属构成，在基底电路板的底面的中间位置从起始端也印有金属，与上表面面的两块金属形成两路并列的异面鳍线。两路异面鳍线各自的宽度逐渐减小，然后上表面的两块金属逐渐过渡为两路微带线。由于鳍线天线在同轴腔内的沿径向分布，而同轴腔内的电场随着半径的增加而逐渐减弱，所以位于同一卡上而尺寸相同的两个异面鳍线天线将有不同的输出幅度。而且由于中部同轴腔是与一个尺寸逐渐增大的同轴阻抗变换器相连，输入信号到达位于外侧的异面鳍线天线的距离要相对较远，导致其传播相位也较长。这样，如果位于同一卡上的两个异面鳍线天线尺寸相同，其输出幅度和相位都会不同。因此，需要将两个异面鳍线天线的的尺寸和相对位置作出调整以保证其输出幅度和相位保持一致。具体的做法之一就是加大外侧异面鳍线的天线的起始端宽度，增加其耦合功率的幅度；并且使得其起始端相对于内侧异面鳍线天线更靠近同轴阻抗变换器，以保证其相位与内侧异面鳍线一致。同样的结构将被用于输出端的鳍线天线设计。在另一种情况下，卡上的鳍线天线有并列的两个，但在起始端的基底电路板的背面有两块金属，在基底电路板的上表面的中央印有金属，与背面的两块金属形成两路并列的异面鳍线。两路异面鳍线的宽度逐渐减小，上表面金属在其末端逐渐过渡为为两路微带线。同样通过加大外侧异面鳍线的天线的起始端宽度，增加其耦合功率的幅度；并且使得其起始端相对于内侧异面鳍线天线更靠近同轴阻抗变换器，以保证其相位与内侧异面鳍线一致。同样的结构将被用于输出端的鳍线天线设计。在另一种情况下，卡上的鳍线天线有并列的两个，但在起始端的基底电路板的背面为空白，而有三块金属在基底电路板的上表面，分别形成两路并列的同面鳍线。两路同面鳍线的宽度逐渐减小，转化为两路槽线。而两路微带线分别与两路槽线不同极性的末端相耦合，形成两路相位相反信号的输出。同样通过加大外侧同面鳍线的天线的起始端宽度， 增加其耦合功率的幅度；并且使得其起始端相对于内侧同面鳍线天线更靠近同轴阻抗变换器，以保证其相位与内侧同面鳍线一致。同样的结构将被用于输出端的鳍线天线设计。在另一种情况下，卡上的鳍线天线在起始端由分布在基底电路板背面的两块金属构成，金属之间的间距由起始端与波导腔的宽度相同逐渐变化到很窄的槽线。而在基底电路板的上表面在初始段为空白，只有在天线的终端附近印有微带线，与背面的槽线垂直相交，其相交的位置距槽线的短路终端距离为工作频率的四分之一波长。由于微带线与背面具有相反相位的槽线的两极分别耦合，微带线的两个端口的相位相差为180度，构成巴伦， 它的两路输出分别与一个晶体管或者集成电路放大器相连。而晶体管或者集成电路放大器的输出端则和完全对称的微带线，槽线及鳍线天线相连。当晶体管或者集成电路放大器工作在B类工作点，这个放大器单元就形成B类推挽放大器，具有很好的线性度和效率，而其输出的偶次谐波相互抵消。在另外的情况下，可以将上述的各种并列的异面与同面鳍线天线结构用于矩形波导空间合成系统之中。矩形波导空间合成系统同样使用卡式结构，由多个卡组成矩形波导， 而卡上集成有输入天线，放大器单元和输出天线。与上面介绍的各种用于同轴波导内的鳍线天线结构相同，在每个卡上由两个并列的鳍线构成输入巴伦，同样在输出端使用对称的结构形成输出巴伦。不同的是每个卡的横截面是矩形，当多个卡叠加在一起时，卡上的槽就形成矩形波导腔，而卡上的鳍线天线就位于与电力线方向平行的截面上。由于沿电力线方向的电场呈均勻分布，所以两个异面鳍线的尺寸与位置保持相同，以保证两路输出信号的幅度相同，相位相反。这样每个卡可以形成B类推挽放大器单元，经过空间功率合成以后的放大器同样具有高线性度，高效率，低谐波等优点。虽然上面给出了具体的实例，但是本发明专利的内容并不是局限于上述几个例子，基于本发明专利的设计方法可以拓展到更宽的领域，也都属于本专利覆盖的范围。本实用发明专利的有益效果是，可以在保证大功率输出的同时，提高系统的线性度和效率，减少高次谐波输出，保证系统具有体积小的特点。
下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。图1是背景技术中的一种同轴空间功率合成结构。图2是使用同轴空间合成结构的高线性放大器的第一个实施例。图3是图2的截面图。图4是图2的多截面剖视图。图5是使用同轴空间合成结构的高线性放大器的第二个实施例的卡的构造图。图6是使用同轴空间合成结构的高线性放大器的第三个实施例的卡的构造图。图7是使用同轴空间合成结构的高线性放大器的第四个实施例的卡的构造图。图8是使用矩形波导空间合成结构的放大器的构造图。图9是使用矩形波导空间合成结构的高线性放大器的一个实施例的卡的构造图。
具体实施例方式在图1中，一个背景技术中介绍的基于同轴空间合成的放大器1由以下几部分组成输入同轴接头2，输入同轴渐变波导3，中部合成同轴波导6，输出同轴渐变波导7和输出同轴接头10。其中输入和输出同轴渐变波导的内腔体由同轴接头的尺寸变化到与中部合成同轴波导腔尺寸，它们由锥状内导体4和8，以及具有锥形腔的外导体5和9组成。而中部合成同轴波导由多个楔形卡11沿放射状叠加而成，每个卡11又包括金属基板12，输入异面鳍线天线13，放大器单元14和输出异面鳍线天线15组成。当整个放大器1组装在一起后，电磁波由输入接头2，经同轴渐变波导3均勻的照射到垂直于轴线成放射状分布在中部同轴腔内的异面鳍线天线阵列。由于天线阵列呈对称分布，每个天线耦合到相同的输入信号，传输到中部的放大器单元，经过放大器单元的放大后的信号经过对称的输出鳍线天线再耦合到输出同轴腔内，然后经过输出同轴渐变波导7传输到输出接头10。图1所示的放大器具有带宽宽及合成数量高的优点，但是放大器仅仅将放大器单元的功率叠加，整个放大器的线性度取决于用于合成的每个放大器单元14的线性度。为了改善系统的线性度和效率，本发明专利提出了改进合成阵列中的卡的电路结构，使之具有推挽特性，同时调整放大器单元的工作状态，如工作在B类放大器状态，实现效率的提高和高次谐波的消除，同时提高线性度。放大器的工作状态也可以设置在其他状态，以取得最理想的输出特性。图2中，用于构成中部合成同轴波导的卡19由输入天线电路20，两个放大器单元 21和22，以及输出天线电路23组成。而输入天线电路20包括两个并行的异面鳍线天线30 和31。当卡叠加在一起构成中部同轴波导时，异面鳍线天线30在同轴腔的外侧，而异面鳍线天线31在同轴腔的内侧。M是输入天线的基板，通常选择损耗很低的软板材料，但是在某些应用中可以选择氧化铝或者氮化铝等陶瓷材料。基板M上层的金属25与背面的金属 27构成异面鳍线30。异面鳍线30上下两金属的间距逐渐变小，最后上层金属逐渐转化为微带线观，而下层金属转化为地层。同样背面金属27的另一侧与上层金属沈构成异面鳍线31，同样上层金属逐渐转化为微带线四，而下层金属转化为地层。由于同轴腔内基模为横电磁(TEM)模式，其电场成辐射状，随着半径的增加而场的密度降低。另外，由于介于输入接头与中部合成同轴波导之间的同轴渐变波导内的腔体为半径逐渐增大的同轴腔，由同轴接头到外侧天线的传播距离长于到内侧天线的距离。所以为了保持异面鳍线天线30与31能够取得同样幅度与相位的信号，外侧异面鳍线30的初始宽度宽于内侧异面鳍线31，而且外侧异面鳍线30的起始位置也相比于内侧异面鳍线更靠近同轴渐变波导。在一种情况下，基板M具有与同轴腔中心线呈非直角的边缘，异面鳍线上下金属的起始点与基板的边缘保持一致，对于每一个异面鳍线其上下金属的起始点相对卡的边缘有所不同。在其他情况下，基板的边缘可以是呈阶梯状，异面鳍线30与31各自的上下金属起始点相同，但是30与31之间有一定距离。在天线的设计上，通过调整两个异面天线30和31的初始宽度与相对位置最终保证两个异面鳍线天线取得相同幅度与相位的信号。异面鳍线30与31的终端为微带线观与四，它们分别与放大器单元21与22的输入端相连。放大器21与22的输出端和输出天线电路23相连。输出天线电路23与输入天线20对称，同样有并列的两个异面鳍线，并且两个鳍线天线的宽度与相对位置和输入天线电路一致，以保证每个鳍线天线取得相同的信号幅度与相位。图3是使用具有推挽结构的卡的放大器的纵截面图40，输入信号经输入端口 41和输入同轴渐变波导42传输到中部有多个卡44构成的中部合成同轴波导43。每个卡43上的输入端有两个并列的异面鳍线天线47与48。两个异面鳍线天线的初始宽度与相对位置不同以保证它们能够取得相同幅度和相位的输入信号。靠近外侧的异面鳍线天线47宽度更宽，位置更靠近输入端口，以补偿由于场密度随半径下降和到输入端口距离更长这两个因素造成的影响。异面鳍线在基板上层的金属为53和M。图中还显示了相对于轴心线的另一个卡55，由于同轴对称性，该卡上显示的是异面鳍线天线底部的金属56。图3中异面鳍线47与48的上层金属转化为微带线并与放大器单元49与50相连， 然后输出到对称的异面鳍线51与52，再通过输出同轴渐变波导45将放大后的信号传输到输出端口 46。图4显示了图3中A-A，，B_B，和C_C，三个位置的横截图。㈧中所示为同轴腔的一部分60在A-A’平面的截图，其内部电场沿径向方向发散，强度随半径增加而减弱。图中箭头表示电场方向。(B)中所示为同轴腔的一部分在B-B’平面的截图，基板61上印有两个异面鳍线天线。上层金属62与底层金属63构成靠近内侧的异面鳍线天线65，电场方向由上层金属62指向底层金属63，并且强度较大。而底层金属63还与另外一个上层金属64 构成外侧异面鳍线天线66，其电场方向由底层金属63指向上层金属64，并且强度随着同轴腔半径增加而减小。(C)中所示为同轴腔的一部分在C-C’平面上的截图，外侧异面鳍线的上层金属转化为微带线67，而内侧异面鳍线的上层金属转化为微带线68，底层金属转化为覆盖整个底层的地板69。微带线68上的电场方向由微带线线指向地层，而微带线67上的电场方向相反。所以微带线67与68上的信号具有相反的相位，而这正好满足推挽结构的要求。所以鳍线天线将信号转化为两路幅度相同相位相反的信号，可以用来驱动两个工作在B类状态的放大器单元，再通过同样的鳍线天线电路将两路信号在输出端相加，这样就构成B类推挽放大器。这种结构具有效率高，线性度好，谐波低等优点。同时由于应用了鳍线天线的内在特性，所以结构简单，尺寸小，损耗低。通过合成多个具有B类推挽结构的卡的放大器整体也将有着效率高，线性度好等所有优点。在其他情况下放大器单元的工作状态也可以进行调整，例如可以工作在B类，AB 类，C类或者A类等状态，以取得最佳的效率和线性度等指标。而天线电路也可以有所不同。如图5显示了在卡70上的另一种异面鳍线天线结构其上层金属71不是位于基板的两侧，而是中间；其底层金属72则是由两侧逐渐过渡为整个地板。上层金属71在末端分为两路微带线75与76，分别与两个放大器相连。该结构还是使用两个并列的异面鳍线天线73 (外侧)和74 (内侧)，每个异面鳍线天线的尺寸和相对位置同样要加以调整以保持每一路信号的幅度与相位保持一致。图6显示了卡80上使用的同面鳍线天线电路。在基板上81有两个宽带逐渐变小的同面鳍线天线82(外侧)和83(内侧)，每个同面鳍线天线的宽度逐渐变小，转变为槽线 84和85，并且在槽线的末端连接有槽线到微带线的转换电路，将信号转换到微带线后传输给放大器单元。每个同面鳍线天线的初始宽度与位置同样需要加以调整以保证每一路上的信号幅度与相位相同。
图7显示了卡90上的另外一种鳍线天线电路。该电路只有一个同面鳍线天线91， 其金属92位于基板93的底层。同面鳍线天线的宽度逐渐变小转变为槽线94，在距离槽线终端96四分之一波长的距离处的上层有微带线95，该微带线通过与槽线的正交结构相耦合，其两个输出端97和98耦合有幅度相同而相位相反的信号。其功能与使用两个并列的鳍线天线的电路相同，可以与两个放大器单元99和100和一个对称的输出天线电路101结合，形成推挽结构，以提高效率和线性度。由图2至图7的卡的结构都是应用在同轴腔之内的，它们也可以使用在矩形波导腔内。不过每个卡Iio的金属基底不再具有楔形截面，而是如图8所示具有矩形截面，并且两边对称。当多个卡叠加在一起就形成矩形波导111，而波导内有鳍线天线阵列从波导腔内耦合能量。每个卡上的推挽电路可以提高效率与线性度，同样整个放大器也就具有了更好的效率与线性度。图9是一个用于矩形波导内的卡120。它的金属基板有矩形横截面，并且是对称的。它的输入和输出端有矩形槽122和123，而中间部分相连通，当多个卡叠加在一起就形成矩形波导腔。它使用两个并列的异面鳍线天线1 和125，天线的基板与电场方向平行。 异面鳍线的上层金属1 与127位于电路板的上层，而金属1 位于电路板底层。上层金属逐渐过渡为微带线1 和130，分别与两个放大器131和132相连，然后同与输入端对称的输出天线133相连。由于矩形波导内沿电场方向场强分布均勻，所以每个卡上的两个异面鳍线天线1 与125对称，可以获得同样幅度与相位的信号。
权利要求
1.一种推挽放大器结构，包括输入端口，输入波导，输出波导和输出端口以及中部由多个卡叠加而成的中部波导结构，其特征是每个卡上都有着一对可以输出两路同幅度和相位相反信号的电路结构，和两个放大器单元构成推挽放大器单元。
2.根据权利要求1所述的推挽放大器结构，其特征是中部的波导结构是同轴波导，每个卡具有楔形界面，可以叠加构成同轴波导。
3.根据权利要求1所述的推挽放大器结构，其特征是中部的波导结构是矩形波导，每个卡具有矩形界面，可以叠加构成矩形波导。
4.一种推挽放大器结构，包括输入端口，输入波导，输出波导和输出端口以及中部由多个卡叠加而成的波导结构，其特征是每个卡上有输入天线和输出天线，及两个放大器单元； 输入与输出天线上各自包括一对并行的异面鳍线电路，异面鳍线天线的起始位置及宽度略有不同以保证各自的微带线输出端具有相同的幅度和相反相位；输入和输入天线的两个微带线端口分别和两个放大器单元的输入和输出端口相连，构成推挽放大器单元。
5.根据权利要求4所述的推挽放大器结构，其特征是中部的波导结构是同轴波导，每个卡具有楔形界面，可以叠加构成同轴波导。
6.根据权利要求4所述的推挽放大器结构，其特征是中部的波导结构是矩形波导，每个卡具有矩形界面，可以叠加构成矩形波导。
7.根据权利要求4所述的推挽放大器结构，其特征是输入和输出天线上的一对异面鳍线的上表面金属分别由两侧渐变为两路微带线。
8.根据权利要求4所述的推挽放大器结构，其特征是输入和输出天线上的一对异面鳍线的上表面金属由中部渐变分为两路微带线。
9.一种推挽放大器结构，包括输入端口，输入波导，输出波导和输出端口以及中部由多个卡叠加而成的波导结构，其特征是每个卡上有输入天线和输出天线，及两个放大器单元； 输入与输出天线上各自包括一对位于上表面面的同面鳍线，由同面鳍线渐变为的两个槽线和与槽线相连的两个微带线接口 ；同面鳍线天线的起始位置及宽度略有不同，并且两个微带线接口和两个槽线的相反极性的端口相连，使两个微带线接口具有相同幅度和相反相位的输出；输入和输入天线的两个微带线接口分别和两个放大器单元的输入和输出端口相连，构成推挽放大器单元。
10.根据权利要求9所述的推挽放大器结构，其特征是中部的波导结构是同轴波导，每个卡具有楔形界面，可以叠加构成同轴波导。
11.根据权利要求10所述的推挽放大器结构，其特征是中部的波导结构是矩形波导， 每个卡具有矩形界面，可以叠加构成矩形波导。
12.一种推挽放大器结构，包括输入端口，输入波导，输出波导和输出端口以及中部由多个卡叠加而成的波导结构，其特征是每个卡上有输入天线和输出天线，及两个放大器单元；输入与输出天线上各自包括一个位于背面的同面鳍线，由同面鳍线渐变为的槽线和位于上表面的微带线，其中微带线和槽线交叉耦合，具有两路相同幅度和相反相位的输出；输入和输入天线的两个微带线端口分别和两个放大器单元的输入和输出端口相连，构成推挽放大器单元。
13.根据权利要求9所述的推挽放大器结构，其特征是中部的波导结构是同轴波导，每个卡具有楔形界面，可以叠加构成同轴波导。
14.根据权利要求10所述的推挽放大器结构，其特征是中部的波导结构是矩形波导， 每个卡具有矩形界面，可以叠加构成矩形波导。
全文摘要
为了克服大功率半导体放大器的线性度难以满足通信系统要求，输出谐波高，需要外加滤波器的缺点，本发明提供一种利用空间合成结构的B类推挽放大器放大器设计。该放大器具有线性度好，输出功率高和体积小的优点。本发明将B类推挽放大器所需产生两路幅度相同相位相反的信号的巴伦集成于用于空间合成的天线之内，实现了系统的小型化。其解决技术问题所采用的具体方案是利用空间合成结构中的鳍线天线构成具有双路输出和180度相移的巴伦，由同样的输入和输出巴伦构成B类推挽放大器单元，通过空间合成结构将B类推挽放大器单元阵列进行有效的合成，可实现大功率输出，同时保证良好的线性度和高的效率。
文档编号H03F3/26GK102315825SQ20101021825
公开日2012年1月11日 申请日期2010年7月6日 优先权日2010年7月6日
发明者杨健 申请人:杨健