专利名称：一种平面空间功率分配/合成放大器的制作方法
技术领域：
一种平面空间功率分配／合成放大器技术领域[0001］本实用新型涉及微波、毫米波功率放大器，具体涉及一种平面空间功率分配／合成放大器。
背景技术：
[0002］目前，在微波、毫米波功率放大器中，以电子管为基础制作的放大器可以得到足够高的功率输出，但是价格昂贵、体积庞大、需要高电压供电等缺点限制了它的应用。而以半导体器件为基础制作的固态功率放大器价格便宜，可靠性高，体积小，重量轻，无需高电压供电；但是它的功率处理能力有限，在毫米波波段能够输出的功率一般不会超过10瓦，频率更高时输出功率更低。通过功率分配／合成电路将多个固态器件的输出功率合成，就能提高固态功率放大器的输出功率，满足系统中对发射功率水平的要求。[0003］功率分配／合成电路可以分为二进制式功率分配／合成电路(见图1)、空间功率分配／合成电路(见图2)以及以上两种形式的复合形式。图1所示的形式是以一分二的功分器作为基础，所以称为二进制式；图1中的三角形表示放大单元，功率输入后被分成多路，每路分别进行放大，然后在合成网络中合成，合成是分配的逆过程。图2所示的形式一般以特定空间的场分布来完成功率的分配／合成，所以称为空间功率分配／合成。[0004］二进制式功率分配／合成电路设计简单，易于以平面电路的形式实现。但是，当合成的放大单元增多时，功率分配／合成网络的体积会随着增大，网络上的损耗也随之增大，使整个电路的合成效率降低。另外，由于要用到四分之一波长的阻抗匹配器，它的带宽也受到限制。因此，在需要合成多个放大单元时，一般不采用这种形式的功率分配／合成电路。[0005］空间功率分配／合成的形式利用特定空间的场分布来完成功率的分配／合成，在放大单元数量增大时其损耗不会随之增大，保证了合成效率在放大单元较多时不会降低，所以这种形式的功率分配／合成电路得到了很大的发展，成为目前研究的主流方向。例如，于2002年10月30日公开的中国发明专利申请CN1377099A介绍了一种波导内固态功率合成器，它的功率分配／合成过程是由矩形波导内的TE10模式波来完成的能量从波导口输入，由波导中并排的渐变鳍线阵列将能量祸合到鳍线中，鳍线阵列相当于接收天线，鳍线的末端用跳线接到微带阻抗变换器，实现鳍线末端阻抗与放大器输入阻抗的匹配；然后信号进入放大单元进行信号放大，放大后，合成过程与分配过程对称；用跳线与鳍线阵列相连，然后通过鳍线阵列将能量祸合成矩形波导的TE10模式输出。但是，这种空间功率分配／合成的形式涉计到三维结构，对电性能设计和机械结构方面的要求较高，而且不易与其他电路元件集成整装；所以，对这种形式的平面化研究一直是功率合成技术领域的一个重要方面。[0006］在“工ntegratedplanarSpatialpowerCombiner"(参见L.LiandK.Wu在工EEETranS.MICrow.TheoryTeCh.vol.54,NO.4,pp.1470一1476,April2006)一文中，提出了如图3所示的平面空间功率分配／合成结构。当信号输入后，经过一个渐变的阻抗变化器，匹配到超宽微带线，然后分成四路，每路接放大单元(图中未标出)，放大后经功率分配的逆过程合成输出。该电路设计简单，加工方便，易与其他电路元件集成，有很宽的带宽。但是，该电路在放大单元数量增加时，超宽微带线的线宽会随之增加，容易激发高次模式波的传播；而且在放大单元数量增加时，超宽微带线的特性阻抗会随之减小，这增加了输入微带线与超宽微带线之间特性阻抗的差值，不利于他们之间的匹配。另外，各信号通道之间的距离太小，没有足够的空间放置放大器芯片及其偏置元件。
实用新型内容本实用新型的目的是为了克服现有技术所存在的上述缺陷与不足，提供一种平面空间功率分配/合成放大器，其通过引入90度的弧形微带线，将放大器放置在主信号通道的侧边，形成链式结构，使得各信号通道之间的距离可以根据实际情况来调整，有足够的空间来放置放大器芯片和其他偏置元件。它可以采用单层或双层基片来实现，采用双层基片实现的结构在几乎不增加电路体积的情况下能将功率分配/合成的路数提高一倍，从而可以集成更多的放大器单元，得到更大的输出功率。 本实用新型的目的通过下述技术方案实现平面空间功率分配/合成放大器，包括基片，以及设置在所述基片平面上的、包括依次连接的微带渐降阻抗变换器、微带功率分配器、若干放大器、微带功率合成器和微带渐升阻抗变换器的功率分配/合成器；所述功率分配/合成器设有至少一组；所述微带功率分配器的输入端与微带渐降阻抗变换器连接，输出端上设有若干级阶梯，每级阶梯上引出一个输出端子，若干放大器所在的微带线与若干输出端子一一对应呈一定角度连接；所述微带功率合成器的输出端与微带渐升阻抗变换器连接，输入端上设有若干级阶梯，每级阶梯上引出一个输入端子，若干放大器所在的微带线与若干输入端子一一对应呈一定角度连接。 所述功率分配/合成器设有两组，分别设置在所述基片的两个相对平面上；两组功率分配/合成器的输入端、输出端分别通过设在所述基片的两个相对平面上的输入平行双线、输出平行双线连接。 所述输入平行双线是等宽的，输出平行双线是等宽的。[0011 ] 所述基片的两个相对平面中间设有金属接地层。 所述若干放大器所在的微带线与若干输出端子一一对应呈90度连接；若干放大器所在的微带线与若干输入端子一一对应呈90度连接。 所述若干放大器所在的微带线与若干输出端子通过90度弧形微带线一一对应连接；若干放大器所在的微带线与若干输入端子通过90度弧形微带线一一对应连接。[0014] 本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果 1、本实用新型的结构保持了平面电路的特点，结构简单，易于加工，有利于与电路中其它元器件的集成。 2、引入90度的弧形微带线，可以将放大器放置在主信号通道的侧边，形成链式结构，从而可以实现多路合成，并且各信号通道之间可以有足够的空间放置放大器芯片和其他偏置元件。 3、通过引入平行双线到两个微带线的过渡，将两个单层结构的平面链式功率合成放大器集成在一起，形成双层结构，使得在几乎不增加体积的情况下，合成的放大器路数增加了一倍，从而能够得到更大的功率输出。
4[0018] 4、本实用新型结构简单，易于实现，采用双层介质板实现的结构比之采用单层介质板实现的结构能在大致相等的电路面积上集成更多数目的放大器组件，从而得到更大的输出功率。
图1是现有二进制式功率分配/合成结构的示意图； 图2是现有空间功率分配/合成结构的示意图； 图3是现有平面空间功率分配/合成结构的示意图； 图4a是本实用新型提出的用单层基片实现的平面空间功率分配俯视图； 图4b是本实用新型提出的用单层基片实现的平面空间功率分配侧视图； 图5a是本实用新型提出的用双层基片实现的平面空间功率分配俯视图； 图5b是本实用新型提出的用双层基片实现的平面空间功率分配侧视图； 图6是平行双线到微带线过渡中的场分布示意图； 图7是一级功分结构示意图。
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，但本实用新型的实施
方式不限于此。 实施例1 本实施例是采用单层基片实现的平面空间功率分配/合成放大器，如图4a、图4b所示，其包括基片611，以及设置在基片611平面上的一组功率分配/合成器；其中，功率分配/合成器包括依次连接的微带渐降阻抗变换器603、微带功率分配器、4个放大器610、微带功率合成器和微带渐升阻抗变换器612，微带功率分配器、4个放大器610、微带功率合成器共同构成链式功率分配/放大/合成网络605。微带功率分配器的输入端与微带渐降阻抗变换器603连接，输出端上设有4级阶梯第一阶梯604、第二阶梯606、第三阶梯607和第四阶梯608，每级阶梯上引出一个输出端子，4个放大器所在的微带线与4个输出端子通过90度弧形微带线609 —一对应连接。所述微带功率合成器的输出端与微带渐升阻抗变换器612连接，输入端上与微带功率分配器输出端对应地设有4级阶梯，每级阶梯上引出一个输入端子，4个放大器所在的微带线与4个输入端子通过90度弧形微带线一一对应连接。在本实施例中，图4a所示的平面空间功率分配/合成放大器呈中心对称；微带功率分配器和微带功率合成器均采用超宽微带线(Oversized microstrip line)来实现。[0031] 从图4a、图4b可以看到，本实施例的分配/合成过程为当信号从端口 601处输入，经过微带线602到达微带渐降阻抗变换器603的输入端，渐降阻抗变换器603实现微带线602与超宽微带线之间的阻抗匹配。在本领域中，微带线的特性阻抗一般是50欧姆；而超宽微带线的线宽比微带线的要大，因而特性阻抗小于50欧姆。然后，信号在微带功率分
/合成放大器的/合成放大器的/合成放大器的/合成放大器的
5配器的输出端分成四路，每一路信号分别经过放大器610进行放大，然后经过与刚才相逆的过程，信号合成输出。 本实用新型通过90度弧形微带线609将放大器所在的微带线连接在微带功率分配器的输出端与微带功率合成器的输入端之间，因而能够将放大器610放置在主信号通道的侧边，从而使得各信号通道之间的距离可以根据实际情况方便的选择，能够有足够的空间来放置放大器芯片和其他偏置元件。[0033] 实施例2 本实施例是采用双层基片实现的平面空间功率分配/合成放大器，如图5a、图5b所示，其包括基片714，以及分别设置在基片714两个相对平面上的两组功率分配/合成器。每组功率分配/合成器的结构与实施例1中的相同，也是包括依次连接的微带渐降阻抗变换器703、微带功率分配器、4个放大器710、微带功率合成器和微带渐升阻抗变换器715，微带功率分配器输出端上所设置的4级阶梯分别是第一阶梯704、第二阶梯706、第三阶梯707和第四阶梯708。微带功率分配器、4个放大器710、微带功率合成器共同构成链式功率分配/放大/合成网络705。通过90度弧形微带线709，将4个放大器所在的微带线分别连接在微带功率分配器的4个输出端与微带功率合成器的4个输入端之间。本实施例也是用超宽微带线来实现微带功率分配器、微带功率合成器。 附图标记711是信号输入口，它由涂覆在双层基片两个相对平面的等宽输入平行双线712构成，即位于两个相对平面上的两条平行线是等宽的。713是内嵌的处在双层基片内部中心面上的金属接地层，但是在输入端和输出端，该金属接地层分别去掉了一段，并不是布满整个中心面，以形成能与外界相连的输入接口 711。输入平行双线712之后连接的是两组相同的如图4a所示的单层基片实现的平面空间功率分配/合成放大器，这两组平面空间功率分配/合成器有共同的接地平面。在信号输出口 ，相应地也设有涂覆在双层基片两个相对平面的等宽输出平行双线716。 本实施例的分配/合成过程为信号从输入口711处输入，沿等宽的输入平行双线712传输，到达内嵌的金属接地层713时分成两路微带线，完成功率的第一次分配。接着，每一路通过微带渐降阻抗匹配器703匹配到微带功率分配器。在微带功率分配器的输出端，功率被分成四路，从而完成功率的第二次分配。由于第二次功率分配过程在基片的两个相对表面同时进行，所以此时，整个输入功率被分成了八路。然后，每一路信号送入放大器710进行功率放大，放大后功率的合成过程与分配过程相逆。 显然，图5a与图4a的不同之处在于通过加入从输入平行双线712到微带线702的过渡，可以将两个单层基片集成在一起，从而在几乎不增加整个电路体积的同时，使集成的放大器数目增加了一倍，得到更大的输出功率。 有三点需要指出(l)图4a中有4个放大器的输出功率被合成，但是该结构不止限于包含4个放大器的结构。图5a中有8个放大器的输出功率被合成，同样，该结构不止限于包含8个放大器的结构。(2)图4a、图5a中没有画出放大器的偏置元件。(3)引入90度的弧形微带线的目的在于使放大器可以放置在主信号通道的侧边，其他形式的具有90度拐角特性的微带线也可达到同样的目的。[0039] 本实施例在实际应用中，需要确定 1)输入平行双线712的宽度；微带线702的宽度；2)超宽微带线、第二阶梯706、第三阶梯707和第四阶梯708的宽度；第二阶梯706、第三阶梯707的长度；3)渐降阻抗变换器703的线宽变化情况。下面一一加以说明 (1)在基片厚度和介质介电常数已知的条件下，按照传统的平面双线公式设计特性阻抗为50欧姆的输入平行双线712的宽度。 (2)在由输入平行双线712转化为两个微带线702的过程中，电场结构不发生变化，场结构见图6，812是输入平行双线，对应712 ;802是微带线，对应702 ;813是嵌在介质板中间的金属接地层，对应713。为了保持匹配，输入平行双线812的特性阻抗等于微带线802的特性阻抗的两倍，这样，微带线802的特性阻抗是25欧姆，可以用现成的公式计算得到它的宽度。 (3)为了与放大器芯片匹配连接，第四阶梯708的特性阻抗为50欧姆，可以用现成的公式计算得到它的宽度。 (4)超宽微带线后接链式功分结构，可以等效为超宽微带线末端接四个并联的微带线，所以超宽微带的特性阻抗是12. 5欧姆，可以用现成的公式得到它的宽度。但是它要有足够的长度使渐变线末端不连续激起的高次模式波衰减掉，不影响到后面平行微带线每个支路的幅度和相位一致性。 (5)为确定链式功率分配器中第二阶梯706、第三阶梯707的宽度，可以在一般的场仿真软件中建立如图7所示的模型，端口 l(Port 1)是输入口，端口 2(Port 2)和端口3(Port 3)是输出口，端口 2的输出功率与端口 3的输出功率比应是(N-i) : l，其中N是总的支路数，i是第i条支路，从链式功分结构的始端开始计数，分别是l、2、3、4级。通过调节端口 2的微带线宽度来实现上述功率分配比例，端口 l微带线的宽度由上级功分过程决定。图7中箭头表示参考面的位置，仿真时各端口以各自对应微带线的特征阻抗作为终端阻抗。确定长度时主要考虑的是要能够有足够的空间来放置放大器芯片和偏置元件。[0046] (6)渐升阻抗匹配器604和704的设计可以遵循不同的渐变阻抗变化规律来设计。可以是指数型的、直线型的、切比雪夫型的等等。对于同样的需要匹配的阻抗比，在要得到相同的反射系数时，切比雪夫型的渐变线阻抗变换得到的长度最短。 单层结构的实施方式与双层结构的类似，只是单层结构中没有输入平行双线712、输出平行双线716，单层结构微带线602的特性阻抗为50欧姆。而双层结构微带线702的特性阻抗是25欧姆。 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，其他的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。
权利要求一种平面空间功率分配/合成放大器，包括基片，以及设置在所述基片平面上的、包括依次连接的微带渐降阻抗变换器、微带功率分配器、若干放大器、微带功率合成器和微带渐升阻抗变换器的功率分配/合成器；其特征在于所述功率分配/合成器设有至少一组；所述微带功率分配器的输入端与微带渐降阻抗变换器连接，输出端上设有若干级阶梯，每级阶梯上引出一个输出端子，若干放大器所在的微带线与若干输出端子一一对应呈一定角度连接；所述微带功率合成器的输出端与微带渐升阻抗变换器连接，输入端上设有若干级阶梯，每级阶梯上引出一个输入端子，若干放大器所在的微带线与若干输入端子一一对应呈一定角度连接。
2. 根据权利要求1所述的平面空间功率分配/合成放大器，其特征在于所述功率分 配/合成器设有两组，分别设置在所述基片的两个相对平面上；两组功率分配/合成器的输 入端、输出端分别通过设在所述基片的两个相对平面上的输入平行双线、输出平行双线连 接。
3. 根据权利要求2所述的平面空间功率分配/合成放大器，其特征在于所述输入平 行双线是等宽的，输出平行双线是等宽的。
4. 根据权利要求2所述的平面空间功率分配/合成放大器，其特征在于所述基片的 两个相对平面中间设有金属接地层。
5. 根据权利要求1或2所述的平面空间功率分配/合成放大器，其特征在于所述若 干放大器所在的微带线与若干输出端子一一对应呈90度连接；若干放大器所在的微带线 与若干输入端子一一对应呈90度连接。
6. 根据权利要求5所述的平面空间功率分配/合成放大器，其特征在于所述若干放 大器所在的微带线与若干输出端子通过90度弧形微带线一一对应连接；若干放大器所在的微带线与若干输入端子通过90度弧形微带线一一对应连接。
7. 根据权利要求1或2所述的平面空间功率分配/合成放大器，其特征在于每组功率分配/合成器设有4个放大器。
专利摘要本实用新型为一种平面空间功率分配/合成放大器，包括基片，及至少一组设置在基片平面上的功率分配/合成器；功率分配/合成器的微带功率分配器输出端上设有若干级阶梯，每级阶梯上引出一个输出端子通过90度弧形微带线与放大器所在的微带线连接，微带功率合成器输入端上设有若干级阶梯，每级阶梯上引出一个输入端子通过90度弧形微带线与放大器所在的微带线连接。本实用新型结构简单，易于加工，有利于与电路中其他元器件的集成。通过引入90度弧形微带线将放大器放置在主信号通道的侧边，形成链式结构，使得各信号通道之间的距离可以根据实际情况来调整，有足够的空间来放置放大器芯片和其他偏置元件。
文档编号H01P5/12GK201549576SQ20092019551
公开日2010年8月11日 申请日期2009年9月25日 优先权日2009年9月25日
发明者严君美, 褚庆昕 申请人:华南理工大学