含布置在外导体上的放大器模块的高频放大器单元的制作方法

本项发明涉及高频(hf)放大器单元，包含多个将高频输入信号放大为高频输出信号的放大器模块的和一个用于合成放大器模块的高频输出信号的带外导体和为此同轴布置的内导体的同轴合成器。本发明还涉及一个放大器系统。

背景技术：

加速共振器，特别是粒子加速器的超导腔是由加速器的结构形式(回旋加速器、线性加速器和同步加速器)和要加速离子的类型决定的。所有共振器必须共同以较高的高频功率供给，以保证必要的加速场强和要加速离子需要的能量获得。近期发明的基于晶体管的放大器模块实现了每个放大器模块高达500w的输出功率，部分甚至高于此值。

即使是在小型加速器中，用于运行加速器特别是加速共振器的高频功率也已经需要远高于10kw。在大型回旋加速器或同步加速器和储存环的加速共振器中，需要高达100kw及以上的高频功率。几十个放大器模块(放大器单元)的输出功率必须相应地合成运行，即进行合并或累加。为此通过放大器模块放大的高频输出信号经由同轴电缆输送到所谓的高频功率合成器，由其对放大的高频输出信号进行合成。此时将在高频设备中的合成器下形成一个组件，将多个较弱的信号(通常为相同频率)合成为一个更强的信号。同时它通常将输入端相互绝缘，使其不会互相影响或影响其他各个信号发生器。

其中的一个问题是，放大器单元此时通常产生大量废热，应予排出。由于这一要求，可能的设计既受到单个高频放大器单元也受到整个放大器系统的限制，在高功率时相应地造成设备的体积庞大。另一问题是，随着更需要合成的高频输出信号的频率增大使同轴电缆中的焦耳损耗大幅增加，这种方式逐渐不具备吸引力。

所以对配备功率合成器的高频放大器单元的重要要求为

1.经济性高(尽可能低的投资和运营成本)，

2.尽可能低的输送损耗(电缆)和合成损耗，从而具有较高的作用效率，

3.结构紧凑并且

4.易于接近以及高频放大器单元和/或放大器模块可以更换。

技术实现要素：

所以本项发明的目的在于，提供满足几项或所有这些要求的高频放大器单元和放大器系统。

根据发明的第一个方面，解决任务将通过一个高频放大器单元，其中包含多个将高频输入信号放大为高频输出信号的放大器模块和一个用于合成放大器模块的高频输出信号的带外导体和为此同轴布置的内导体的同轴合成器，放大器模块布置在同轴合成器的外导体外侧并且将高频输出信号传输到同轴合成器的放大器模块与同轴合成器的同轴内导体连接。

由此，放大器模块一方面布置在同轴合成器的外导体外侧并同时将高频输出信号传输到同轴合成器的放大器模块与同轴合成器的同轴内导体连接，特别是与空心导管(无内导体)相比，能够以紧凑的结构实现极其节约空间的高频放大器单元。(经过放大的)高频输出信号的传输，即从放大器模块到同轴合成器的功率传输可以因为在同轴合成器的外导体上布置了放大器模块而无线进行。由于放大器模块和同轴合成器之间无需电缆，高频放大器单元的合成损耗极低并在需要时可快速接近。这特别证明了，放大器模块的输出功率可通过与同轴合成器内导体的连接直接传输到同轴合成器上并且同轴合成器的外导体此时可有利地用于冷却放大器模块。

高频信号首先主要是指频率处于无线电波特别是微波范围内的信号。也就是说，电波的频率首先至少为50mhz，优选至少为70mhz，更优选至少为100mhz和尤其优选至少为300mhz。同样优选地，频率最高为300ghz的电波，优选最高为3ghz。例如优选范围为1至3ghz。在粒子加速器的应用情况中，典型频率介于例如约70mhz和3ghz之间(例如为1.3ghz、1.5ghz或1.75ghz)。相应地，高频放大器单元、放大器模块和同轴合成器首先设计用于产生、放大或输送此类微波。此时信号的能量在外导体和内导体之间的电介质中输送。

放大器模块尤其包含一个晶体管放大器，其中可以包含比如一个或多个功率晶体管，例如在差动运行时包含两个功率晶体管。放大器模块还可包含一个环行器，用于保护前置的单个或多个晶体管。放大器模块可以作为例如单块的电路板或底板，但也可以包含例如晶体管电路板和环行器电路板。放大器模块主要提供的(标称)功率至少为300w，优选为至少400w，更优选为至少或高于500w。放大器模块在朝向同轴合成器的一面上(特别是安装面或底面)有一个主要为铜或铝的金属层。

高频放大器单元还可包括一个(或多个)驱动器、一个(或多个)初级放大器和/或一个分离器，后者用于将信号分离为针对多个放大器模块的多个高频输入信号。与放大器模块相同，此类部件或其中的一部分也可同样布置在同轴合成器的外侧。但是此类部件也可选择分开布置，特别是当放大器模块已占据同轴合成器外导体总面积的大部分时。高频放大器单元优先包含至少四个，优选至少六个，更优选至少八个放大器模块。

其优点表现在同轴合成器主要为纵向延伸从而形成含纵向延伸(和通过外导体形成)侧面的塔形时。同轴合成器，特别是外导体和同轴内导体优选由金属，尤其由铜和/或铝制成。

放大器模块分别与同轴内导体连接时，特别注意放大器模块的输出端(例如放大器模块的耦合电路)已与内导体电气连接。连接可以通过例如可导电的耦合端子进行。以这种方式，放大器模块则主要在同轴内导体的输入侧一端与同轴内导体连接。高频放大器单元的功率解耦则通过例如同轴内导体的输出侧一端进行，例如通过同轴内导体在输出侧突出外导体和例如作为用于耦合到波导管中的探针(特别是作为(鞭状)天线)。

根据高频放大器单元的设计方案，同轴合成器纵向运行，外导体的外侧截面呈多边形特别是四边形。以这种方式，同轴合成器或同轴合成器的外导体可方便地在外侧形成表面或侧面，可以作为放大器模块的安装面。这种方式已证明可以实现极其紧凑的结构及在充分冷却和较低的合成损耗下将高频放大器单元布置在其他合成器上。

优选仅外导体的表面呈现相应的截面形状，而外导体的内面和/或内导体的表面则呈现不同的特别是圆形的截面。但也可能不仅是外导体的外侧，还有外导体的内侧和/或内导体的外侧也呈现相应的或不同的多边形截面。

举例来说，当截面上呈现n边形(由此为n个面)时，优选在同轴合成器外导体的表面上布置n个放大器模块(每个侧面一个)。如果同轴合成器或外导体在纵向上足够长，可以在每个侧面的纵向上也布置例如两个放大器模块，由此甚至可以在同轴合成器外导体的表面上共布置2n个放大器模块。

根据高频放大器单元的优选设计方案，放大器模块基本为平的并基本平置在同轴合成器的外导体上。放大器模块优选基本覆盖外导体的表面。如上所述，在周长方向的每个侧面上优选至少布置一个放大器模块。

根据高频放大器单元的优选设计方案，放大器模块这样布置在同轴合成器的外侧，可使同轴合成器的外导体用于冷却放大器模块。以这种方式，可用较少的空间需求进行放大器模块的高效冷却。而在当前技术水平的手段中则要设计一个居中的冷却电路板，为了节约空间在其两侧安装放大器电路板。由于在放大器模块之间还设计有冷却装置，输出功率必须从顶面经由同轴电缆输出。根据所述设计方案，热量和功率均可通过模块底面输出到同轴合成器上，特别是无需其间布置单独的附加冷却装置。为此放大器模块尤其应直接布置在同轴合成器的外导体上。

此时放大器模块的冷却优选仅(不考虑由放大器模块和周围空气自身造成的不可避免的缓慢热量传导)通过同轴合成器的外导体。

为了达到较高的冷却效率并从而达到较高的输出功率，根据高频放大器单元的优选设计方案，同轴合成器的外导体被作为冷却液循环的一部分而用于冷却放大器模块。其中的冷却液设计为例如水(例如去除矿物质的水)。为此同轴合成器设有例如至少一个冷却液进口和至少一个冷却液出口。同轴合成器的外导体优选整体(特别是角落区域)至少逐段成为纵向运行的冷却液管路(例如孔)。

为了进一步优化高频放大器单元的冷却功率和输出功率，根据高频放大器单元的优选设计方案，放大器模块环绕布置在同轴合成器的外导体上。如上所述，在周长方向上由外导体提供的每个侧面上优选(至少)布置一个放大器模块。换句话说，放大器模块在周长方向上相邻排列。

根据高频放大器单元的优选设计方案，至少一部分放大器模块应在纵向上与同轴内导体等高连接。由此产生形状尽可能简单的同轴合成器特别是同轴内导体并使高频输出信号传输到同轴合成器上时的损耗尽可能低。用于连接相应放大器模块的电气连接(例如耦合端子)则在一个平面上运行，特别是要与同轴合成器的纵向垂直。当然也可以规划不同的放大器模块组，此时同组的放大器模块虽然与同轴内导体等高连接，但不同组别的放大器模块为不同的高度，下面还将进一步说明。

根据高频放大器单元的优选设计方案，同轴合成器第一个纵向片段内的第一组放大器模块的放大器模块布置在同轴合成器的外导体外侧，并且同轴合成器第二个纵向片段内的第二组放大器模块的放大器模块布置在同轴合成器的外导体外侧。这已经证明，纵向分布的放大器模块仍能够实现以较高的作用效率将高频输出信号传输到同轴合成器上并且高频放大器单元的输出功率可用这种方式最终翻倍。

此时第一个纵向片段优选直接连接到第二个纵向片段上。如上所述，高频放大器单元的所有放大器模块的输出功率此时优选继续通过同轴内导体的输出侧一端(例如在一个波导管中)解耦，在这种情况下此端位于背离第二个纵向片段的第一个纵向片段的末端区域上。

根据高频放大器单元的优选设计方案，位于朝向同轴合成器的第二个纵向片段的同轴合成器的第一个纵向片段的末端区域上的第一组放大器模块与同轴内导体连接，和/或者位于朝向同轴合成器的第一个纵向片段的同轴合成器的第二个纵向片段的末端区域上的第二组放大器模块与同轴内导体连接。

其优点是，放大器模块与同轴合成器内导体的连接在形状上极其相近，在同轴合成器的形状不复杂时保持合成损耗极低。由此认识到，放大器模块与同轴合成器内导体的连接(和由此的高频输出信号向同轴合成器的传输)不必全部精确在同一高度(在纵向上)，从而实现放大器模块的纵向错位布置。第一个和第二个纵向片段此时优选基本等长。

为了在尽可能低的合成损耗和紧凑的结构下实现第二组放大器模块的连接(和由此翻倍的输出功率)，根据高频放大器单元的优选设计方案，当同轴内导体向朝向同轴合成器的第一个纵向片段的同轴合成器的第二个纵向片段的末端区域延伸时呈现优势。同轴合成器的第二个纵向片段在需要时形成封闭(例如通过与内导体间隔的接线板或者在第二个纵向片段区域中的内部区域大量执行的外导体形成)，禁止合成的高频输出信号从放大器模块和内导体之间的连接区域(耦合区域)向第二个纵向片段方向传播。

根据高频放大器单元的优选设计方案，第一组放大器模块和第二组放大器模块在同轴合成器的纵向上分别与同轴内导体等高连接。换句话说，第一组放大器模块在同轴合成器的纵向上与同轴内导体以第一个高度连接，第二组放大器模块在同轴合成器的纵向上与同轴内导体以第二个高度连接。

为了减少或尽量避免不希望的高功率输出信号的反射和由此造成的合成损耗，根据高频放大器单元的优选设计方案，同轴合成器设有一个进行转换的转换器片段，由此同轴合成器输入侧(特别是由连接的放大器模块引起的)的波阻被转换为同轴合成器输出侧的波阻。在结果上，输入侧的波阻(在同轴内导体与放大器模块的连接区域)在线路转换范围内被转换为不同的输出侧波阻。由此，同轴合成器的输入侧波阻在使用n个放大器模块时(其线路通常出现的波阻为r1＝50)因合成(可视为并联)而仅为约r/n。为了将线路转换到需要的波阻r2(通常恢复为最初的波阻r1)，可以将例如一个λ/4转换器或一个作为λ/4转换器作用的转换器设计为转换器片段，其长度为高频信号波长λ的约(但非必要时应精确)四分之一。所以转换器片段也可以采用例如内导体和/或外导体的直径可分级变化的“阶跃阻抗”设计，由此转换器片段的长度明显短于λ/4。转换器片段的波阻rt可以通过(r1/n*r2)^1/2估算。例如n＝4和r1＝r2＝50欧姆，则转换器片段的波阻为约rt＝25欧姆。数值r1和/或r2不必一定为50欧姆。

根据高频放大器单元的优选设计方案，同轴合成器的优选尺寸为，在转换器片段中同轴合成器的同轴内导体采用第一个外径而同轴合成器的外导体采用第一个内径，并且在与转换器片段连接的输出片段中同轴合成器的同轴内导体的采用第二个外径和/或同轴合成器的外导体采用第二个内径。此时输出片段内的同轴内导体的外径优选小于转换器片段中的同轴内导体的外径。也可以选择或者还可使输出片段内的外导体的内径优选小于转换器片段中的外导体的内径。但是从加工技术角度，或者仅将同轴内导体的外径从第一个修改为不同的(更小的)第二个外径，或者仅将同轴合成器外导体的内径从第一个修改为不同的(更小的)第二个内径，而其他各个直径保持不变是最有利的。也就是说，第二个内径或外径也可以等于第一个内径或外径。

为了减少或尽量避免不希望的高功率输出信号的反射和由此造成的合成损耗，根据高频放大器单元的优选设计方案，外导体的第一个内径与转换器片段中的内导体的第一个外径的比值小于外导体的第二个内径与输出片段中的内导体的第二个外径的比值。由于波阻取决于外导体的内径与内导体的外径的比值，所以可用这种方式进行线路转换。例如外导体的内径与输出片段中的内导体的外径的比值大于1.5，优选大于2。

根据高频放大器单元的优选设计方案，高频放大器单元可以提供至少2kw输出功率，优选至少为4kw。由此证明所述的高频放大器单元可用紧凑的结构提供相应的高功率。

根据发明的第二个方面，解决任务也可以通过放大器系统，其中按照第一个方面包含多个高频放大器单元和一个高频波导管，此时高频放大器单元沿着高频波导管的纵向布置在高频波导管上，由此高频波导管可以合成高频放大器单元的输出功率。高频波导管特别是指优选为矩形截面的空心导管。例如在高频波导管的一侧布置至少两个，优选至少四个，更优选至少八个高频放大器单元。如果高频波导管的两侧均布置了高频波导管，高频放大器单元的数量及输出功率均可翻倍。

根据放大器系统的优选设计方案，一种尤其节约空间的设计是高频放大器单元的纵轴分别处于横向，特别是与高频波导管的纵轴垂直。

根据放大器系统的优选设计方案，尤其有利的是将高频放大器单元的同轴内导体在输出侧末端分别作为探针(例如作为(鞭状)天线)用于将同轴合成器的功率耦合到高频波导管中。

通过所述的高频放大器单元，放大器系统可以提供例如至少24kw、48kw甚至96kw的输出功率。

根据放大器系统的优选设计方案，高频放大器单元在高频波导管的横向上相互错位布置和/或布置在高频波导管的两侧。高频放大器单元此时特别以半个(导管)波长为间距纵向布置。特别是与高频放大器单元基本为正方形的截面组合时，以这种方式产生十分节约空间的设计。

上述结构示例和本项发明的所有方面的设计方案示例显然也应全部互相结合理解。

其他不同方面的有利设计方案示例参见下列对于几个方面结构形式的举例详细说明并重点结合插图。然而申报随附的插图仅应以阐明为用途，但不应用于确定发明的保护范围。随附的图纸不必比例正确，仅应举例反映本方面的基本设计。特别是插图中包括的特性决不可视为本项发明的必要组成部分。

附图说明

图1a、b示出了一个根据发明的高频放大器单元的结构示例，横剖面图和纵剖面图；

图2示出了另一根据发明的高频放大器单元的结构示例，纵剖面图；

图3示出了另一根据发明的高频放大器单元的结构示例，横剖面图；

图4a、b示出了一个根据发明的放大器系统的结构示例，横剖面图和俯视图；及

图5示出了另一根据发明的放大器系统的结构示例。

具体实施方式

图1首先以横剖面图(图1a)和纵剖面图(图1b)展示了一个根据发明的高频放大器单元100的结构示例。高频放大器单元100包含多个(这里是四个)放大器模块10，用于将高频输入信号放大为高频输出信号。放大器模块10为平的电路板，分别包含一个晶体管放大器11和一个环行器12。放大器模块10的底面为一个金属层13。高频放大器单元100还配有一个带外导体104和为此同轴布置的内导体106的同轴合成器102，用于合成放大器模块10的高频输出信号。同轴合成器102纵向运行，外导体104的外侧截面呈正方形并由此形成四个表面，而外导体104的内侧和内导体106的外侧为圆形截面。

放大器模块10平置在同轴合成器102的外导体104外侧。此时由外导体104提供的四个表面的每个面上均布置了一个放大器模块10。放大器模块10此时环绕布置在同轴合成器102的外导体104上。

放大器模块10还这样布置在同轴合成器102上，可使同轴合成器102的外导体104在运行中用于放大器模块10的冷却。至此用于冷却放大器模块10的同轴合成器102的外导体104成为冷却液循环的一部分，由此可通过冷却液管路110使冷却液流经外导体。

为了将高频输出信号传输到同轴合成器102上，放大器模块10通过耦合端子108与同轴合成器102的同轴内导体106连接。此时纵向上的四个放大器模块10与同轴内导体106等高连接。

同轴合成器102还含有一个转换器片段112。由此同轴合成器102可进行转换，据此同轴合成器102的输入侧波阻在耦合端子108区域中被转换为同轴合成器102的输出片段114区域中的输出侧波阻。转换器片段112在这种情况下为一个λ/4转换器，在其输入端由于四个电阻均为50欧姆的放大器模块10而使波阻为50欧姆/4。转换器片段112的波阻在这里为约25欧姆，以将波阻按照输出片段114的输出侧波阻50欧姆进行调整。

为此在转换器片段112中，同轴合成器102的同轴内导体106采用第一个外径d1，同轴合成器102的外导体104采用第一个内径d1。在与转换器片段112连接的输出片段114中，同轴合成器102的同轴内导体106采用第二个外径d2，同轴合成器102的外导体104采用第二个内径d2。此时转换器片段112中的外导体104的第一个内径与内导体106的第一个外径的比值d1/d1小于输出片段114中的外导体104的第二个内径与内导体106的第二个外径的比值d2/d2。

由此同轴内导体106在输出侧突出外导体104，这可以作用为鞭状天线116并解耦来自高频放大器单元100的功率或耦合到一个高频波导管中(参见图4或5)。

在本示例中，单个放大器模块10提供约500w的功率，由此高频放大器单元100在运行中可提供约2kw的输出功率。

图2以纵剖面图展示了另一根据发明的高频放大器单元200的结构示例。高频放大器单元200与高频放大器单元100的结构类似，所以首先参考图1。接下来应重点研究差异，在此使用相应的参考标记200替代100。

如此高频放大器单元200含有一个在纵向上更长的同轴合成器202并带有一个特别长的外导体204。由此不仅在同轴合成器202的第一个纵向片段220内的第一组(下方)放大器模块10的(此处为四个)放大器模块10可以布置在同轴合成器202的外导体204的外侧，而且在同轴合成器202的第二个纵向片段230内的第二组(上方)放大器模块10‘的(此处为四个)其他放大器模块10‘也布置在同轴合成器202的外导体204的外侧。同轴合成器202的输出功率以这种方式翻倍。

此时位于朝向同轴合成器202的第二个纵向片段230的同轴合成器202的第一个纵向片段220的末端区域222的第一组(下方)放大器模块10与同轴内导体206连接。位于朝向同轴合成器202的第一个纵向片段220的同轴合成器202的第二个纵向片段230的末端区域232的第二组(上方)放大器模块10‘与同轴内导体206连接。为此同轴内导体206延伸到朝向同轴合成器202的第一个纵向片段220的同轴合成器202的第二个纵向片段230的末端区域232。此外，同轴合成器202的第二个纵向片段230在内导体206的末端间隙后具有大幅度延伸的外导体204，由此高频场不会与需要方向相反地向上伸入和伸出同轴合成器202。但是选择设计一面墙(接线板)作为封闭也已足够。

与同轴合成器102相同，同轴合成器202纵向上的第一组放大器模块10经由耦合端子208分别与同轴内导体206等高连接。同样地，同轴合成器202纵向上的第二组放大器模块10‘经由耦合端子208‘分别与同轴内导体206等高连接，后者延伸到第二个纵向片段230中。

图3以横剖面图展示了另一根据发明的高频放大器单元300的结构示例。如同图1b或图2中展示的高频放大器单元100、200，高频放大器单元300也可在纵向上采用此结构。与该结构示例的差异是，同轴合成器302的外导体304的外侧截面在这种情况下不呈四边形而是八边形。由此可以在外导体304的外侧平置八个放大器模块10。放大器模块10的数量之一同样根据向内径向排列的耦合端子308的数量设计用于连接放大器模块10与内导体306。与内导体306相同，同轴合成器302的外导体304重新为圆的或呈圆形。

图4以横剖面图(图4a)和俯视图(4b)展示了一个根据发明的放大器系统400的结构示例。放大器系统400包含多个图2中的高频放大器单元200。当然同样可以设计图1中的高频放大器单元100或图3中的高频放大器单元300。放大器系统400还包含一个矩形截面的高频波导管402。高频放大器单元200沿着高频波导管402的纵向布置在高频波导管402上。此时高频放大器单元200的纵轴分别与高频波导管402的纵轴垂直。高频放大器单元200还在高频波导管402的横向上与高频波导管402的中轴错位布置，并且相互交替错位以半个波长的间距纵向布置在高频波导管402上。但是高频放大器单元200也可以选择仅居中布置在高频波导管402的中轴上。高频放大器单元200同样也可以在横向上与中轴错位但在纵向上以两对等高布置。高频放大器单元200也可以布置在两个相对的侧壁(在图4b中仅高频波导管402的正面可见)上。上述可能性的组合也可以考虑。要认识到的是，特别是同轴合成器202的矩形或正方形设计可使结构紧凑。

高频放大器单元200的输出功率通过高频波导管402合成。如图4a(仅展示了高频波导管区域)中所示，同轴内导体206在输出侧突入高频波导管402中。由此高频放大器单元200的同轴内导体206在输出侧末端分别作为鞭状天线216形式的探针用于将同轴合成器202的功率耦合到高频波导管402中。

假设单个高频放大器单元200的输出功率为8x500w＝4kw，则放大器系统可以提供24kw的输出功率。

图5展示了又一根据发明的放大器系统500的结构示例，与已在图4中展示的放大器系统400类似。这里高频放大器单元200也布置在高频波导管502上，原则上其他高频放大器单元200也可以在此使用。与图4中展示的系统400不同，高频放大器单元200布置在高频波导管502的两侧。由此产生与放大器系统400相比双倍的输出功率48kw。同样应认识到向高频放大器单元200输送冷却液的冷却液管路504，由此冷却液可以流经同轴合成器202的外导体204并排出放大器模块10、10‘的废热，在放大器模块10、10‘和同轴合成器202之间则无需冷却装置。