專利名稱：Ka波段多路波導空間功率合成放大器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及波導功率合成放大器，尤其涉及一種Ka波段多路波導空間功率 合成放大器。
背景技術：
空間功率合成放大器技術的研究起源于80年代末，近年來，隨著微波和毫米波集 成電路和固態(tài)有源器件的發(fā)展，研究空前熱烈。它主要研究的問題是如何在波導內部進行 毫米波頻段空間功率合成放大。其應用前景十分廣闊，可以廣泛應用于導航以及民用電子 設備的毫米波頻段大功率固態(tài)源上。傳統(tǒng)的電路功率合成器在合成器件數(shù)量不是很多時有其優(yōu)勢，但隨著合成器件增 多，無源匹配電路和合成電路將占據(jù)很大面積，相應的損耗也會變得很大。空間功率合成方法把有源元件與波導里的導波直接耦合，不像電路合成結構那樣 通過平面?zhèn)鬏斁€傳輸，故能提高射頻效率。一個大的波導截面可以讓很多器件在合成的單 級上集成。因為所有元件并行工作，所以損耗基本上和放大器的數(shù)量沒關系。這些系統(tǒng)的 歐姆損耗很小，因為能量通過低損耗的波導在空間里直接分配和合成。空間功率合成放大陣列，除了電性能設計外，放大器模塊的直流偏置、散熱結構的 設計也是影響陣列性能的關鍵問題。因此，必須采用機電一體化設計，充分考慮各類因素的 影響。選取合適的結構，解決放大器的直流偏置和散熱問題，以免放大器因為散熱不佳導致 性能下降。傳統(tǒng)的基于波導的空間功率合成有源陣列，通過波導壁控制電磁場和限定工作模 式。由于Ka波段的標準波導尺寸太小，難以同時安裝多路功放，采用漸變波導，又會有多模 問題。在波導內安置多路功放同時也存在散熱問題不好解決。于是，有學者提出一種Ka波 段矩形波導內4路(2X2)的空間功率合成器。它的工作頻率在35GHz到40GHz，在能量傳 輸上，采用對極鰭線實現(xiàn)波導-微帶的過渡，在結構上，對Ka波段標準矩形波導的波導寬邊 進行兩層剖分，從而實現(xiàn)波導內置兩層過渡結構；其中每層鰭線上放置兩個放大器，實現(xiàn)4 路合成，但該放大器芯片置于矩形波導內，散熱性能不夠理想。還有學者在此結構上進行改 進，提出一種Ka波段矩形波導內4路(2X2)的空間功率合成器，改進的地方是把每片鰭線 上的兩個放大器芯片交錯放置，以便散熱。但這兩種放大器的合成路數(shù)僅為4路，可輸出的 最大功率受到放大器數(shù)目限制，輸出功率有限。
實用新型內容本實用新型的目的在于提出了一種Ka波段多路波導的空間功率合成放大器，該 放大器采用波導放大電路外置設計方案，把功放芯片放在波導外部實現(xiàn)，同時把同一基片 上的兩個放大器芯片交錯放置，以便散熱。為實現(xiàn)本實用新型的目的采用的技術方案一種Ka波段多路波導空間功率合成 放大器，其特征是，由均采用金屬制成的頂蓋(1)、一片兩邊托盤(2)、一片中心托盤(3)、一片中心托盤(4)、一片兩邊托盤(5)、底座(6)從上到下組合而成，組合后的相關面形成Ka 波段的矩形波導口(18)；四片漸變鰭線卡(10)分別放置在中心托盤(3)、(4)和兩邊托盤 (2)、(5)上；組合時，中心托盤(4)朝上的一面為平面，朝下的一面設有方向與矩形波導口 (18)開設方向一致的凹槽(21)，及與凹槽(21)垂直相交的凹槽(22)，漸變鰭線卡(10)放 置在凹槽(21)和(22)內，漸變鰭線卡(10)接觸兩邊托盤(5)的一面中，放置在凹槽(21) 的部分延伸出兩條50歐姆微帶線(16)，兩條微帶線(16)在凹槽(21)和(22)的相交處采 用微帶拐角結構(17)使兩條微帶線(16)之間的垂直距離擴大，擴大后的兩條微帶線(16) 相互平行且方向平行于矩形波導口(18)開設的方向，兩路放大器芯片(13)安裝位置在凹 槽(21)和(22)相交處，分別連接在兩條所述微帶線(16)上且位置左右交錯，放大器芯片 (13)的旁路電容(14)、(15)與放大器芯片(13)相連接并連接到設置位置在凹槽(22)中的 直流偏置饋線(12)上；所述漸變鰭線卡(10)靠近中心托盤(3)的一面中，對應于漸變鰭線 卡(10)另一面有微帶線(16)的地方均設有作為微帶線地板的金屬層；所述兩邊托盤(5) 與放置在中心托盤(4)中的漸變鰭線卡(10)接觸的一面在與凹槽(21)對應的位置上設有 用于壓住漸變鰭線卡(10)的凸邊(23)，與底座(6)接觸的一面結構與中心托盤(4)朝下的 一面相同，鰭線卡(10)放置的位置也相同；所述底座(6)朝上的一面開設有與凹槽(22)位 置對應的凹槽(20)，在與凹槽(21)對應的位置上設有用于壓住鰭線卡的凸邊(19)；中心托 盤⑶和⑷結構相同，兩邊托盤⑵和(5)結構相同，頂蓋⑴和底座(6)結構相同，組 合時中心托盤(3)和(4)、兩邊托盤⑵和(5)、頂蓋⑴和底座(6)的安裝的方向相反。更具體的說，所述頂蓋(1)、一片兩邊托盤(2)、一片中心托盤(3)、一片中心托盤 (4)、一片兩邊托盤(5)、底座(6)均由銅制成且均設有相應的螺孔(7)和銷釘孔(8)，螺釘 通過螺孔(7)和銷釘孔(8)將頂蓋(1)、一片兩邊托盤(2)、一片中心托盤(3)、一片中心托 盤(4)、一片兩邊托盤(5)、底座(6)組合固定。所述漸變鰭線卡(10)是指用印刷電路板的方法在雙面覆銅的羅杰斯5880基片上 制作的漸變鰭線卡(10)。所述漸變鰭線卡(10)設有用于安裝的邊框(18)，所述邊框(18)在靠近波導口 (18)的兩端設有密集過孔陣列。在邊框(18)的介質板上添加密集過孔陣列，以模擬金屬波 導壁，用于抑制裝槽深度可能會帶來的影響。所述旁路電容(14)采用lOOOOpF的電容，旁路電容(15)采用IOOpF的電容。所述放大器芯片(13)采用Triquint公司的TGA4516的放大器芯片。所述放大器中所有導體材料的表面均設有鍍銀層。這樣可將毫米波波導的電損耗 減至最少的限度。本實用新型的主要工作原理是作為工作在毫米波段的空間功率合成放大器，要 求合成的效率盡量高。這里主要體現(xiàn)在阻抗匹配技術上面。在此，把波導口的能量轉換為 微帶線上的能量，實現(xiàn)阻抗匹配的實用方法是采用漸變鰭線陣列。鰭線的特性阻抗隨頻率 變化很小，在極寬的頻帶內易于實現(xiàn)阻抗匹配，漸變鰭線的形狀按余弦平方過渡的最優(yōu)函 數(shù)變化，在所需帶寬內實現(xiàn)始端波導阻抗和終端鰭線阻抗間的匹配，使得波導輸入口的反 射系數(shù)最小，從而提高合成的效率。微帶拐角技術可以實現(xiàn)電路在空間上的延升，保證芯片 可以置于波導外部。由此會不可避免帶來反射，降低電路的匹配性能。但通過微帶拐角的 設計和優(yōu)化，可以將反射控制在可以接受的技術指標之內。散熱技術體現(xiàn)在芯片錯位放置的方案上面。芯片本身是發(fā)熱源，所以把同一片電路上的兩個放大器芯片對角錯開，可以方 便散熱。與現(xiàn)有的技術相比，本實用新型具有如下優(yōu)點1.傳統(tǒng)的波導內多路(大于4路)固態(tài)功率合成器只能在波導尺寸較大的C到 Ku波段內實現(xiàn)，而本實用新型通過采用將放大芯片置于波導外部的方法，可以突破Ka波段 波導尺寸小的瓶頸，實現(xiàn)符合性能要求的Ka波段多路空間功率合成放大器；2.本實用新型把放大芯片錯位放置，可以分散熱源，改善散熱效果；3、本實用新型可實現(xiàn)8路Ka波段波導空間功率合成，且結構緊湊、頻帶寬、效率 尚ο
圖Ia是本實用新型組合時的整體結構示意圖；圖Ib是本實用新型頂蓋拉開時的整體結構示意圖；圖2是本實用新型的底座組合時朝上的一面的結構示意圖；圖3a是本實用新型的中心托盤4與中心托盤3接觸那一面的結構示意圖；圖3b是本實用新型的中心托盤4與兩邊托盤5接觸那一面的結構示意圖；圖4a是本實用新型的漸變鰭線卡安裝在中心托盤4中與兩邊托盤5接觸的那一 面的結構示意圖；圖4b是本實用新型的漸變鰭線卡安裝在中心托盤4中與中心托盤3靠近的那一 面的結構示意圖；圖5是本實用新型的兩邊托盤5組合時朝上的一面的結構示意圖；圖6是本實用新型的工作流程圖；圖7是本實用新型的漸變鰭線卡陣列模型的電磁仿真曲線。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述。實施例本實用新型整體的結構如圖Ia和圖Ib所示，在金屬銅構成的矩形波導口 18的寬 邊上對其進行六層分割，組成托盤結構，包括頂蓋1、底座6、中心托盤3、4，兩邊托盤2、5 ； 螺孔7和銷釘孔8用于組合固定頂蓋1、中心托盤3和4、兩邊托盤2和5、底座6，構成含鰭 線結構的矩形波導。從上到下的組合順序為頂蓋1、一片兩邊托盤2、一片中心托盤3、一片 中心托盤4、一片兩邊托盤5、底座6。組合后的相關面形成Ka波段的矩形波導口 18，組合 完整的矩形波導放大器的波導口 18長度為a，寬度為b，對應Ka波段的標準矩形波導，a的 長度為7. 112mm,b的長度為3. 556mm，輸入微波以主模TElO模進行傳播。有螺孔9的兩個 側面為矩形波導輸入或輸出端口，螺孔9是為了與外接波導相連接。四片漸變鰭線卡10分 別放置在中心托盤3、4和兩邊托盤2、5上(中心托盤3和4相同，兩邊托盤2和5相同)， 實現(xiàn)模塊組合。漸變鰭線卡10可在雙面覆銅的羅杰斯5880基片上用印刷電路版的方法制 作，羅杰斯5880基片上基片的厚度為0. 254mm。放置在中心托盤和兩邊托盤上的漸變鰭線 卡10實現(xiàn)波導到微帶的阻抗變換。如圖2、圖3a、圖3b、圖4a、圖4b和圖5所示，組合時，中心托盤4朝上的一面為平面，朝下的一面設有方向與矩形波導口 18開設方向一致的凹槽 21，及與凹槽21垂直相交的凹槽22，漸變鰭線卡(10)放置在凹槽21和22內，漸變鰭線卡 10的邊框部分18為漸變鰭線卡10相應安裝在中心托盤4上的固定端，裝槽深度為2mm，以 固定鰭線卡10。在邊框18的介質板上可以添加密集過孔陣列，以模擬金屬波導壁，抑制裝 槽深度可能會帶來的影響；漸變鰭線卡(10)接觸兩邊托盤(5)的一面中，放置在凹槽(21) 的部分延伸出兩條50歐姆微帶線(16)，兩條微帶線(16)在凹槽(21)和(22)的相交處采 用微帶拐角結構(17)使兩條微帶線(16)之間的垂直距離擴大，擴大后的兩條微帶線(16) 相互平行且方向平行于矩形波導口(18)開設的方向，兩路放大器芯片(13)安裝位置在凹 槽(21)和(22)相交處，分別連接在兩條所述微帶線(16)上且位置左右交錯，放大器芯片 (13)的旁路電容(14)、(15)與放大器芯片(13)相連接并連接到設置位置在凹槽(22)中 的直流偏置饋線(12)上；所述漸變鰭線卡(10)靠近中心托盤(3)的一面中，對應于漸變鰭 線卡(10)另一面有微帶線(16)的地方均設有作為微帶線地板的金屬層；兩邊托盤(5)與 放置在中心托盤4中的漸變鰭線卡(10)接觸的一面在與凹槽(21)對應的位置上設有用于 壓住漸變鰭線卡(10)的凸邊23，與底座(6)接觸的一面結構與中心托盤(4)朝下的一面 相同，鰭線卡(10)放置的位置也相同；底座(6)朝上的一面開設有與凹槽(22)位置對應 的凹槽(20)，在與凹槽(21)對應的位置上設有用于壓住鰭線卡的凸邊(19)；中心托盤(3) 和⑷結構相同，兩邊托盤⑵和(5)結構相同，頂蓋⑴和底座(6)結構相同，組合時中 心托盤⑶和(4)、兩邊托盤⑵和(5)、頂蓋⑴和底座(6)的安裝的方向相反。放大器 芯片(13)采用Triquint公司的TGA4516的放大器芯片，芯片尺寸為2. 79X2. 315X0. 1謹； 工作頻段為30-40GHZ ；標稱飽和輸出功率大于33dBm，飽和輸入功率為20dBm ；標稱增益為 18dB ；偏置電壓為6V，靜態(tài)電流為1. 05A，動態(tài)電流為1. 9A。放大器芯片13的旁路電容14 是lOOOOpF的旁路電容，15是IOOpF的旁路電容，它們用金線以綁定的方式與放大器芯片 13的相應引腳相連接，并連接到直流偏置饋線12上。這樣就實現(xiàn)了 Ka波段一共8路芯片 合成的方案。其工作流程圖如圖6所示。把放大器芯片13和偏置電容14和15去掉，使得連接放大器芯片13的輸入輸出 的50歐姆微帶線16直接連通，對全模型的無源匹配部分使用軟件HFSS進行仿真，觀察其 回波反射Sll特性，如圖7所示。在31GHz到36GHz通頻帶內，Sll都在-16dB以下，說明 系統(tǒng)阻抗匹配性能良好，能夠實現(xiàn)寬頻帶、高效率的放大器。本實用新型散熱方案放大器芯片13直接焊接固定在金屬銅波導的中心托盤和 兩邊托盤上面，可以方便熱量擴散到外面，每片漸變鰭線卡上的兩個放大器交錯放置，也為 分散熱源分別提供了幫助。本實用新型中所有導體材料的工件表面都要鍍銀。這樣可將毫米波波導的電損耗 減至最少的限度。上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述 實施例的限制，任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、 簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求一種Ka波段多路波導空間功率合成放大器，其特征是，由均采用金屬制成的頂蓋(1)、一片第一兩邊托盤(2)、一片第一中心托盤(3)、一片第二中心托盤(4)、一片第二兩邊托盤(5)、底座(6)從上到下組合而成，組合后的相關面形成Ka波段的矩形波導口(18)；四片漸變鰭線卡(10)分別放置在第一中心托盤(3)、第二中心托盤(4)和第一兩邊托盤(2)、第二兩邊托盤(5)上；組合時，第二中心托盤(4)朝上的一面為平面，朝下的一面設有方向與矩形波導口(18)開設方向一致的第一凹槽(21)，及與第一凹槽(21)垂直相交的第二凹槽(22)，漸變鰭線卡(10)放置在第一凹槽(21)和第二凹槽(22)內，漸變鰭線卡(10)接觸第二兩邊托盤(5)的一面中，放置在第一凹槽(21)的部分延伸出兩條50歐姆微帶線(16)，兩條微帶線(16)在第一凹槽(21)和第二凹槽(22)的相交處采用微帶拐角結構(17)使兩條微帶線(16)之間的垂直距離擴大，擴大后的兩條微帶線(16)相互平行且方向平行于矩形波導口(18)開設的方向，兩路放大器芯片(13)安裝位置在第一凹槽(21)和第二凹槽(22)相交處，分別連接在兩條所述微帶線(16)上且位置左右交錯，放大器芯片(13)的第一旁路電容(14)、第二旁路電容(15)與放大器芯片(13)相連接并連接到設置位置在第二凹槽(22)中的直流偏置饋線(12)上；所述漸變鰭線卡(10)靠近第一中心托盤(3)的一面中，對應于漸變鰭線卡(10)另一面有微帶線(16)的地方均設有作為微帶線地板的金屬層；所述第二兩邊托盤(5)與放置在第二中心托盤(4)中的漸變鰭線卡(10)接觸的一面在與第一凹槽(21)對應的位置上設有用于壓住漸變鰭線卡(10)的凸邊(23)，與底座(6)接觸的一面結構與第二中心托盤(4)朝下的一面相同，鰭線卡(10)放置的位置也相同；所述底座(6)朝上的一面開設有與第二凹槽(22)位置對應的第三凹槽(20)，在與第一凹槽(21)對應的位置上設有用于壓住鰭線卡的凸邊(19)；第一中心托盤(3)和第二中心托盤(4)結構相同，第一兩邊托盤(2)和第二兩邊托盤(5)結構相同，頂蓋(1)和底座(6)結構相同，組合時第一中心托盤(3)和第二中心托盤(4)、第一兩邊托盤(2)和第二兩邊托盤(5)、頂蓋(1)和底座(6)的安裝的方向相反。
2.根據(jù)權利要求1所述的Ka波段多路波導空間功率合成放大器，其特征是，所述頂蓋 (1)、一片第一兩邊托盤(2)、一片第一中心托盤(3)、一片第二中心托盤(4)、一片第二兩邊 托盤(5)、底座(6)均由銅制成且均設有相應的螺孔(7)和銷釘孔(8)，螺釘通過螺孔(7) 和銷釘孔(8)將頂蓋(1)、一片第一兩邊托盤(2)、一片第一中心托盤(3)、一片第二中心托 盤(4)、一片第二兩邊托盤(5)、底座(6)組合固定。
3.根據(jù)權利要求1所述的Ka波段多路波導空間功率合成放大器，其特征是，所述漸變 鰭線卡(10)是指用印刷電路板的方法在雙面覆銅的羅杰斯5880基片上制作的漸變鰭線卡 (10)。
4.根據(jù)權利要求1所述的Ka波段多路波導空間功率合成放大器，其特征是，所述漸變 鰭線卡(10)設有用于安裝的邊框(18)，所述邊框(18)在靠近波導口(18)的兩端設有密集 過孔陣列。
5.根據(jù)權利要求1所述的Ka波段多路波導空間功率合成放大器，其特征是，所述第一 旁路電容(14)采用lOOOOpF的電容，第二旁路電容(15)采用100pF的電容。
6.根據(jù)權利要求1所述的Ka波段多路波導空間功率合成放大器，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.根據(jù)權利要求1所述的Ka波段多路波導空間功率合成放大器，其特征是，所述放大器中所有導體材料的表面均設有鍍銀層。
專利摘要本實用新型公開了一種新型的多路(大于4路)Ka波段波導空間功率合成放大器，該放大器是采用金屬銅構成的托盤組合結構模塊，包括一個底座、一個頂蓋，兩個中心托盤和兩個兩邊托盤，所有結構組合后的相關面形成Ka波段的矩形波導口；四片漸變鰭線卡分別置于中心托盤和兩邊托盤上，實現(xiàn)由波導到微帶的阻抗變換和多路功率分配與合成，最后通過微帶拐角結構使放大器置于波導空間之外，放大器芯片交錯放置以便散熱。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的功率合成可以突破尺寸限制，在更高頻率的Ka波段得以實現(xiàn)，具有寬頻帶、高效率、組合方便、散熱性能好的優(yōu)點。
文檔編號H01P5/00GK201638920SQ20092023674
公開日2010年11月17日 申請日期2009年9月30日 優(yōu)先權日2009年9月30日
發(fā)明者呂盛奇, 褚慶昕 申請人:華南理工大學