專利名稱：波導(dǎo)內(nèi)固態(tài)功率合成器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波和毫米波發(fā)射系統(tǒng)中使用的大功率固態(tài)放大組件，具體是一種由若干功能模塊組成的波導(dǎo)內(nèi)固態(tài)功率合成器。
目前固體器件的頻率已擴(kuò)展到數(shù)百GHz，即亞毫米波段。在微波和毫米波波段，單個(gè)固體器件的混合集成電路和單片微波毫米波集成電路(MMIC)已得到了廣泛應(yīng)用，低噪聲和小功率的電真空器件(TWT & Klystron)已被全面取代。但在大功率寬頻帶方面，固體器件仍顯不足，電真空器件仍據(jù)主導(dǎo)地位。然而，由于固體器件體積小、重量輕、低電壓、高可靠、長(zhǎng)壽命和易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，人們一直在大力發(fā)展大功率固體器件，并取得了巨大進(jìn)展。
同時(shí)，又發(fā)展了功率合成技術(shù)，即將多個(gè)固體功率器件的輸出疊加起來(lái)，以得到數(shù)倍于單個(gè)器件的功率。目前廣泛采用的功率合成技術(shù)有三大類，分別稱為芯片級(jí)、電路級(jí)、空間級(jí)功率合成技術(shù)，在輸出功率大大提高的同時(shí)，頻帶寬度能夠復(fù)蓋整個(gè)波導(dǎo)帶寬，與TWT相比毫不遜色，有關(guān)資料顯示，微波毫米波固態(tài)功率放大器(SSPA)勢(shì)必取代大功率TWT的局面將在國(guó)外市場(chǎng)上出現(xiàn)。
(1)、芯片級(jí)功率合成技術(shù)主要由器件設(shè)計(jì)制造者采用，它是后幾種功率合成技術(shù)的基礎(chǔ)。隨著頻率的提高，單個(gè)固體器件芯片的面積越來(lái)越小，限制了功率的進(jìn)一步提高。由于器件設(shè)計(jì)制造者的不斷努力，單片微波集成電路的功率輸出越來(lái)越大，目前已達(dá)到相當(dāng)高的水平。
(2)、電路級(jí)功率合成放大器發(fā)展較為迅速，型式多樣，應(yīng)用較廣泛，最常用的是二路合成，四路和八路合成的也有，微波電路較多采用平面電路。當(dāng)采用的有源器件增加時(shí)，合成器的損耗增加，合成效率降低，加工制造愈復(fù)雜，要求也愈高。另外，大的帶寬和高的效率難于兼得。以這種功率合成技術(shù)生產(chǎn)的SSPA可達(dá)到中等大小的功率輸出，無(wú)論在功率電平還是帶寬方面，都無(wú)法與大功率TWT等競(jìng)爭(zhēng)。
(3)、空間功率合成放大器又分開放空間、半開放空間和封閉空間合成三種類型。開放空間功率合成主要用于相控陣?yán)走_(dá)，半開放空間合成主要用于毫米波—光波波段。
封閉空間功率合成是1997年發(fā)展出的功率合成新技術(shù)。它是一種三維立體結(jié)構(gòu)，在波導(dǎo)內(nèi)進(jìn)行功率合成。目前最新進(jìn)展是在X波段達(dá)到150瓦，具有與波導(dǎo)相同的寬帶寬，已成為大功率TWT最有力的競(jìng)爭(zhēng)者。但現(xiàn)有的封閉空間功率合成器，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，組裝不便，散熱效果欠理想，不利于其功率和效率的提高。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種用于微波和毫米波發(fā)射系統(tǒng)的波導(dǎo)內(nèi)固態(tài)功率合成器，其采用若干帶有漸變鰭線陣、固體器件以及微帶阻抗變換器陣的功能模塊組合結(jié)構(gòu)，在封閉的波導(dǎo)內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率合成，同時(shí)達(dá)到大功率、寬頻帶、高效率和高增益。
本發(fā)明提出了波導(dǎo)內(nèi)固態(tài)功率合成器的一種新設(shè)計(jì)。它包括若干固體器件、與固體器件連接的輸入/輸出微帶阻抗變換器和輸入/輸出漸變鰭線陣；采用功能模塊組合結(jié)構(gòu)，該功能模塊組合結(jié)構(gòu)含兩個(gè)半封閉功率合成模塊8、至少一個(gè)H形功率合成模塊6和一個(gè)部分波導(dǎo)塊9，所述H形功率合成模塊6和部分波導(dǎo)塊9拼裝于兩個(gè)半封閉功率合成模塊8之間，所有的模塊和部分波導(dǎo)塊的相關(guān)的面構(gòu)成封閉的波導(dǎo)。
工作時(shí)，來(lái)自輸入波導(dǎo)入射的電磁波耦合進(jìn)輸入漸變鰭線陣，其總功率被分割成相等的若干份，分別沿每一漸變鰭線無(wú)反射地傳輸，通過相應(yīng)的微帶阻抗變換器傳輸?shù)较鄳?yīng)的固態(tài)功率放大器的輸入端，得到功率放大。被功率放大后的每一路電磁波信號(hào)再經(jīng)由相應(yīng)的輸出微帶阻抗變換器和漸變鰭線無(wú)反射地傳輸，并輻射到輸出波導(dǎo)空間，最終實(shí)現(xiàn)有效的功率合成。
本發(fā)明波導(dǎo)內(nèi)功率合成器采用功能模塊組合結(jié)構(gòu)，漸變鰭線陣和多個(gè)固體器件在封閉的波導(dǎo)內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率合成，組合方便。其波導(dǎo)的外周設(shè)置散熱片，漸變鰭線陣和微帶阻抗變換器陣均設(shè)置于導(dǎo)熱性能優(yōu)良的氮化鋁等基片上，氮化鋁陶瓷基片緊貼在散熱良好的熱沉上，功率器件則直接焊接在熱沉上，解決了功率器件散熱問題，采用高效率微波和毫米微波放大器件，能同時(shí)達(dá)到大功率、寬頻帶、高增益和高效率，它將成為替代大功率行波管TWT及速調(diào)管(Klystron)等新一代器件。
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。


圖1是波導(dǎo)內(nèi)功率合成器原理圖；圖2是其漸變鰭線基片在波導(dǎo)E面(電場(chǎng)方向)配置示意圖；圖3是波導(dǎo)內(nèi)功率合成器整體機(jī)構(gòu)示意圖；圖4是其氮化鋁陶瓷基片上單面漸變鰭線陣圖；圖5是其微帶阻抗變換器陣和MMIC直流偏置電路圖；圖6是其H形熱沉結(jié)構(gòu)圖；圖7是其H形功率合成模塊結(jié)構(gòu)圖；圖8是其半封閉熱沉結(jié)構(gòu)圖；圖9是其半封閉功率合成模塊結(jié)構(gòu)圖；圖10是其部分波導(dǎo)塊結(jié)構(gòu)圖。
本發(fā)明的原理和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，它是由在波導(dǎo)的一個(gè)或多個(gè)E面(電場(chǎng)方向)上并列放置多個(gè)(至少二個(gè))微波毫米波固體放大器件(MMIC)，在每一路串聯(lián)接入前置放大器和功率放大器，可使每一路增益達(dá)到20～40dB。固體放大器件的輸入和輸出端分別設(shè)置有漸變的鰭線天線陣和微帶阻抗變換器陣，基片采用導(dǎo)熱性能優(yōu)良的氮化鋁等基片，固體放大器件(MMIC)直接焊接在銅質(zhì)或鋁質(zhì)熱沉上，熱沉與波導(dǎo)側(cè)壁連成一體，波導(dǎo)厚側(cè)壁的外部則加工成片狀作為散熱器。
工作時(shí)，來(lái)之輸入波導(dǎo)的電磁波總功率被無(wú)反射且等份地耦合到每一漸變鰭線中去，經(jīng)由相應(yīng)的微帶阻抗變換器進(jìn)入固體器件的輸入端，得到功率放大，經(jīng)過由與固體器件輸出端連接的相應(yīng)微帶阻抗變換器輸出到相應(yīng)的漸變鰭線并輻射到輸出波導(dǎo)空間，實(shí)現(xiàn)功率合成，最終得到大功率輸出。假設(shè)每一個(gè)固體器件的最大功率輸出為P瓦，如有N個(gè)固體器件，在滿足同相位等幅度條件時(shí)，合成功率輸出將是Po＝NP，N越大，Po則越大。本發(fā)明的特點(diǎn)之一是極易實(shí)現(xiàn)10路以上的功率合成。以目前單個(gè)內(nèi)匹配MESFET器件的最大功率分別為C波段，30W；X波段，10W；Ku波段，10W為例，在理想條件下(即100％合成效率和不考慮插入損耗時(shí)) 10路合成后則分別達(dá)到C，300W；X，100W；Ku，100W，與大功率TWT相比毫不遜色。
由于鰭線的特性阻抗隨頻率的變化很小，在極寬的頻帶內(nèi)易于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，功率合成器的帶寬僅受限于波導(dǎo)本身和固體器件，因此本功率合成器具有與波導(dǎo)相同的寬帶寬，完全能與TWT的帶寬相比美。
采用高效率的大功率高電子遷移率晶體管(PHEMT)微波毫米波固體器件，使功率合成器的總效率可以達(dá)到35～60％，這已達(dá)到或優(yōu)于高效率TWT。
在每一路串聯(lián)接入前置放大器和功率放大器，可使每一路增益(亦即功率合成器增益)達(dá)到20～40dB，也可與TWT相比較了。
如圖3所示，本波導(dǎo)內(nèi)功率合成器由兩個(gè)半封閉功率合成模塊8、至少一個(gè)H形功率合成模塊6和一個(gè)部分波導(dǎo)塊9組合而成，所述H形功率合成模塊6和部分波導(dǎo)塊9拼裝于兩個(gè)半封閉功率合成模塊8之間，所有的模塊和部分波導(dǎo)塊的相關(guān)的面構(gòu)成封閉的波導(dǎo)。其中四個(gè)定位銷11保證前述部件構(gòu)成的波導(dǎo)兩個(gè)寬的內(nèi)表面分別在一個(gè)平面上，所有模塊用螺母12緊固，使波導(dǎo)內(nèi)表面的縫隙最小。圖示波導(dǎo)外側(cè)四周設(shè)置有片狀散熱器，片狀散熱器經(jīng)過發(fā)黑處理。
功率合成器的輸入輸出結(jié)構(gòu)分三種波導(dǎo)入一波導(dǎo)出，同軸入一同軸出，同軸入一波導(dǎo)出或被導(dǎo)入一同軸出，這只要在功率合成器的輸入或輸出波導(dǎo)處加接波導(dǎo)一同軸轉(zhuǎn)換器即可。
漸變鰭線陣在波導(dǎo)E面橫向的設(shè)置如圖2a、2b所示，其上有漸變鰭線的多個(gè)基片14被平行地放置在波導(dǎo)的E面，相互間保持適當(dāng)距離?；瑪?shù)最少為一片，其上至少有二個(gè)漸變鰭線，基片數(shù)可多達(dá)5-6片，每片上可設(shè)量1-5個(gè)漸變鰭線，如果5個(gè)基片，每個(gè)基片上4個(gè)漸變鰭線，則將構(gòu)成20個(gè)漸變鰭線的陣列，實(shí)現(xiàn)20路的功率合成。由于波導(dǎo)內(nèi)E面(圖2Y軸方向)電場(chǎng)在橫向(X軸方向)是正弦分布，即電場(chǎng)是不均勻的，為使耦合到每一片漸變鰭線中去的功率相等，基片在波導(dǎo)E面的位置要仔細(xì)考慮和設(shè)計(jì)。
漸變鰭線陣在波導(dǎo)E面縱向結(jié)構(gòu)如圖4所示。單面漸變鰭線15長(zhǎng)度L為0.5～1導(dǎo)波波長(zhǎng)，終端鰭線的特性阻抗應(yīng)為50～100歐姆，漸變鰭線的形狀應(yīng)使特性阻抗按最優(yōu)函數(shù)變化，在所需帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)始端波導(dǎo)阻抗和終端鰭線阻抗間的匹配.使其入口處的反射系數(shù)最小。輸入漸變鰭線陣和輸出漸變鰭線陣是對(duì)稱的。
漸變鰭線陣15做在導(dǎo)熱特性優(yōu)良的氮化鋁、氧化鋁陶瓷基片或特夫隆(TEFLON)基片上，基片厚度為0.25～0.5mm。漸變鰭線陣15可在氮化鋁陶瓷金屬化后，用光刻方法制作，然后鍍金。
漸變鰭線陣分輸入漸變鰭線陣和輸出漸變鰭線陣兩組，前者位于MMIC輸入一端，后者位于MMIC輸出一端，兩者在結(jié)構(gòu)上是對(duì)稱的，見圖7和圖9，其作用亦大致相同，一為與輸入和輸出波導(dǎo)內(nèi)電磁場(chǎng)耦合，并且作為功率分配器和功率合成器，二為阻抗變換。
微帶阻抗變換器陣如圖5所示，微帶阻抗變換器陣17包括輸入微帶阻抗變換器陣和輸出微帶阻抗變換器陣兩組，它們?cè)O(shè)置于其基片16’上，前者位于MMIC輸入端和輸入漸變鰭線陣之間并與其連接，后者位于MMIC輸出端和輸出漸變鰭線陣之間并與其連接(見圖7和圖9)，兩者在結(jié)構(gòu)上是對(duì)稱的，起的作用相同，即實(shí)現(xiàn)MMIC輸入或輸出阻抗(皆為50歐)與漸變鰭線陣間的阻抗匹配。
所述基片可采用氮化鋁陶瓷基片，采用單級(jí)或多級(jí)1/4波長(zhǎng)阻抗變換形式，根據(jù)帶寬、最小反射系數(shù)和插入損耗以及輸入輸出端連接的阻抗數(shù)值，選取最平坦、等波紋或橢圓變換函數(shù)，計(jì)算出微帶阻抗變換器電路尺寸。當(dāng)然也可采用漸變形式的微帶線變換器。它們被安裝在相應(yīng)熱沉上。為減小它們占用的面積，其幾何形狀可制成曲折線形式。其上還印制有用于MMIC電源引線的微帶線19，微帶線19中四個(gè)與中間的兩個(gè)MMIC通過空氣橋20連接，電路的制造方法與漸變鰭線陣相同。所述基片上開有四個(gè)孔21，其位置與熱沉上焊裝的四個(gè)MMIC(圖7和圖9)的位置相對(duì)應(yīng)，尺寸比MMIC略大。
為了提高合成器功率增益，每一路放大器采用一個(gè)推動(dòng)級(jí)和一個(gè)功放級(jí)串聯(lián)構(gòu)成，從而使功率合成器同時(shí)達(dá)到大功率、寬頻帶、高效率和高增益。單個(gè)微波和毫米波固體功率放大器件的增益較小，一般為7～9dB左右，內(nèi)匹配的MMIC約為16～19dB，在每一路中采用一個(gè)19dB的小功率MMIC作為推動(dòng)級(jí)，一個(gè)19dB的大功率MMIC作輸出級(jí)，將達(dá)到38dB的高增益，如圖1、7、9所示。在本功率合成器中使用的MMIC是無(wú)封裝外殼的集成電路芯片，具有50歐姆的輸入和輸出阻抗，直接焊接在熱沉上。采用高效率大功率PHEMT微波毫米波固體器件，使功率合成器的總效率可以達(dá)到35～60％。具體實(shí)施例中推動(dòng)級(jí)和功放級(jí)可選用國(guó)產(chǎn)Ampc 01116和美國(guó)TGA 9083-EEU等芯片。
直流偏置電路19如圖5所示用微帶線制成，一端從波導(dǎo)側(cè)壁兩邊縫隙引出(見圖3)與直流電源連接，另一端與每個(gè)MMIC 18的加壓電極或直接連接(外側(cè)MMIC)，或通過空氣橋20連接。
熱沉被用來(lái)安裝MMIC、輸入/輸出微帶阻抗變換器陣基片和輸入/輸出漸變鰭線陣基片。由于大功率MMIC耗能較大，必須采用導(dǎo)熱特性好的銅或鋁制作，其結(jié)構(gòu)如圖6、8所示。這里采用兩種結(jié)構(gòu)。一種如圖6所示為H形熱沉，其厚度由并列的漸變鰭線陣基片數(shù)和MMIC最大功率輸出經(jīng)熱學(xué)設(shè)計(jì)確定，保證足夠大的熱容量。尺寸b1與波導(dǎo)窄面b相同，內(nèi)側(cè)面在總裝后將成為波導(dǎo)內(nèi)表面的一部分，尺寸LI由MMIC和二個(gè)微帶阻抗變換器尺寸而定。在H形熱沉向上的一面與內(nèi)側(cè)面相交的棱處加工成L形，以使嵌裝輸入/輸出漸變鰭線陣基片。
圖7表示H形功率合成模塊，該模塊6由H形熱沉5、依次安裝在H形熱沉5上的輸入漸變鰭線陣基片1、固態(tài)放大器件(MMIC)18、輸入/輸出微帶阻抗變換器陣基片16(包含直流偏置電路19)和輸出漸變鰭線陣基片2組成。MMIC被焊裝在H形熱沉5的中橫隔向上一面的淺槽內(nèi)，相互間保持適當(dāng)間隔，最外的MMIC可焊裝到加厚了的波導(dǎo)側(cè)壁部分向上的表面淺槽內(nèi)。功耗大的大功率固態(tài)器件被直接焊在銅質(zhì)或鋁質(zhì)熱沉上，厚度和體積大，熱容量也大；半封閉式熱沉結(jié)構(gòu)如圖8所示，其形狀類似三個(gè)側(cè)壁加厚了的部分波導(dǎo)，中間部分設(shè)置橫隔。由于此橫隔與波導(dǎo)的三個(gè)側(cè)面相連，熱容量大，熱傳導(dǎo)橫截面大，熱阻小，熱特性好，特別適合單個(gè)MMIC功率較大時(shí)采用。該熱沉結(jié)構(gòu)的其它部分與H形熱沉相同，不再贅述。
圖9所示半封閉功率合成模塊8以圖8所示熱沉為基體，在半封閉熱沉7上依次安裝輸入漸變鰭線陣基片3、固態(tài)放大器件(MMIC)18’、輸入/輸出微帶阻抗變換器陣基片16’(包括直流偏置電路19)和輸出漸變鰭線陣基片4等。
部分波導(dǎo)塊結(jié)構(gòu)如圖10所示。部分波導(dǎo)塊9也呈H形，其兩側(cè)可設(shè)置散熱片，其內(nèi)側(cè)面將成為總裝后完整波導(dǎo)內(nèi)側(cè)寬面的一部分，其上的橫隔使其上下微波電路分隔開，以避免相互間產(chǎn)生耦合。
波導(dǎo)外壁設(shè)置片狀散熱器，以便最有效地將固體器件消耗的功率耗散到周圍空間中去。鋁質(zhì)片狀散熱器可以焊裝在加厚了側(cè)壁的波導(dǎo)外側(cè)四周，也可將加厚的波導(dǎo)側(cè)壁加工成散熱片狀(見圖6和圖8)，以加大與空氣的接觸面積，散熱片作發(fā)黑處理，加大熱輻射效率，提高散熱效果。
權(quán)利要求
1.一種波導(dǎo)內(nèi)固態(tài)功率合成器，其特征在于采用功能模塊組合結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)半封閉功率合成模塊(8)、至少一個(gè)H形功率合成模塊(6)和一個(gè)部分波導(dǎo)塊(9)，所述H形功率合成模塊(6)和部分波導(dǎo)塊(9)拼裝于兩個(gè)半封閉功率合成模塊(8)之間，所有的模塊和部分波導(dǎo)塊的相關(guān)的面構(gòu)成封閉的波導(dǎo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)內(nèi)固態(tài)功率合成器，其特征在于所述H形功率合成模塊(6)由H形熱沉(5)、依次安裝在H形熱沉(5)上的輸入漸變鰭線陣基片(1)、固態(tài)放大器件(18)、輸入/輸出微帶阻抗變換器陣基片(16)和輸出漸變鰭線陣基片(2)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的波導(dǎo)內(nèi)固態(tài)功率合成器，其特征在于所述H形熱沉(5)的縱向內(nèi)側(cè)面是組合后的波導(dǎo)內(nèi)壁的一部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的波導(dǎo)內(nèi)固態(tài)功率合成器，其特征在于所述的H形熱沉(5)是銅質(zhì)或鋁質(zhì)熱沉。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)內(nèi)固態(tài)功率合成器，其特征在于所述半封閉功率合成模塊(8)由半封閉熱沉(7)、依次安裝在半封閉熱沉(7)上的輸入漸變鰭線陣基片(3)、固態(tài)放大器件(18’)、輸入/輸出微帶阻抗變換器陣基片(16’)和輸出漸變鰭線陣基片(4)組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的波導(dǎo)內(nèi)固態(tài)功率合成器，其特征在于半封閉熱沉(7)類似三側(cè)壁加厚的部分開波導(dǎo)，中間設(shè)置有與波導(dǎo)三側(cè)壁相連的橫隔。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的波導(dǎo)內(nèi)固態(tài)功率合成器，其特征在于所述的半封閉熱沉(7)均是銅質(zhì)或鋁質(zhì)熱沉。
8.據(jù)權(quán)利要求2或5所述的波導(dǎo)內(nèi)固態(tài)功率合成器，其特征在于所述模塊中每一路固態(tài)放大器件(MMIC)由推動(dòng)級(jí)和功放級(jí)串聯(lián)組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述波導(dǎo)內(nèi)固態(tài)功率合成器，其特征在于所述的波導(dǎo)外側(cè)四周設(shè)置有片狀散熱器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述波導(dǎo)內(nèi)固態(tài)功率合成器，其特征在于所述的片狀散熱器經(jīng)過發(fā)黑處理。
全文摘要
一種模塊組合式波導(dǎo)內(nèi)固態(tài)功率合成器,其特征在于:采用功能模塊組合結(jié)構(gòu),包括兩個(gè)半封閉功率合成模塊、至少一個(gè)H形功率合成模塊和部分波導(dǎo)塊,所述H形模塊和部分波導(dǎo)塊拼裝于兩個(gè)半封閉模塊之間,所有的模塊、部分波導(dǎo)塊的相關(guān)面構(gòu)成封閉的波導(dǎo)。其構(gòu)思新穎,器件、漸變鰭線陣和微帶阻抗變換器陣與熱沉一體化,組合方便,散熱性能好,能同時(shí)達(dá)到大功率、寬頻帶、高增益和高效率,是替代大功率行波管TWT等的新一代器件。
文檔編號(hào)H01P5/00GK1377099SQ0111102
公開日2002年10月30日 申請(qǐng)日期2001年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月22日
發(fā)明者姜遵富 申請(qǐng)人:深圳市利原宏實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司