專利名稱：微波毫米波積木式功率分配合成器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微波毫米波空間功率分配合成網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，用于把一路輸入信號(hào)分配到多路通道中，激勵(lì)多個(gè)固態(tài)功率放大器，并將功率放大器輸出的信號(hào)同相合成，從而獲得高功率輸出。
背景技術(shù)：
在微波毫米波系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)是其中最為關(guān)鍵的部件之一，它的輸出功率直接決定了系統(tǒng)的作用半徑，抗干擾能力以及系統(tǒng)的通信質(zhì)量與性能。固態(tài)發(fā)射機(jī)具有電源簡(jiǎn)単、尺寸小、重量輕、壽命長(zhǎng)、占空比大等優(yōu)點(diǎn)，但單個(gè)固態(tài)器件產(chǎn)生的功率小是其固有的不足。隨著頻率升高，器件尺寸減小，單個(gè)固態(tài)器件的輸出功率也隨之減小，頻率越高，輸出功率 就越小。電真空器件雖然可以產(chǎn)生比固態(tài)器件高的功率，但要求有很高電壓的電源，且體積龐大，在很多環(huán)境如航天航空飛行器中不好應(yīng)用。固態(tài)器件受自身半導(dǎo)體物理特性的影響以及加工エ藝等諸方面的限制，單個(gè)固態(tài)器件要獲得較大的輸出功率還難以實(shí)現(xiàn)。為了提高固態(tài)發(fā)射機(jī)的功率，一條眾所周知的技術(shù)途徑就是采用功率合成技木。固態(tài)功率合成技術(shù)研究已有幾十年的歷史，在微波頻段已經(jīng)獲得大量實(shí)際應(yīng)用。功率合成有兩種類型，一種是振蕩器式功率合成，即采用多個(gè)固態(tài)振蕩管制作振蕩器，其輸出功率比單管振蕩器的輸出功率大。這個(gè)方案因?yàn)椴灰讓?shí)現(xiàn)高質(zhì)量如低相位噪聲的信號(hào)和雷達(dá)所需的多種波形信號(hào)，現(xiàn)在已經(jīng)較少采用?，F(xiàn)在采用的是多個(gè)固態(tài)功率放大合成的方案，即用微波頻率源產(chǎn)生高質(zhì)量的能實(shí)現(xiàn)雷達(dá)所需波形的低功率信號(hào)，饋入若干個(gè)固態(tài)功率放大器，再將這些功率放大器輸出的功率合成，得到高功率輸出。這個(gè)方案既能實(shí)現(xiàn)高功率輸出，又能實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的高質(zhì)量，成為固態(tài)功率合成的主流。本發(fā)明涉及的就是這種功率合成技木。目前，功率合成技術(shù)有不同的實(shí)現(xiàn)途徑和稱呼，如芯片級(jí)合成、電路合成、空間合成和準(zhǔn)光合成等。這些稱呼是從功率合成的技術(shù)途徑來(lái)命名的。為了更清晰地說明功率合成的技術(shù)特征，我們從功率合成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪?lái)分類，至于實(shí)現(xiàn)特定網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)可以是芯片級(jí)合成、電路級(jí)合成、空間合成或準(zhǔn)光合成。我們把功率合成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞譃?-1型和N-I型，定義如下2-1型這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞奶卣魇禽斎胄盘?hào)I分為2，2分為4，4分為8，8分為16，16分為32，類推，即下ー級(jí)通道數(shù)是上ー級(jí)的通道數(shù)乘以2 ;輸出信號(hào)則反過來(lái)，32合為16，16合為8,8合為4,4合為2,2合為I ;示意如圖I。芯片級(jí)合成與電路合成采用這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是物理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有現(xiàn)成的平面功率分配合成結(jié)構(gòu)可用，且已發(fā)展得相當(dāng)成熟。其缺點(diǎn)是合成路數(shù)多了以后網(wǎng)絡(luò)損耗增加很大，例如合成32路網(wǎng)絡(luò)有5級(jí)，輸入輸出加在一起就是10級(jí)，這10級(jí)網(wǎng)絡(luò)要損耗很多功率，當(dāng)合成路數(shù)增加到一定數(shù)目后，再增加路數(shù)也不會(huì)增大輸出功率。在合成路數(shù)少于32路時(shí)，多級(jí)網(wǎng)絡(luò)的損耗也會(huì)降低合成效率。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牧愆`缺點(diǎn)是它合成的路數(shù)須是2的整數(shù)倍，對(duì)于調(diào)控輸出功率的大小不方便，増加I級(jí)輸出功率過大，不增加又不夠。N-I型這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞奶卣魇禽斎胄盘?hào)第I級(jí)I分為K，第2級(jí)每路I分為M，K路分為KXM路，第3級(jí)每路I分為N，KXM路分為KXMXN路，類推，即下ー級(jí)通道數(shù)是上一級(jí)的通道數(shù)乘以每路的功分?jǐn)?shù)K (或M或N);輸出信號(hào)則反過來(lái)，KXMXN合為KXM，KXM合為K，K合為I。K (M或N)大于2。顯然，對(duì)于合成同樣的路數(shù)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫枰暮铣杉?jí)數(shù)比2-1型少得多。例如，輸入時(shí)I分為4，4分為16，16分為64 ;合成吋64合為16，16合為4，4合為I ;共6級(jí)就可合成64路，而2_1型要10級(jí)才能合成32路。増大N還可減少合成的級(jí)數(shù)。合成網(wǎng)絡(luò)的級(jí)數(shù)減少就可減小網(wǎng)絡(luò)的損耗。另外，N可以調(diào)整，即在不同的級(jí)可以取不同的N，從而合成的路數(shù)與2-1型相比靈活可變。例如，可以I分為4，4分為20 (即第2級(jí)是姆路I分為5,4路分為20路)；或者I分為5,5分為30 (即第2級(jí)是姆路I分為6，5路分為30路)；實(shí)現(xiàn)這種功率分配合成網(wǎng)絡(luò)無(wú)疑將是功率合成技術(shù)的一大突破。 目前，已報(bào)道的能實(shí)現(xiàn)這種N-I型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞挠锌臻g功率合成和準(zhǔn)光功率合成技術(shù)° 如(E. J. Wilkinson, An N-way hybrid power divider, IRE TransactionMicrowave Theory and Techniques. 1960，8(I):116-118)、徑向線合成電路(D. F. Peterson, Radial-Symmetric N-ffay TEM-Line IMPATT Diode Power CombiningArrays, IEEE Transactions Microwave Theory and Techniques, 1982，30(2):163-173)、同軸一波導(dǎo)合成電路(R. S. Harp and K. J. Russell. Conical power combiner. U. S. Patent4188590, Feb. 1980)等形式。在這些N_1型合成網(wǎng)絡(luò)中，由于結(jié)構(gòu)和エ藝原因，其工作頻率都在X波段以下，難以在毫米波頻段有效地實(shí)現(xiàn)多路合成。近年來(lái)，出現(xiàn)了基于徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的空間功率合成網(wǎng)絡(luò)(Kaijun Song, YongFan, Zongrui He, Broadband Radial Waveguide Spatial Combiner, IEEE Microwave andWireless Components Letters, 2008, 18 (2) :73-75 ;陳明勇，竇文斌，Ka波段徑向波導(dǎo)功率合成網(wǎng)絡(luò)，電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25 (4) : 745-748)，這種結(jié)構(gòu)需要被合成的各通道與合成網(wǎng)絡(luò)連接后統(tǒng)ー調(diào)試，各通道不能単獨(dú)調(diào)試。因?yàn)橥ǖ绤g獨(dú)調(diào)試時(shí)的連接波導(dǎo)是矩形波導(dǎo)，與實(shí)際連接的徑向波導(dǎo)特性不同。在這個(gè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，又發(fā)展出星形功率合成網(wǎng)絡(luò)(XiangBo, Dou Wenbin, A Ka Band Spatial Six-way Power Divider/Combiner, 201ICnina-JapanJoint Microwave Conference Proceedings, 2011，440-442),這個(gè)網(wǎng)絡(luò)將徑向波導(dǎo)再轉(zhuǎn)換到多個(gè)矩形波導(dǎo)，解決了徑向波導(dǎo)合成網(wǎng)絡(luò)不方便各通道単獨(dú)調(diào)試的困難。上述合成網(wǎng)絡(luò)都存在結(jié)構(gòu)形狀非規(guī)則、空間利用率不高、連接不方便的缺點(diǎn)，一般只能做一級(jí)網(wǎng)絡(luò)，即輸入時(shí)I分為N，輸出時(shí)N合為I ;最多與2-1型網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，得到2級(jí)網(wǎng)絡(luò)，即輸入時(shí)I分為2，再2分為2N，輸出時(shí)2N合為2，再2合為I。還不能實(shí)現(xiàn)真正的N-I型合成網(wǎng)絡(luò)的功能。還有ー種合成網(wǎng)絡(luò)是基于探針I(yè)禹合的波導(dǎo)功率合成網(wǎng)絡(luò)(Xiaoqiang Xie, RuiminXu, Rui Diao and Weigan Lin, A New Millimeter-wave Multi-way Power Dividing/Combining Network Based on Waveguide-Microstrip E-plane Dual-Probe Structure,GSMM2008Proceeding, 2008)，這種合成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)用微帶探針作為固態(tài)功率放大器的耦合結(jié)構(gòu)，伸入合成網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出波導(dǎo)中。這種結(jié)構(gòu)具有形狀規(guī)則，空間利用率高的優(yōu)點(diǎn)，但卻存在各通道単獨(dú)調(diào)試不方便的缺點(diǎn)，因?yàn)閱为?dú)調(diào)試時(shí)沒有其它通道的探針存在，也就沒有互耦存在，而實(shí)際連接時(shí)所有通道的探針都伸在同一個(gè)波導(dǎo)中，各探針之間存在強(qiáng)烈的互耦，需要統(tǒng)ー調(diào)試，這就使調(diào)節(jié)難度増大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供ー種能夠調(diào)試方便且結(jié)構(gòu)緊湊的微波毫米波積木式功率分配合成網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
—種微波毫米波積木式功率分配合成器，包括第一波導(dǎo)、第二波導(dǎo)及放大器模塊，第一波導(dǎo)通過第一耦合縫隙耦合有第一過渡波導(dǎo)，第一過渡波導(dǎo)的一端與所述放大器模塊的一端連接，第二波導(dǎo)通過第二耦合縫隙耦合有第二過渡波導(dǎo)，第二過渡波導(dǎo)的一端與所述放大器模塊的另一端連接，所述第一波導(dǎo)一端為第一輸入端ロ，另一端為第一輸入短路面；第二波導(dǎo)ー端為第一輸出端ロ，另一端為第一輸出短路面；所述第一過渡波導(dǎo)、第ニ過渡波導(dǎo)的另一端分別為第一短路面、第二短路面。與目前現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)I、本發(fā)明的微波毫米波功率分配合成器(如圖4)，其結(jié)構(gòu)上由功率分配器、放大器模塊和功率合成器構(gòu)成；功率分配器與放大器模塊通過第一過渡波導(dǎo)14和第一輸入波導(dǎo)21相連,放大器模塊與功率合成器通過第一輸出波導(dǎo)26和第二過渡波導(dǎo)18相連；在機(jī)械上加工エ藝上分別制作功率分配器、放大器模塊和功率合成器，然后用儀器分別對(duì)功率分配器、放大器模塊和功率合成器的電氣性能進(jìn)行調(diào)測(cè)，根據(jù)調(diào)測(cè)結(jié)果把功率分配器、放大器模塊和功率合成器組裝成微波毫米波N-I型功率分配合成器。目前的常用功率分配合成網(wǎng)絡(luò)(波導(dǎo)微帶探針式如圖14，徑向空間功率分配合成網(wǎng)絡(luò))是ー個(gè)整體必須把所有的部件(包括分配器、放大器和合成器)組裝完畢才能進(jìn)行電氣性能的調(diào)測(cè)，技術(shù)缺陷描述如下A、微波毫米波波導(dǎo)微帶探針直接耦合功率分配合成網(wǎng)絡(luò)，如圖14所示。信號(hào)從波導(dǎo)輸入端直接饋入，信號(hào)通過基片耦合探針傳輸?shù)轿希谖惑w中安裝有源放大器，經(jīng)過放大的信號(hào)，基片耦合探針耦合到輸出波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)功率的合成，這種結(jié)構(gòu)是通過輸入波導(dǎo)、基片探針耦合和微帶實(shí)現(xiàn)信號(hào)功率的分配和合成；功率分配合成網(wǎng)絡(luò)要求每個(gè)支路具有等幅同相的特征，該結(jié)構(gòu)基片探針懸置在波導(dǎo)中，受目前現(xiàn)有加工技術(shù)精度的限制，很難實(shí)現(xiàn)多路基片探針安裝完全一致，必然會(huì)影響功率合成效率；在對(duì)該結(jié)構(gòu)的功率分配合成網(wǎng)絡(luò)調(diào)試的時(shí)候，必須把多路基片耦合探針全部安裝完畢，功率放大芯片安裝在微帶腔體中，這樣很難對(duì)每個(gè)腔體中的放大芯片進(jìn)行單路的調(diào)測(cè)，這樣一體結(jié)構(gòu)就給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了調(diào)試?yán)щy。B、徑向空間功率分配合成網(wǎng)絡(luò)在微波頻段有良好的性能，目前有學(xué)者采用同軸饋電，在進(jìn)行波導(dǎo)中激勵(lì)起TEM摸，在徑向波導(dǎo)中的TEM模具有等幅度同相位的特征，很適合進(jìn)行寬帶的功率合成，在徑向波導(dǎo)中的電磁波通過探針耦合出能量，再對(duì)耦合出的信號(hào)進(jìn)行功率放大芯片進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)在通過徑向波導(dǎo)進(jìn)行功率合成。有學(xué)者把徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)擴(kuò)展毫米波頻段，由于毫米波的波長(zhǎng)比微波短得多，因而，徑向波導(dǎo)的半徑急劇下降，自然就造成加工裝配困難，而且由于體積較小，増大了功率放大芯片的散熱難度。多路信號(hào)采用的是探針耦合結(jié)構(gòu)，在實(shí)際加工安裝中很難保證探針精度位置，尤其是在毫米波頻段，很容易造成多路信號(hào)的幅度或者相位不平衡，從而大大降低了信號(hào)的合成效率，而且，這種結(jié)構(gòu)需要被合成的各通道與合成網(wǎng)絡(luò)連接后統(tǒng)ー調(diào)試，各通道不能単獨(dú)調(diào)試。本發(fā)明提出的微波毫米波積木式功率分配合成器，采用波導(dǎo)通過耦合縫隙耦合波導(dǎo)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械加工簡(jiǎn)單，波導(dǎo)采用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)尺寸，在整體結(jié)構(gòu)分解為功率分配網(wǎng)絡(luò)，功率放大模塊，功率合成網(wǎng)絡(luò)；功率分配器包括第一波導(dǎo)12,第一稱合縫隙13,第一過渡波導(dǎo)14 ;放大器模塊主要包括第一輸入波導(dǎo)21，輸入過渡微帶探針22，微帶線23，微帶腔體24，輸出過渡微帶探針25和第一輸出波導(dǎo)26，微帶線23安裝在微帶腔體24內(nèi)，功率放大芯片安裝在微帶腔體24內(nèi)的介質(zhì)基片上，通過金絲與微帶線23相連接。功率分配網(wǎng)絡(luò)包括第二過渡波導(dǎo)18，第二耦合縫隙15，第二波導(dǎo)16 ;本發(fā)明的微波毫米波積木式功率分配合成器調(diào)測(cè)方法如下在測(cè)試功率分配器時(shí)，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀一端接第一波導(dǎo)1 2的第一輸入端ロ 11，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的另外一端接第一過渡波導(dǎo)14中的一根，第一過渡波導(dǎo)14的其它波導(dǎo)接匹配負(fù)載，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測(cè)試出S參數(shù)，這樣得出第一波導(dǎo)12到第一過渡波導(dǎo)14的幅度和相位，通過S參數(shù)，即可知分配網(wǎng)絡(luò)的幅度和相位特性，從而可知該分配網(wǎng)絡(luò)的性能特性；功率放大器模塊是ー個(gè)雙端ロ組件，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩個(gè)端ロ分別接其第一輸入波導(dǎo)11和第一輸出波導(dǎo)12,即可測(cè)試出第一放大器模塊的S參數(shù),得到放大器模塊的幅度相位特征，由于功率合成需要多個(gè)第一放大器模塊，而且要求每個(gè)模塊的幅度相位特征相同，可根據(jù)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行調(diào)試每個(gè)放大器模塊的幅相特性，使所需的第一放大器模塊特性基本一致；功率合成網(wǎng)絡(luò)與功率分配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)ー樣，測(cè)試方法相同。然后，再把分配網(wǎng)絡(luò)，合成網(wǎng)絡(luò)和放大器模塊按照?qǐng)D5安裝在一起，即可得到功率分配放大合成模塊。功率放大器単獨(dú)調(diào)試和放入合成網(wǎng)絡(luò)連接的都是矩形波導(dǎo)，因此方便単獨(dú)調(diào)試。且功率合成網(wǎng)絡(luò)各端ロ之間有較好的隔離度，単獨(dú)調(diào)試好后安裝進(jìn)合成網(wǎng)絡(luò)中性能不會(huì)因?yàn)楦魍ǖ乐g的互耦而發(fā)生變化。2、本發(fā)明微波毫米波功率分配合成器，能在坐標(biāo)系X，y, z軸三個(gè)方向進(jìn)行擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)KXMXN路功率合成，積木式組合以實(shí)現(xiàn)任意路數(shù)的合成；能在三維方向進(jìn)行擴(kuò)展充分利用立體空間，具有結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。圖4所示的功率分配放大合成基本模塊由4路構(gòu)成，4路功率分配放大合成排列在X方向，顯然可以根據(jù)需要在X軸設(shè)計(jì)出N路功率分配放大合成網(wǎng)絡(luò)；圖10所示的功率分配放大合成網(wǎng)絡(luò)由3個(gè)圖4所示的基本模塊在y方向排列構(gòu)成，可以根據(jù)需要在y軸方向設(shè)計(jì)出M個(gè)N路功率分配放大合成基本模塊；圖11、圖12、圖13所示的功率分配放大合成網(wǎng)絡(luò)由2個(gè)圖10所示的分配放大合成網(wǎng)絡(luò)在z方向排列構(gòu)成，可以根據(jù)需要在z軸方向設(shè)計(jì)出K個(gè)MX N路功率分配放大合成網(wǎng)絡(luò)。


圖I是2-1型功率分配合成網(wǎng)絡(luò)。圖2是N-I型功率分配合成網(wǎng)絡(luò)。圖3是微波毫米波積木式功率分配合成網(wǎng)絡(luò)示意圖。第一級(jí)功率分配器I，第二級(jí)功率分配器II，第三級(jí)功率分配器III，微帶放大器IV0
圖4是4路微波毫米波N-I型功率分配放大合成網(wǎng)絡(luò)模塊示意圖，第一輸入端ロ 11，第一波導(dǎo)12,第一稱合縫隙13,第一過渡波導(dǎo)14,第一輸入短路面15,第一輸出端ロ 16,第二波導(dǎo)17,第二 f禹合縫隙18,第二過渡波導(dǎo)19,第一輸出短路面110，第一短路面111，第二短路面112。圖5是放大器模塊示意圖，第一輸入波導(dǎo)21，輸入過渡微帶探針22，第一微帶線23，微帶腔體24，輸出過渡微帶探針25，第一輸出波導(dǎo)26，放大器芯片27，第二微帶線28。圖6是波導(dǎo)寬邊開耦合縫隙示意圖，a為波導(dǎo)寬邊邊長(zhǎng)，Θ為耦合縫隙與波導(dǎo)縱向夾角。
圖7是波導(dǎo)寬邊開耦合縫隙等效電路示意圖，R為耦合縫隙的等效電阻，X為耦合縫隙的等效電抗。圖8波導(dǎo)6路耦合縫隙示意圖，入g為波導(dǎo)波長(zhǎng)。圖9是波導(dǎo)6路耦合縫隙的等效電路示意圖。圖10是3X4路微波毫米波積木式功率分配放大合成網(wǎng)絡(luò)示意圖，第二輸入端ロ 31，第三波導(dǎo)32，第三耦合縫隙33，第二輸入短路面35，第二輸出端ロ 36，第四波導(dǎo)37，第四耦合縫隙38，第二輸出短路面310。圖11是2X3X4路微波毫米波積木式功率分配放大合成網(wǎng)絡(luò)正視圖，第三輸入端ロ 41，第五波導(dǎo)42，第五耦合縫隙43，第三輸入短路面45，第三輸出端ロ 46，第六波導(dǎo)47，第六耦合縫隙48，第三輸出短路面410。圖12是2X3X4路微波毫米波積木式功率分配放大合成網(wǎng)絡(luò)俯視圖。圖13是2X3X4路微波毫米波積木式功率分配放大合成網(wǎng)絡(luò)左視圖。圖14是微波毫米波波導(dǎo)微帶探針直接耦合功率分配合成網(wǎng)絡(luò)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施方案例I一種微波毫米波積木式功率分配合成網(wǎng)絡(luò)基本模塊如圖4示，包括功率分配器，功率放大模塊，功率合成器；功率分配網(wǎng)絡(luò)包括第一波導(dǎo)12，能量耦合縫隙13，第一過渡波導(dǎo)14 ;功率放大模塊主要包括信號(hào)輸入波導(dǎo)21，輸入耦合探針22，微帶23，微帶腔體24，輸出耦合探針25和信號(hào)輸出波導(dǎo)26，功率放大芯片可以安裝在微帶腔體24內(nèi)，采用金絲與微帶線23相連；功率分配網(wǎng)絡(luò)包括第二過渡波導(dǎo)19，能量第二耦合縫隙18，第二波導(dǎo)17 ;第一波導(dǎo)12和第二波導(dǎo)17采用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)尺寸。在測(cè)試功率分配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ー端接第一波導(dǎo)12的第一輸入端ロ 11，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的另外一端接第一過渡波導(dǎo)14中的一根，其它第一過渡波導(dǎo)14接匹配負(fù)載，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀就可以測(cè)試出S參數(shù)，這樣可得出第一波導(dǎo)12到第一過渡波導(dǎo)14的幅度和相位，通過比較每組的S參數(shù)，即可得知分配網(wǎng)絡(luò)的幅度和相位特性，從而可以得知該網(wǎng)絡(luò)的性能特性；放大器模塊是ー個(gè)雙端ロ組件，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接兩端的波導(dǎo)，即可測(cè)試出放大器模塊的S參數(shù)，得到放大器模塊的幅度相位特征，由于功率合成需要多個(gè)放大器模塊，而且要求每個(gè)模塊的幅度相位特征相同，那就可以根據(jù)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行調(diào)試每個(gè)放大器模塊的幅相特性，使所用到的放大器模塊特性基本一致；功率合成網(wǎng)絡(luò)與功率分配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)ー樣，測(cè)試方法相同。然后，再把分配網(wǎng)絡(luò)，合成網(wǎng)絡(luò)和放大器模塊按照?qǐng)D5安裝在一起，即可得到大功率信號(hào)輸出。功率放大器單獨(dú)調(diào)試和放入合成網(wǎng)絡(luò)連接的都是矩形波導(dǎo)，因此方便単獨(dú)調(diào)試。且功率合成網(wǎng)絡(luò)各端ロ之間有較好的隔離度，単獨(dú)調(diào)試 好后安裝進(jìn)合成網(wǎng)絡(luò)中性能不會(huì)因?yàn)楦魍ǖ乐g的互耦而發(fā)生變化。實(shí)施方案例2一種微波毫米波積木式功率分配合成網(wǎng)絡(luò)如圖10示，為3個(gè)圖4示4路功率分配放大合成基本模塊構(gòu)成的12路功率分配放大合成網(wǎng)絡(luò)；圖4中的第一波導(dǎo)12的信號(hào)輸入由第一輸入端ロ 11改為第三I禹合縫隙33饋電；第二波導(dǎo)17的信號(hào)輸出由第一輸出端ロ 16改為第四耦合縫隙38耦合輸出；圖10所示信號(hào)輸入從第二輸入端ロ 31進(jìn)入第三波導(dǎo)32，第三耦合縫隙33連接第三波導(dǎo)32和第一波導(dǎo)12，第三波導(dǎo)32中的信號(hào)通過第三耦合縫隙
33耦合到第一波導(dǎo)12 ;第ニ波導(dǎo)17中的信號(hào)通過第四耦合縫隙38耦合到第四波導(dǎo)37，第四波導(dǎo)37把3路從第四耦合縫隙38來(lái)的信號(hào)合成一路經(jīng)第二輸出端ロ 36輸出。實(shí)施方案例3一種微波毫米波積木式功率分配合成網(wǎng)絡(luò)如圖11、圖12、圖13示，為2個(gè)圖10示3X4路功率分配放大合成網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的24路功率分配放大合成網(wǎng)絡(luò)；圖10中的第三波導(dǎo)32的信號(hào)輸入由第二輸入端ロ 31改為第五f禹合縫隙43饋電；第四波導(dǎo)37的信號(hào)輸出由第二輸出端ロ 36改為第六f禹合縫隙48 f禹合輸出；圖11、圖12、圖13所不信號(hào)輸入從第三輸入端ロ 41進(jìn)入第五波導(dǎo)42，第五耦合縫隙43連接第五波導(dǎo)42和第三波導(dǎo)32，第五波導(dǎo)42中的信號(hào)通過第五耦合縫隙43耦合到第三波導(dǎo)32 ;第四波導(dǎo)37中的信號(hào)通過第六耦合縫隙48耦合到第六波導(dǎo)47，第六波導(dǎo)47把2路從第六耦合縫隙48來(lái)的信號(hào)合成一路經(jīng)第三輸出端ロ 46輸出。實(shí)施方案例4一種微波毫米波積木式功率分配合成器，包括第一波導(dǎo)12、第二波導(dǎo)17及放大器模塊113，第一波導(dǎo)12通過第一耦合縫隙13耦合有第一過渡波導(dǎo)14，第一過渡波導(dǎo)14的一端與所述放大器模塊113的一端連接，第二波導(dǎo)17通過第二耦合縫隙18耦合有第二過渡波導(dǎo)19，第二過渡波導(dǎo)19的一端與所述放大器模塊113的另一端連接，所述第一波導(dǎo)12第一波導(dǎo)12—端為第一輸入端ロ 11，另一端為第一輸入短路面15 ;第ニ波導(dǎo)17—端為第ー輸出端ロ 16,另一端為第一輸出短路面110 ;所述第一過渡波導(dǎo)14、第二過渡波導(dǎo)19的另一端分別為第一短路面111、第二短路面112。在本實(shí)施例中，所述放大器模塊113包括作為所述放大器模塊113 —端的第一輸入波導(dǎo)21、作為所述放大器模塊113另ー端的第一輸出波導(dǎo)26及微帶腔體24，在微帶腔體24內(nèi)設(shè)有放大器芯片27、輸入過渡微帶探針22及輸出過渡微帶探針25，輸入過渡微帶探針22的一端通過第一微帶線23與放大器芯片27的輸入端連接，輸出過渡微帶探針25的一端通過第二微帶線28與放大器芯片27的輸出端連接，所述輸入過渡微帶探針22的另一端延伸并插入第一輸入波導(dǎo)21，所述輸出過渡微帶探針25的另一端延伸并插入第一輸出波導(dǎo)26。在本實(shí)施例中,信號(hào)通過第一輸入端ロ 11進(jìn)入第一波導(dǎo)12，在第一波導(dǎo)12中通過第一耦合縫隙13把能量耦合到第一過渡波導(dǎo)14，在第一過渡波導(dǎo)14中的電磁波具有等幅同相的特征；第一過渡波導(dǎo)14中的電磁波傳輸?shù)降讴`輸入波導(dǎo)21通過輸入過渡微帶探針22耦合到第一微帶線23上，放大器芯片27對(duì)電磁波信號(hào)進(jìn)行功率放大，放大后的電磁波信號(hào)經(jīng)過第二微帶線28通過輸出過渡微帶探針25耦合到第一輸出波導(dǎo)26傳輸?shù)降诙^渡波導(dǎo)19中；在第二過渡波導(dǎo)19中具有等幅同相的電磁波信號(hào)通過第二耦合縫隙18耦合到第二波導(dǎo)17，在第二波導(dǎo)17中同相疊加合成一路通過第一輸出端ロ 16輸出。本發(fā)明以基本模塊(見圖4)的積木式組合(見圖10和圖11、圖12、圖13示)實(shí)現(xiàn)大功率信號(hào)輸出。積木式組合方式如圖3示，微波毫米波功率分配網(wǎng)絡(luò)假設(shè)由三級(jí)(也可以更多級(jí)或更少級(jí))功率分配器構(gòu)成，圖3中虛線I區(qū)為第一級(jí)功率分配，II區(qū)為第二級(jí)功率分配，III區(qū)為第三級(jí)功率分配；圖3中虛線IV區(qū) 為功率放大器模塊，功率合成網(wǎng)絡(luò)與功率分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相同，只是信號(hào)流向相反。第一耦合縫隙13切割第一波導(dǎo)12的縱向表面電流，從而在第一過渡波導(dǎo)14中激勵(lì)起電磁波；距離第一輸入短路面15最近的第一過渡波導(dǎo)14的中心與第一輸入短路面15的距離為二分之一個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)的奇數(shù)倍；相鄰第一耦合縫隙13的中心間距為二分之ー個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)的整數(shù)倍，當(dāng)相鄰第一耦合縫隙13的中心間距為信號(hào)二分之一個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，相鄰第一耦合縫隙13與第一波導(dǎo)12縱向夾角互補(bǔ)，當(dāng)相鄰第一耦合縫隙13的間距為二分之一個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)的偶數(shù)倍時(shí)，相鄰第一耦合縫隙13與第一波導(dǎo)32縱向夾角相同；第一耦合縫隙13中心與第一過渡波導(dǎo)14的第一短路面111的距離為二分之ー個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)的奇數(shù)倍；第二耦合縫隙18中心與第二過渡波導(dǎo)19的第二短路面112的距離為二分之一個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)的奇數(shù)倍；第二耦合縫隙18切割第二過渡波導(dǎo)19的縱向表面電流，從而在第二波導(dǎo)17中激勵(lì)起電磁波；距離第一輸出短路面110最近的第二過渡波導(dǎo)19的中心與第一輸出短路面110的距離為二分之ー個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)，第二耦合縫隙18的中心間距為信號(hào)二分之一個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)的整數(shù)倍，當(dāng)相鄰第二耦合縫隙18的中心間距為二分之一個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，相鄰第二耦合縫隙18與第二波導(dǎo)17縱向夾角互補(bǔ)，當(dāng)相鄰第二耦合縫隙18的中心間距為二分之一個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)的偶數(shù)倍時(shí)，相鄰第二耦合縫隙18與第二波導(dǎo)17縱向夾角相同。本實(shí)施例中的微波毫米波積木式功率分配合成網(wǎng)絡(luò)以I分為N功率分配結(jié)構(gòu)和N合為I功率合成結(jié)構(gòu)為積木式組合的基本模塊(屬于N-I型)，見圖2示。通過積木式組合，可以實(shí)現(xiàn)任意路數(shù)的合成，且網(wǎng)絡(luò)損耗比2-1型顯著降低。本實(shí)施例中的微波毫米波功率分配放大合成基本模塊以4路為例說明，如圖4示；圖4中的N-I型功率分配放大合成基本模塊包括功率分配器、放大器模塊113和功率合成器；由第一波導(dǎo)12,第一稱合縫隙13和第一過渡波導(dǎo)14構(gòu)成功率分配器；由第二過渡波導(dǎo)17，第二耦合縫隙18和第二波導(dǎo)19構(gòu)成功率合成器。第一波導(dǎo)12上設(shè)置第一輸入端ロ 11，另一端為第一輸入短路面15 ;第二波導(dǎo)17上設(shè)置第一輸出端ロ 16,另一端為第一輸出短路面110 ;第一輸入端ロ 11與標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)相連作為信號(hào)輸入接ロ，第一輸出端ロ 16與標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)相連作為信號(hào)輸出接ロ ；第一耦合縫隙13分別與第一波導(dǎo)12、第一過渡波導(dǎo)14相連接；第二耦合縫隙18分別與第二波導(dǎo)17、第二過渡波導(dǎo)19相連接；第一過渡波導(dǎo)14、第二過渡波導(dǎo)19上分別設(shè)置第一短路面111、第二短路面112 ;放大器模塊113如圖5,包括第一輸入波導(dǎo)21,輸入過渡微帶探針22,第一微帶線23，微帶腔體24，輸出過渡微帶探針25，第一輸出波導(dǎo)26，放大器芯片27和第二微帶線28 ;第一微帶線23、第二微帶線28都安裝在微帶腔體24內(nèi)，放大器芯片的輸入端、輸出端分別連接到第一微帶線23的一端、第二微帶線28的一端，放大器芯片對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行功率放大，輸入波導(dǎo)21與圖4中的過渡波導(dǎo)14連接，輸出波導(dǎo)26與圖4中的過渡波導(dǎo)19連接。圖4中的微波毫米波N-I型功率分配合成器主要設(shè)計(jì)步驟和參數(shù)關(guān)系說明如下I、在矩形波導(dǎo)的一個(gè)端口加載激勵(lì),另一端加載匹配負(fù)載或短路面，在波導(dǎo)表面設(shè)置縫隙切割傳導(dǎo)電流線，其傳導(dǎo)電流將產(chǎn)生不連續(xù)性，一部分繞過縫隙，另一部分以位移電流的方式沿原來(lái)的方向繼續(xù)流過縫隙，從而將能量輻射或耦合出去；功率分配合成采用波導(dǎo)寬邊開耦合斜縫，用于波導(dǎo)間的能量耦合，其示意如圖6，等效電路如圖7所示，等效阻抗Z = R+jX,當(dāng)耦合縫隙諧振時(shí)，虛部X為O。2、如圖8所不，以6個(gè)第一f禹合縫隙13為例,第一波導(dǎo)的第一輸入端口 11為激勵(lì)端，另一端為第一輸入短路面15，相鄰第一耦合縫隙13的間距及第一耦合縫隙13到第一輸入短路面15的距離均為λ/2的整數(shù)倍，其中Xg為波導(dǎo)波長(zhǎng)，此處取一倍即λ/2，為保持同相，相鄰第一耦合縫隙13與波導(dǎo)縱向夾角互補(bǔ)；6個(gè)第一耦合縫隙13的等效電路如圖9， 第一波導(dǎo)的第一輸入端口 11處的阻抗ζ = ，為達(dá)到阻抗匹配要求，則Z= I (Ζ為歸一
I
ψ ~y
Μβi ** amam
化阻抗)；第一耦合縫隙13的能量比按照等效阻抗比來(lái)確定，即f == Wi為
第i個(gè)耦合縫隙的耦合功率，Ptotal為波導(dǎo)第一輸入端11輸入的總功率，以此確定各縫隙等效電阻Zi。3、第一耦合縫隙13的長(zhǎng)度大小主要影響等效阻抗中的虛部X，第一耦合縫隙13和波導(dǎo)縱向夾角主要影響等效阻抗中的實(shí)部R ;根據(jù)需要確定輸出總功率，選擇單片集成芯片，總功率除以單片集成芯片的功率即得功分合成路數(shù)，根據(jù)功分合成路數(shù)即為第一耦合縫隙13的數(shù)量，調(diào)整耦合縫隙13的長(zhǎng)度和與波導(dǎo)縱向夾角滿足電磁波在波導(dǎo)中諧振，從而達(dá)到設(shè)計(jì)期望。4、前面步驟2、3主要分析的是功率分配器的設(shè)計(jì)，由于功率合成器與分配器物理結(jié)構(gòu)一致，而且具有互易特性，因此功率合成器的設(shè)計(jì)方法與分配器完全一樣。圖4所示的功率分配放大合成基本模塊為4路，根據(jù)上面設(shè)計(jì)步驟和參數(shù)關(guān)系分析，很容易在X軸方向擴(kuò)展設(shè)計(jì)出N路的功率分配放大合成基本模塊；由第一波導(dǎo)12，第一耦合縫隙13和第一過渡波導(dǎo)14構(gòu)成了圖3示意的第III級(jí)分配器。利用M個(gè)N路功率分配放大合成基本模塊可構(gòu)成MXN路功率分配放大合成網(wǎng)絡(luò)，M個(gè)N路功率分配放大合成基本模塊在y軸方向水平擴(kuò)展；圖10所示為3個(gè)圖4示4路功率分配放大合成基本模塊構(gòu)成的12路功率分配放大合成網(wǎng)絡(luò)(即為實(shí)施方案例2)。信號(hào)輸入從第二輸入端口 31進(jìn)入第三波導(dǎo)32，第三耦合縫隙33連接第三波導(dǎo)32和第一波導(dǎo)12，第三波導(dǎo)32中的電磁波通過第三耦合縫隙33耦合到第一波導(dǎo)12 ;第二波導(dǎo)17中的電磁波通過第四耦合縫隙38耦合到第四波導(dǎo)37，第四波導(dǎo)37把3路從第四耦合縫隙38來(lái)的電磁波合成一路經(jīng)第二輸出端口 36輸出；在第三波導(dǎo)32上設(shè)置第二輸入短路面35,在第四波導(dǎo)37上設(shè)置第二輸出短路面310 ；由第三波導(dǎo)32，第二輸入短路面35和第三耦合縫隙33構(gòu)成了圖3示意的第II級(jí)分配器，合成器與分配器結(jié)構(gòu)相同，設(shè)計(jì)方法與前面介紹的主要設(shè)計(jì)步驟和參數(shù)關(guān)系相同。利用K個(gè)MXN路功率分配放大合成網(wǎng)絡(luò)可構(gòu)成KXMXN路功率分配放大合成網(wǎng)絡(luò)，K個(gè)MXN路功率分配放大合成網(wǎng)絡(luò)在Z軸方向垂直擴(kuò)展；圖11、圖12、圖13所示為2個(gè)圖10所示3X4路功率分配放大合成網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的24路功率分配放大合成網(wǎng)絡(luò)(即為實(shí)施方案例3)。信號(hào)輸入從第三輸入端口 41進(jìn)入第五波導(dǎo)42,第五稱合縫隙43連接第五波導(dǎo)42和第三波導(dǎo)32，第五波導(dǎo)42中的信號(hào)通過第五耦合縫隙43耦合到第三波導(dǎo)32 ;第四波導(dǎo)37中的信號(hào)通過第六耦合縫隙48耦合到第六波導(dǎo)47，第六波導(dǎo)47把2路從第六耦合縫隙48來(lái)的信號(hào)合成一路經(jīng)第三輸出端口 46輸出；在第五波導(dǎo)42上設(shè)置第三輸入短路面45,在第六波導(dǎo)47上設(shè)置第三輸出短路面410 ;由第五波導(dǎo)42,第三輸入短路面45和第五耦合縫隙43構(gòu)成了圖3示意的第I級(jí)分配網(wǎng)絡(luò)，合成網(wǎng)絡(luò)與分配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相同，設(shè)計(jì)方法與前面介紹的主要設(shè)計(jì)步驟和參數(shù)關(guān)系相同。通過前面的分析和說明，采用波導(dǎo)耦合縫隙結(jié)構(gòu)的功率分配合成網(wǎng)絡(luò) ，可以在X，1，ζ軸三個(gè)方向進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)大功率信號(hào)的合成。
權(quán)利要求
1.一種微波毫米波積木式功率分配合成器，其特征在于，包括第一波導(dǎo)(12)、第二波導(dǎo)(17)及放大器模塊(113)，第一波導(dǎo)(12)通過第一耦合縫隙(13)耦合有第一過渡波導(dǎo)(14)，第一過渡波導(dǎo)(14)的一端與所述放大器模塊(113)的一端連接，第二波導(dǎo)(17)通過第二耦合縫隙(18)耦合有第二過渡波導(dǎo)(19)，第二過渡波導(dǎo)(19)的一端與所述放大器模塊(113)的另一端連接，所述第一波導(dǎo)(12)第一波導(dǎo)(12) —端為第一輸入端ロ(11)，另一端為第一輸入短路面(15);第ニ波導(dǎo)(17) —端為第一輸出端ロ(16),另一端為第一輸出短路面(110);所述第一過渡波導(dǎo)(14)、第二過渡波導(dǎo)(19)的另一端分別為第一短路面(111)、第二短路面(112)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微波毫米波積木式功率分配合成器，其特征在于，所述放大器模塊(113)包括作為所述放大器模塊(113) —端的第一輸入波導(dǎo)(21)、作為所述放大器模塊(113)另ー端的第一輸出波導(dǎo)(26)及微帶腔體(24)，在微帶腔體(24)內(nèi)設(shè)有放大器芯片(27)、輸入過渡微帶探針(22)及輸出過渡微帶探針(25)，輸入過渡微帶探針(22)的一端通過第一微帶線(23)與放大器芯片(27)的輸入端連接，輸出過渡微帶探針(25)的一端通過第二微帶線(28)與放大器芯片(27)的輸出端連接，所述輸入過渡微帶探針(22)的另一端延伸并插入第一輸入波導(dǎo)(21)，所述輸出過渡微帶探針(25)的另一端延伸并插入第一輸出波導(dǎo)(26)。
全文摘要
一種微波毫米波積木式功率分配合成器，包括第一波導(dǎo)、第二波導(dǎo)及放大器模塊，第一波導(dǎo)通過第一耦合縫隙耦合有第一過渡波導(dǎo)，第一過渡波導(dǎo)的一端與放大器模塊的一端連接，第二波導(dǎo)通過第二耦合縫隙耦合有第二過渡波導(dǎo)，第二過渡波導(dǎo)的一端與所述放大器模塊的另一端連接，第一波導(dǎo)一端為第一輸入端口，另一端為第一輸入短路面；第二波導(dǎo)一端為第一輸出端口，另一端為第一輸出短路面；第一過渡波導(dǎo)、第二過渡波導(dǎo)的另一端分別為第一短路面、第二短路面。利用該分配合成器可輸出高功率的微波毫米波信號(hào)，空間利用率高，結(jié)構(gòu)形狀規(guī)則、方便調(diào)試、以積木式組合實(shí)現(xiàn)任意路數(shù)的合成，克服了目前微波毫米波功率分配合成網(wǎng)絡(luò)調(diào)試?yán)щy、擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01P5/16GK102709661SQ20121017352
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月30日
發(fā)明者向博, 孟洪福, 李騰, 竇文斌 申請(qǐng)人:東南大學(xué)