基于鳍线巴仑结构的波导内固态推挽放大功率合成器制造技术

本发明专利技术涉及基于鳍线巴仑（ｆｉｎｌｉｎｅ　ｂａｌｕｎ）结构的波导内固态推挽放大功率合成器，包括两个开口功率合成模块，在两开口模块之间拼装至少一个Ｈ形功率合成模块和一个部分波导块构成封闭的波导；每一个模块的若干对推挽ＭＭＩＣ直接焊装热沉上，若干鳍线巴仑结构的输入、输出渐变缝宽鳍线巴仑阵三维立体地分别设置在输入和输出波导段的电场方向上，采用渐变缝宽鳍线巴仑阵和以推挽方式工作的多对ＭＭＩＣ在封闭的波导内实现功率合成。其中每对ＭＭＩＣ以推挽方式工作在Ａ类、或Ｂ、或ＡＢ类状态下，在Ｂ类状态下电源效率理论可达７８．５％，实测达到５０～６５％，具有宽频带、高增益和理想线性，能够取代大功率电真空器件。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于微波和毫米波发射系统的大功率固态放大器技术，具体是基于鳍线巴仑结构的一种波导内固态推挽放大功率合成器。
技术介绍
目前固体器件的频率已扩展到数百GHz，即亚毫米波段。在微波和毫米波波段，单个固体器件的混合集成电路和单片微波毫米波集成电路(MMIC)已得到了广泛应用，低噪声和小功率的电真空器件(TWT & Klystron)已被全面取代。但在大功率宽频带方面，固体器件仍显不足，电真空器件仍据主导地位。然而，由于固体器件体积小、重量轻、低电压、高可靠、长寿命和易于大规模生产等优点，人们一直在大力发展大功率固体器件，并取得了巨大进展。与此同时，又发展了功率合成技术，即将多个固体功率器件的输出叠加起来，以得到数倍于单个器件的功率。目前广泛采用的功率合成技术有三大类，分别称为芯片级、电路级、空间级功率合成技术，在输出功率大大提高的同时频带宽度能够复盖整个波导带宽，与TWT相比毫不逊色，在最近的将来，国外市场上将出现微波毫米波固态功率放大器(SSPA)势必将取代大功率TWT的局面。(1)芯片级功率合成技术主要由器件设计制造者采用，它是后几种功率合成技术的基础。随着频率的提高，单个固体器件芯片的面积越来越小，限制了功率的进一步提高。由于器件设计制造者的不断努力，单片微波集成电路的功率输出越来越大，目前已达到相当高的水平，在各个波段几乎接近输出功率极限。(2)电路级功率合成放大器发展较为迅速，型式多样，应用较广泛，最常用的是二路合成，四路和八路合成的也有，微波电路较多采用平面电路。当采用的有源器件增加时，合成器的损耗增加，合成效率降低，加工制造愈复杂，要求也愈高。另外，大的带宽和高的效率难于兼得。以这种功率合成技术生产的SSPA可达到中等大小的功率输出，无论在功率电平还是带宽方面，都无法与大功率TWT等竞争。(3)空间功率合成放大器又分开放空间、半开放空间和封闭空间合成三种类型。开放空间功率合成主要用于相控阵雷达，半开放空间合成主要用于毫米波-光波波段。封闭空间功率合成是1997年发展出的功率合成新技术。它是一种三维立体结构，在波导内进行功率合成。现有的封闭空间功率合成器结构比较复杂，组装烦琐，散热效果不理想，直接影响功率合成器的功率和效率的提高。
技术实现思路
鉴于现有技术存在的上述不足，本专利技术提出一种建立在鳍线巴仑(finline balun)结构基础上的波导内固态推挽放大功率合成器，使微波和毫米波功率合成器能同时达到大功率、宽频带、高效率、高增益和优良的线性。本专利技术是这样实现的，它包括两个开口功率合成模块，在两开口功率合成模块之间拼装至少一个H形功率合成模块和一个部分波导块，所有的模块和部分波导块的相关面构成封闭的波导；每一个模块的若干对推挽连接的功放器件(MMIC)直接焊装在它的热沉上，所有模块的若干个具有鳍线巴仑结构的输入渐变缝宽鳍线巴仑阵基片三维立体地设置在输入波导段的电场方向上，每个输入渐变缝宽鳍线用于二次功率分配、阻抗变换和倒相，输入渐变缝宽鳍线巴仑阵与MMIC输入端之间连接微带阻抗变换器阵；所有模块的若干个具有鳍线巴仑结构的输出渐变缝宽鳍线巴仑阵基片三维立体地设置在输出波导段的电场方向上，每个输出渐变缝宽鳍线用于二次功率合成、阻抗变换和倒相，输出渐变缝宽鳍线巴仑阵与MMIC输出端之间连接微带阻抗变换器阵。本波导内固态推挽放大功率合成器为多个功率合成模块组合结构，采用鳍线巴仑结构的渐变缝宽鳍线巴仑阵和以推挽方式工作的多对MMIC在封闭的波导内实现功率合成，将具有二次功分或功合、阻抗变换和倒相三种功能集成一体的渐变缝宽鳍线巴仑阵三维立体地设置在波导E面；实现了大功率、宽频带、高效率、高增益和好的线性，能够取代大功率电真空器件，如行波管(TWT)和速调管(Klystron)。功耗大的大功率固态器件直接焊在与波导侧壁相连的热沉上，而波导侧壁被设计成散热片状，能有效地将固体器件消耗的功率耗散到周围空间中去。本功率合成器中每对MMIC以推挽方式工作在A类、或B、或AB类状态下，推挽放大器的输出没有偶次谐波，因而输入输出线性好。在B类状态下，电源效率在理论上可达到78.5％，实际可达到50～65％，已达到或优于高效率TWT。附图说明图1是本专利技术波导内MMIC推挽放大功率合成原理图；图2是其渐变缝宽鳍线巴仑阵基片在波导E面(电场方向)配置示意图； 图3是其氮化铝陶瓷、或氧化铝陶瓷、或TEFLON基片上单面或双面对趾渐变缝宽鳍线巴仑阵图；图4是其输入、输出渐变缝宽鳍线巴仑阵，微带阻抗变换器阵及推挽放大MMIC对配置示意图；图5是其微带阻抗变换器阵和MMIC直流偏置电路图；图6是其H形热沉结构图；图7是其H形功率合成模块结构图；图8是其开口热沉结构图；图9是其开口功率合成模块结构图；图10是其部分波导块；图11是其波导内MMIC对推挽放大功率合成器总装图。具体实施例方式本专利技术的结构和原理简图如图1、4所示，它包括两个开口功率合成模块，在两开口功率合成模块之间拼装至少一个H形功率合成模块和一个部分波导块，所有的模块和部分波导块的相关面构成封闭的波导；由在波导26的一个或多个E面(即电场方向)上并列放置多对(至少一对)微波或毫米波固体放大器件(MMIC)14，器件的输入端设有鳍线巴仑结构的输入渐变缝宽的鳍线天线巴仑阵16和微带阻抗变换器阵17，器件的输出端设有鳍线巴仑结构的输出渐变缝宽的鳍线天线巴仑阵16’和微带阻抗变换器阵17’，它们的基片12、12’、13、13’采用导热性能优良的氮化铝陶瓷、氧化铝陶瓷或者TEFLON材料制成。MMIC芯片14直接焊接在铜质或铝质热沉21和22上，热沉与波导侧壁连成一体，波导厚侧壁的外部则加工成片状作为散热器。固体器件MMIC的直流偏置电路用微带线制成，引线从波导侧壁隙缝引出。工作时，来自输入波导的电磁波总功率被无反射且等份地耦合到每一输入渐变缝宽鳍线隙缝中去，并沿鳍线缝隙传输，在与每一输入鳍线的输出端口缝隙两边连接的两条微带线上形成电场幅度相等但相位相反的一对电磁波，经由相应的微带阻抗变换器传输到相应的一对推挽固态功率放大器MMIC的输入端，得到功率放大，推挽放大器可根据效率要求设置在A类、AB类或B类工作状态。被功率放大后的每一对等幅反相电磁波信号再经由相应的输出微带阻抗变换器传输到相应的输出渐变缝宽鳍线的输入端口缝隙处，每对等幅反相的电磁波在其中一路电场相位倒相后与另一路相加合成，继续沿相应的输出渐变缝宽鳍线无反射地传输，辐射到输出波导空间，最终实现总的功率合成。假设每一个固体器件的最大功率输出为P瓦，如有N对固体器件MMIC用作为推挽放大器，在满足同相位等幅度条件时，合成功率输出将是Po＝η2NP，其η中是功率合成效率，最大潜在值为87％，且不受器件数量影响。由此式可见，N越大，Po则越大。本专利技术的特点之一是极易实现8对以上的功率合成。以目前单个内匹配MESFET器件的最大功率为例C波段，30W；X波段，10W；Ku波段，10W为例，按功率合成效率η＝80％计算，8对MMIC合成后则分别达到C波段，380W；X波段，130W；Ku波段，130W，与大功率TWT相比毫不逊色。由于鳍线的特性阻抗随频率的变化很小，在极宽的频带内易于实现阻本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于鳍线巴仑结构的波导内固态推挽放大功率合成器，其特征是包括两个开口功率合成模块，在两开口功率合成模块之间拼装至少一个Ｈ形功率合成模块和一个部分波导块，所有模块和部分波导块的相关面构成封闭的波导；每一个模块的若干对推挽工作的ＭＭＩＣ直接焊装在它的热沉上，所有模块的若干个输入渐变缝宽鳍线巴仑阵基片三维立体地设置在输入波导段的电场方向上，每个输入渐变缝宽鳍线用于二次功率分配、阻抗变换和倒相，输入渐变缝宽鳍线巴仑阵与ＭＭＩＣ输入端之间连接微带阻抗变换器阵；所有模块的若干个输出渐变缝宽鳍线巴仑阵基片三维立体地设置在输出波导段的电场方向上，每个输出渐变缝宽鳍线用于二次功率合成、阻抗变换和倒相，输出渐变缝宽鳍线巴仑阵与ＭＭＩＣ输出端之间连接微带阻抗变换器阵。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：姜遵富，
申请(专利权)人：深圳市利原宏通信技术有限公司，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]