Ｋａ波段多路波导空间功率合成放大器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种新型的多路（大于４路）Ｋａ波段波导空间功率合成放大器，该放大器是采用金属铜构成的托盘组合结构模块，包括一个底座、一个顶盖，两个中心托盘和两个两边托盘，所有结构组合后的相关面形成Ｋａ波段的矩形波导口；四片渐变鳍线卡分别置于中心托盘和两边托盘上，实现由波导到微带的阻抗变换和多路功率分配与合成，最后通过微带拐角结构使放大器置于波导空间之外，放大器芯片交错放置以便散热。与现有技术相比，本实用新型专利技术的功率合成可以突破尺寸限制，在更高频率的Ｋａ波段得以实现，具有宽频带、高效率、组合方便、散热性能好的优点。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及波导功率合成放大器，尤其涉及一种Ka波段多路波导空间功率 合成放大器。
技术介绍
空间功率合成放大器技术的研究起源于80年代末，近年来，随着微波和毫米波集 成电路和固态有源器件的发展，研究空前热烈。它主要研究的问题是如何在波导内部进行 毫米波频段空间功率合成放大。其应用前景十分广阔，可以广泛应用于导航以及民用电子 设备的毫米波频段大功率固态源上。传统的电路功率合成器在合成器件数量不是很多时有其优势，但随着合成器件增 多，无源匹配电路和合成电路将占据很大面积，相应的损耗也会变得很大。空间功率合成方法把有源元件与波导里的导波直接耦合，不像电路合成结构那样 通过平面传输线传输，故能提高射频效率。一个大的波导截面可以让很多器件在合成的单 级上集成。因为所有元件并行工作，所以损耗基本上和放大器的数量没关系。这些系统的 欧姆损耗很小，因为能量通过低损耗的波导在空间里直接分配和合成。空间功率合成放大阵列，除了电性能设计外，放大器模块的直流偏置、散热结构的 设计也是影响阵列性能的关键问题。因此，必须采用机电一体化设计，充分考虑各类因素的 影响。选取合适的结构，解决放大器的直流偏置和散热问题，以免放大器因为散热不佳导致 性能下降。传统的基于波导的空间功率合成有源阵列，通过波导壁控制电磁场和限定工作模 式。由于Ka波段的标准波导尺寸太小，难以同时安装多路功放，采用渐变波导，又会有多模 问题。在波导内安置多路功放同时也存在散热问题不好解决。于是，有学者提出一种Ka波 段矩形波导内4路(2X2)的空间功率合成器。它的工作频率在35GHz到40GHz，在能量传 输上，采用对极鳍线实现波导-微带的过渡，在结构上，对Ka波段标准矩形波导的波导宽边 进行两层剖分，从而实现波导内置两层过渡结构；其中每层鳍线上放置两个放大器，实现4 路合成，但该放大器芯片置于矩形波导内，散热性能不够理想。还有学者在此结构上进行改 进，提出一种Ka波段矩形波导内4路(2X2)的空间功率合成器，改进的地方是把每片鳍线 上的两个放大器芯片交错放置，以便散热。但这两种放大器的合成路数仅为4路，可输出的 最大功率受到放大器数目限制，输出功率有限。
技术实现思路
本技术的目的在于提出了一种Ka波段多路波导的空间功率合成放大器，该 放大器采用波导放大电路外置设计方案，把功放芯片放在波导外部实现，同时把同一基片 上的两个放大器芯片交错放置，以便散热。为实现本技术的目的采用的技术方案一种Ka波段多路波导空间功率合成 放大器，其特征是，由均采用金属制成的顶盖(1)、一片两边托盘(2)、一片中心托盘(3)、一片中心托盘(4)、一片两边托盘(5)、底座(6)从上到下组合而成，组合后的相关面形成Ka 波段的矩形波导口(18)；四片渐变鳍线卡(10)分别放置在中心托盘(3)、(4)和两边托盘 (2)、(5)上；组合时，中心托盘(4)朝上的一面为平面，朝下的一面设有方向与矩形波导口 (18)开设方向一致的凹槽(21)，及与凹槽(21)垂直相交的凹槽(22)，渐变鳍线卡(10)放 置在凹槽(21)和(22)内，渐变鳍线卡(10)接触两边托盘(5)的一面中，放置在凹槽(21) 的部分延伸出两条50欧姆微带线(16)，两条微带线(16)在凹槽(21)和(22)的相交处采 用微带拐角结构(17)使两条微带线(16)之间的垂直距离扩大，扩大后的两条微带线(16) 相互平行且方向平行于矩形波导口(18)开设的方向，两路放大器芯片(13)安装位置在凹 槽(21)和(22)相交处，分别连接在两条所述微带线(16)上且位置左右交错，放大器芯片 (13)的旁路电容(14)、(15)与放大器芯片(13)相连接并连接到设置位置在凹槽(22)中的 直流偏置馈线(12)上；所述渐变鳍线卡(10)靠近中心托盘(3)的一面中，对应于渐变鳍线 卡(10)另一面有微带线(16)的地方均设有作为微带线地板的金属层；所述两边托盘(5) 与放置在中心托盘(4)中的渐变鳍线卡(10)接触的一面在与凹槽(21)对应的位置上设有 用于压住渐变鳍线卡(10)的凸边(23)，与底座(6)接触的一面结构与中心托盘(4)朝下的 一面相同，鳍线卡(10)放置的位置也相同；所述底座(6)朝上的一面开设有与凹槽(22)位 置对应的凹槽(20)，在与凹槽(21)对应的位置上设有用于压住鳍线卡的凸边(19)；中心托 盘⑶和⑷结构相同，两边托盘⑵和(5)结构相同，顶盖⑴和底座(6)结构相同，组 合时中心托盘(3)和(4)、两边托盘⑵和(5)、顶盖⑴和底座(6)的安装的方向相反。更具体的说，所述顶盖(1)、一片两边托盘(2)、一片中心托盘(3)、一片中心托盘 (4)、一片两边托盘(5)、底座(6)均由铜制成且均设有相应的螺孔(7)和销钉孔(8)，螺钉 通过螺孔(7)和销钉孔(8)将顶盖(1)、一片两边托盘(2)、一片中心托盘(3)、一片中心托 盘(4)、一片两边托盘(5)、底座(6)组合固定。所述渐变鳍线卡(10)是指用印刷电路板的方法在双面覆铜的罗杰斯5880基片上 制作的渐变鳍线卡(10)。所述渐变鳍线卡(10)设有用于安装的边框(18)，所述边框(18)在靠近波导口 (18)的两端设有密集过孔阵列。在边框(18)的介质板上添加密集过孔阵列，以模拟金属波 导壁，用于抑制装槽深度可能会带来的影响。所述旁路电容(14)采用lOOOOpF的电容，旁路电容(15)采用IOOpF的电容。所述放大器芯片(13)采用Triquint公司的TGA4516的放大器芯片。所述放大器中所有导体材料的表面均设有镀银层。这样可将毫米波波导的电损耗 减至最少的限度。本技术的主要工作原理是作为工作在毫米波段的空间功率合成放大器，要 求合成的效率尽量高。这里主要体现在阻抗匹配技术上面。在此，把波导口的能量转换为 微带线上的能量，实现阻抗匹配的实用方法是采用渐变鳍线阵列。鳍线的特性阻抗随频率 变化很小，在极宽的频带内易于实现阻抗匹配，渐变鳍线的形状按余弦平方过渡的最优函 数变化，在所需带宽内实现始端波导阻抗和终端鳍线阻抗间的匹配，使得波导输入口的反 射系数最小，从而提高合成的效率。微带拐角技术可以实现电路在空间上的延升，保证芯片 可以置于波导外部。由此会不可避免带来反射，降低电路的匹配性能。但通过微带拐角的 设计和优化，可以将反射控制在可以接受的技术指标之内。散热技术体现在芯片错位放置的方案上面。芯片本身是发热源，所以把同一片电路上的两个放大器芯片对角错开，可以方 便散热。与现有的技术相比，本技术具有如下优点1.传统的波导内多路(大于4路)固态功率合成器只能在波导尺寸较大的C到 Ku波段内实现，而本技术通过采用将放大芯片置于波导外部的方法，可以突破Ka波段 波导尺寸小的瓶颈，实现符合性能要求的Ka波段多路空间功率合成放大器；2.本技术把放大芯片错位放置，可以分散热源，改善散热效果；3、本技术可实现8路Ka波段波导空间功率合成，且结构紧凑、频带宽、效率 尚ο附图说明图Ia是本技术组合时的整体结构示意图；图Ib是本技术顶盖拉开时的整体结构示意图；图2是本技术的底座组合时朝上的一面的结构示意图；图3a是本技术的中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ｋａ波段多路波导空间功率合成放大器，其特征是，由均采用金属制成的顶盖（１）、一片第一两边托盘（２）、一片第一中心托盘（３）、一片第二中心托盘（４）、一片第二两边托盘（５）、底座（６）从上到下组合而成，组合后的相关面形成Ｋａ波段的矩形波导口（１８）；四片渐变鳍线卡（１０）分别放置在第一中心托盘（３）、第二中心托盘（４）和第一两边托盘（２）、第二两边托盘（５）上；组合时，第二中心托盘（４）朝上的一面为平面，朝下的一面设有方向与矩形波导口（１８）开设方向一致的第一凹槽（２１），及与第一凹槽（２１）垂直相交的第二凹槽（２２），渐变鳍线卡（１０）放置在第一凹槽（２１）和第二凹槽（２２）内，渐变鳍线卡（１０）接触第二两边托盘（５）的一面中，放置在第一凹槽（２１）的部分延伸出两条５０欧姆微带线（１６），两条微带线（１６）在第一凹槽（２１）和第二凹槽（２２）的相交处采用微带拐角结构（１７）使两条微带线（１６）之间的垂直距离扩大，扩大后的两条微带线（１６）相互平行且方向平行于矩形波导口（１８）开设的方向，两路放大器芯片（１３）安装位置在第一凹槽（２１）和第二凹槽（２２）相交处，分别连接在两条所述微带线（１６）上且位置左右交错，放大器芯片（１３）的第一旁路电容（１４）、第二旁路电容（１５）与放大器芯片（１３）相连接并连接到设置位置在第二凹槽（２２）中的直流偏置馈线（１２）上；所述渐变鳍线卡（１０）靠近第一中心托盘（３）的一面中，对应于渐变鳍线卡（１０）另一面有微带线（１６）的地方均设有作为微带线地板的金属层；所述第二两边托盘（５）与放置在第二中心托盘（４）中的渐变鳍线卡（１０）接触的一面在与第一凹槽（２１）对应的位置上设有用于压住渐变鳍线卡（１０）的凸边（２３），与底座（６）接触的一面结构与第二中心托盘（４）朝下的一面相同，鳍线卡（１０）放置的位置也相同；所述底座（６）朝上的一面开设有与第二凹槽（２２）位置对应的第三凹槽（２０），在与第一凹槽（２１）对应的位置上设有用于压住鳍线卡的凸边（１９）；第一中心托盘（３）和第二中心托盘（４）结构相同，第一两边托盘（２）和第二两边托盘（５）结构相同，顶盖（１）和底座（６）结构相同，组合时第一中心托盘（３）和第二中心托盘（４）、第一两边托盘（２）和第二两边托盘（５）、顶盖（１）和底座（６）的安装的方向相反。...

【技术特征摘要】
一种Ka波段多路波导空间功率合成放大器，其特征是，由均采用金属制成的顶盖(1)、一片第一两边托盘(2)、一片第一中心托盘(3)、一片第二中心托盘(4)、一片第二两边托盘(5)、底座(6)从上到下组合而成，组合后的相关面形成Ka波段的矩形波导口(18)；四片渐变鳍线卡(10)分别放置在第一中心托盘(3)、第二中心托盘(4)和第一两边托盘(2)、第二两边托盘(5)上；组合时，第二中心托盘(4)朝上的一面为平面，朝下的一面设有方向与矩形波导口(18)开设方向一致的第一凹槽(21)，及与第一凹槽(21)垂直相交的第二凹槽(22)，渐变鳍线卡(10)放置在第一凹槽(21)和第二凹槽(22)内，渐变鳍线卡(10)接触第二两边托盘(5)的一面中，放置在第一凹槽(21)的部分延伸出两条50欧姆微带线(16)，两条微带线(16)在第一凹槽(21)和第二凹槽(22)的相交处采用微带拐角结构(17)使两条微带线(16)之间的垂直距离扩大，扩大后的两条微带线(16)相互平行且方向平行于矩形波导口(18)开设的方向，两路放大器芯片(13)安装位置在第一凹槽(21)和第二凹槽(22)相交处，分别连接在两条所述微带线(16)上且位置左右交错，放大器芯片(13)的第一旁路电容(14)、第二旁路电容(15)与放大器芯片(13)相连接并连接到设置位置在第二凹槽(22)中的直流偏置馈线(12)上；所述渐变鳍线卡(10)靠近第一中心托盘(3)的一面中，对应于渐变鳍线卡(10)另一面有微带线(16)的地方均设有作为微带线地板的金属层；所述第二两边托盘(5)与放置在第二中心托盘(4)中的渐变鳍线卡(10)接触的一面在与第一凹槽(21)对应的位置上设有用于压住渐变鳍线卡(10)的凸边(23)，与底座(6)接触的一面结构与第二中心托盘(4)朝下的一面相同，鳍线卡(10)放置的位置也相同；所述底座(6)...

【专利技术属性】
技术研发人员：褚庆昕，吕盛奇，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：实用新型
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