基于鳍线巴仑结构的波导内固态推挽放大功率合成器 【技术领域】
本发明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。
背景技术
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地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。
【发明内容】
鉴于现有技术存在的上述不足，本发明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。
本发明是这样实现的，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是本发明波导内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。
【具体实施方式】
本发明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。
本发明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抗匹配，功率合成器的带宽仅受限于波导本身和固体器件，因此本功率合成器具有与波导相同的宽带宽，如在X波段用32个MMIC已经达到输出功率P＝150W，带宽Δf＝4GHz的水平，完全能与TWT相比美。
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。
渐变缝宽鳍线巴仑阵(The taper slot finline balun array)在波导E面横向的设置如图2所示，输入、输出渐变缝宽的鳍线巴仑阵16设置在基片12上，各模块多个基片12被平行地放置在波导26的E面，相互间保持适当距离，且所有的输入、输出渐变缝宽鳍线窄缝端端口的金属带线均不接地。基片数最少为一片，其上至少有一个渐变缝宽鳍线，基片数可多达5～6片，每片上可设置1～5个渐变缝宽鳍线，如果5个基片，每个基片上4个渐变缝宽鳍线，则将构成20个渐变缝宽鳍线巴仑的阵列，实现20对(即40个)MMIC推挽放大器的功率合成。由于波导内E面电场在横向(H面)呈正弦分布，即电场是不均匀的，为使耦合到每一片渐变鳍线中去的功率相等，基片在波导E面的位置要仔细考虑和设计。
渐变缝宽鳍线巴仑阵在波导E面纵向结构见图3A、3B。在输入、输出渐变缝宽鳍线巴仑阵的基片上，其渐变缝宽鳍线巴仑阵可单面设置(图3A)，也可双面对趾设置(图3B)。单面或双面对趾渐变缝宽鳍线16的长度L1在0.5～1导波波长之间，渐变缝宽鳍线窄缝端端口带线皆不接地，端口的特性阻抗应设计在100～150欧姆范围内，渐变缝宽鳍线的形状应使特性阻抗按最优函数变化，在所需带宽内实现始端波导阻抗和渐变缝宽鳍线终端阻抗间的匹配，使其入口处的反射系数最小。输入渐变缝宽鳍线巴仑阵和输出渐变缝宽鳍线巴仑阵是对称的。
渐变缝宽鳍线巴仑阵16做在导热特性优良的氮化铝陶瓷或氧化铝陶瓷或TEFLON基片12上，基片厚度为0.25～0.5mm。渐变缝宽鳍线巴仑阵16是在基片金属化后用光刻方法制成电路，最后镀金形成约3～4微米厚的薄膜。
参照图4、图7和图9，从总体上看渐变缝宽鳍线巴仑阵分输入、输出两组，输入渐变缝宽鳍线巴仑阵位于MMIC14输入端，输出渐变缝宽鳍线巴仑阵位于MMIC14输出端，两者在结构上是对称的，其作用亦大致相同，一为与输入和输出波导内电磁场耦合，并且作为功率分配器和功率合成器，二为阻抗变换，三是在MMIC14输入端的每一渐变缝宽鳍线的输出端口再次将微波信号分配成功率相等的二路并使其中一路倒相，而在MMIC14输出端的每一渐变缝宽鳍线的输入端口，将传来的等幅反相的二路微波信号中的一路倒相后进行功率合成。
输入渐变缝宽鳍线将功分器、阻抗变换器和巴仑(balun)的三种作用集于一身，用于二次功率分配、阻抗变换和倒相。输出渐变缝宽鳍线用于二次功率合成、阻抗变换和倒相。这种设计对渐变缝宽鳍线的输出或输入阻抗要求放宽，并使微带阻抗变换器的负担大大下降。
微带阻抗变换器阵如图4、图5所示。微带阻抗变换器阵有17、17’两组，一组位于MMIC14输入端和输入渐变缝宽鳍线巴仑阵16之间并与其连接，另一组位于MMIC14输出端和输出渐变缝宽鳍线巴仑阵16’之间并与其连接，两者在结构上是对称的，起的作用相同，即实现MMIC14输入、输出阻抗(皆为50欧)与渐变缝宽鳍线巴仑阵间的阻抗匹配。
微带阻抗变换器阵制作在基片13、13’上，基片是氮化铝、或氧化铝陶瓷、或TEFLON基片，采用单级或多级1/4波长阻抗变换形式，根据带宽、最小反射系数和插入损耗以及输入输出端连接的阻抗数值，选取最平坦、等波纹或椭圆变换函数，计算出微带阻抗变换器电路尺寸。当然也可采用渐变形式的微带线变换器，它们被安装在热沉21和22上。为减小它们占用的面积，其几何形状可制成曲折线形式。其上还印制有用于MMIC14电源引线的微带线19，微带线19与中间的两个MMIC14通过空气桥20连接(见图5)。电路的制造方法与渐变缝宽鳍线阵相同。输入、输出微带阻抗变换器阵17和直流偏置微带线19可分别做在三块基片上，亦可做在一块基片上，根据需要灵活设计。
其H形功率合成模块参照图7、图6。图6为H形热沉21，H形热沉21用来安装MMIC14，输入、输出微带阻抗变换器阵基片13和输入、输出渐变缝宽鳍线巴仑阵基片12、12’。H形热沉21厚度由并列的渐变缝宽鳍线巴仑阵基片数和MMIC14最大功率输出经热学设计确定，保证足够大的热容量和导热截面。尺寸b1与波导窄面b相同，H内侧面在总装后将成为波导内表面的一部分，尺寸L2由MMIC14和二个微带阻抗变换器17尺寸而定。在H形热沉向上的一面与内侧面相交的棱处加工成L形，以便嵌装输入、输出渐变缝宽鳍线巴仑阵基片。MMIC14被焊装在H的中横隔向上一面的浅槽内，相互间保持适当间隔，最外边的MMIC14可焊装到加厚了的波导侧壁部分向上的表面浅槽内。H形热沉是用铜材或铝材制成的，H形热沉外壁均设置片状散热器。
图7所示H形功率合成模块包括：H形热沉21，H形热沉的中横隔上间隔焊装若干对MMIC，在MMIC对的输入侧装有输入渐变缝宽鳍线巴仑阵基片12、输入微带阻抗变换器阵基片13，在MMIC对的输出侧装有输出微带阻抗变换器阵基片13、输出渐变缝宽鳍线巴仑阵基片12’和直流偏置微带电路一个部件。
其开口功率合成模块参照图9、图8。图8为开口热沉22，开口热沉22用来安装MMIC14，输入、输出微带阻抗变换器阵基片13、13’和输入、输出渐变缝宽鳍线巴仑阵基片12、12’。开口热沉22实际上是三个侧壁加厚了的部分波导，中间部分有横隔。由于此横隔与波导的三个侧面相连，热容量大，热传导横截面大，热阻小，热特性好，特别适合单片MMIC功率较大时采用。开口热沉是用铜材或铝材制成的，开口热沉的外壁均设置片状散热器。该热沉结构的其它部分与前一种热沉相同。
图9所示开口功率合成模块含开口热沉22，开口热沉中间设有与波导三侧壁相连接的横隔，横隔上间隔焊装若干对MMIC，在MMIC对的输入侧装有输入渐变缝宽鳍线巴仑阵基片12和输入微带阻抗变换器阵基片13，在MMIC的的输出侧装有输出微带阻抗变换器阵、输出渐变缝宽鳍线巴仑阵基片12’和直流偏置微带电路的一个部件。
图10是其部分波导块23的结构图。部分波导块23呈H形，其两侧可设置散热片，其内侧面是总装后完整波导内侧面的一部分，其上的横隔使上下微波电路隔开，避免相互间产生耦合。
图11为一个典型实例的功率合成器整体结构图。包括两个开口功率合成模块22，在两开口功率合成模块22之间拼装一个H形功率合成模块21和一个部分波导块23，就构成一个完整的波导内大功率固态推挽放大功率合成器，所有的模块和部分波导块的相关面构成封闭的波导。其中四个定位销25保证前述部件构成的波导两个宽的内表面分别在一个平面上，功率合成器用螺母24紧固，使波导内表面的隙缝最小。在实际设计中，根据功率的要求可以配置多个H形功率合成模块21。
功率合成器的输入输出结构分三种：波导入---波导出，同轴入---同轴出，同轴入---波导出或波导入---同轴出，这只要在功率合成器的输入或输出波导处加接波导---同轴转换器即可。
铝质片状散热器安装在侧壁适当加厚的波导外侧四周，它们之间填充有导热胶，也可将加厚的波导侧壁加工成散热片状(见图6、图8和图10)，以加大与空气的接触面积，铝质散热片经过发黑处理，加大热辐射效率，提高散热效果。
在上述功率合成器中使用的MMIC是无包装外壳的集成电路芯片，具有50欧姆的输入和输出阻抗，它们直接焊装在开口热沉之横隔的浅槽内和H形热沉之中横隔的浅槽内。功率合成器中的MMIC对以推挽方式工作的，在B类工作状态时，电源效率将达到50～65％的高数值。采用高效率大功率PHEMT微波毫米波固体器件，即使在A类工作状态功率合成器的电源效率亦可以达到35～60％。
目前MMIC的增益已达到18dB，可在功率合成器的输入端再接入一个18dB的MMIC小功率放大器，则很容易使整个放大器的增益达到36dB。
直流偏置电路见图5所示，直流偏置电路19用微带线制成，一头从波导侧壁两边隙缝引出(见图11)与直流电源连接，另一头与每个MMIC14的加压电极或直接连接(外侧MMIC)，或通过空气桥20连接。