一种微波毫米波空间功率合成放大器的设计方法

摘要

本发明公开了一种微波毫米波空间功率合成放大器的设计方法，该设计方法首先确定了功率合成放大器的组成部分：功率功分器、放大器和功率合成器，然后依据现有技术的特征和需要，重点介绍了功率功分器的设计方法。该功率功分器主要通过下述步骤实现：a.设计微带到基片集成波导的过渡段；b.设计基片集成波导到半模基片集成波导的过渡段；c.设计半模基片集成波导到微带的过渡段，从而形成多路功率功分器。在实现功率功分器的基础上，根据无源网络的可逆性，将功率功分器倒置过来即可作为功率合成器使用。与现有技术相比，本发明完全采用平面结构设计，具有合成效率高，热沉性能好，加工简单，成本低，成品率高等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种功率合成放大器的设计方法，具体地说，是涉及一种基片集成波导/半模基片集成波导的微波毫米波空间功率合成放大器的设计方法。

背景技术

在微波电子学领域内，半导体功率器件由于体积小、重量轻、寿命长、工作电压低而倍受重视，广泛用于雷达、电子战、军事通讯等设备中。单个器件的功率由于物理机理和制造工艺的限制，难以满足大功率军用电子系统的要求。为解决这一问题，人们研究了固态功率合成技术。

国际上自七十年代中期起相继开展了旨在提高微波毫米波固态功率源输出功率的研究，在提高固态振荡器输出功率的研究中，出现最早和最常用的是微波固态功率合成技术。微波固态功率合成技术通常有四种类型，即：利用半导体芯片串联或并联的芯片型功率合成技术；利用外谐振或非谐振电路的电路型功率合成技术；利用准光腔或自由空间波的空间型功率合成技术，以及利用以上技术的混合型功率合成技术。在这四种类型功率合成技术中，采用比较多的是电路谐振型单腔多器件功率合成技术。然而，这项技术随着合成器件量的增多、频率的升高，腔体空间将变得越来越小，各种不连续边界所产生的模式将变得越来越复杂，从而严重地影响功率合成器的工作稳定性、合成效率以及输出功率。因此，在毫米波波段若采用单腔多器件功率合成技术，其合成器件一般不多于4-6只。

空间功率合成技术是八十年代提出的一种微波毫米波功率合成方法，尽管这项技术的提出是在八十年代初，但它真正被人们所重视并加以广泛地研究却是在八十年代后期和九十年代。空间功率合成技术是当前微波、毫米波技术领域中最活跃和最有前途的研究课题之一，它与其它功率合成方法的最大不同之处是可以将合成空间设计成足够大，在微波、毫米波等波长很短的频率上实现多器件的功率合成。空间功率合成技术主要分为准光功率合成和自由空间波功率合成。近十年来研究较多的三种微波、毫米波空间功率合成技术分别为：(a)准光功率合成；(b)波导内功率合成；(c)自由空间波功率合成。准光功率合成技术采用透镜和偏振器控制合成区域中的电磁场，达到功率有效合成的目的。波导内功率合成是在波导中插入有源放大阵列，通过波导控制电磁场及波导内场的模式。而自由空间波功率合成则采用过模波导增大了波导横截面，可以实现更多放大单元的功率合成。自由空间波功率合成是准光功率合成的一种变形，与准光功率合成最大的不同之处在于：自由空间波功率合成是一种非谐振型功率合成，而准光功率合成则是一种谐振型功率合成。

由于微波毫米波通信系统不断朝着小型化、高集成度、全固态方向发展，这使得固态功率合成技术研究越来越成为当今世界的热点课题。纵观国内外研究现状，固态功率合成技术，特别是空间功率合成技术得到了迅速发展。

1981年Durkin M.F.首次提出了空间功率合成技术概念，并研究出了一个35GHz有源孔径。电路采用32个辐射元件，由4个注入锁定脉冲IMPATT振荡器激励，组成8毫米波段的有源阵列。在1983年，Wandinger L.和Nalbandian V.研究了应用准光学技术实现的毫米波功率合成电路。他们将两个InP Gunn振荡器应用Fabry-Perot球面谐振腔进行合成。他们所研究电路工作频率为60GHz，合成效率可达54％。1986年，Mink J.M.发表了关于采用固态毫米波源实现的准光学功率合成电路。他进一步发展了Fabry-Perot谐振腔的应用，他把位于谐振腔平面反射镜面上的电流元件阵列的源模型与Fabry-Perot谐振腔相结合，从平面源阵列提取功率给谐振腔的低阶或高阶模式。

1999年Hoft M.等人研究了一种准光功率合成器，它采用五单元阵列振荡器，在65GHz时合成效率达到了85％。

Caltech在2000年提出了一种栅格式准光功率合成电路，他采用512个晶体管做了一种栅格式准光功率合成电路，在37GHz时，输出功率5W，带宽为1.3GHz，功率合成效率为80％。

2004年Thore Magath研究了一种采用外部注入式锁定振荡的二维准光功率合成电路，它采用4X4个IMPATT振荡器阵列，在65GHz时，输出功率为1.3W，功率合成效率为70％。

最近，Rolf Judaschke设计了一种150GHz的准光功率合成振荡器，他通过一个周期性介质相位栅将五单元线形振荡阵列的近场转换为伪平面波，再通过两个反射镜转换为高斯波束，使其与双模接收天线的场的模型相匹配，从而实现功率合成。其振荡器工作于自由振荡和注入锁定振荡模式，当其工作于自由振荡模式时，合成功率为70mW，合成效率为66.5％；当其工作于注入锁定模式时，合成功率为83.5mW，合成效率为71.2％。

波导内空间功率合成技术是由A.Alexanian和R.A.York于1997年提出，当时在X波段采用基于规则矩形波导的2×4的MMIC功放阵列，实现了2.4W的连续波功率输出，合成效率达68％，并具有良好的工作带宽和增益，预示了良好的发展前景。此后，以UCSB(Universityof California at Santa Barbara)的R.A.York教授为代表的学者陆续进行了波导内空间功率合成技术的相关研究，相继提出了规则矩形波导、扩展尺寸矩形波导和扩展同轴线内空间功率合成等形式，并在X波段和K波段研制并实现有基于该类结构形式的空间功率合成系统。其中，1999年采用4×6的MMIC功放阵列实现了高达126W的连续波功率输出，工作频段8-11GHz。

1999年Nai-Shuo Cheng等人设计了一种宽带空间功率合成器，采用紧凑型鳍线阵列在波导内实现。8单元阵列在8-11GHz范围内实现了41W的功率输出，功率合成效率为73％。

1999年Rizwan Bashirullah设计了一种采用波导缝隙耦合的空间功率合成电路。在频率为10GHz时输出功率为14W，放大器增益为6.7dB，功率合成效率为88％，3dB工作带宽为5％。这项技术可以应用于毫米波频段。Channabasappa Eswarappa于2003年研究了一种小型化毫米波缝隙波导空间阵列功率合成器，采用四路器件合成，在28GHz时输出功率2W，合成效率为80％。

2003年Pengcheng Jia研究了一种采用过模同轴波导的功率合成器，波导到微带的转换采用鳍线结构实现，所有有源放大单元沿同轴波导径向排列，它具有宽带和高功率输出特性。它采用32个单元，其输出频率从6到14GHz，输出功率达44W，合成效率为75％。

2004年Mekki Belaid等人在波导功率合成中采用了模式转换技术，通过一个模式转换结构将TE10模转换为TE20，通过放大后，再将TE20模转换为TE10模输出。在Ku波段采用四路进行功率合成，得到输出功率为31dBm，合成效率达80％。同年，Xin Jiang等人在Ka频段采用行波法级联缝隙波导实现空间功率合成，进一步提高了工作带宽及合成效率。在32.2GHz时输出功率为33dBm，合成效率达80％。34GHz时信号增益为19.4dB，3dB带宽为3.2GHz。

纵观各种功率合成技术的电路特点，可以得出以下一些结论：

一、早期的功率合成技术研究重点在两个方面：封闭式腔体谐振型功率合成和非谐振型平面多级功率合成。其主要应用于微波频段，当频率升高时，特别是进入毫米波频段后，由于腔体较小，无法容纳较多有源器件限制了它的应用；对于非谐振型平面多级功率合成来说，高频时的传输线的损耗会大大降低其功率合成效率，也不适用于毫米波频段。

二、近期发展起来的空间功率合成技术是当前毫米波、亚毫米波技术领域的一个研究热点，与早期的功率合成技术相比，它具有不可替代的技术优越性。主要特性如下：

1.在准光式功率合成中利用了准光腔谐振频率只与准光腔腔距有关，而与准光腔腔面尺寸几乎无关这一特性，在满足准光腔稳定条件下，可将准光腔腔面设计成足够大，因而可在毫米波、亚毫米波等波长很短的频率上实现多器件的功率合成。其主要优点在于：可实现多器件功率合成；高频率、高合成效率，合成效率一般为70％-90％；采用开放式准光腔，其准光腔可抑制大部分高阶模式，实现单模输出，因而具有较好的工作稳定性。缺点在于：带宽窄，结构较复杂，加工不易，属三维立体结构，输出功率不够大。

2.空间自由波功率合成技术有利于实现众多器件的功率合成和与天线系统的一体化，使得毫米波发射系统更加小型化和轻量化。基于过模波导的空间功率合成技术的优点在于：它是采用非谐振型电路，具有宽带特性；结构紧凑，输出功率大；可实现多器件合成，功率合成效率一般大于＞80％；工作频率高，可工作在毫米波频段。其主要缺点在于：工作模式复杂，对于高阶模式抑制性较差；当合成路数增多时，存在着散热困难；属三维结构，随着频率增高，对机械加工的精度要求增加。

3.基于波导的空间功率合成系统具有体积小、结构简单、散热效果好、损耗低、合成效率高、带宽性能良好、易于系统集成能等优点。其主要缺点在于：属三维立体结构，加工复杂，成本较高；设计调试复杂，不适合大批量生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种微波毫米波空间功率合成放大器的设计方法，此方法所设计的功率合成放大器完全采用平面结构，具有合成效率高，热沉性能好，加工简单，成本低，成品率高等优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种微波毫米波空间功率合成放大器的设计方法，包括如下步骤：步骤一：设计功率功分器；步骤二：设计功率合成器；步骤三：利用步骤一设计的功率功分器将等幅同相位的输入信号分路，再将分路后的各路信号利用放大器分别放大，最后将多路功率使用功率合成器合为一路输出。

所述步骤一包括如下步骤：a.设计微带到基片集成波导的过渡段；b.设计基片集成波导到半模基片集成波导的过渡段；c.设计半模基片集成波导到微带的过渡段，最终形成功率功分器。

所述步骤a通过如下步骤实现：e.确定输入端的微带宽度，并以50欧姆作为输入端的微带宽度；f.确定输出端的微带宽度a，并通过下列公式确定：

$a=a^{,}-\frac{{4R}^2}{0.95W}$

其中a’为对应频段的矩形金属波导的宽度，R，w为形成基片集成波导的两侧金属通孔半径和相邻的两通孔间距，且满足条件：R＜0.1λ_g，W＜4R，R＜0.2a。

所述步骤b是通过在基片集成波导的宽边中心设置一个微带槽来实现的。

所述步骤b中，在基片集成波导到半模基片集成波导的过渡段内转角处设有接地通孔。

所述步骤c通过在半模基片集成波导的开放边过渡出多路微带线来实现。

所述步骤c中，在半模基片集成波导与微带线之间还设置高阻抗微带线。

所述步骤二中功率合成器是通过将步骤一中功率功分器的输入输出端倒置实现的。

所述步骤三中，功分后的各路功率通过相同型号的放大器进行放大。

所述功率功分器、放大器和功率合成器均为平面结构。

本发明的设计思想：对于如图1所示的基片集成波导(SIW)，当在其上传输TE10主模时，其最大电场平行于沿传播方向的中心平面上，而磁场则垂直于此中心平面，于是此平面可以看成一理想的磁壁。基于这种思想，当我们沿着这个平面剖开基片集成波导(SIW)时，由于较大的宽高比，分开的两部分场结构将基本保持不变，此即形成一种新的导波结构-半模基片集成波导(HMSIW)。在此新的导波结构中，一边用金属通孔接地，形成半封闭的导波结构，使之与传统的微带线相比，具有更低的辐射损耗；而在另一边，则为开放结构，称之为开放边，开放边的形成为过渡到传统的微带线提供了方便，故可以方便的形成微波多端口网络。基于这种思想，使多端口功率合成成为了可能。

以上述思想为设计方向，本发明提供了一种新型的基于基片集成波导/半模基片集成波导的微波毫米波空间功率合成器的设计方法，该微波毫米波空间功率合成放大器在结构上由功率功分器、放大器、功率合成器组成，此三种结构均为平面结构，并且在同一平面内形成。在这三种结构中，放大器使用现有技术中常见的放大器，因此最关键的技术在于功率功分器与功率合成器的设计，又由于无源网络的可逆性，功率功分器可倒置过来作为功率合成器使用，故以下重点描述功率功分器的设计，设计步骤如下：

步骤1设计适当尺寸的微带到基片集成波导(SIW)的过渡段。对于微带，因其输入端接标准的K型接头，故选择对应为50欧姆的微带宽度；而对于基片集成波导，其宽度a主要决定于TE10模的截止频率，可按照如下公式选择：

$a=a^{,}-\frac{{4R}^2}{0.95W}$

其中a’为对应频段的矩形金属波导的宽度，R，w为形成基片集成波导的两侧金属通孔半径和相邻的两通孔间距，但应注意这里满足以下条件R＜0.1λ_g，W＜4R，R＜0.2a。

步骤2在步骤1所得的微带到基片集成波导(SIW)过渡的基础上，设计适当尺寸的基片集成波导(SIW)到两路半模基片集成波导(HMSIW)的过渡段，使其形成为基片集成波导(SIW)到半模基片集成波导(HMSIW)的一分二功率分配器。为了实现SIW的主模(TE10模)到HMSIW的过渡，可以在SIW的宽边中心开一适当宽度Ws和长度Ls的微带槽，使SIW中的TF10模逐渐分裂成两个“半TE10”模，并引导其在HMSIW中传播。

步骤3在步骤1，2基础上设计半模基片集成波导(HMSIW)到微带的多端口过渡，使其最终形成为一个多路功率功分器。为了实现HMSIW中的“半TE10”模到微带中的准TEM模的过渡，在HMSIW的开放边过渡出多路微带，耦合出能量。由于半模基片集成波导的阻抗一般较高，而微带的阻抗较低，为了实现两者之间的阻抗匹配，应在HMSIW与微带之间增加适当长度Hc与宽度Wc的高阻抗微带线，从而增加匹配性能，减少HMSIW与各微带间的反射。

在得到功率功分器之后，利用无源网络的可逆性，将功率功分器反过来即可作为功率合成器使用。使用功率功分器把输入信号等幅度同相位地分路，并把功分后的每一路信号输入相同型号的放大器进行放大，最后再把放大后的功率通过功率合成器合成为一路输出，即实现了微波空间功率的合成。

本发明的实质是：通过基片集成波导(SIW)到半模基片集成波导(HMSIW)的过渡，半模基片集成波导(HMSIW)到微带的过渡，使输入的能量等分到各个微带输出端口，然后再把各路能量送入到相应的放大器进行放大，最后再把放大后的能量通过功率合成器来进行合成输出。

本发明的创新之处：

(1)第一次提出了基片集成波导(SIW)到半模基片集成波导(HMSIW)过渡方法。

(2)第一次提出了半模基片集成波导(HMSIW)到微带的过渡方法。

(3)第一次提出了运用半模基片集成波导(HMSIW)来完成功率合成的方法。

(4)提出了一种完全平面，低损耗，低成本，易制作，热沉性能好的毫米波功率合成方法。

本发明的有益效果是：

1.本发明提出的微波空间功率合成方法，与传统的矩形金属波导合成方法相比，具有更好的热沉，更低的成本。

2.本发明提出的微波空间功率合成方法，与传统的矩形金属波导合成方法相比属完全平面结构，具有更小的体积，更易于制作和大批量生产。

3.本发明提出的微波空间功率合成方法，与传统的微带线功率合成方法相比，在毫米波频段具有更低的损耗，更大的工作容量。

4.本发明提出的微波空间功率合成方法，其加工工艺均为现存的成熟技术，运用十分方便，有利于推广使用。

本发明主要运用于微波毫米波领域，属于一种微波毫米波固态源的大功率技术。

下面将通过说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明中基片集成波导的结构示意图。

图2为本发明中功率功分器/功率合成器的结构示意图。

图3为本发明所设计的功率合成放大器的结构示意图。

图4为本发明-实施例的场分布图。

图5为本发明-实施例的功率功分器输入端口到各输出端口功率分配仿真曲线图。

图6为本发明-实施例的功率功分器输入端口到各输出端口相位仿真曲线图。

图7为本发明中功率功分器背靠背连接测试图。

图8为本发明-实施例的功率合成放大器小信号性能测试图。

图9为本发明-实施例的功率合成放大器输出功率压缩曲线测试图。

附图中标号对应名称：1-功率功分器，2-放大器，3-功率合成器，4-微带槽，5-微带线，6-高阻抗微带线，7-接地通孔，8-基片集成波导到半模基片集成波导的过渡段，9-半模基片集成波导到微带的过渡段，10-半模基片集成波导。

具体实施方式

下面以一个33.5GHz-35.5GHz的毫米波空间功率合成放大器为例，对本发明进行详细说明，设计步骤如下：

一.基片集成波导板材选择

在基片集成波导功率合成放大器的设计中，波导板材的选取是个关键，这不仅是因为它是整个电路的载体，有源器件需要焊接在其上面，更重要的是输入输出的能量都是以类矩形金属波导的模式在其介质内传播，它直接影响着整个功率合成放大器的插入损耗，过渡尺寸大小，有源器件散热等关键参数。综合上述原因，本设计中选用厚度为0.254mm，介电常数为2.2的rogers5880作为制作基片集成波导的基片。rogers5880具有介质损耗低，导带金属与基板介质黏附力好等特点，比较适合作为毫米波段基片集成波导板材。

二.功率功分器/功率合成器设计，其具体结构如图2所示

(1)设计微带到基片集成波导的过渡段。在具体的设计过程中，首先应确定的是微带与基片集成波导的宽度。对于微带，因其输入端接标准的K型接头，故应选择对应为50欧姆的微带宽度；而对于基片集成波导，其宽度主要决定于TE10模的截止频率。根据现有技术中基片集成波导与金属波导TE10模的试验拟合关系，可得到基片集成波导的宽度a与对应矩形金属波导的宽度a’间的关系如下：

$a=a^{,}-\frac{{4R}^2}{0.95W}$

其中R＜0.1λ_g，W＜4R，R＜0.2a，这里R，w为形成基片集成波导的两侧金属通孔半径和相邻的两通孔间距。在本例的设计中，为了设计的方便，取a＝a’＝7.11mm，即取对应频段的金属波导宽度作为基片集成波导的宽度。在确定了微带宽度与基片集成波导的宽度之后，即可进行过渡段的设计。由于微带线的主模是准TEM模，而SIW的主模是TE10模，为了有效的实现它们间的模式匹配，使反射系数(S11)最小，当适当选择过渡段的长度Ht与宽度Wt。一般来说，过渡段长度Ht越大，越有利于输入端口驻波的减少，但太长的长度将引起过大的传输损耗与辐射损耗，为此综合考虑，过渡段长度应选择小于一个波导波长。

(2)设计基片集成波导到半模基片集成波导的过渡段8。在上述微带到SIW过渡设计完成之后，就可以进行SIW到两路HMSIW的过渡设计。由于SIW的主模是TE10模，HMSIW的主模是“半TE10”模，为了实现两者之间的模式匹配，在SIW的宽边中心设有一适当宽度Ws和长度Ls的微带槽4，使SIW中的TE10模逐渐分裂成两个“半TE10”模，并引导其在HMSIW中传播。在实际的设计中，为了防止半模基片集成波导开放边缘的场辐射，有效的减少回波损耗，改善匹配，增加工作带宽，还应如图2所示在基片集成波导到半模基片集成波导的过渡段8转角处切去一片适当半径Rt的微带和在内转角处适当位置(x，y)增加一适当半径Rp5的接地通孔7。

(3)设计半模基片集成波导到微带过渡段9。为了实现HMSIW中的“半TE10”模到微带中的准TEM模的过渡，可以如图2所示在HMSIW的开放边过渡出八路微带，耦合出能量。由于半模基片集成波导的阻抗一般较高，而微带的阻抗较低，为了实现两者之间的阻抗匹配，在半模基片集成波导10与微带线5之间增加适当长度Hc与宽度Wc的高阻抗微带线6，从而增加匹配性能，减少HMSIW与各微带间的反射。在实际的功率功分器/功率合成器设计中，为了提高合成效率，充分发挥每个放大器2的性能，使其同时达到功率饱和，不仅要求每个输出端口有一致的相位，而且也要求各输出端口有相等的信号幅度。为了达到各输出端口相等的信号幅度要求，可以在靠近各输出端口的位置放置一功率分配调谐拄，即接地通孔7，通过适当调整接地通孔7的位置(Lp，Hp)与半径Rp尺寸，可以在要求的频段内获得相等信号幅度。而为了获得各输出端口一致的相位，可以通过设置各输出端口的间距Lc1，Lc2，Lc3，Lc4，Lc5获得。综合步骤(1)、(2)、(3)所述，得到如图2所示的功率功分器/功率合成器。

为了在要求的频段获得好的输入端口驻波和好的输出端口幅度与相位，还必须在上述设计的基础上进行综合的仿真优化，借助商业电磁场仿真软件HFSS帮助，可得到具体的设计尺寸如表1所示。

  Wm  Hm  Ht  Wt  Wsim  W  Ws  Ls  dh  0.78  2  3  3.5  7.11  9.11  0.15  5  3  Wh  Wa  Lp1  Hp1  Rp1  Lp2  Hp2  Rp2  Lp3  3.9  1  4.4  2  0.4  6.8  1.9  0.4  6.8  Hp3  Rp3  Lp4  Hp4  Rp4  Lp5  Lc1  Wc1  Hc1  1.9  0.4  6.5  1.9  0.4  15.9  5.9  0.55  1.5  Lc2  Wc2  Hc2  Lc3  Wc3  Hc3  Lc4  Wc4  Hc4  6.8  0.5  1.5  6.8  0.45  1.5  6.5  0.4  1.5  Lc5  X  Y  Rxy  Rv  dp  Rt  Lm  14.4  3.5  2.2  0.4  0.3  0.8  10  5

表1

从图4中可以看出在HMSIW的开放边缘没有明显的场辐射发生。

从图5、图6中可以看出，本发明设计的功率合成放大器在33-35GHz频率范围内具有较好合成性能。

在实际的设计中，为了进一步验证功率合成器的性能，可以把上述功率合成器背靠背连接起来测试，图7为测试所得曲线，从上述曲线可以看出，除了在33.6GHz频率附近S11大于-12dB外，在33.2到35GHz的频带范围内S11小于-15dB，而S21大于-1.8dB。

三.放大器设计

为了进一步验证上述功率功分器1和功率合成器3在实际功率合成放大器中的性能，可以以小信号放大器为合成放大器单元，测试其合成效率。在本实施例中，放大器2单元选用angilen的宽带MMIC放大芯片AMMC504。AMMC504是一种具有内匹配的GaAs PHEMT中功率放大器。其在偏置电压Vd＝4.5V，Id＝300mA的情况下，单个MMIC放大芯片的Psat为23dBm，在放大器工作于30-38Ghz频段内时，输入回波为18-25dB，增益在21-22dB之间。

四.整个功率合成放大器设计

根据上述步骤二和步骤三的设计，把八个AMMC5040单片放大器插入到功率功分器和合成器的输入输出端口，并用键合金丝把其连接起来，即可形成一个如图3所示的八路基片集成波导功率合成放大器。

五.测试结果与分析

图8为本发明-实施例的功率合成放大器小信号性能测试图。从图中可以看出，功率合成放大器在33-35GHz范围内的增益介于20-21dB之间，其中在中心频率34GHz处具有最大增益为21dB。根据现有技术中对功率合成放大器效率的计算方法，可以知道在33-35GHz范围内合成效率最高为80％，最小为78％。

为了测试功率输出特性，对上述功率合成放大器的输出功率压缩曲线特性也做了测试，图9即为在频率为35GHz处的测试结果，从图中可以看出，功率合成放大器的饱和输出功率为31dBm。由于单个放大器的饱和输出功率为23dBm，上述8个放大器的输出功率应为32dbm，这说明在上述频率点处，合成放大器的合成效率达到了78％。