一种基于基片集成波导的Ka波段功率合成器

摘要

一种基于基片集成波导的Ka波段功率合成器，属于微波/毫米波器件技术领域。包括输入信号功分结构和功率合成输出结构。所述输入信号功分结构包括第一级Y型微带线2等分功分器和第二级半模基片集成波导2等分功分器，两个半模基片集成波导2等分功分器背靠背设置并向两外侧输出。所述功率合成输出结构包括两个半模基片集成波导功率合成器和一个半模-全模基片集成波导功率合成器。整个功率合成器结构呈中心线对称；两个半模基片集成波导功率合成器形成对两个半模基片集成波导2等分功分器的半包围结构，使得功率合成输出结构与输入信号功分结构形成嵌入式结合，实现结构上的紧缩。本发明具有尺寸小、性能优良、成本低、重量轻、易于移植和便于集成的特点。

说明书

技术领域

本发明属于微波/毫米波器件技术领域，涉及一种Ka波段功率合成器，尤其是基于基片 集成波导的紧缩型功率合成器。

背景技术

毫米波功率合成放大器作为毫米波系统中的常用器件以及提高毫米波固态电路输出功率 的基本技术，一直得到国内外学者的热切关注与研究。它通过组合若干个相干单元，或者通 过叠加多个分离电路功率的方法，获得更大的输出功率。其主要采用金属波导和平面微带电 路形式，传统金属波导结构差损低、Q值高，但它造价高、重量高；而微带结构虽然重量轻， 且为平面结构，但它的差损大，限制了它们在实际中的应用。

基片集成波导是近十多年来出现在微波毫米波领域内的一种具有插入损耗小、辐射低、 功率容量高等优点的集成于介质基片中的新型导波结构。它通过成排的金属通孔在双面覆盖 金属层的低损耗介质基片上形成等效的矩形波导导波系统，进而获得与填充介质的金属矩形 波导相似的传播特性。基片集成波导可以有效地实现无源器件和有源器件与电路的共面集成， 在加工成本方面与传统的波导形式微波毫米波器件相比具有明显的优势；在频率较高的频段 内，优势更加突出，非常适合微波毫米波电路的高集成设计与批量生产。

为了进一步减小尺寸，提高集成度，最近又提出了一种改进结构——半模基片集成波导 (Half Mode Substrate Integrated Waveguide，SIW)。利用基片集成波导工作在主模状态时其 纵向中心对称面可等效为磁壁的特性，在结构上可以沿中线分割成对等的两个半模导波结构， 也就是半模基片集成波导。新结构在尺寸上较原有的基片集成波导减小约50％，同时保持了 基片集成波导的优良性能。

国内外学者对基于SIW的功率合成放大器做了很多研究：2003年，Simon Germain等人 在Ka波段设计实现了Y型及T型SIW二等分功率分配器，其中Y型功分器在25.2％相对带 宽内获得小于-18dB的反射损耗，而T型功分器则在10.2％带宽内获得了小于-19dB的反射损 耗。2005年，R G Bosisio等人提出了一种新型小型化的SIW六路功分器设计，22～26GHz 频段内实现了反射系数小于-20dB。在Ka波段，2008年8月，金海燕等人结合全模和半摸基 片集成波导，设计出了33.5～35.5GHz频段内反射小于-10dB，在34.3GHz达到最小差损2.1dB 的8路功率合成放大器(如图1所示，详见：金海燕，“A Novel Spatial Power Combiner Based on  SIW and HMSIW”IEEE MTT-S IMWS，2008年12月)。但金海燕等人设计的结构，功分器采用 360度功分，并且在合成时支路信号差为两个360度，只能在特定频点能达到这要求，所以 反射带宽较小、尺寸较大、差损也不够小。

发明内容

本发明提供一种基于基片集成波导的Ka波段功率合成器，在性能上具备插损小、反射 带宽大的同时，具有尺寸小、重量轻、造价低等特性。

本发明技术方案如下：

一种基于基片集成波导的Ka波段功率合成器，包括输入信号功分结构A和功率合成输 出结构B。

所述输入信号功分结构A为微带-半模基片集成波导混合电路结构，包括两级功分结构： 第一级功分结构为Y型微带线2等分功分器A1，第二级功分结构为两个半模基片集成波导2 等分功分器A3。所述Y型微带线2等分功分器A1的两个输出支路分别通过渐变微带线A2 连接至两个半模基片集成波导2等分功分器A3的输入端，两个半模基片集成波导2等分功 分器A3背靠背设置并向两外侧输出。

所述功率合成输出结构B为半模-全模基片集成波导结构，包括两个半模基片集成波导 功率合成器B1和一个半模-全模基片集成波导功率合成器B2；所述两个半模基片集成波导 功率合成器B1的输出端分别与所述半模-全模基片集成波导功率合成器B2的两个输入端连 接，所述半模-全模基片集成波导功率合成器B2的输出端再通过梯形微带过渡线B3过渡到 输出微带线。

所述半模基片集成波导2等分180度功分器A3的两个输出端分别通过各自放大器与所 述半模基片集成波导功率合成器B1的两个输入端相连。整个功率合成器结构呈中心线对称； 所述功率合成输出结构B的两个半模基片集成波导功率合成器B1形成对两个半模基片集成 波导2等分功分器A3的半包围结构，使得所述功率合成输出结构B与所述输入信号功分结 构A形成嵌入式结合，实现结构上的紧缩。

上述技术方案中，

1、所述Y型微带线2等分功分器A1的输入微带线特性阻抗为50欧姆，两个输出支路 微带线特性阻抗为100欧姆；所述输出微带线的特性阻抗为50欧姆。

2、所述半模基片集成波导2等分功分器A3中两个输出端的之间的距离与所述半模基片 集成波导功率合成器B1中两个输入端的之间的距离相等，以保证所述半模基片集成波导功 率合成器B1的两路输入信号合成后相差为零，从而获得最大的功率输出。

3、所述半模基片集成波导2等分功分器A3中，在靠近两个输出端的电壁附近具有两个 金属化调节孔，以尽量保证所述半模基片集成波导2等分功分器A3的两路输出信号幅度相 等。

4、所述半模基片集成波导功率合成器B1中，在靠近两个输入端的电壁附近具有两个金 属化调节孔，以尽量保证所述半模基片集成波导2等分功分器A3输出的两路等幅固定相差 的信号经放大器放大后在所述半模基片集成波导功率合成器B1中合成相差为零的一路信号。

5、所述半模基片集成波导功率合成器B1中，在靠近合成输出端的电壁附近设置有三个 金属化感性通孔以提高功率合成效率并降低回波损耗。

本发明工作过程可以描述如下：

Y型微带线2等分功分器A1将输入信号等幅同相功分成上、下两路信号，上、下两路 信号再分别由两个半模基片集成波导2等分功分器A3等幅功分成两路等幅固定相差的两路 信号，共计四路信号S1、S2、S3与S4。其中S1与S3等幅同相，S2与S4等幅同相；S1 与S2之间的相差等于S3与S4之间的相差。S1与S2分别经各自放大器放大后进入上边的半 模基片集成波导功率合成器B1，S3与S4分别经各自放大器放大后进入下边的半模基片集成 波导功率合成器B1。由于半模基片集成波导2等分功分器A3中两个输出端的之间的距离与 半模基片集成波导功率合成器B1中两个输入端的之间的距离相等，使得半模基片集成波导 功率合成器B1的两路输入信号等幅同相合成。上、下两个半模基片集成波导功率合成器B1 得到的两路等幅同相合成的信号最后经全模基片集成波导功率合成器B2合成后输出。

需要特别说明的是，半模基片集成波导2等分功分器A3中两个输出端的之间的距离与 半模基片集成波导功率合成器B1中两个输入端的之间的距离可根据实际工作波段设计成四 分之一波长、半波长或四分之三波长，在保证同相合成输出的情况下尽量减少整个器件的尺 寸和路径损耗。

本发明与现有的技术相比，具有以下优点：

(1)本发明具有尺寸小的优势。输出合成器采用半包围形式，可以与输入功分器形成嵌 入式紧缩型结构，并在不影响性能的前提下，能够有效的减小电路的尺寸。

(2)本发明具有性能上的优势。本发明主要采用基片集成波导结构，相比微带结构差损 小，功率容量高。由于其紧凑的中心线对称结构，使得其合成的信号通过的路径相同，很好 的提高了功率合成效率。

(3)本发明具有成本低的优势。本发明电路基片集成波导与微带电路相结合的平面电路 形式，采用现在非常成熟的PCB工艺，使得此电路制作成本低，便于在实际工程中的应用与 推广。

(4)本发明具有重量轻的优势。采用基片集成波导结构，此结构为平面电路，相对于金 属波导结构可以有效的减小重量。

(5)本发明中电路属于平面电路，具有移植方便及便于系统集成的特点。

附图说明

图1是现有的一种半模-全模基片集成波导结构功率合成放大器结构示意图。

图2是图1所示功率合成放大器的S参数幅度测试结果。其中，S₁₁代表反射，S₂₁代表 差损。

图3是本发明提供的基于基片集成波导的Ka波段功率合成器结构示意图。

图4是本发明提供的基于基片集成波导的Ka波段功率合成器的S参数幅度测试结果。 其中，S₁₁代表反射，S₂₁代表差损。

具体实施方式

本发明的Ka波段基于基片集成波导的紧缩型功率合成器结构框图如图3所示。其具体 实施方式如下：

1)Y型微带线2等分功分器A1的设计，由于实际测试和绝大多数相关电路采用50欧 姆接口，输入微带阻抗采用50欧姆(Ka波段50欧姆微带线宽0.78mm)，为了实现阻抗匹配， 并联输出微带阻抗为100欧姆(Ka波段100欧姆微带线宽0.21mm)。

2)Y型微带线2等分功分器A1与半模基片集成波导2等分功分器A3之间的过渐变微 带线A2采用梯形过渡，经HFSS仿真优化，梯形过渡上底和下底分别为0.21mm和1.4mm； 全模基片集成波导与输出微带线之间的梯形微带过渡线B3上底和下底分别为0.78mm和 3.2mm。

3)半模基片集成波导2等分功分器A3的设计，先根据半模基片集成波导高次模的抑制 条件，选择其宽度为3.6mm，再固定输出相差为180度，调节两个输出端口之间的距离为半 个波导波长(3.3mm)，并调节输出端的电壁附近的两个金属化调节孔使其等幅功分输出。

4)半模基片集成波导功率合成器B1与半模基片集成波导2等分功分器A3采用等参数 设计。

5)半模-全模基片集成波导功率合成器B2的设计，同样考虑高次模的抑制，选择其宽 度为7.1mm，半模-全模过渡采用T型结构，并用两侧和中间的3个感性通孔改善输出合成效 率并降低回波损耗。

本发明实际加工测试数据如图4所示，反射-10dB带宽为5.2GHz(32.8GHz-38GHz)，差 损在33.2GHz-37.8GHz内小于3dB，在34.8GHz差损达到最小为2.0dB。