一种W波段高功率集成化合成倍频源

摘要

一种W波段高功率集成化合成倍频源，输入信号为Ku波段，经过有源二倍频，产生Ka波段信号，然后经过一个Ka波段巴伦实现等幅反相功率分配，分配后的两路信号分别经过Ka波段功率放大，驱动各自支路的W波段无源三倍频器，所产生的W波段信号分别放大后进行功率合成输出。本发明采用功率合成倍频的方式提高输出功率，并通过在W波段功率合成部分增加机械调节机构实现功率合成的幅相平衡性调节，减小两合成支路间不平衡性对输出功率的影响，提高合成效率。同时在Ka巴伦部分采用电磁EBG结构实现腔体谐振抑制，增加腔体间隔离。最终实现覆盖75～110GHz全W波段的稳定集成化高功率输出倍频源。

说明书

技术领域

本发明涉及一种W波段高功率集成合成倍频源，能够用于各种毫米波亚毫 米波电子及测量系统中，属于微波毫米波技术领域。

背景技术

W波段是指频率范围覆盖75-110GHz的电磁频段，该频段蕴含丰富的频 谱资源，广泛应用于雷达成像、电子对抗、通信、环境监测、气象预报等众多 领域。W波段频谱资源的开发利用，最关键的技术之一就是固态信号源。目前， W固态信号源的实现主要有两种方式，一种是固态振荡源，另一种是固态倍频 源。相比于振荡源，倍频源在可靠性、调谐带宽、相位噪声等方面更具优势， 因此，在实际应用中使用更为广泛。随着应用需求对小型轻量要求不断提高， 提出并实现高输出功率的小型集成固态倍频源成为必然趋势，实现高输出功率 的同时做到小型集成高可靠，可以广泛用于各种毫米波应用系统中。

在固态倍频源的所有技术参数中，调谐带宽及输出功率是最主要的两大指 标，也是实现的难点所在。W波段因为频率较高、电尺寸小，对电路设计及器 件微组装都具有较高的要求。当频率较低时，微波信号源已经是十分成熟的技 术，基于商用MMIC芯片可以很容易地获得足够的功率和带宽，因此采用倍频 链方式实现毫米波倍频源是一种常用的方法。当采用倍频链方式实现W频段倍 频源时，固态器件(如倍频二极管)的功率容量限制了倍频源的功率输出，而 采用基于功率合成倍频的方式实现W波段集成化固态倍频源设计，可以在不改 变器件和倍频效率的条件下，使得功率容量倍增，是实现毫米波倍频源的一种 有效的手段。同时为了实现小型集成，国内外均针对集成化功率合成倍频源开 展了较多的研究。

采用功率合成倍频方式实现W波段集成化倍频源时，主要会存在两个问 题：输出信号覆盖整个75-110GHz波段，两路合成通道上宽带电路的匹配特 性以及器件参数特性在整个频段内很难保持一致，在一些频点上的不平衡偏差 会影响末级功率合成时的合成效率，从而影响功率输出。同时，为了实现小型 紧凑而采用单腔体全集成方式时，腔体内部的电磁信号串扰、高次波导模及腔 体谐振会影响倍频源的整体输出功率性能，使得功率平坦度特性较差。目前已 有的W波段固态源，大多采用独立封装、独立模块组合的形式，也就是将子系 统中的每一个器件或功能组件都独立封装于各自的腔体中，然后将所有的腔体 进行级联。这种结构形式可以降低研制风险，但存在成本高、尺寸较大，使用 不便的缺点。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种W波段 高功率集成化合成倍频源。采用具有机械调节和电磁EBG隔离的功率合成 倍频源结构，所有功能电路封装在一整块腔体中，实现了W全波段范围内 的稳定平坦高功率输出，同时实现了小型集成、可靠稳定。

本发明的技术解决方案是：一种W波段高功率集成化合成倍频源，包括 输入同轴连接器(1)、Ka波段有源二倍频器(2)、隔离电阻(3)、EBG隔 离膜片(4、6、18、20)、Ka波段巴伦(5、19)、第一Ka波段功率放大器 (7)，第二Ka波段功率放大器(17)、第一金丝键合线(8)，第二金丝键 合线(16)、第一W波段无源三倍频器(9)、第二W波段无源三倍频器(15)、 第一W波段功率放大器(10)，第二W波段功率放大器(14)、W波段功率 合成器(12)、第一W波段功率合成器机械调节机构(11)，第二W波段功 率合成器机械调节机构(13)；

Ka波段有源二倍频器(2)、隔离电阻(3)、EBG隔离膜片(4、6、18、 20)、Ka波段巴伦(5、19)、第一Ka波段功率放大器(7)，第二Ka波段 功率放大器(17)、第一金丝键合线(8)，第二金丝键合线(16)、第一W 波段无源三倍频器(9)、第二W波段无源三倍频器(15)、第一W波段功率 放大器(10)，第二W波段功率放大器(14)位于一个中空腔体内；中空腔 体设有一个入口和两个出口，中空腔体的入口位于Ka波段有源二倍频器(2) 处，中空腔体的出口位于第一W波段无源三倍频器(9)和第二W波段无源三 倍频器(15)的输出处；

隔离电阻(3)的两端连接在Ka波段巴伦(5、19)的两个输出通道之间；

第一W波段功率放大器(10)和第二W波段功率放大器(14)的输出通 过微带探针输入至W波段功率合成器(12)；

EBG隔离膜片(4，6，18，20)位于Ka波段宽带巴伦(5，19)所在腔 体的入口和出口处；

第一W波段功率合成器机械调节机构(11)和第二W波段功率合成器机 械调节机构(13)位于W波段功率合成器(12)中；

Ka波段有源二倍频器(2)接收经过输入同轴连接器(1)输入的Ku波段 信号，对该Ku波段信号进行有源二倍频后转换至Ka波段，得到二倍频后的 Ka波段信号，送至Ka波段宽带巴伦(5，19)；

Ka波段宽带巴伦(5，19)将该二倍频后的Ka波段信号进行等幅反相的 功率分配，得到分配后的两路Ka波段信号，分别送至第一Ka波段功率放大器 (7)和第二Ka波段功率放大器(17)；

第一Ka波段功率放大器(7)对分配后的第一路Ka波段信号进行功率放 大，功率放大后的第一路Ka波段信号通过第一金丝键合线(8)送至第一W 波段无源三倍频器(9)，对该第一路功率放大后的Ka波段信号进行无源三倍 频至W波段，得到第一路W波段信号；第一W波段功率放大器(10)对第一 路W波段信号进行功率放大后，通过微带探针送至W波段功率合成器(12)；

第二Ka波段功率放大器(17)对分配后的第二路Ka波段信号进行功率放 大，功率放大后的第二路Ka波段信号通过第二金丝键合线(16)送至第二W 波段无源三倍频器(15)，对该第二路功率放大后的Ka波段信号进行无源三 倍频至W波段，得到第二路W波段信号；第二W波段功率放大器(14)对第 二路W波段信号进行功率放大后，通过微带探针送至W波段功率合成器(12)；

W波段功率合成器(12)将功率放大后的第一路W波段信号和功率放大 后的第二路W波段信号进行合成输出；

EBG隔离膜片(4，6)、Ka波段巴伦(5)、第一Ka波段功率放大器(7)， 第一金丝键合线(8)、第一W波段无源三倍频器(9)、第一W波段功率放 大器(10)构成一个倍频通道；

EBG隔离膜片(18、20)、Ka波段巴伦(19)、第二Ka波段功率放大 器(17)、第二金丝键合线(16)、第二W波段无源三倍频器(15)、第二 W波段功率放大器(14)构成另一个倍频通道；

第一W波段功率合成器机械调节机构(11)、第二W波段功率合成器机 械调节机构(13)分别对两个倍频通道内传输的功率放大后的第一路W波段信 号和功率放大后的第二路W波段信号进行幅度相位补偿，使功率放大后的第一 路W波段信号和功率放大后的第二路W波段信号等幅反向；

EBG隔离膜片(4，6，18，20)对Ka波段巴伦所在腔体的寄生谐振进行 抑制，以抑制电磁串扰。

W波段功率合成器(12)包括上波导件(26)，下波导件(23)；

第一W波段功率合成器机械调节机构(11)，包括：短路滑块(22)、 调节螺钉(21)、锁止螺钉(27)；

第二W波段功率合成器机械调节机构(13)，包括：短路滑块(24)、 调节螺钉(25)、锁止螺钉(28)；

在上波导件(26)设置圆腔，圆腔底部设置沉孔螺孔，直通波导腔内，用 于固定锁止螺钉(27，28)，锁止螺钉(27，28)为沉头螺钉，伸入上波导件 (26)设置的圆腔内；

短路滑块(22，24)为与W波段功率合成器(12)的腔体材质相同的长 方体块；

短路滑块(22，24)的一端分别伸入W波段功率合成器(12)的两个输 入波导通道内，在波导腔内滑动，短路滑块(22，24)的另一端中心位置处各 加工一个螺孔，用于固定调节螺钉(21，25)，调节螺钉(21，25)包括：圆 柱形金属杆、金属杆一端的螺纹段和金属杆另一端的一字槽圆柱头；；

将调节螺钉(21，25)分别与短路滑块(22，24)通过螺孔旋紧固定于波 导腔内，保证两路微带探针距短路滑块的短路面，即短路滑块(22，24)距离 探针最近的面，距离相等，将锁止螺钉(27，28)从上波导件(26)圆腔的螺 孔旋入，将左右短路滑块(22，24)压紧固定在波导腔内。

完成倍频源初始调试后，在需要的频点上调节倍频源的输出功率时，松开 锁止螺钉(27，28)，拖动调节螺钉(21，25)在一定自由行程内移动短路滑 块(22，23)的位置，从而改变功率合成两路输入探针的短路面的位置，短路 面即短路滑块(22，24)距离探针最近的面，使输出功率最大时，旋紧锁止螺 钉(27，28)以压紧固定短路滑块(22，24)，最后旋去调节螺钉(21，25)。

电磁带隙结构EBG膜片(4，6，18，20)包括多个均匀排列的金属贴片， 并使用金属化过孔连接，形成周期性谐振结构，每个EBG膜片(4，6，18， 20)下方中心位置预留矩形槽，保证膜片与微带电路不接触，不影响微带线的 正常传输。

所述EBG隔离膜片(4，6，18，20)由微带基片制作，安装于Ka波段 宽带巴伦(5，19)所在腔体的输入输出部分，与巴伦(5，19)所在腔体的输 入输出口平行，通过EBG的禁带特性抑制空间波导模传播，实现对腔体谐振 的抑制，提高相邻腔体间隔离。

所述W波段功率合成器机械调节机构(11，13)位于W波段功率合成器 (12)的两个输入波导内，通过改变W波段功率合成器(12)的两路微带探 针的短路面，短路面即短路滑块(22，24)距离探针最近的面，自由调节两路 输入电抗加载，实现两路幅度相位平衡性调节，提高合成效率。

所述W波段功率合成器(12)及W波段功率合成器机械调节机构(11， 13)为波导结构

Ka波段有源二倍频器(2)、隔离电阻(3)、EBG隔离膜片(4、6、18、 20)、Ka波段巴伦(5、19)、第一Ka波段功率放大器(7)，第二Ka波段 功率放大器(17)、第一金丝键合线(8)，第二金丝键合线(16)、第一W 波段无源三倍频器(9)、第二W波段无源三倍频器(15)、第一W波段功率 放大器(10)，第二W波段功率放大器(14)为微带结构。

所述输入同轴连接器(1)为2.92mm同轴连接器，所述W波段功率合成 器(12)输出接口为WR-10标准波导。

所述隔离电阻(3)为100欧姆贴片电阻。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明采用机械调节机构对末级W波段功率合成器进行机械调节， 通过对两合成通道间的幅度相位平衡性进行调节，对两路倍频通道的不一致性 进行补偿，使其工作于接近理想状态的等幅反相输入合成，可以有效地提高合 成效率，提高整个倍频源的输出功率。

(2)本发明采用电磁EBG结构形式的隔离膜片，通过利用EBG结构的电 磁带隙特性，阻断Ka波段巴伦部分所在腔体中空间波导模的传输，实现腔体 谐振的抑制，同时提高各倍频级之间的隔离，可以有效地改善输出功率平坦度， 避免宽带输出时的功率凹点现象。

(3)本发明采用功率合成倍频方式，有效提高了倍频源功率容量，使得倍 频源具有更高的输出功率。

(4)本发明采用单腔体内全集成化功率合成倍频方式，所有的功能电路全 部集成在一整块腔体中，有效减小了倍频源体积和重量，具有小型紧凑高可靠 的优点。

附图说明

图1为本发明W波段高功率集成化合成倍频源整体电路结构图；

图2为本发明中W波段功率合成器机械调节机构剖面示意图；

图3为本发明中W波段功率合成器机械调节机构整体安装示意图；

图4为本发明中单个电磁EBG隔离膜片安装截面侧视图；

图5为本发明中单个电磁EBG隔离膜片安装截面俯视图；

图6为本发明W波段高功率集成化合成倍频源输出功率测试结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述：

如图1所示，一种W波段高功率集成化合成倍频源，包括输入同轴连接器 (1)、Ka波段有源二倍频器(2)、隔离电阻(3)、EBG隔离膜片(4、6、 18、20)、Ka波段巴伦(5、19)、第一Ka波段功率放大器(7)，第二Ka 波段功率放大器(17)、第一金丝键合线(8)，第二金丝键合线(16)、第 一W波段无源三倍频器(9)、第二W波段无源三倍频器(15)、第一W波 段功率放大器(10)，第二W波段功率放大器(14)、W波段功率合成器(12)、 第一W波段功率合成器机械调节机构(11)，第二W波段功率合成器机械调 节机构(13)；

Ka波段有源二倍频器(2)、隔离电阻(3)、EBG隔离膜片(4、6、18、 20)、Ka波段巴伦(5、19)、第一Ka波段功率放大器(7)，第二Ka波段 功率放大器(17)、第一金丝键合线(8)，第二金丝键合线(16)、第一W 波段无源三倍频器(9)、第二W波段无源三倍频器(15)、第一W波段功率 放大器(10)，第二W波段功率放大器(14)位于一个中空腔体内；中空腔 体设有一个入口和两个出口，中空腔体的入口位于Ka波段有源二倍频器(2) 处，中空腔体的出口位于第一W波段无源三倍频器(9)和第二W波段无源三 倍频器(15)的输出处；

隔离电阻(3)为100欧姆贴片电阻，两端连接在Ka波段巴伦(5、19) 的两个输出通道之间；

第一W波段功率放大器(10)和第二W波段功率放大器(14)的输出通 过微带探针输入至W波段功率合成器(12)；

EBG隔离膜片(4，6，18，20)位于Ka波段宽带巴伦(5，19)所在腔 体的入口和出口处；

第一W波段功率合成器机械调节机构(11)和第二W波段功率合成器机 械调节机构(13)位于W波段功率合成器(12)中；

Ka波段有源二倍频器(2)接收经过输入同轴连接器(1)输入的Ku波段 信号，对该Ku波段信号进行有源二倍频后转换至Ka波段，得到二倍频后的 Ka波段信号，送至Ka波段宽带巴伦(5，19)；

Ka波段宽带巴伦(5，19)将该二倍频后的Ka波段信号进行等幅反相的 功率分配，得到分配后的两路Ka波段信号，分别送至第一Ka波段功率放大器 (7)和第二Ka波段功率放大器(17)；

第一Ka波段功率放大器(7)对分配后的第一路Ka波段信号进行功率放 大，功率放大后的第一路Ka波段信号通过第一金丝键合线(8)送至第一W 波段无源三倍频器(9)，对该第一路功率放大后的Ka波段信号进行无源三倍 频至W波段，得到第一路W波段信号；第一W波段功率放大器(10)对第一 路W波段信号进行功率放大后，通过微带探针送至W波段功率合成器(12)；

第二Ka波段功率放大器(17)对分配后的第二路Ka波段信号进行功率放 大，功率放大后的第二路Ka波段信号通过第二金丝键合线(16)送至第二W 波段无源三倍频器(15)，对该第二路功率放大后的Ka波段信号进行无源三 倍频至W波段，得到第二路W波段信号；第二W波段功率放大器(14)对第 二路W波段信号进行功率放大后，通过微带探针送至W波段功率合成器(12)；

W波段功率合成器(12)将功率放大后的第一路W波段信号和功率放大 后的第二路W波段信号进行合成输出；

EBG隔离膜片(4，6)、Ka波段巴伦(5)、第一Ka波段功率放大器(7)， 第一金丝键合线(8)、第一W波段无源三倍频器(9)、第一W波段功率放 大器(10)构成一个倍频通道；

EBG隔离膜片(18、20)、Ka波段巴伦(19)、第二Ka波段功率放大 器(17)、第二金丝键合线(16)、第二W波段无源三倍频器(15)、第二 W波段功率放大器(14)构成另一个倍频通道；

第一W波段功率合成器机械调节机构(11)、第二W波段功率合成器机 械调节机构(13)分别对两个倍频通道内传输的功率放大后的第一路W波段信 号和功率放大后的第二路W波段信号进行幅度相位补偿，使功率放大后的第一 路W波段信号和功率放大后的第二路W波段信号等幅反向；

EBG隔离膜片(4，6，18，20)对Ka波段巴伦所在腔体的寄生谐振进行 抑制，以抑制电磁串扰。

W波段功率合成器(12)及W波段功率合成器机械调节机构(11，13) 为波导结构。

Ka波段有源二倍频器(2)、隔离电阻(3)、EBG隔离膜片(4、6、18、 20)、Ka波段巴伦(5、19)、第一Ka波段功率放大器(7)，第二Ka波段 功率放大器(17)、第一金丝键合线(8)，第二金丝键合线(16)、第一W 波段无源三倍频器(9)、第二W波段无源三倍频器(15)、第一W波段功率 放大器(10)，第二W波段功率放大器(14)为微带结构。

输入同轴连接器(1)为2.92mm同轴连接器，W波段功率合成器(12) 输出接口为WR-10标准波导。

图2和图3所示为本发明中W波段功率合成器机械调节机构剖面及整体结 构示意图。

W波段功率合成器(12)包括上波导件(26)，下波导件(23)；

第一W波段功率合成器机械调节机构(11)，包括：短路滑块(22)、 调节螺钉(21)、锁止螺钉(27)；

第二W波段功率合成器机械调节机构(13)，包括：短路滑块(24)、 调节螺钉(25)、锁止螺钉(28)；

波导件采用E面切割方式，上下部分分别加工，在上腔体左右两边距侧壁 9mm处分别设计深3mm，直径8mm圆腔，圆腔底部中心位置处分别设计M1.0 沉孔螺孔，直通波导腔内，用于固定锁止螺钉(27，28)。锁止螺钉(27，28) 为长度6mm的M1.0沉头螺钉。短路滑块(22，24)为5mm×1.27mm×2.54mm (长×宽×高)的长方体块，材质与腔体材质相同。加工时滑块截面尺寸与 WR10波导腔尺寸之间保留0.02mm的负公差，从而保证滑块可移动。短路滑 块(22，24)的一端分别伸入W波段功率合成器(12)的两个输入波导通道 内，在波导腔内滑动，短路滑块(22，24)的另一端中心位置处各加工一个 M0.8螺孔，用于固定调节螺钉(21，25)，调节螺钉(21，25)由长8mm， 直径1mm金属杆加顶端2mm长的M0.8螺纹段组成，末端为一字槽圆柱头。 短路滑块有3mm的自由可调行程。

腔体安装时，将调节螺钉(21，25)分别与短路滑块(22，24)通过螺孔 旋紧固定于波导腔内，保证两路微带探针距短路滑块的短路面，即短路滑块 (22，24)距离探针最近的面，距离相等，将锁止螺钉(27，28)从上波导件 (26)圆腔的螺孔旋入，将左右短路滑块(22，24)压紧固定在波导腔内。完 成倍频源初始调试后，在需要的频点上调节倍频源的输出功率时，松开锁止螺 钉(27，28)，拖动调节螺钉(21，25)在一定自由行程内移动短路滑块(22， 24)的位置，从而改变功率合成两路输入探针的短路面的位置，调节输入探针 的电抗加载，进而调节合成器两路平衡性，使输出功率最大时，旋紧锁止螺钉 (27，28)以压紧固定短路滑块(22，24)，最后旋去调节螺钉(21，25)。 再次调节时，可重复以上步骤完成。

通过使用W波段功率合成器机械调谐机构，可以有效地对两路倍频通道的 幅度相位不一致性进行补偿，从而可以有效的改善输出合成效率，提高输出功 率。

图4和图5所示为本发明中EBG隔离膜片的结构及安装截面侧视和俯视 图，其中包括上腔体(29)，下腔体(30)、EBG膜片(31)、微带电路(32)。 EBG膜片基于PCB技术实现的，通过在PCB的正反两面制作多个周期排列的 矩形贴片，并使用金属化过孔连接，形成周期性谐振结构，在该周期结构的谐 振频率范围内，会产生传输禁带。设计传输禁带包含腔体谐振频点的EBG膜 片，膜片采用与微带基片相同的0.127mm厚Rogers5880基片。膜片下方中 心位置预留宽2mm、高1mm的矩形槽，保证膜片与微带电路不接触，不影响 微带线的正常传输。在Ka波段巴伦(5，19)通道的入口和出口端对应的上腔 体侧壁中设计深1mm，宽0.4mm的矩形安装槽，腔体安装时，将EBG膜片 (31)与安装槽通过导电胶烧结后固定，如图1中(4，6，18，20)。

通过使用EBG隔离膜片，利用其禁带特性，可以有效地抑制空间波导模传 播，从而实现对腔体谐振的抑制，提高相邻腔体间隔离性能，改善输出功率平 坦度的同时可以使得整个倍频源性能稳定可靠。

图6所示为本发明在Ku波段输入0dBm激励信号功率，横坐标为频率(波 段)Frequency，外部电源偏置6V/800mA条件下，W波段75-110GHz内的输 出功率(OutputPower)实测结果，可以看出本发明W波段高功率集成化合成 倍频源在75-110GHz获得了9-12dBm的稳定功率输出。

本发明可为各种毫米波亚毫米波电子系统提供稳定可靠的高功率输出信号 源，在全W波段内可获得稳定的功率输出，可以为各种测试系统提供良好的信 号源输出，也可以用于各种毫米波亚毫米波接收机中的本振驱动，具有十分广 泛的应用前景和价值。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技 术。