新型功率合成器及其构成的50-75GHz宽带可调相功率合成网络

摘要

本发明公开了新型功率合成器及其构成的50‑75GHz宽带可调相功率合成网络，使得功率合成网络的相位可调，属于通讯领域。新型功率合成器，包括波导腔结构，波导腔结构包括第一级魔T、第二级魔T；第一级魔T的功分支臂分别连接第二级魔T的功分主臂；第二级魔T的功分支臂连接微带‑波导探针结构；当功率合成器用于功率分配时，第一级魔T的功分主臂作为功率合成器的信号输入端，第二级魔T的功分支臂连接的微带‑波导探针结构作为功率合成器的信号输出端；当功率合成器用于功率合成时，第一级魔T的功分主臂作为功率合成器的信号输出端，第二级魔T的功分支臂连接的微带‑波导探针结构作为功率合成器的输入端。

说明书

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，具体涉及新型功率合成器及其构成的50-75GHz宽带可调相功率合成网络。

背景技术

毫米波即频率为 30GHz-300GHz 的电磁波，其波段又可以划分为 Ka 波段、V波段、W 波段、T 波段，由于毫米波具有波长短、频带宽且空间传播与大气环境关系密切等特点，使其普遍应用于通信、遥感、气象、测量、频谱学等领域，也使得各种毫米波无源、有源器件得到了飞跃式的发展。功率放大器是毫米波系统的重要部件，功率放大器的性能会直接影响整体系统的性能。一般来说单器件的功率输出能力随工作频率升高会迅速降低，为满足系统要求，需成倍提升功率输出能力。一方面，倍增单个固态器件的输出功率，可替代行波管等真空器件，实现体积小、重量轻、成本低、可靠性高等特性。另一方面，采用低损耗、高功率容量的合成结构，倍增行波管、速调管等真空器件的输出功率，可满足千瓦乃至兆瓦量级的高功率应用。因此，功率合成技术是开发毫米波高端频段的研究热点，对开发新的系统应用、实现更好的系统性能有着重要意义。

功率合成放大技术是将小信号放大到一定的程度，再利用功率分配网络，将信号功率等分配，经过功率放大器，最后通过功率合成网络完成功率的叠加，以达到大功率输出的目的。电路式功率合成网络从结构上可以分为2分式结构、链式结构、1分N式结构三种。一般采用2分式结构：此结构基于基本的1分2功率分配单元，如T分支，威尔金森功率分配器，波导微带双探针，E面波导电桥，H面裂缝电桥，环形电桥，微带分支线电桥，魔T等，利用功率分配单元进行级联，产生的分端口数目为2的N次方。波导魔 T是一种四端口网络，其工作带宽范围较大，由于是对称结构，所以有各个端口良好的驻波特性以及输出端口之间的良好隔离度特性，插入损耗小等诸多优良特性，是功率合成网络常用的单元。传统的魔T功率合成网络工作于高频率时，电路的寄生参数对电路的影响变得非常明显，尤其是对功率放大器传输相位的影响非常大，导致输出幅相不一致，而在毫米波频段功率芯片通常又是直接与功率合成电路直接集成，功率合成中的芯片的相位、幅度均无法进行准确的评估，无法实现对其输出的幅相可调，造成合成效率低下。

发明内容

本发明的目的在于提供新型功率合成器及其构成的50-75GHz宽带可调相功率合成网络。本发明基于电路式功率合成网络原理，将从根本上解决50~75GHz宽带功率合成网络相位不可调、低效率合成的问题。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

新型功率合成器，包括波导腔结构、微带-波导探针结构；波导腔结构包括第一级魔T、第二级魔T；第一级魔T的两个功分支臂分别连接两个第二级魔T的功分主臂；两个第二级魔T的功分支臂连接微带-波导探针结构；

当功率合成器用于功率分配时，第一级魔T的功分主臂作为用于功率分配的功率合成器的信号输入端，两个第二级魔T的功分支臂连接的微带-波导探针结构作为用于功率分配的功率合成器的信号输出端；

当功率合成器用于功率合成时，第一级魔T的功分主臂作为用于功率合成的功率合成器的信号输出端，两个第二级魔T的功分支臂连接的微带-波导探针结构作为用于功率合成的功率合成器的输入端。

作为一种优选技术方案，功率合成器用于功率分配时，第二级魔T的功分支臂上设有调节相位。

作为一种优选技术方案，第一级魔T的和第二级魔T的波导腔均为矩形波导，波导口型号为BJ620，长为3.76mm，宽为1.88mm。

作为一种优选技术方案，第一级魔T、第二级魔T中的空闲端口用于连接匹配结构，作为波导负载吸收端口。

作为一种优选技术方案，匹配结构为波导负载片。

作为一种优选技术方案，微带-波导探针结构为基片上集成有波导探针和微带线的结构，基片尺寸为：1.5mm×3.74mm×0.127mm。

作为一种优选技术方案，第一级魔T的功分支臂与第二级魔T的功分支臂尺寸相同。

新型功率合成器构成的50-75GHz宽带可调相功率合成网络，包括上述用于功率合成的功率合成器和用于功率分配的功率合成器；

用于功率分配的功率合成器的信号输入端作为功率合成网络的信号输入端，用于功率分配的功率合成器的信号输出端与用于功率分配的功率合成器的信号输入端一一对应、且通过芯片连接；用于功率分配的功率合成器的信号输出端作为功率合成网络的信号输出端。

作为一种优选方式，新型功率合成器构成的50-75GHz宽带可调相功率合成网络中，波导腔结构为上层壳体与下层壳体拼接形成的腔体，上层壳体和下层壳体拼接形成的结构中还设有用于放置芯片的放置腔、用于放置微带-波导探针结构的放置腔；上层壳体和下层壳体拼接形成的结构中还设有开槽，开槽露出调节相位，从而便于填充介质材料。

本发明具有以下有益效果：

1)由于在用于功率分配的功率合成器的第二魔T上设有调节相位，使得每个芯片的相位可以单独调试；

2)采用魔T结构，解决了常规H-T，E-T端口匹配和隔离问题，使得每路单个芯片可单独调试成为可能，否则调试过程中会发生相互影响。

3)高隔离，低驻波：采用标准波导BJ620魔T结构和石英基片微带线波导变换结构，实现低驻波和端口高隔离度。

附图说明

图1为功率合成网络的原理图；

图2为微带-波导探针结构的结构示意图；

图3为功率合成网络的结构示意图。

其中，附图标记如下所述：1-第一级魔T，2-第二级魔T，3-调节相位，4-微带-波导探针结构，5-芯片，6-波导负载吸收端口。

具体实施方式

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供新型功率合成器及其构成的50-75GHz宽带可调相功率合成网络，下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

新型功率合成器，包括信波导腔结构、微带-波导探针结构。

波导腔结构包括第一级魔T1、第二级魔T2。第一级魔T1的两个功分支臂分别连接两个第二级魔T2的功分主臂；两个第二级魔T2的功分支臂连接微带-波导探针结构。

其中，为了便于描述，把魔T的位于竖直臂（功分主臂）上的一个端口定义为主端口，横直臂（功分支臂）上的两个端口定义为分支端口。

当功率合成器用于功率分配时，第一级魔T1的主端口为信号输入端，第一级魔T1的分支端口分别连接两个第二级魔T2的主端口，两个第二级魔T2的分支端口连接微带-波导探针结构，此微带-波导探针结构作为用于功率分配的功率合成器的信号输出端口。

功率合成器用于功率分配时，第二级魔T2的功分支臂上设有调节相位3。

当功率合成器用于功率合成时，第一级魔T1的主端口作为信号输出端，第一级魔T1的分支端口与两个第二级魔T2的主端口连接，两个第二级魔T2的分支端口连接的微带-波导探针结构作为用于功率合成的功率合成器的信号输入端口。

两个第二级魔T2的功分支臂通过微带-波导探针结构连接信号输入端。

如图1及图3所示，50-75GHz宽带可调相功率合成网络，包括上述用于功率分配的功率合成器、用于功率合成的功率合成器，用于功率分配的功率合成器的信号输入端作为功率合成网络的信号输入端，用于功率分配的功率合成器的信号输出端与用于功率分配的功率合成器的信号输入端一一对应、且通过芯片5连接；功率分配的功率合成器的信号输出端作为功率合成网络的信号输出端。

如图2所示，本实施例中，微带-波导探针结构4采用传统的基片上集成有波导探针和微带线的结构即可。图2中实现部分显示的是下述微带-波导探针结构4放置腔的腔体结构，虚线部分示意微带-波导探针结构4。

微带-波导探针结构4的波导探针与第二级魔T2的分支端口连接；微带-波导探针结构4的微带线与端子连接。本实施例中，微带-波导探针结构4中的微带线与芯片5采用金丝键合。

本实施例中，芯片5的型号为WFDN400750—P33。

端子连接的微带-波导探针结构4中，其基片尺寸为：1.5mm×3.74mm×0.127mm；微带-波导探针结构4中微带线为50Ω微带线。

进一步的，为了加工方便，第一级魔T1、第二级魔T2的直角转弯处皆弧形处理；第一级魔T1、第二级T型结构相连处作弧形处理。

本实施例中，第一级魔T1、第二级魔T2是由E面T型结和H面T型结组合而成，在接合处结构变化大，不连续性强，因此，需要引入匹配结构来改善此情况，匹配负载作为一端口元件,其本质是一段终端短路的同轴线或者波导。本发明采用的是波导负载片，原因是通过微带-波导探针结构4可使用粘接工艺便捷的将其装配，匹配负载腔体内附有吸收物质,能够将输入功率全部吸收。本实施例中，波导负载片通过微带-波导探针结构4与第一级魔T1、第二级魔T2的空闲端口连接。第一级魔T1、第二级魔T2的空闲端口连接微带-波导探针结构4后作为波导负载吸收端口6。用于与波导负载片连接的微带-波导探针结构4的基带的尺寸为：1.3mm×5.31mm×0.127mm。

本实施例中，为实现小功率信号放大，本发明使用了魔T结构的二进制合成模式，即利用两级魔T结构级联输出四路信号经过金丝键合与芯片5连接转换进入信号合成阶段，同样的利用级联特性将四路信号合成输出使得功率放大。

用于功率分配的功率合成器中，在第二级魔T2的两臂上各截掉一部分作为调节相位3，目的是利用在调试过程中往调节相位3添加不同的介质材料，根据介质材料的介电质常数不同，改变波长最终实现每路输出相位可调，这样可以较好的用于功率分配的功率合成器的信号输出端口的微带线与芯片5键合时由于采金丝的长度、宽度、高度等因素引起的不连续性问题，保证输出相位幅度一致。

进入信号合成阶段，功率合成中的第一级魔T1与功率分配中的第一级魔T1等臂长，为了匹配芯片5输出端口与减小合成时的损耗，利用减小第一级魔T1的臂长来实现，整个50~75GHz可调相功率合成网络呈左右对称结构，一分四输出端口与四合一输入端口保持在同一直线上对称分布是为了保证相位一致性。

本实施例中，微带-波导探针结构4中的基片为石英基片。

具体的说，上述波导腔结构为上层壳体与下层壳体拼接形成的腔体，且上层壳体和下层壳体拼接形成的结构中还设有用于放置芯片5的放置腔、用于放置微带-波导探针结构4的放置腔、用于放置波导负载片的波导负载腔。且上层壳体和下层壳体拼接形成的结构中还设有开槽，开槽露出上述调节相位3，从而便于填充介质材料。

进一步的，由于放置微带-波导探针的放置腔的面积影响着矩形波导内场的分布,设计时在不影响实际加工的前提下应尽可能的减小此截面面积，即要使基片外形尺寸尽可能小，使得与芯片5连接的微带-波导探针的基片尺寸为：1.5mm×3.74mm×0.127mm，与空闲端口连接的微带-波导探针的基片尺寸为1.3mm×5.31mm×0.127mm。

本发明中，对用于功率分配的功率合成器和用于功率合成的功率分配器在HFSS中进行了三维电磁仿真，分别得到了这两个功率合成器的端口驻波、隔离度及损耗的结果。

用于功率分配的功率合成器的输出端口驻波在50~75GHz频段基本在-20dB左右，具有良好的隔离度；此时的功率合成器调节相位3的介质是聚四氟乙烯。

用于功率合成的功率合成器的输入端口驻波在50~75GHz频段小于-20dB，隔离度小于-15dB；

本发明所述的功率合成网络其理论损耗值根据公式S=-10lgNdB（N表示路数）得出理论损耗为-6.02dB，仿真损耗存在0.06dB的波动，波动较小。

在功率合成网络中，对于合成阶段仿真结果与输入基本一致，确保了它们在合成的时候得到的输出功率能有更小的损耗实现高效率合成，且具有良好的幅相一致性。

两个功率合成器的输入端口驻波S11在50~75GHz频段小于-20dB，隔离度小于-15dB，输出端口驻波基本在-20dB左右，具有良好的隔离度，基于四路功率合成网络其理论损耗值根据公式S=-10lgNdB（N表示路数）得出理论损耗为-6.02dB，仿真损耗存在0.06dB的波动，波动较小，对于合成阶段仿真结果与输入基本一致，确保了它们在合成的时候得到的输出功率能有更小的损耗实现高效率合成，且具有良好的幅相一致性。

值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。