專(zhuān)利名稱(chēng)：：一種微波毫米波空間功率合成放大器的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種功率合成放大器的設(shè)計(jì)方法，具體地說(shuō)，是涉及一種基片集成波導(dǎo)/半?；刹▽?dǎo)的微波毫米波空間功率合成放大器的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
：在微波電子學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，半導(dǎo)體功率器件由于體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、工作電壓低而倍受重視，廣泛用于雷達(dá)、電子戰(zhàn)、軍事通訊等設(shè)備中。單個(gè)器件的功率由于物理機(jī)理和制造工藝的限制，難以滿(mǎn)足大功率軍用電子系統(tǒng)的要求。為解決這一問(wèn)題，人們研究了固態(tài)功率合成技術(shù)。國(guó)際上自七十年代中期起相繼開(kāi)展了旨在提高微波毫米波固態(tài)功率源輸出功率的研究，在提高固態(tài)振蕩器輸出功率的研究中，出現(xiàn)最早和最常用的是微波固態(tài)功率合成技術(shù)。微波固態(tài)功率合成技術(shù)通常有四種類(lèi)型，即利用半導(dǎo)體芯片串聯(lián)或并聯(lián)的芯片型功率合成技術(shù)；利用外諧振或非諧振電路的電路型功率合成技術(shù)；利用準(zhǔn)光腔或自由空間波的空間型功率合成技術(shù)，以及利用以上技術(shù)的混合型功率合成技術(shù)。在這四種類(lèi)型功率合成技術(shù)中，采用比較多的是電路諧振型單腔多器件功率合成技術(shù)。然而，這項(xiàng)技術(shù)隨著合成器件量的增多、頻率的升高，腔體空間將變得越來(lái)越小，各種不連續(xù)邊界所產(chǎn)生的模式將變得越來(lái)越復(fù)雜，從而嚴(yán)重地影響功率合成器的工作穩(wěn)定性、合成效率以及輸出功率。因此，在毫米波波段若采用單腔多器件功率合成技術(shù)，其合成器件一般不多于4-6只?？臻g功率合成技術(shù)是八十年代提出的一種微波毫米波功率合成方法，盡管這項(xiàng)技術(shù)的提出是在八十年代初，但它真正被人們所重視并加以廣泛地研究卻是在八十年代后期和九十年代?？臻g功率合成技術(shù)是當(dāng)前微波、毫米波
技術(shù)領(lǐng)域：
中最活躍和最有前途的研究課題之一，它與其它功率合成方法的最大不同之處是可以將合成空間設(shè)計(jì)成足夠大，在微波、毫米波等波長(zhǎng)很短的頻率上實(shí)現(xiàn)多器件的功率合成。空間功率合成技術(shù)主要分為準(zhǔn)光功率合成和自由空間波功率合成。近十年來(lái)研究較多的三種微波、毫米波空間功率合成技術(shù)分別為(a)準(zhǔn)光功率合成；(b)波導(dǎo)內(nèi)功率合成；(C)自由空間波功率合成。準(zhǔn)光功率合成技術(shù)采用透鏡和偏振器控制合成區(qū)域中的電磁場(chǎng)，達(dá)到功率有效合成的目的。波導(dǎo)內(nèi)功率合成是在波導(dǎo)中插入有源放大陣列，通過(guò)波導(dǎo)控制電磁場(chǎng)及波導(dǎo)內(nèi)場(chǎng)的模式。而自由空間波功率合成則采用過(guò)模波導(dǎo)增大了波導(dǎo)橫截面，可以實(shí)現(xiàn)更多放大單元的功率合成。自由空間波功率合成是準(zhǔn)光功率合成的一種變形，與準(zhǔn)光功率合成最大的不同之處在于自由空間波功率合成是一種非諧振型功率合成，而準(zhǔn)光功率合成則是一種諧振型功率合成。由于微波毫米波通信系統(tǒng)不斷朝著小型化、高集成度、全固態(tài)方向發(fā)展，這使得固態(tài)功率合成技術(shù)研究越來(lái)越成為當(dāng)今世界的熱點(diǎn)課題?？v觀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，固態(tài)功率合成技術(shù)，特別是空間功率合成技術(shù)得到了迅速發(fā)展。1981年DurkinM.F.首次提出了空間功率合成技術(shù)概念，并研究出了--個(gè)35GHz有源孔徑。電路采用32個(gè)輻射元件，由4個(gè)注入鎖定脈沖IMPATT振蕩器激勵(lì)，組成8毫米波段的有源陣列。在1983年，WandingerL.和NalbandianV.研究了應(yīng)用準(zhǔn)光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的毫米波功率合成電路。他們將兩個(gè)InPGunn振蕩器應(yīng)用Fabry-Perot球面諧振腔進(jìn)行合成。他們所研究電路工作頻率為60GHz，合成效率可達(dá)54%。1986年，MinkJ.M.發(fā)表了關(guān)于采用固態(tài)毫米波源實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)光學(xué)功率合成電路。他進(jìn)一步發(fā)展了Fabry-Perot諧振腔的應(yīng)用，他把位于諧振腔平面反射鏡面上的電流元件陣列的源模型與Fabry-Perot諧振腔相結(jié)合，從平面源陣列提取功率給諧振腔的低階或高階模式。1999年HoftM.等人研究了一種準(zhǔn)光功率合成器，它采用五單元陣列振蕩器，在65GHz時(shí)合成效率達(dá)到了85%。Caltech在2000年提出了一種柵格式準(zhǔn)光功率合成電路，他采用512個(gè)晶體管做了一種柵格式準(zhǔn)光功率合成電路，在37GHz時(shí)，輸出功率5W，帶寬為1.3GHz，功率合成效率為80%。2004年ThoreMagath研究了一種采用外部注入式鎖定振蕩的二維準(zhǔn)光功率合成電路，它采用4X4個(gè)頂PATT振蕩器陣列，在65GHz時(shí)，輸出功率為1.3W，功率合成效率為70%。最近，RolfJudaschke設(shè)計(jì)了一種150GHz的準(zhǔn)光功率合成振蕩器，他通過(guò)一個(gè)周期性介質(zhì)相位柵將五單元線形振蕩陣列的近場(chǎng)轉(zhuǎn)換為偽平面波，再通過(guò)兩個(gè)反射鏡轉(zhuǎn)換為高斯波束，使其與雙模接收天線的場(chǎng)的模型相匹配，從而實(shí)現(xiàn)功率合成。其振蕩器工作于自由振蕩和注入鎖定振蕩模式，當(dāng)其工作于自由振蕩模式時(shí)，合成功率為78mW，合成效率為66.5%;當(dāng)其工作于注入鎖定模式時(shí)，合成功率為83.5mW，合成效率為71.2%。波導(dǎo)內(nèi)空間功率合成技術(shù)是由A.Alexanian和R.A.York于1997年提出，當(dāng)時(shí)在X波段采用基于規(guī)則矩形波導(dǎo)的2X4的麗IC功放陣列，實(shí)現(xiàn)了2.4W的連續(xù)波功率輸出，合成效率達(dá)68%，并具有良好的工作帶寬和增益，預(yù)示了良好的發(fā)展前景。此后，以UCSB(UniversityofCaliforniaatSantaBarbara)的R.A.York教授為代表的學(xué)者陸續(xù)進(jìn)行了波導(dǎo)內(nèi)空間功率合成技術(shù)的相關(guān)研究，相繼提出了規(guī)則矩形波導(dǎo)、擴(kuò)展尺寸矩形波導(dǎo)和擴(kuò)展同軸線內(nèi)空間功率合成等形式，并在X波段和K波段研制并實(shí)現(xiàn)有基于該類(lèi)結(jié)構(gòu)形式的空間功率合成系統(tǒng)。其中，1999年采用4X6的醒IC功放陣列實(shí)現(xiàn)了高達(dá)126W的連續(xù)波功率輸出，工作頻段8-llGHz。1999年Nai-ShuoCheng等人設(shè)計(jì)了一種寬帶空間功率合成器，采用緊湊型鰭線陣列在波導(dǎo)內(nèi)實(shí)現(xiàn)。8單元陣列在8-llGHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了41W的功率輸出，功率合成效率為73%。1999年RizwanBashirullah設(shè)計(jì)了一種采用波導(dǎo)縫隙耦合的空間功率合成電路。在頻率為10GHz時(shí)輸出功率為14W，放大器增益為6.7dB，功率合成效率為88%，3dB工作帶寬為5W。這項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用于毫米波頻段。ChannabasappaEswara卯a(chǎn)于2003年研究了一種小型化毫米波縫隙波導(dǎo)空間陣列功率合成器，采用四路器件合成，在28GHz時(shí)輸出功率2W，合成效率為80%。2003年P(guān)engchengJia研究了一種采用過(guò)模同軸波導(dǎo)的功率合成器，波導(dǎo)到微帶的轉(zhuǎn)換采用鰭線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，所有有源放大單元沿同軸波導(dǎo)徑向排列，它具有寬帶和高功率輸出特性。它采用32個(gè)單元，其輸出頻率從6到14GHz，輸出功率達(dá)44W，合成效率為75%。2004年MekkiBelaid等人在波導(dǎo)功率合成中采用了模式轉(zhuǎn)換技術(shù)，通過(guò)一個(gè)模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)將TE10模轉(zhuǎn)換為T(mén)E20，通過(guò)放大后，再將TE20模轉(zhuǎn)換為T(mén)E10模輸出。在Ku波段采用四路進(jìn)行功率合成，得到輸出功率為31dBm，合成效率達(dá)80%。同年，XinJiang等人在Ka頻段采用行波法級(jí)聯(lián)縫隙波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)空間功率合成，進(jìn)一步提高了工作帶寬及合成效率。在32.2GHz時(shí)輸出功率為33dBm，合成效率達(dá)80%。34GHz時(shí)信號(hào)增益為19.4dB，3dB帶寬為3.2GHz?？v觀各種功率合成技術(shù)的電路特點(diǎn)，可以得出以下一些結(jié)論一、早期的功率合成技術(shù)研究重點(diǎn)在兩個(gè)方面封閉式腔體諧振型功率合成和非諧振型平面多級(jí)功率合成。其主要應(yīng)用于微波頻段，當(dāng)頻率升高時(shí)，特別是進(jìn)入毫米波頻段后，由于腔體較小，無(wú)法容納較多有源器件限制了它的應(yīng)用；對(duì)于非諧振型平面多級(jí)功率合成來(lái)說(shuō)，高頻時(shí)的傳輸線的損耗會(huì)大大降低其功率合成效率，也不適用于毫米波頻段。二、近期發(fā)展起來(lái)的空間功率合成技術(shù)是當(dāng)前毫米波、亞毫米波
技術(shù)領(lǐng)域：
的一個(gè)研究熱點(diǎn)，與早期的功率合成技術(shù)相比，它具有不可替代的技術(shù)優(yōu)越性。主要特性如下1.在準(zhǔn)光式功率合成中利用了準(zhǔn)光腔諧振頻率只與準(zhǔn)光腔腔距有關(guān)，而與準(zhǔn)光腔腔面尺寸幾乎無(wú)關(guān)這一特性，在滿(mǎn)足準(zhǔn)光腔穩(wěn)定條件下，可將準(zhǔn)光腔腔面設(shè)計(jì)成足夠大，因而可在毫米波、亞毫米波等波長(zhǎng)很短的頻率上實(shí)現(xiàn)多器件的功率合成。其主要優(yōu)點(diǎn)在于可實(shí)現(xiàn)多器件功率合成；高頻率、高合成效率，合成效率一般為70%_90%;采用開(kāi)放式準(zhǔn)光腔，其準(zhǔn)光腔可抑制大部分高階模式，實(shí)現(xiàn)單模輸出，因而具有較好的工作穩(wěn)定性。缺點(diǎn)在于帶寬窄，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，加工不易，屬三維立體結(jié)構(gòu)，輸出功率不夠大。2.空間自由波功率合成技術(shù)有利于實(shí)現(xiàn)眾多器件的功率合成和與天線系統(tǒng)的一體化，使得毫米波發(fā)射系統(tǒng)更加小型化和輕量化?；谶^(guò)模波導(dǎo)的空間功率合成技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于它是采用非諧振型電路，具有寬帶特性；結(jié)構(gòu)緊湊，輸出功率大；可實(shí)現(xiàn)多器件合成，功率合成效率一般大于〉80%;工作頻率高，可工作在毫米波頻段。其主要缺點(diǎn)在于工作模式復(fù)雜，對(duì)于高階模式抑制性較差；當(dāng)合成路數(shù)增多時(shí)，存在著散熱困難；屬三維結(jié)構(gòu)，隨著頻率增高，對(duì)機(jī)械加工的精度要求增加。3.基于波導(dǎo)的空間功率合成系統(tǒng)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、散熱效果好、損耗低、合成效率高、帶寬性能良好、易于系統(tǒng)集成能等優(yōu)點(diǎn)。其主要缺點(diǎn)在于屬三維立體結(jié)構(gòu)，加工復(fù)雜，成本較高；設(shè)計(jì)調(diào)試復(fù)雜，不適合大批量生產(chǎn)
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種微波毫米波空間功率合成放大器的設(shè)計(jì)方法，此方法所設(shè)計(jì)的功率合成放大器完全采用平面結(jié)構(gòu)，具有合成效率高，熱沉性能好，加工簡(jiǎn)單，成本低，成品率高等優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種微波毫米波空間功率合成放大器的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟步驟一設(shè)計(jì)功率功分器；歩驟二設(shè)計(jì)功率合成器；步驟三利用步驟一設(shè)計(jì)的功率功分器將等幅同相位的輸入信號(hào)分路，再將分路后的各路信號(hào)利用放大器分別放大，最后將多路功率使用功率合成器合為一路輸出。所述歩驟一包括如下步驟a.設(shè)計(jì)微帶到基片集成波導(dǎo)的過(guò)渡段；b.設(shè)計(jì)基片集成波導(dǎo)到半模基片集成波導(dǎo)的過(guò)渡段；C.設(shè)計(jì)半模基片集成波導(dǎo)到微帶的過(guò)渡段，最終形成功率功分器。所述步驟a通過(guò)如下步驟實(shí)現(xiàn)e.確定輸入端的微帶寬度，并以50歐姆作為輸入端的微帶寬度；f.確定輸出端的微帶寬度a，并通過(guò)下列公式確定4R2fl=a'--0.95『其中"為對(duì)應(yīng)頻段的矩形金屬波導(dǎo)的寬度，R，w為形成基片集成波導(dǎo)的兩側(cè)金屬通孔半徑和相鄰的兩通孔間距，且滿(mǎn)足條件i<0.Ug,『<4i,i<0.2a。所述步驟b是通過(guò)在基片集成波導(dǎo)的寬邊中心設(shè)置一個(gè)微帶槽來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所述步驟b中，在基片集成波導(dǎo)到半?；刹▽?dǎo)的過(guò)渡段內(nèi)轉(zhuǎn)角處設(shè)有接地通孔。所述步驟C通過(guò)在半模基片集成波導(dǎo)的開(kāi)放邊過(guò)渡出多路微帶線來(lái)實(shí)現(xiàn)。所述步驟C中，在半?；刹▽?dǎo)與微帶線之間還設(shè)置高阻抗微帶線。所述步驟二中功率合成器是通過(guò)將步驟一中功率功分器的輸入輸出端倒置實(shí)現(xiàn)的。所述歩驟三中，功分后的各路功率通過(guò)相同型號(hào)的放大器進(jìn)行放大。所述功率功分器、放大器和功率合成器均為平面結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想對(duì)于如圖l所示的基片集成波導(dǎo)(SIW)，當(dāng)在其上傳輸TE10主模時(shí)，其最大電場(chǎng)平行于沿傳播方向的中心平面上，而磁場(chǎng)則垂直于此中心平面，于是此平面可以看成一理想的磁壁?；谶@種思想，當(dāng)我們沿著這個(gè)平面剖開(kāi)基片集成波導(dǎo)(SIW)時(shí)，由于較大的寬高比，分開(kāi)的兩部分場(chǎng)結(jié)構(gòu)將基本保持不變，此即形成一種新的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)-半?；刹▽?dǎo)(HMSIW)。在此新的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)中，一邊用金屬通孔接地，形成半封閉的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，使之與傳統(tǒng)的微帶線相比，具有更低的輻射損耗；而在另一邊，則為開(kāi)放結(jié)構(gòu)，稱(chēng)之為開(kāi)放邊，開(kāi)放邊的形成為過(guò)渡到傳統(tǒng)的微帶線提供了方便，故可以方便的形成微波多端口網(wǎng)絡(luò)。基于這種思想，使多端口功率合成成為了可能。以上述思想為設(shè)計(jì)方向，本發(fā)明提供了一種新型的基于基片集成波導(dǎo)/半?；刹▽?dǎo)的微波毫米波空間功率合成器的設(shè)計(jì)方法，該微波毫米波空間功率合成放大器在結(jié)構(gòu)上由功率功分器、放大器、功率合成器組成，此三種結(jié)構(gòu)均為平面結(jié)構(gòu)，并且在同一平面內(nèi)形成。在這三種結(jié)構(gòu)中，放大器使用現(xiàn)有技術(shù)中常見(jiàn)的放大器，因此最關(guān)鍵的技術(shù)在于功率功分器與功率合成器的設(shè)計(jì)，又由于無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的可逆性，功率功分器可倒置過(guò)來(lái)作為功率合成器使用，故以下重點(diǎn)描述功率功分器的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)步驟如下步驟l設(shè)計(jì)適當(dāng)尺寸的微帶到基片集成波導(dǎo)(SIW)的過(guò)渡段。對(duì)于微帶，因其輸入端接標(biāo)準(zhǔn)的K型接頭，故選擇對(duì)應(yīng)為50歐姆的微帶寬度；而對(duì)于基片集成波導(dǎo)，其寬度"主要決定于TE10模的截止頻率，可按照如下公式選擇<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>其中"為對(duì)應(yīng)頻段的矩形金屬波導(dǎo)的寬度，R，w為形成基片集成波導(dǎo)的兩側(cè)金屬通孔半徑和相鄰的兩通孔間距，但應(yīng)注意這里滿(mǎn)足以下條件i<0.Ug,『<4i,i<0.2a。步驟2在步驟1所得的微帶到基片集成波導(dǎo)(SIW)過(guò)渡的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)適當(dāng)尺寸的基片集成波導(dǎo)(SIW)到兩路半?；刹▽?dǎo)(醒SIW)的過(guò)渡段，使其形成為基片集成波導(dǎo)(SIW)到半模基片集成波導(dǎo)(麗SIW)的一分二功率分配器。為了實(shí)現(xiàn)SIW的主模(TE10模)到醒SIW的過(guò)渡，可以在SIW的寬邊中心開(kāi)一適當(dāng)寬度Ws和長(zhǎng)度Ls的微帶槽，使SIW中的TE10模逐漸分裂成兩個(gè)"半TE10"模，并引導(dǎo)其在匿SIW中傳播。步驟3在步驟1，2基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)半?；刹▽?dǎo)(HMSIW)到微帶的多端口過(guò)渡，使其最終形成為一個(gè)多路功率功分器。為了實(shí)現(xiàn)醒SIW中的"半TE10"模到微帶中的準(zhǔn)TEM模的過(guò)渡，在醒SIW的開(kāi)放邊過(guò)渡出多路微帶，耦合出能量。由于半?；刹▽?dǎo)的阻抗一般較高，而微帶的阻抗較低，為了實(shí)現(xiàn)兩者之間的阻抗匹配，應(yīng)在HMSIW與微帶之間增加適當(dāng)長(zhǎng)度Hc與寬度Wc的高阻抗微帶線，從而增加匹配性能，減少醒SIW與各微帶間的反射。在得到功率功分器之后，利用無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的可逆性，將功率功分器反過(guò)來(lái)即可作為功率合成器使用。使用功率功分器把輸入信號(hào)等幅度同相位地分路，并把功分后的每一路信號(hào)輸入相同型號(hào)的放大器進(jìn)行放大，最后再把放大后的功率通過(guò)功率合成器合成為一路輸出，即實(shí)現(xiàn)了微波空間功率的合成。本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是通過(guò)基片集成波導(dǎo)(SIW)到半?；刹▽?dǎo)(HMSIW)的過(guò)渡，半?；刹▽?dǎo)(HMSIW)到微帶的過(guò)渡，使輸入的能量等分到各個(gè)微帶輸出端口，然后再把各路能量送入到相應(yīng)的放大器進(jìn)行放大，最后再把放大后的能量通過(guò)功率合成器來(lái)進(jìn)行合成輸出。本發(fā)明的創(chuàng)新之處(1)第一次提出了基片集成波導(dǎo)(SIW)到半?；刹▽?dǎo)(匿SIW)過(guò)渡方法。(2)第一次提出了半?；刹▽?dǎo)(匿SIW)到微帶的過(guò)渡方法。(3)第一次提出了運(yùn)用半?；刹▽?dǎo)(HMSIW)來(lái)完成功率合成的方法。(4)提出了一種完全平面，低損耗，低成本，易制作，熱沉性能好的毫米波功率合成方法。本發(fā)明的有益效果是1.本發(fā)明提出的微波空間功率合成方法，與傳統(tǒng)的矩形金屬波導(dǎo)合成方法相比，具有更好的熱沉，更低的成本。2.本發(fā)明提出的微波空間功率合成方法，與傳統(tǒng)的矩形金屬波導(dǎo)合成方法相比屬完全平面結(jié)構(gòu)，具有更小的體積，更易于制作和大批量生產(chǎn)。3.本發(fā)明提出的微波空間功率合成方法，與傳統(tǒng)的微帶線功率合成方法相比，在毫米波頻段具有更低的損耗，更大的工作容量。4.本發(fā)明提出的微波空間功率合成方法，其加工工藝均為現(xiàn)存的成熟技術(shù)，運(yùn)用十分方便，有利于推廣使用。本發(fā)明主要運(yùn)用于微波毫米波領(lǐng)域，屬于一種微波毫米波固態(tài)源的大功率技術(shù)。下面將通過(guò)說(shuō)明書(shū)附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。圖1為本發(fā)明中基片集成波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明中功率功分器/功率合成器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明所設(shè)計(jì)的功率合成放大器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明-實(shí)施例的場(chǎng)分布圖。圖5為本發(fā)明-實(shí)施例的功率功分器輸入端口到各輸出端口功率分配仿真曲線圖。圖6為本發(fā)明-實(shí)施例的功率功分器輸入端口到各輸出端口相位仿真曲線圖。圖7為本發(fā)明中功率功分器背靠背連接測(cè)試圖。圖8為本發(fā)明-實(shí)施例的功率合成放大器小信號(hào)性能測(cè)試圖。圖9為本發(fā)明-實(shí)施例的功率合成放大器輸出功率壓縮曲線測(cè)試圖。附圖中標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)名稱(chēng)1-功率功分器，2-放大器，3-功率合成器，4-微帶槽，5-微帶線，6-高阻抗微帶線，7-接地通孔，8-基片集成波導(dǎo)到半模基片集成波導(dǎo)的過(guò)渡段，9-半?；刹▽?dǎo)到微帶的過(guò)渡段，io-半模基片集成波導(dǎo)。具體實(shí)施例方式下面以一個(gè)33.5GHz—35.5GHz的毫米波空間功率合成放大器為例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，設(shè)計(jì)步驟如下一.基片集成波導(dǎo)板材選擇在基片集成波導(dǎo)功率合成放大器的設(shè)計(jì)中，波導(dǎo)板材的選取是個(gè)關(guān)鍵，這不僅是因?yàn)樗钦麄€(gè)電路的載體，有源器件需要焊接在其上面，更重要的是輸入輸出的能量都是以類(lèi)矩形金屬波導(dǎo)的模式在其介質(zhì)內(nèi)傳播，它直接影響著整個(gè)功率合成放大器的插入損耗，過(guò)渡尺寸大小，有源器件散熱等關(guān)鍵參數(shù)。綜合上述原因，本設(shè)計(jì)中選用厚度為0.254mm，介電常數(shù)為2.2的rogers5880作為制作基片集成波導(dǎo)的基片。rogers5880具有介質(zhì)損耗低，導(dǎo)帶金屬與基板介質(zhì)黏附力好等特點(diǎn)，比較適合作為毫米波段基片集成波導(dǎo)板材。二.功率功分器/功率合成器設(shè)計(jì)，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示(1)設(shè)計(jì)微帶到基片集成波導(dǎo)的過(guò)渡段。在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先應(yīng)確定的是微帶與基片集成波導(dǎo)的寬度。對(duì)于微帶，因其輸入端接標(biāo)準(zhǔn)的K型接頭，故應(yīng)選擇對(duì)應(yīng)為50歐姆的微帶寬度；而對(duì)于基片集成波導(dǎo)，其寬度主要決定于TE10模的截止頻率。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中基片集成波導(dǎo)與金屬波導(dǎo)TE10模的試驗(yàn)擬合關(guān)系，可得到基片集成波導(dǎo)的寬度a與對(duì)應(yīng)矩形金屬波導(dǎo)的寬度a'間的關(guān)系如下-4R2=--0.95『其中^<0.1^，『<4凡;<0.2"，這里R，w為形成基片集成波導(dǎo)的兩側(cè)金屬通孔半徑和相鄰的兩通孔間距。在本例的設(shè)計(jì)中，為了設(shè)計(jì)的方便，取a=a，=7.ll腿，即取對(duì)應(yīng)頻段的金屬波導(dǎo)寬度作基片集成波導(dǎo)的寬度。在確定了微帶寬度與基片集成波導(dǎo)的寬度之后，即可進(jìn)行過(guò)渡段的設(shè)計(jì)。由于微帶線的主模是準(zhǔn)TEM模，而SIW的主模是TE10模，為了有效的實(shí)現(xiàn)它們間的模式匹配，使反射系數(shù)(S11)最小，當(dāng)適當(dāng)選擇過(guò)渡段的長(zhǎng)度Ht與寬度Wt。一般來(lái)說(shuō)，過(guò)渡段長(zhǎng)度Ht越大，越有利于輸入端口駐波的減少，但太長(zhǎng)的長(zhǎng)度將引起過(guò)大的傳輸損耗與輻射損耗，為此綜合考慮，過(guò)渡段長(zhǎng)度應(yīng)選擇小于一個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)。(2)設(shè)計(jì)基片集成波導(dǎo)到半?；刹▽?dǎo)的過(guò)渡段8。在上述微帶到SIW過(guò)渡設(shè)計(jì)完成之后，就可以進(jìn)行SIW到兩路HMSIW的過(guò)渡設(shè)計(jì)。由于SIW的主模是TE10模，醒SIW的主模是"半TE10"模，為了實(shí)現(xiàn)兩者之間的模式匹配，在SIW的寬邊中心設(shè)有一適當(dāng)寬度Ws和長(zhǎng)度Ls的微帶槽4，使SIW中的TE10模逐漸分裂成兩個(gè)"半TE10"模，并引導(dǎo)其在醒SIW中傳播。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，為了防止半模基片集成波導(dǎo)開(kāi)放邊緣的場(chǎng)輻射，有效的減少回波損耗，改善匹配，增加工作帶寬，還應(yīng)如圖2所示在基片集成波導(dǎo)到半?；刹▽?dǎo)的過(guò)渡段8轉(zhuǎn)角處切去一片適當(dāng)半徑Rt的微帶和在內(nèi)轉(zhuǎn)角處適當(dāng)位置(x，y)增加一適當(dāng)半徑Rp5的接地通孔7。(3)設(shè)計(jì)半?；刹▽?dǎo)到微帶過(guò)渡段9。為了實(shí)現(xiàn)HMSIW中的"半TE10"模到微帶中的準(zhǔn)TEM模的過(guò)渡，可以如圖2所示在HMSIW的開(kāi)放邊過(guò)渡出八路微帶，耦合出能量。由于半模基片集成波導(dǎo)的阻抗一般較高，而微帶的阻抗較低，為了實(shí)現(xiàn)兩者之間的阻抗匹配，在半模基片集成波導(dǎo)10與微帶線5之間增加適當(dāng)長(zhǎng)度Hc與寬度Wc的高阻抗微帶線6，從而增加匹配性能，減少HMSIW與各微帶間的反射。在實(shí)際的功率功分器/功率合成器設(shè)計(jì)中，為了提高合成效率，充分發(fā)揮每個(gè)放大器2的性能，使其同時(shí)達(dá)到功率飽和，不僅要求每個(gè)輸出端口有一致的相位，而且也要求各輸出端口有相等的信號(hào)幅度。為了達(dá)到各輸出端口相等的信號(hào)幅度要求，可以在靠近各輸出端口的位置放置一功率分配調(diào)諧拄，即接地通孔7，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整接地通孔7的位置(Lp，Hp)與半徑Rp尺寸，可以在要求的頻段內(nèi)獲得相等信號(hào)幅度。而為了獲得各輸出端口一致的相位，可以通過(guò)設(shè)置各輸出端口的間距Lcl，Lc2，Lc3，Lc4，Lc5獲得。綜合步驟(1)、(2)、(3)所述，得到如圖2所示的功率功分器/功率合成器。為了在要求的頻段獲得好的輸入端口駐波和好的輸出端口幅度與相位，還必須在上述設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合的仿真優(yōu)化，借助商業(yè)電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS幫助，可得到具體的設(shè)計(jì)尺寸如表1所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>Hcl從圖4中可以看出在HMSIW的開(kāi)放邊緣沒(méi)有明顯的場(chǎng)輻射發(fā)生。從圖5、圖6中可以看出，本發(fā)明設(shè)計(jì)的功率合成放大器在33一35GHz頻率范圍內(nèi)具有較好合成性能。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，為了進(jìn)一步驗(yàn)證功率合成器的性能，可以把上述功率合成器背靠背連接起來(lái)測(cè)試，圖7為測(cè)試所得曲線，從上述曲線可以看出，除了在33.6GHz頻率附近Sll大于-12dB夕卜，在33.2到35GHz的頻帶范圍內(nèi)Sll小于-15dB，而S21大于-l.8dB。三.放大器設(shè)計(jì)為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述功率功分器1和功率合成器3在實(shí)際功率合成放大器中的性能，可以以小信號(hào)放大器為合成放大器單元，測(cè)試其合成效率。在本實(shí)施例中，放大器2單元選用angilen的寬帶MMIC放大芯片AMMC504。AMMC504是一種具有內(nèi)匹配的GaAsPHEMT中功率放大器。其在偏置電壓Vd=4.5V，Id=300mA的情況下，單個(gè)麗IC放大芯片的Psat為23dBm，在放大器工作于30—38Ghz頻段內(nèi)時(shí)，輸入回波為18—25dB，增益在21-22dB之間。四.整個(gè)功率合成放大器設(shè)計(jì)根據(jù)上述步驟二和步驟三的設(shè)計(jì)，把八個(gè)A醒C5040單片放大器插入到功率功分器和合成器的輸入輸出端口，并用鍵合金絲把其連接起來(lái)，即可形成一個(gè)如圖3所示的八路基片集成波導(dǎo)功率合成放大器°五.測(cè)試結(jié)果與分析圖8為本發(fā)明-實(shí)施例的功率合成放大器小信號(hào)性能測(cè)試圖。從圖中可以看出，功率合成放大器在33-35GHz范圍內(nèi)的增益介于20-21dB之間，其中在中心頻率34GHz處具有最大增益為21dB。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)功率合成放大器效率的計(jì)算方法，可以知道在33-35GHz范圍內(nèi)合成效率最高為80%，最小為78%。為了測(cè)試功率輸出特性，對(duì)上述功率合成放大器的輸出功率壓縮曲線特性也做了測(cè)試，圖9即為在頻率為35GHz處的測(cè)試結(jié)果，從圖中可以看出，功率合成放大器的飽和輸出功率為31dBm。由于單個(gè)放大器的飽和輸出功率為23dBm，上述8個(gè)放大器的輸出功率應(yīng)為32dbm，這說(shuō)明在上述頻率點(diǎn)處，合成放大器的合成效率達(dá)到了78%。權(quán)利要求1.一種微波毫米波空間功率合成放大器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述微波空間功率合成放大器的設(shè)計(jì)方法包括如下步驟步驟一設(shè)計(jì)功率功分器(1)；步驟二設(shè)計(jì)功率合成器(3)；步驟三利用步驟一設(shè)計(jì)的功率功分器(1)將等幅同相位的輸入信號(hào)分路，再將分路后的各路信號(hào)利用放大器(2)分別放大，最后將多路功率使用功率合成器(3)合為一路輸出。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波毫米波空間功率合成放大器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟一包括如下步驟a.設(shè)計(jì)微帶到基片集成波導(dǎo)的過(guò)渡段；b.設(shè)計(jì)基片集成波導(dǎo)到半?；刹▽?dǎo)的過(guò)渡段(8);c.設(shè)計(jì)半?；刹▽?dǎo)到微帶的過(guò)渡段(9)，并最終形成功率功分器(1)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微波毫米波空間功率合成放大器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟a通過(guò)如下步驟實(shí)現(xiàn)e.確定輸入端的微帶寬度，并以50歐姆作為輸入端的微帶寬度；f.確定輸出端的微帶寬度"，并通過(guò)下列公式確定4R2fl=a'--0.95『其中"為對(duì)應(yīng)頻段的矩形金屬波導(dǎo)的寬度，R，w為形成基片集成波導(dǎo)的兩側(cè)金屬通孔半徑和相鄰的兩通孔間距，且滿(mǎn)足條件i<0.Ug,<4i,i<0.2a。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微波毫米波空間功率合成放大器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述歩驟b是通過(guò)在基片集成波導(dǎo)的寬邊中心設(shè)置一個(gè)微帶槽(4)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微波毫米波空間功率合成放大器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟b中，在基片集成波導(dǎo)到半?；刹▽?dǎo)的過(guò)渡段(8)內(nèi)轉(zhuǎn)角處設(shè)有接地通孔(7)。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微波毫米波空間功率合成放大器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟c通過(guò)在半?；刹▽?dǎo)(10)的開(kāi)放邊過(guò)渡出多路微帶線(5)來(lái)實(shí)現(xiàn)。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微波毫米波空間功率合成放大器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟c中，在半?；刹▽?dǎo)(10)與微帶線(5)之間還設(shè)置高阻抗微帶線(6)。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波毫米波空間功率合成放大器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟二中功率合成器(3)是通過(guò)將步驟一中功率功分器(1)的輸入輸出端倒置實(shí)現(xiàn)的。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波毫米波空間功率合成放大器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟三中，功分后的各路功率通過(guò)相同型號(hào)的放大器(2)進(jìn)行放大。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波毫米波空間功率合成放大器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述功率功分器(1)、放大器(2)和功率合成器(3)均為平面結(jié)構(gòu)。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種微波毫米波空間功率合成放大器的設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)方法首先確定了功率合成放大器的組成部分功率功分器、放大器和功率合成器，然后依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的特征和需要，重點(diǎn)介紹了功率功分器的設(shè)計(jì)方法。該功率功分器主要通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn)a.設(shè)計(jì)微帶到基片集成波導(dǎo)的過(guò)渡段；b.設(shè)計(jì)基片集成波導(dǎo)到半模基片集成波導(dǎo)的過(guò)渡段；c.設(shè)計(jì)半?；刹▽?dǎo)到微帶的過(guò)渡段，從而形成多路功率功分器。在實(shí)現(xiàn)功率功分器的基礎(chǔ)上，根據(jù)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的可逆性，將功率功分器倒置過(guò)來(lái)即可作為功率合成器使用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明完全采用平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有合成效率高，熱沉性能好，加工簡(jiǎn)單，成本低，成品率高等優(yōu)點(diǎn)。文檔編號(hào)H01P5/12GK101621149SQ20081004544公開(kāi)日2010年1月6日申請(qǐng)日期2008年7月1日優(yōu)先權(quán)日2008年7月1日發(fā)明者文光俊,肖馥林,金海焱,金雁冰申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)