毫米波固態(tài)準光功率分配網(wǎng)絡(luò)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種主要應(yīng)用于毫米波高頻段大規(guī)模有源器件高效率功率合成 放大器中的功率分配網(wǎng)絡(luò)。
【背景技術(shù)】
[0002] 毫米波高功率放大器是毫米波通信、雷達、測控、導航系統(tǒng)發(fā)射裝置的關(guān)鍵部件。 為了實現(xiàn)系統(tǒng)更大的作用半徑、更強的抗干擾能力、更好的通信質(zhì)量等性能，必須具備足夠 大的輸出功率。而由于半導體物理特性以及加工工藝等諸多方面的限制，目前還難以生產(chǎn) 出大功率、低噪聲、高性價比的毫米波固態(tài)放大器，尤其是在毫米波高頻段，因此功率合成 成為實現(xiàn)優(yōu)良性能固態(tài)系統(tǒng)的必由之路，分為芯片級、電路級、空間級，而各種功率合成技 術(shù)的核心都是功率分配網(wǎng)絡(luò)。芯片級功率合成是在同一個半導體基片上，將多個功率管管 芯并聯(lián)在小于波長的一定區(qū)域內(nèi)，利用匹配網(wǎng)絡(luò)將其連接起來，實現(xiàn)其功率疊加輸出高功 率。這種合成方式存在一定限制：隨著工作頻率的升高，工作波長變短，可用于功率合成的 區(qū)域尺寸減小，偏置和匹配電路的制作難度相應(yīng)加大，合成芯片的數(shù)目也隨之受到限制，從 而制約了整個合成系統(tǒng)的輸出功率。同時由于芯片間的間距變窄，使得散熱問題更加突出。 因此芯片式功率合成并不能滿足大輸出功率的要求。電路級功率合成按電路形式的不同可 分為非諧振式電路合成和諧振式電路合成。兩種方式存在一些固有的缺點，非諧振式電路 合成隨著合成放大器數(shù)量的增加，傳輸損耗越來越大，導致合成效率較低，頻率升高時，性 能惡化更加嚴重；諧振式電路合成工作頻帶窄，器件數(shù)目受腔體模式限制；隨著合成器件 增多，頻率升高，腔體空間會越來越小，各種不連續(xù)邊界所產(chǎn)生的模式將變得越來越復(fù)雜， 嚴重影響合成器工作的穩(wěn)定性、合成效率以及輸出功率?？臻g功率合成通過把有源器件的 功率耦合至大孔徑導行波束再輸出。單級中可實現(xiàn)大規(guī)模器件集成，且損耗與器件數(shù)目幾 乎無關(guān)。又由于能量是分散耦合在空間合成，歐姆損耗很小。但是目前的空間功率合成的 分配網(wǎng)絡(luò)存在兩次波束轉(zhuǎn)換，球面波轉(zhuǎn)準平面波和準平面波轉(zhuǎn)相位廓線，多次轉(zhuǎn)換都會存 在損耗；多為自由空間內(nèi)實現(xiàn)的，電磁波泄漏嚴重，不利于提高效率和電磁兼容性設(shè)計；各 個分模塊相對定位結(jié)構(gòu)不夠，如果偏離設(shè)計位置，將引起波束相對相位關(guān)系變化，系統(tǒng)效率 會顯著降低。
[0003] 綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)還難以實現(xiàn)毫米波高頻段大規(guī)模、高效率、優(yōu)良電磁屏蔽的功 率分配。 【實用新型內(nèi)容】
[0004] 本實用新型針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種可高效率大規(guī)模集成有 源器件、電磁屏蔽性能優(yōu)良、適用于毫米波高頻段的毫米波固態(tài)準光功率分配網(wǎng)絡(luò)，以突破 毫米波高頻段難以實現(xiàn)大功率輸出的瓶頸。
[0005] 本實用新型的上述目的可以通過以下措施來達到，一種毫米波固態(tài)準光功率分配 網(wǎng)絡(luò)，包括：金屬封閉衍射腔1、變寬波導陣移相透鏡2、輸入喇叭上腔3、輸入喇叭下腔4、輸 出喇叭陣上腔5和輸出喇叭陣下腔6,其特征在于：輸入喇叭上腔3和輸入喇叭下腔4結(jié)合 在一起形成輸入喇叭19,輸出喇叭陣上腔5和輸出喇叭陣下腔6結(jié)合在一起形成輸出喇叭 12 ;變寬波導陣移相透鏡2輸入平面10、輸出平面11分別與輸入喇叭19、輸出喇叭12緊密 連接；射頻信號從內(nèi)壁設(shè)有一級輸入階梯變換9的輸入波導口 8輸入，經(jīng)金屬封閉的輸入喇 叭19變換在變寬波導陣移相透鏡2輸入平面10處形成近似等幅度波束，以此波束為相干 準平面波照射到變寬波導陣移相透鏡2,在輸出平面11處產(chǎn)生多個幅度近似相同，相位周 期規(guī)律分布的相干分波束，相干分波束在金屬封閉衍射腔1內(nèi)衍射、干涉，在周期分布的輸 出喇叭12 口徑處形成18個幅度近似相同、相位按周期規(guī)律變化的聚焦點，并被18個輸出 喇叭12接收，再經(jīng)一級輸出階梯變換15后，由18個標準輸出波導口 7輸出，從而完成了通 過一級分配網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)1分18路功率分配。
[0006] 本實用新型相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果。
[0007] 本實用新型通過一級功率分配實現(xiàn)了 1分18路，而實現(xiàn)1分16路分配都需要級 聯(lián)4級1分2電路功率分配網(wǎng)絡(luò)，功率分配級數(shù)的減少降低了電路損耗，提升了功率分配效 率。本實用新型基于全息術(shù)原理：將多個相干光源波束與一束參考光束相干平面波在空間 干涉，利用空間特定位置的底片記錄干涉條紋形成全息照片；當用同一參考光束照射全息 照片，可以完全恢復(fù)各相干光源波束的幅度和相位。在本實用新型中，以輸入喇叭變換19 后的波束作為參考光束相干平面波照射到作為全息照片的變寬波導陣移相透鏡2的輸入 平面10,在輸出平面11以后經(jīng)過干涉、衍射，會產(chǎn)生多個幅度近似相等的相干分波束，來完 成功率分配。應(yīng)用該原理，本實用新型通過1級功率分配實現(xiàn)了 1路分18路，而且在不顯 著降低分配效率的前提下分配波束數(shù)目可以進一步提高，同時具備進一步改進為二維分配 網(wǎng)絡(luò)的潛力，實現(xiàn)1分NI XN2的二維功率分配。
[0008] 本實用新型中對輸入喇叭19與變寬波導陣移相透鏡2進行一體化設(shè)計，無需考慮 輸入平面10的相位的分布，與目標相位廓線的任意相位差都可在變寬波導陣移相透鏡2設(shè) 計時一并補償。這樣就可省去目前已存的幾種準光功率分配網(wǎng)絡(luò)中必須的球面波-平面波 前變換，簡化了結(jié)構(gòu)，能顯著減小網(wǎng)絡(luò)體積，實現(xiàn)小型化設(shè)計；同時也減少了準光功分/合 成網(wǎng)絡(luò)的損耗，有利于提尚合成效率。
[0009] 與目前存在的幾種開放腔結(jié)構(gòu)的準光功率分配網(wǎng)絡(luò)不同，本實用新型實現(xiàn)了準光 功率分配網(wǎng)絡(luò)波束傳輸內(nèi)腔為金屬全封閉性，有效屏蔽電磁波泄漏，有利于高效功率分配 和改善電磁兼容性。特別設(shè)計了輸入喇叭19，使得在與其緊密連接的變寬波導陣移相透鏡 2輸入平面上，場幅度分布變化范圍較小，實現(xiàn)了輸入端的金屬封閉。在輸出平面11的場 相位廓線也為特別設(shè)計的，使得在金屬封閉衍射腔1內(nèi)的衍射場存在固有的幅度為零的區(qū) 域，且方向平行于波束傳播方向。將金屬邊界置于零場區(qū)域，根據(jù)唯一性定理，不會影響原 有理想場的幅度相位分布，使得分配網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了衍射腔的封閉。相鄰輸出喇叭12之間垂直 于波束傳播的金屬直壁13上覆有吸波材料，避免了因為部分波束反射回衍射場帶來有害 的擾動。
[0010] 本實用新型中除了變寬波導陣為金屬波導，其余部分為大面積空腔，有效降低了 歐姆損耗；且變寬波導陣相移透鏡2的波束傳播長度是經(jīng)過優(yōu)化的，在滿足移相要求的前 提下，長度盡量短，也降低了波導傳輸?shù)膿p耗，有利于提高分配效率。
[0011] 本實用新型中輸入輸出端口都設(shè)置了階梯變換，以匹配輸入輸出阻抗，優(yōu)化駐波 性能。
[0012] 本實用新型輸出喇叭12結(jié)構(gòu)上設(shè)計了輸出喇叭陣位置調(diào)節(jié)孔14,使得其在金屬 封閉衍射腔1內(nèi)，可沿輸出喇叭陣位置調(diào)節(jié)孔14的長邊方向（即波束傳播方向）移動，BP 可調(diào)整接收的最佳位置來校正仿真設(shè)計、機加帶來的誤差。輸出喇叭12左右兩側(cè)刻有若干 定位標記21，對應(yīng)的定位標記處于垂直波束傳播方向上的直線上，將左右對應(yīng)的定位標記 21與金屬封閉衍射腔1邊壁齊平，保證輸出喇叭12垂直于波束傳播方向，且根據(jù)定位標記 21的序數(shù)可以確定輸出喇叭12的相對位置。目前大多數(shù)開放腔準光功率分配網(wǎng)絡(luò)各部分 結(jié)構(gòu)是散置的，其相對定位是調(diào)試過程中的巨大難題，而由于本實用新型中分配網(wǎng)絡(luò)各部 分都為硬連接，通過銷釘及螺釘緊固，可以很好得實現(xiàn)準確的相對定位。通過上述措施，使 得功率分配效果最佳。
[0013] 在不影響功率分配效率的前提下，設(shè)計時可調(diào)整本實用新型中的輸出波導口 7之 間的間距，使得在毫米波高頻段，也可保持有源器件之間的間距足夠大，從而降低了高功率 放大器有源部分集成工藝、散熱、饋電電路的設(shè)計難度。
[0014] 綜上，本實用新型通過一級功率分配網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了 1分18路的高效率功率分配，并 且適用于更高頻段、分配路數(shù)更多的應(yīng)用，突破了毫米波頻段（尤其是毫米波高頻段）難以 同時具備合成規(guī)模大、效率高、電磁屏蔽性能優(yōu)良等優(yōu)點的功率分配/合成的瓶頸。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本實用新型毫米波固態(tài)準光功率分配網(wǎng)絡(luò)的三維構(gòu)造示意圖。
[0016] 圖2是圖1中的毫米波固態(tài)準光功率分配網(wǎng)絡(luò)的輸入波導口方向視圖。
[0017] 圖3本實用新型圖1中毫米波固態(tài)準光功率分配網(wǎng)絡(luò)的原理框圖。
[0018] 圖4是圖1毫米波固態(tài)準光功率分配網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖5是圖1輸出喇叭結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖6是圖1變寬波導陣移相透鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖中：1金屬封閉衍射腔，2變寬波導陣移相透鏡，3輸入喇叭上腔，4輸入喇叭下 腔，5輸出喇叭陣上腔，6輸出喇叭陣下腔，7輸出波導口，8輸入波導口，9輸入階梯變換，10 輸入平面，11輸出平面，12輸出喇叭，13金屬直壁，14位置調(diào)節(jié)孔，15輸出階梯變換，16輸 入波導口平面，17梯形斜邊，18短直邊，19輸入喇叭，20鎖定螺釘孔陣，21定位標識，22側(cè) 壁。
【具體實施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
[0023] 參閱圖1、圖2,兩圖分別是從輸出波導口 7、輸入波導口 8方向看過去的毫米波固 態(tài)準光功率分配網(wǎng)絡(luò)。在以下描述的實施例中，毫米波固態(tài)準光功率分配網(wǎng)絡(luò)包括：輸入喇 口八19、變寬波導陣移相透鏡2、金屬封閉衍射腔1、輸出喇叭12,其中，輸入喇叭19由鏡面對 稱的輸入喇叭上腔3、輸入喇叭下腔4結(jié)合形成；輸出喇叭12由鏡面對稱的輸出喇叭陣上 腔5和輸出喇叭陣下腔6結(jié)合在一起形成；輸入喇叭19、變寬波導陣移相透鏡2、金屬封閉 衍射腔1和輸出喇叭12的內(nèi)腔高度相同，且為金屬全封閉的，可以有效屏蔽電磁波泄漏，有 利于提高功率分配效率和改善電磁兼容性；變寬波導陣移相透鏡