[发明专利]平面空间功率分配/合成放大器

说明书

技术领域

本发明涉及微波、毫米波功率放大器，具体涉及平面空间功率分配/合成放大器。

背景技术

目前，在微波、毫米波功率放大器中，以电子管为基础制作的放大器可以得到足够高的功率输出，但是价格昂贵、体积庞大、需要高电压供电等缺点限制了它的应用。而以半导体器件为基础制作的固态功率放大器价格便宜，可靠性高，体积小，重量轻，无需高电压供电；但是它的功率处理能力有限，在毫米波波段能够输出的功率一般不会超过10瓦，频率更高时输出功率更低。通过功率分配/合成电路将多个固态器件的输出功率合成，就能提高固态功率放大器的输出功率，满足系统中对发射功率水平的要求。

功率分配/合成电路可以分为二进制式功率分配/合成电路(见图1)、空间功率分配/合成电路(见图2)以及以上两种形式的复合形式。图1所示的形式是以一分二的功分器作为基础，所以称为二进制式；图1中的三角形表示放大单元，功率输入后被分成多路，每路分别进行放大，然后在合成网络中合成，合成是分配的逆过程。图2所示的形式一般以特定空间的场分布来完成功率的分配/合成，所以称为空间功率分配/合成。

二进制式功率分配/合成电路设计简单，易于以平面电路的形式实现。但是，当合成的放大单元增多时，功率分配/合成网络的体积会随着增大，网络上的损耗也随之增大，使整个电路的合成效率降低。另外，由于要用到四分之一波长的阻抗匹配器，它的带宽也受到限制。因此，在需要合成多个放大单元时，一般不采用这种形式的功率分配/合成电路。

空间功率分配/合成的形式利用特定空间的场分布来完成功率的分配/合成，在放大单元数量增大时其损耗不会随之增大，保证了合成效率在放大单元较多时不会降低，所以这种形式的功率分配/合成电路得到了很大的发展，成为目前研究的主流方向。例如，于2002年10月30日公开的中国发明专利申请CN1377099A介绍了一种波导内固态功率合成器，它的功率分配/合成过程是由矩形波导内的TE10模式波来完成的：能量从波导口输入，由波导中并排的渐变鳍线阵列将能量耦合到鳍线中，鳍线阵列相当于接收天线，鳍线的末端用跳线接到微带阻抗变换器，实现鳍线末端阻抗与放大器输入阻抗的匹配；然后信号进入放大单元进行信号放大，放大后，合成过程与分配过程对称；用跳线与鳍线阵列相连，然后通过鳍线阵列将能量耦合成矩形波导的TE10模式输出。但是，这种空间功率分配/合成的形式涉计到三维结构，对电性能设计和机械结构方面的要求较高，而且不易与其他电路元件集成整装；所以，对这种形式的平面化研究一直是功率合成技术领域的一个重要方面。

在“Integrated planar spatial power combiner”(参见L.Li and K.Wu在IEEE Trans.Microw.Theory Tech.Vol.54，No.4，pp.1470-1476，April 2006)一文中，提出了如图3所示的平面空间功率分配/合成结构。当信号输入后，经过一个渐变的阻抗变化器，匹配到超宽微带线，然后分成四路，每路接放大单元(图中未标出)，放大后经功率分配的逆过程合成输出。该电路设计简单，加工方便，易与其他电路元件集成，有很宽的带宽。但是，该电路在放大单元数量增加时，超宽微带线的线宽会随之增加，容易激发高次模式波的传播；而且在放大单元数量增加时，超宽微带线的特性阻抗会随之减小，这增加了输入微带线与超宽微带线之间特性阻抗的差值，不利于他们之间的匹配。另外，各信号通道之间的距离太小，没有足够的空间放置放大器芯片及其偏置元件。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术所存在的上述缺陷与不足，提供一种平面空间功率分配/合成放大器，其通过引入90度的弧形微带线，将放大器放置在主信号通道的侧边，形成链式结构，使得各信号通道之间的距离可以根据实际情况来调整，有足够的空间来放置放大器芯片和其他偏置元件。它可以采用单层或双层基片来实现，采用双层基片实现的结构在几乎不增加电路体积的情况下能将功率分配/合成的路数提高一倍，从而可以集成更多的放大器单元，得到更大的输出功率。