[发明专利]宽带工作波导行波功率合成放大器

说明书

技术领域

本发明涉及用于微波和毫米波频段的功率合成技术，尤其涉及一种可宽带工作的波导行波功率合成放大器。

背景技术

在微波毫米波频段，人们普遍采用功率合成网络将多个固态器件的输出功率合成，从而实现大功率固态器件。功率合成技术有振荡型合成和放大型合成两类，其中功率合成放大器应用非常广泛。无论哪一类，均是通过一个功率合成网络合成多个固态器件的输出功率，实现大功率合成放大器。功率合成网络的性质直接决定了合成放大器的性能，因此，功率合成技术研究的重点主要是功率合成网络的性质，探索哪种合成网络拓扑结构可以实现最大效率的宽带大数目的功率合成。

近几年，相继报道了一些波导行波功率合成放大器结构。这种结构沿着输入波导的电磁场传播方向垂直插入多路耦合结构，电磁波从输入波导进入后，在传播的过程中依次地把功率馈入多路耦合结构。同时利用匹配膜片，使得波导中电磁场传播时在每个耦合结构处都无反射，实现行波传输。耦合结构与放大器电路相连接，经过放大后的功率又依次通过耦合结构馈入输出波导，在波导输出端口等幅同相输出，实现功率合成。这种结构有望实现Ka波段甚至更高波段多路放大器合成，实现大功率输出。由于是沿着行波方向放置放大器阵列，从理论上讲，这种结构没有芯片路数的限制，同时又具有波导低损耗的特性，因此，利用该结构有望在微波高端和毫米波波段获得高效率、大功率、结构紧凑和易于散热的合成放大器。

基于微带结构的行波功率分配/合成器可以实现宽带功率分配，并且输出端口隔离。不过随着频率的升高，微带线的损耗变大。随着合成路数的增加，传输线的长度增加，损耗会随着合成路数的增加而增加，这将降低合成放大器的合成效率，过大的损耗甚至会使合成放大器失去应用的意义。因此，在微波高端和毫米波波段，基于微带结构的行波功率分配/合成放大器并不适合于多路数的功率合成。基于波导行波功率合成结构，以其低损耗，高功率容量和良好的散热等特性而在微波毫米波波段得到广泛的应用。对于波导行波功率合成结构，所见报道的结构均没有解决一个问题，就是由于微波信号从输入端口到各耦合结构输出所传输的路径长度不一致，导致功率分配器的输出端口相位不一致。当功率分配器的输出端口相位不一致时，连接功率分配器输出端口的放大器单元的输入反射信号会进入到其余放大器单元处，从而相互影响，使得各个放大器单元的输入信号不一致，这样会导致放大器单元工作状态不一致，这将严重影响功率合成放大器的稳定性和线性。由此而知，以前提出的行波功率合成放大器结构一般工作在功率分配器同相(或反相)输出的频率点附近，只适合窄带工作。因此非常有必要开发一款可以实现宽带同相或反相输出的行波功率分配/合成器结构用于实现宽带功率合成放大器。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种宽带工作波导行波功率合成放大器，该放大器利用宽带同相或反相输出波导行波功率分配/合成器，实现功率等幅同相输出，保证合成放大器的放大器单元的输入功率在宽频带内处于等幅同相状态。该宽带工作波导行波功率合成放大器能够实现在微波高端和毫米波波段的多路、宽带和高效率(低损耗)的功率合成。

为了达到上述目的，本发明是通过下述技术方案予以实现：一种宽带工作波导行波功率合成放大器，其特征在于：包括两个宽带同相或反相输出波导行波功率分配/合成器和至少一个功率放大器模块，其中一个宽带同相或反相输出波导行波功率分配/合成器作为功率分配器，另一个宽带同相或反相输出波导行波功率分配/合成器作为功率合成器；所述宽带同相或反相输出波导行波功率分配/合成器包括输入波导、至少一级耦合结构、一个以上的输出波导，以及连接耦合结构与输出波导的匹配过渡结构；所述匹配过渡结构用以实现耦合结构和输出波导间的阻抗匹配，达到最大带宽的匹配输出；所述每级耦合结构垂直于输入波导的行波方向设置，除最末一级耦合结构之外，每级耦合结构处设有用于防止波导中电磁场传播时在每级耦合结构形成反射现象的匹配膜片，所述匹配膜片是指感性膜片，所述匹配膜片位于该级耦合结构和下一个耦合结构之间；所述输出波导垂直于输入波导的方向设置，所述每级耦合结构相连的输出波导的长度各不相同，第一级耦合结构对应的输出波导的长度最长，依次缩短；每一级输出波导的长度符合如下条件：任意一级输出波导的长度等于从该级开始到最末级耦合结构之间的输入波导长度与最末一级输出波导的长度之和，最终实现输出端口的输出信号幅度和相位一致，使得合成放大器中的放大器单元的输入信号在宽频带内处于等幅同相状态，从而实现宽带的波导行波功率合成。