[發明專利]一種固態電路-波導功率合成裝置

有效

• 申請號: 201710470580.4
• 申請日: 2017-06-20
• 公開（公告）號: CN107394330B
• 公開（公告）日: 2019-07-19
• 發明（設計）人: 于偉華;侯彥飛;王鵬程;劉祎靜;呂昕
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H01P5/12
• 分類號: H01P5/12
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 段俊濤

該發明一種新型固態電路?波導功率合成裝置，屬于毫米波太赫茲集成技術領域，特別是一種新型、寬帶、高效的固態電路?波導功率合成結構。該裝置包括：矩形波導、減高波導、背腔、兩個傳輸線屏蔽腔和介質基片；其中標準矩形波導、減高波導、背腔和屏蔽腔為互通波導結構；介質基片包括介質基板及上表面金屬層；金屬層包含兩部分結構相同的傳輸線、阻抗匹配網絡和探針；探針結構為頂端開槽等腰三角形。本發明通過探針發射的形式，將平面電路中傳輸的導行信號轉換為波導中的空間信號，實現波導內部空間的空間功率合成。

技術領域

本發明屬于毫米波太赫茲集成技術領域，特別涉及一種固態電路-波導功率合成裝置。

背景技術

平面電路是介于一維的傳輸線電路與三維的波導立體電路之間的二維分布參數電路。其主要形式為微帶線結構和共面波導結構。利用它可以構成不同功能的微波元件，如濾波器、振蕩器等。常用的非對稱型平面電路與微帶線輸入、輸出電路相連，這種電路沿x、y方向的尺寸與波長的數量級相當，而沿z方向的尺寸h遠小于波長。因此，輸入微帶線激勵的電磁場在中心導體片與接地板之間的空間里振蕩，其電場只有z分量(不計邊緣場)，磁場平行于xy平面，是TM模(對z而言)，且場強僅為x、y的函數，與z無關。另外，由于空氣填充的矩形波導具有高Q值和大功率容量等優點，使其成為毫米波太赫茲頻段重要的傳輸線結構。隨著固態毫米波器件的出現，其較低的功率輸出能力一直困擾著電路設計和系統應用人員，為獲取更高功率輸出能力，相應的固態毫米波功率合成技術得以逐步展開。上世紀年代左右，以雪崩二極管、Gunn二極管(體效應二極管)為代表的兩端器件扮演了固態毫米波功率器件的主要角色，相應的固態功率合成技術也主要集中在二極管功率合成領域，采用的合成方法主要有以下幾類電路級合成、芯片級合成、空間準光功率合成以及以上幾種類型的組合。然而，從功率合成基本原理上來說，這些基于兩端器件發展起來的合成技術，在近來逐步成熟并廣泛應用的三端器件功率合成中仍然適用，下面將分類描述。

(一)電路級合成

在電路級合成中，主要有諧振式的腔體合成和工作帶寬更寬的非諧振式電路合成。諧振式合成的優點主要是多個器件的功率直接耦合到諧振腔內合成并輸出，路徑損耗小，合成效率高。其缺點也很明顯合成電路Q值高，工作頻帶窄；由于腔體工作模式原因，參與合成的器件數目受限制。根據諧振腔體的不同，有文獻K.Kurokawa andF.M.Magalhaes,An X-band 10-watt multiple-IMPATT oscillator,in Proceedingsof the IEEE,vol.59,no.1,pp.102-103,Jan.1971.doi:10.1109/PROC.1971.8109中首次展示的矩形波導腔體合成，R.Harp and H.Stover,Power combining of X-band IMPATTcircuit modules,1973 IEEE International Solid-State CircuitsConference.Digest of Technical Papers,Philadelphia,PA,USA,1973,pp.118-119.doi:10.1109/ISSCC.1973.1155195首次展示的柱形腔體合成。矩形波導腔體諧振式合成在毫米波頻段的應用十分成功。首先，矩形波導腔體輸出口與標準波導轉換容易，而柱形腔體輸入輸出是由位于腔體中央的同軸探針耦合實現，除了在毫米波難于制作外，這種結構還進一步限制了工作帶寬與合成效率。其次，在可參與合成的器件數目限制問題上，柱形腔體更加嚴重。柱形腔體是靠增大腔體直徑來增加合成器件數量的，但隨著腔體直徑增大，滿足邊界條件的模式數量迅速增多，所需模式能量受到影響，合成效率迅速下降。矩形波導腔體則可以保持腔體的高度與寬度不變，僅增大腔體長度來增多合成器件數量，相對來說，這種情況下腔體內可工作模式數目增加得更為緩慢，對所需模式能量影響不大。矩形波導腔體合成較成功的例子有文獻K.Chang,R.Ebert and C.Sun,W-band two-diode powercombiner,in Electronics Letters,vol.15,no.13,pp.403-405,June 21 1979.中提到的兩只IMPATT管在92.4GHz合成得到20.5W的脈沖功率和文獻Kai Chang and R.L.Ebert,W-Band Power Combiner Design,in IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques,vol.28,no.4,pp.295-305,Apr 1980.中提到的四管合成得到的40W的脈沖功率，合成效率高于80％。采用這種合成技術，在140GHz以上頻率，也能獲得接近十瓦的脈沖功率和80％-90％的合成效率如文獻Y.C.Ngan,Two-diode power combining near140GHz,in Electronics Letters,vol.15,no.13,pp.376-377,June 21 1979.；KaiChang,F.Thrower and G.M.Hayashibara,Millimeter-Wave Silicon IMPATT Sourcesand Combiners for the 110-260GHz Range,1981 IEEE MTT-S InternationalMicrowave Symposium Digest,Los Angeles,CA,USA,1981,pp.344-346.中所述。