[发明专利]一种固态电路-波导功率合成装置

说明书

该发明一种新型固态电路‑波导功率合成装置，属于毫米波太赫兹集成技术领域，特别是一种新型、宽带、高效的固态电路‑波导功率合成结构。该装置包括：矩形波导、减高波导、背腔、两个传输线屏蔽腔和介质基片；其中标准矩形波导、减高波导、背腔和屏蔽腔为互通波导结构；介质基片包括介质基板及上表面金属层；金属层包含两部分结构相同的传输线、阻抗匹配网络和探针；探针结构为顶端开槽等腰三角形。本发明通过探针发射的形式，将平面电路中传输的导行信号转换为波导中的空间信号，实现波导内部空间的空间功率合成。

技术领域

本发明属于毫米波太赫兹集成技术领域，特别涉及一种固态电路-波导功率合成装置。

背景技术

平面电路是介于一维的传输线电路与三维的波导立体电路之间的二维分布参数电路。其主要形式为微带线结构和共面波导结构。利用它可以构成不同功能的微波元件，如滤波器、振荡器等。常用的非对称型平面电路与微带线输入、输出电路相连，这种电路沿x、y方向的尺寸与波长的数量级相当，而沿z方向的尺寸h远小于波长。因此，输入微带线激励的电磁场在中心导体片与接地板之间的空间里振荡，其电场只有z分量(不计边缘场)，磁场平行于xy平面，是TM模(对z而言)，且场强仅为x、y的函数，与z无关。另外，由于空气填充的矩形波导具有高Q值和大功率容量等优点，使其成为毫米波太赫兹频段重要的传输线结构。随着固态毫米波器件的出现，其较低的功率输出能力一直困扰着电路设计和系统应用人员，为获取更高功率输出能力，相应的固态毫米波功率合成技术得以逐步展开。上世纪年代左右，以雪崩二极管、Gunn二极管(体效应二极管)为代表的两端器件扮演了固态毫米波功率器件的主要角色，相应的固态功率合成技术也主要集中在二极管功率合成领域，采用的合成方法主要有以下几类电路级合成、芯片级合成、空间准光功率合成以及以上几种类型的组合。然而，从功率合成基本原理上来说，这些基于两端器件发展起来的合成技术，在近来逐步成熟并广泛应用的三端器件功率合成中仍然适用，下面将分类描述。

(一)电路级合成

在电路级合成中，主要有谐振式的腔体合成和工作带宽更宽的非谐振式电路合成。谐振式合成的优点主要是多个器件的功率直接耦合到谐振腔内合成并输出，路径损耗小，合成效率高。其缺点也很明显合成电路Q值高，工作频带窄；由于腔体工作模式原因，参与合成的器件数目受限制。根据谐振腔体的不同，有文献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导腔体合成，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首次展示的柱形腔体合成。矩形波导腔体谐振式合成在毫米波频段的应用十分成功。首先，矩形波导腔体输出口与标准波导转换容易，而柱形腔体输入输出是由位于腔体中央的同轴探针耦合实现，除了在毫米波难于制作外，这种结构还进一步限制了工作带宽与合成效率。其次，在可参与合成的器件数目限制问题上，柱形腔体更加严重。柱形腔体是靠增大腔体直径来增加合成器件数量的，但随着腔体直径增大，满足边界条件的模式数量迅速增多，所需模式能量受到影响，合成效率迅速下降。矩形波导腔体则可以保持腔体的高度与宽度不变，仅增大腔体长度来增多合成器件数量，相对来说，这种情况下腔体内可工作模式数目增加得更为缓慢，对所需模式能量影响不大。矩形波导腔体合成较成功的例子有文献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.中提到的两只IMPATT管在92.4GHz合成得到20.5W的脉冲功率和文献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的脉冲功率，合成效率高于80％。采用这种合成技术，在140GHz以上频率，也能获得接近十瓦的脉冲功率和80％-90％的合成效率如文献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。