一种集成液冷流道的波导功率分配与合成结构及方法

摘要

本发明公开了一种集成液冷流道的波导功率分配与合成结构和方法，电路部分包括功率分配器、波导转向过渡、固态功放芯片和功率合成器；机械部分包括第一组装件、第二组装件和第三组装件，第二组装件设置在第一组装件和第三组装件之间，其中，第二组装件上设置液冷流道，且在液冷流道内安装散热翅片；第一组装件上设置与液冷流道连通的液冷流道入口和液冷流道出口；第三组装件上设置用于安装功率分配器和合成器的安装槽；固态功放芯片设置在第一组装件的芯片安装位上。本发明提供的波导功率分配与合成网络通过三片式腔体结构设计，优点：1)空间利用率高：2)不需外部单独散热装置；3)减少装配复杂度；4)可进行两路、四路、八路、十六路扩展。

权利要求

1.一种集成液冷流道的波导功率分配与合成结构，其特征在于：包括电路部分和机械部分；

电路部分包括功率分配器、波导转向过渡、固态功放芯片和功率合成器；

机械部分包括第一组装件、第二组装件和第三组装件，第二组装件设置在第一组装件和第三组装件之间，其中，第二组装件上设置液冷流道，且在液冷流道内安装散热翅片；第一组装件上设置与液冷流道连通的液冷流道入口和液冷流道出口；第三组装件上设置用于安装功率分配器和合成器的安装槽，并在第三组装件的侧边设置信号输入位置和信号输出位置；

固态功放芯片设置在第一组装件的芯片安装位上，芯片安装位的两侧设置第一波导转向过渡孔和第二波导转向过渡孔，波导转向过渡包括第一波导转向过渡段和第二波导转向过渡段，第一波导转向过渡段的两端分别连接功率分配器和第一波导转向过渡输出波导，第二波导转向过渡段的两端分别连接第二波导转向过渡输入波导和功率合成器，第一波导转向过渡输出波导穿出第一波导转向过渡孔后与固态功放芯片连接，第二波导转向过渡输入波导与固态功放芯片连接并穿入第二波导转向过渡孔与第二波导转向过渡段连接。

2.根据权利要求1所述的一种集成液冷流道的波导功率分配与合成结构，其特征在于：液冷流道为U形，液冷流道的两端部分别对应液冷流道入口和液冷流道出口，液冷流道入口和液冷流道出口设置在第一组装件的一侧。

3.根据权利要求1所述的一种集成液冷流道的波导功率分配与合成结构，其特征在于：芯片安装位设置在第一组装件的中部。

4.根据权利要求3所述的一种集成液冷流道的波导功率分配与合成结构，其特征在于：第一组装件的中部设置安装板，安装板上设置芯片安装位，安装板与第一组装件通过螺钉固定。

5.根据权利要求4所述的一种集成液冷流道的波导功率分配与合成结构，其特征在于：安装板上安装固态功放芯片后，固态功放芯片的顶面不超出第一组装件的顶面。

6.根据权利要求4所述的一种集成液冷流道的波导功率分配与合成结构，其特征在于：第一组装件上设置一个巨型凹槽，巨型凹槽底板作为液流通道的顶板，安装板设置在巨型凹槽中。

7.根据权利要求1‑6任一所述的一种集成液冷流道的波导功率分配与合成结构，其特征在于：液冷流道入口和液冷流道出口均设置为腰型孔。

8.根据权利要求1‑6任一所述的一种集成液冷流道的波导功率分配与合成结构，其特征在于：第一组装件和第二组装件焊接形成一个整体，机械加工贯穿第一组装件和第二组装件整体的多个矩形波导孔；第三组装件与所述第二组装件通过螺钉装配在一起。

9.根据权利要求1‑6任一所述的一种集成液冷流道的波导功率分配与合成结构，其特征在于：功率分配器支路设置为一路输入波导和两路、四路、八路或十六路输出波导，功率合成器的输入波导支路与功率分配器输出波导支路一致，功率合成器设置一路输出波导；

功率分配器每路输出波导或者功率合成器的每路输入波导对应设置第一波导转向过渡段、第一波导转向过渡输出波导、第二波导转向过渡段、第二波导转向过渡输入波导以及固态功放芯片。

10.一种基于权利要求1的集成液冷流道的波导功率分配与合成方法，其特征在于：信号从输入位置进入，经过功率分配器后，经过第一波导转向过渡段从第一波导转向过渡输出波导输出，第一波导转向过渡输出波导和第二波导转向过渡输入波导之间的芯片安装处用于安装固态功放芯片；信号经固态功放芯片放大后进入第二波导转向过渡输入波导，经过第二波导转向过渡段和功率合成器后，从输出位置输出；

外部冷却液由液冷流道入口流入，带走固态功放芯片的热量，由液冷流道出口流出。

说明书

一种集成液冷流道的波导功率分配与合成结构及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种应用于功率放大器中的功率分配与合成结构及方法，具体涉及基于矩形波导的功率分配与合成网络。

背景技术

[0002] 在现有雷达、通信等电子设备中，需要用到大功率输出的功率放大器，以便于增加作用距离或增强干扰能力等。传统真空功率器件如行波管等虽然可以提供大功率输出，但
其存在可靠性低，需数千或上万伏供电电压等缺点。相对的，固态功放器件虽然单个芯片输
出功率较低，但具有可靠性高，工作电压低等优点，成为功率放大器的主要发展方向。因此，
将多个固态功放芯片进行等幅同相的功率合成技术变得非常重要。

[0003] 在毫米波频段，当前典型的技术是基于矩形波导的功率分配与合成网络。通过多路功率分配网络将信号进行多路分配，每一路信号经过芯片的放大，再通过多路功率合成
网络进行合成，因此，其基本架构为“功率分配器—放大芯片—功率合成器”。对于功率放大
器，除电路设计外，散热设计也是至关重要的一环，当前典型的技术是在上述基本架构外部
增加散热装置，如风冷翅片或液冷流道。上述结构如图1所示，这样会不可避免的增加设备
体积和重量，不利于提高集成度和小型化。专利CN108091970A中公开的一种Ka波段宽带大
功率放大器，即为“功率分配器—放大芯片—功率合成器”架构，各部分接口之间使用螺钉
连接，装配环节较多，且其自身不包含散热装置，需外部添加。专利CN208208950U中公开的
一种E波段波导E—T分支和多探针耦合结构功率合成放大器，在[0020]描述，需外部安装散
热片或采取其他散热措施。

发明内容

[0004] 本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种在同等功率合成规模条件下提高空间利用率，缩小设备体积的波导功率分配与合成结构及方法。

[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

[0006] 一种集成液冷流道的波导功率分配与合成结构，包括电路部分和机械部分；

[0007] 电路部分包括功率分配器、波导转向过渡、固态功放芯片和功率合成器；

[0008] 机械部分包括第一组装件、第二组装件和第三组装件，第二组装件设置在第一组装件和第三组装件之间，其中，第二组装件上设置液冷流道，且在液冷流道内安装散热翅
片；第一组装件上设置与液冷流道连通的液冷流道入口和液冷流道出口；第三组装件上设
置用于安装功率分配器和合成器的安装槽，并在第三组装件的侧边设置输入位置和输出位
置；

[0009] 固态功放芯片设置在第一组装件的芯片安装位上，芯片安装位的两侧设置第一波导转向过渡孔和第二波导转向过渡孔，波导转向过渡包括第一波导转向过渡段和第二波导
转向过渡段，第一波导转向过渡段的两端分别连接功率分配器和第一波导转向过渡输出波
导，第二波导转向过渡段的两端分别连接第二波导转向过渡输入波导和功率合成器，第一
波导转向过渡输出波导穿出第一波导转向过渡孔后与固态功放芯片连接，第二波导转向过
渡输入波导与固态功放芯片连接并穿入第二波导转向过渡孔与第二波导转向过渡段连接。

[0010] 作为优选方式，液冷流道为U形，液冷流道的两端部分别对应液冷流道入口和液冷流道出口，液冷流道入口和液冷流道出口设置在第一组装件的一侧。

[0011] 作为优选方式，芯片安装位设置在第一组装件的中部。

[0012] 作为优选方式，第一组装件的中部设置安装板，安装板上设置芯片安装位，安装板与第一组装件通过螺钉固定。

[0013] 作为优选方式，安装板上安装固态功放芯片后，固态功放芯片的顶面不超出第一组装件的顶面。

[0014] 作为优选方式，第一组装件上设置一个巨型凹槽，巨型凹槽底板作为液流通道的顶板，安装板设置在巨型凹槽中。该结构主要是为了便于散热，通过减薄第一组装件的厚
度，特别是液流通道顶板厚度，起到增强散热的效果。

[0015] 作为优选方式，液冷流道入口和液冷流道出口均设置为腰型孔。

[0016] 作为优选方式，第一组装件和第二组装件焊接形成一个整体，机械加工贯穿第一组装件和第二组装件整体的多个矩形波导孔(第一波导转向过渡孔和第二波导转向过渡
孔)；第三组装件与所述第二组装件通过螺钉装配在一起。

[0017] 作为优选方式，功率分配器支路设置为一路输入波导和两路、四路、八路或十六路输出波导，功率合成器的输入波导支路与功率分配器输出波导支路一致，功率合成器设置
一路输出波导；

[0018] 功率分配器每路输出波导或者功率合成器的每路输入波导对应设置第一波导转向过渡段、第一波导转向过渡输出波导、第二波导转向过渡段、第二波导转向过渡输入波导
以及固态功放芯片。

[0019] 作为优选方式，安装板的个数与功率分配器支路数或者功率合成器支路数一致，且每个安装板均通过螺钉固定在第一组装件上；每个安装板上设置第一波导转向过渡孔和
第二波导转向过渡孔。

[0020] 一种集成液冷流道的波导功率分配与合成方法，信号从输入位置进入，经过功率分配器后，经过第一波导转向过渡段从第一波导转向过渡输出波导输出，第一波导转向过
渡输出波导和第二波导转向过渡输入波导之间的芯片安装处用于安装固态功放芯片；信号
经固态功放芯片放大后进入第二波导转向过渡输入波导，经过第二波导转向过渡段和功率
合成器后，从输出位置输出；

[0021] 外部冷却液由液冷流道入口流入，带走固态功放芯片的热量，由液冷流道出口流出。

[0022] 本发明的有益效果是：

[0023] 从以上技术方案可以看出，本发明提供的波导功率分配与合成网络通过三片式腔体结构(第一组装件、第二组装件和第三组装件)设计，有以下优点：

[0024] 1)空间利用率高：多路功率分配器、多路功率合成器、波导转向过渡的部分结构与液冷流道出入口、液冷流道、散热翅片在同一片腔体上加工成形，在三维方向上充分利用第
一组装件、第二组装件和第三组装件形成的腔体空间；

[0025] 2)不需外部单独散热装置：由于液冷流道集成在三片式腔体结构内部，使用本发明进行毫米波功率放大器设计，外部不再需要增加单独的散热流道装置；

[0026] 3)减少装配复杂度：本发明的三片式腔体结构设计，减少了多路功率分配器、多路功率合成器、波导转向过渡之间的多次物理互联，避免装配误差的引入；

[0027] 4)可扩展：通过合理裁剪或增加功率分配器、功率合成器、液冷流道长度，使用本发明提供的设计方法可以将合成网路进行两路、四路、八路、十六路扩展，满足不同规模功
率合成需求。

附图说明

[0028] 图1是现有技术原理架构框图；

[0029] 图2是本发明原理框图；

[0030] 图3是本发明结构示意图；

[0031] 图4是图3所示结构的三片式爆炸图；

[0032] 图5是所述第二组装件的主视图；

[0033] 图6是所述第二组装件的后视图；

[0034] 图7是所述第二组装件的剖视图；

[0035] 图中，1‑输入位置，2‑液冷流道入口，3‑液冷流道出口，4‑第一波导转向过渡输出波导，5‑第二波导转向过渡输入波导，6‑输出位置，7‑第一组装件，8‑第二组装件，9‑第三组
装件，10‑散热翅片，11‑八路功率分配器，12‑第一波导转向过渡段，13‑第二波导转向过渡
段，14‑八路功率合成器，15‑芯片安装位。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

[0037] 如图1所示，现有技术的波导功率分配和合成，需要依赖外部散热结构，影响整个产品或者结构的体积，因此，为了达到散热效果好，成品体积小的效果，设计了一种集成液
冷流道的波导功率分配与合成结构，包括电路部分和机械部分；

[0038] 如图2所示，电路部分包括功率分配器、波导转向过渡、固态功放芯片和功率合成器；

[0039] 如图3‑图7所示，机械部分包括第一组装件7、第二组装件8和第三组装件9，第二组装件8设置在第一组装件7和第三组装件9之间，其中，第二组装件8上设置液冷流道，且在液
冷流道内安装散热翅片10；第一组装件7上设置与液冷流道连通的液冷流道入口2和液冷流
道出口3；第三组装件9上设置用于安装功率分配器和合成器的安装槽，并在第三组装件9的
侧边设置输入位置1和输出位置6；

[0040] 固态功放芯片设置在第一组装件7的芯片安装位15上，芯片安装位15的两侧设置第一波导转向过渡孔和第二波导转向过渡孔，波导转向过渡包括第一波导转向过渡段12和
第二波导转向过渡段13，第一波导转向过渡段12的两端分别连接功率分配器和第一波导转
向过渡输出波导4，第二波导转向过渡段13的两端分别连接第二波导转向过渡输入波导5和
功率合成器，第一波导转向过渡输出波导4穿出第一波导转向过渡孔后与固态功放芯片连
接，第二波导转向过渡输入波导5与固态功放芯片连接并穿入第二波导转向过渡孔与第二
波导转向过渡段13连接。第一波导转向过渡段12和第二波导转向过渡段13将波导由平行转
为垂直，避免与液冷流道干涉。在一个实施例中，根据散热需求和功率合成规模的需求，第
二组装件8、液冷流道和散热翅片10的物理尺寸可以调整，以满足电路特性和散热特性。术
语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0041] 在一个优选实施例中，在本实施例中，将液冷流道为U形，液冷流道的两端部分别对应液冷流道入口2和液冷流道出口3，液冷流道入口2和液冷流道出口3设置在第一组装件
7的一侧。这种设置，能够保证出口和入口设置在产品的一侧，便于操作和体积收缩。

[0042] 在一个优选实施例中，芯片安装位15设置在第一组装件7的中部，设置在中部，一方面便于操作，另一方面可以充分利用空间。

[0043] 在一个优选实施例中，第一组装件7的中部设置安装板，安装板上设置芯片安装位15，安装板与第一组装件7通过螺钉固定，设置安装板，便于更换、维修。采用模块化组装，有
利于执行产品标准，保证产品质量。

[0044] 在一个优选实施例中，安装板上安装固态功放芯片后，固态功放芯片的顶面不超出第一组装件7的顶面，相对于过高的固态功放芯片设置，有助于保护固态功放芯片以及过
渡波导。

[0045] 在一个优选实施例中，第一组装件7上设置一个巨型凹槽，巨型凹槽底板作为液流通道的顶板，安装板设置在巨型凹槽中。该结构主要是为了便于散热，通过减薄第一组装件
7的厚度，特别是液流通道顶板厚度，起到增强散热的效果。巨型凹槽的设计原则：(1)保证
整个第一组装件7结构强度；(2)预留液冷流道入口2和液冷流道出口3位置。在上述两个原
则基础上，尽可能扩大巨型凹槽的面积。

[0046] 在一个优选实施例中，液冷流道入口2和液冷流道出口3均设置为腰型孔，腰型孔便于开孔，另外，采用腰型孔便于安装、注入冷却液。

[0047] 在一个优选实施例中，第一组装件7和第二组装件8焊接形成一个整体，机械加工贯穿第一组装件7和第二组装件8整体的多个矩形波导孔(第一波导转向过渡孔和第二波导
转向过渡孔)，焊接后液冷流道形成一入一出的封闭通道；第三组装件9与所述第二组装件8
通过螺钉装配在一起。第三组装件9一面机械加工安装槽，作为多路功率分配器、多路功率
合成器的安装位置。优选地，在第二组装件8的底部也设置与安装槽配合的槽，这样可以尽
可能的节约空间，且便于对位组装。

[0048] 在一个优选实施例中，第一组装件7、第二组装件8和第三组装件9通过螺钉连接，螺钉依次穿过第三组装件9、第二组装件8并最终固定在第一组装件7上，螺钉的头部最终固
定在第三组装件9上设置的凹槽内。

[0049] 在一个优选实施例中，功率分配器支路设置为一路输入波导和两路、四路、八路或十六路输出波导，功率合成器的输入波导支路与功率分配器输出波导支路一致，功率合成
器设置一路输出波导；

[0050] 功率分配器每路输出波导或者功率合成器的每路输入波导对应设置第一波导转向过渡段12、第一波导转向过渡输出波导4、第二波导转向过渡段13、第二波导转向过渡输
入波导5以及固态功放芯片。

[0051] 一种集成液冷流道的波导功率分配与合成方法，信号从输入位置1进入，经过功率分配器后，经过第一波导转向过渡段12从第一波导转向过渡输出波导4输出，第一波导转向
过渡输出波导4和第二波导转向过渡输入波导5之间的芯片安装处用于安装固态功放芯片；
信号经固态功放芯片放大后进入第二波导转向过渡输入波导5，经过第二波导转向过渡段
13和功率合成器后，从输出位置输出；

[0052] 外部冷却液由液冷流道入口2流入，带走固态功放芯片的热量，由液冷流道出口3流出。

[0053] 如图2‑图7所示，设置八路功率分配器11和八路功率合成器14，信号从输入位置1进入，经过八路功率分配后，从八个第一波导转向过渡输出波导4输出，第一波导转向过渡
输出波导4和第二波导转向过渡输入波导5之间的八个芯片安装处可以用于安装固态功放
芯片。八路信号经固态功放芯片放大后进入第二波导转向过渡输入波导5，经过八路功率合
成后，从输出位置6输出。外部冷却液由液冷流道入口2流入，带走固态功放芯片的热量，由
液冷流道出口3流出。

[0054] 在一个优选实施例中，安装板的个数与功率分配器支路数或者功率合成器支路数一致，且每个安装板均通过螺钉固定在第一组装件7上；每个安装板上设置第一波导转向过
渡孔和第二波导转向过渡孔。

[0055] 综上所述，本发明的集成液冷流道的波导功率分配与合成结构及方法，通过将液冷流道和八路功率分配与合成器集成在同一片腔体或者同一组装件的两面，并合理布局避
免干涉，并采用三片式腔体结构，合理装配，得到封闭的液冷流道和完整的八路功率分配与
合成器。同时，使用该设计方法，合成路数易于扩展，加工方法不变。

[0056] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保
护范围之内。