JPH0645850A - 固体マイクロ波パワー増幅器モジュール - Google Patents

固体マイクロ波パワー増幅器モジュール

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JPH0645850A
JPH0645850A JP5080729A JP8072993A JPH0645850A JP H0645850 A JPH0645850 A JP H0645850A JP 5080729 A JP5080729 A JP 5080729A JP 8072993 A JP8072993 A JP 8072993A JP H0645850 A JPH0645850 A JP H0645850A
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JP
Japan
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substrate
module
transmission line
coaxial
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Application number
JP5080729A
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English (en)
Inventor
Robert Allison
ロバート・アリソン
Gerald A Cox
ジェラルド・エー・コックス
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Raytheon Co
Original Assignee
Hughes Aircraft Co
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/60—Amplifiers in which coupling networks have distributed constants, e.g. with waveguide resonators
    • H03F3/602—Combinations of several amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microwave Amplifiers (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、コンパクトで、費用、寸法および
信頼性を改良した固体ハイパワーマイクロ波増幅器ジュ
ールを提供することを目的とする。 【構成】 基体上で限定された複数の放射状に延在する
伝送ラインに入力信号のパワーを分割する放射状パワー
分割器82を含み、伝送ラインが各出力端部で終端する低
温コフアィアドセラミック材料から形成される第１の基
体80と、複数の能動固体パワー増幅器58と各増幅器の出
力を結合する放射状パワー結合器とを含む第２の基体70
とを具備し、第１および第２の基体80，70が集積マイク
ロ波装置を形成するように組立てられ、第１および第２
の基体80，70が組立てられたとき増幅器58のそれぞれの
入力に前記放射状に延在する伝送ラインの各出力端部を
接続するヒートシンク90中の伝送ライン回路が設けられ
ていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、レーダアレイシステム
において使用されているような固体パワーマイクロ波増
幅器モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】ハイパーワーマイクロ波増幅器で過去に
おいてパワー増大を行うためにしばしば進行波管を使用
していた。このような適用は高電圧電源を必要とし、重
く、非常に広い空間が必要である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】通常のマイクロ波集積
回路技術を使用して多数の固体増幅器からの出力を結合
するために放射状結合器回路を使用する固体パワー増幅
器モジュールが提案または構成されている。Ａ．Ｆathy
およびＤ．Ｋolokitis氏は、論文（“Analysis and Des
ign of a 30-Way Radial Combiner for Ku-band Applic
ations，”RCA Review，Vol.47，1986年12月， 487乃至
508 頁）において固体パワー構造を使用されることがで
きる放射状結合器回路を記載している。パワー分割器、
増幅器および結合回路を相互接続する物理的な問題は、
回路および前の構造において認めることができるような
結果的に比較的大きい構造を生じさせる。本発明はこの
問題を克服し、結果的に非常にコンパクトな回路を生成
する方法を提供する。
【０００４】したがって、本発明の目的は上記の方法に
対して費用、寸法および信頼性を改良した固体パワーモ
ジュールを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明による固体ハイパ
ワーマイクロ波増幅器モジュールは集積されたセラミッ
ク基体の積層構造を含む。モジュールは低温コファイア
ドセラミック材料から形成された第１の基体を含む。第
１の基体は、基体上で限定された複数の放射状に延在し
て各出力端部において終端した伝送ラインに入力信号の
パワーを分割する放射状パワー分割器を含む。
【０００６】モジュールはさらにそこに取付けられた複
数の能動固体パワー増幅器、各増幅器の入力に放射状に
延在する伝送ラインの各出力端部を接続する伝送ライン
回路および各増幅器の出力を結合して結合器出力を供給
する放射状パワー結合器を含む第２のセラミック基体を
含む。この第２の基体は、良好な熱伝導性を提供するた
めに窒化アルミニウムのような材料から製造されること
が好ましい。
【０００７】好ましい形態において、モジュールはさら
に第２の基体に隣接して組立てられたヒートシンクを含
み、また結合器出力に結合された導波体を備えている。
【０００８】本発明のこれらおよび別の特徴および利点
は、添付図面に示されているように以下の実施例の詳細
な説明から明らかになるであろう。
【０００９】
【実施例】本発明は、固体ハイパワーマイクロ波増幅器
モジュールに対するパッケージ概念を含む。モジュール
概念は非常にコンパクトな構造のマイクロ波回路、ヒー
トシンクおよび電源の積層構造を含む。モジュールの重
要な特徴は低温コファイアドセラミック（ＬＴＣＣ）材
料を含むセラミック構造である。ＬＴＣＣパッケージは
例えば米国特許第 4,899,118号明細書に記載されてい
る。ＬＴＣＣは水平面のみならず垂直なマイクロ波伝送
ライン構造の形成を可能にする。これは、回路が潜在的
に安価に生成されるように自動化プロセスによって製造
される単一のセラミック構造において実現される。
【００１０】本発明は寸法において小さく、軽量のマイ
クロ波パワー増幅器モジュールの製造を可能にする。さ
らに、ＬＴＣＣ材料は熟練作業を最小にする自動化プロ
セスによってマイクロ波回路の構成を可能にするため、
本発明は結果的に安価なパワーモジュールを生成する。
信頼性は、ほとんどのマイクロ波回路および接続がＬＴ
ＣＣ構造の一部分として形成されるためワイヤ結合を減
少することによって高められる。
【００１１】一般的な概念において、モジュールは分割
器基体および結合器基体を含み、基体は集積構造を形成
するように結合される。分割器基体は、結合器基体上に
支持された固体各増幅器のために多数の分割器出力信号
に入力信号を分割するために放射状マイクロ波信号分割
器を支持する。分割器基体はＬＴＣＣ材料から製造され
る。結合器基体もまたＬＴＣＣであることできるが、熱
伝導を改善するために窒化アルミニウムのようなセラミ
ックであることが好ましいセラミック材料である。２つ
の基体は、分割器出力信号が各固体ＭＭＩＣ増幅器に達
する結合器基体中の対応した伝送ラインに基体に集積さ
れた垂直な同軸伝送ラインを介して導かれるように接合
される。増幅器出力は、単一の結合器出力信号に増幅さ
れた出力信号を結合する結合器基体において限定された
放射状マイクロ波信号結合器回路に供給される。
【００１２】本発明を含むモジュール50の展開図が図１
に示され、結合された分割器基体80および結合器基体70
を含んでいる。分割器基体80はＬＴＣＣ層から製造さ
れ、放射状の伝送ラインパワー分割器82、放射状のライ
ン出力のストリップライン分配および基体80のエッジか
ら放射状のライン分割器82に延在する入力伝送ライン84
を含む。分割器出力信号を分配するストリップライン伝
送ラインは、望ましくない振動を結果的に生じる基体の
結合を阻止するために結合器基体のＭＭＩＣ増幅器58へ
の入力と増幅器出力とを分離する。分離は２つの接地面
間または接地導体シリンダ内のいずれかに電磁界を制限
するストリップラインおよび同軸伝送ラインの使用によ
り行われる。ＬＴＣＣ材料はこれらの遮蔽された伝送ラ
インの生成を可能にする。水平面の接地導体はＬＴＣＣ
構造中の金属層によって生成される。垂直の伝送ライン
用の地上導体は、ＬＴＣＣ誘電層内において孔を介して
充填された緊密に間隔を隔てられた金属の積層アレイに
よって生成される。
【００１３】図２は、分割器および結合器基体80および
70のスライス120 の切り取られた斜視図を示す。分割器
基体80は、結合器基体70との境界部に下方に延在する同
軸中心導体62を含む埋設された垂直同軸ｒｆ転移部を含
む（図１）。複数の金属充填ビアス64は、接地された同
軸中心外側を集合的に限定するように各同軸転移部中心
導体62を包囲する。
【００１４】結合器基体70は放射状伝送ライン結合器回
路54、複数の駆動装置57およびハイパワーＭＭＩＣ増幅
器58を取付けるように基体52上で限定された複数の接地
パッド56、能動素子を給電および制御するＤＣ電圧分配
ライン60、およびＭＭＩＣのｒｆ接地およびヒートシン
クのための金属充填ビアス66を含む。
【００１５】マイクロストリップ伝送ライン69は対応し
た駆動装置57に各垂直同軸転移部を接続し、ワイア結合
59が接続を完成させる。
【００１６】各ＭＭＩＣ増幅器58の増幅された出力は、
図２に示されているように放射状結合器回路54用の金属
部分に接続するマイクロストリップ伝送ライン導体74に
ワイヤ結合接続72を介して接続される。
【００１７】図１を参照すると、モジュール50はさらに
導波体ｒｆ出力92および第１の基体70の同軸出力68から
導波体への転移部94を含むモジュールヒートシンク90を
含む。ヒートシンク90はまた冷却剤流動用の通路96を含
む。冷却剤入口パイプ98および冷却剤出口パイプ99は、
ヒートシンク90を通じて冷却剤を循環する手段を提供す
るように冷却剤通路96中に延在する。
【００１８】電源モジュール110 はヒートシンク90の基
体70および80と反対側に結合される。図３はモジュール
50の簡単な概略図である。ＲＦ入力はこの実施例におい
て１：32の分割器回路である放射状分割器回路82への入
力ライン84上のモジュールに供給される。各分割器出力
信号は、結合器基体70上の対応した駆動装置回路57およ
び固体増幅器58に接続される。32個の増幅された出力は
32：１の放射状結合器回路54に接続される。結合器出力
はモジュール出力であり、ＲＦ入力信号の高度に増幅さ
れた出力を生じる。
【００１９】図４はモジュール50の簡単な展開図であ
り、入力信号から基体80上の放射状分割器82を通り、結
合器基体70上のＭＭＩＣ増幅器回路を通ってＲＦ出力へ
の結合器回路54に至る信号流を示す。
【００２０】モジュール50を通る信号流は図４のライン
５−５における断面である図５においてさらに詳細に示
されている。ＲＦ入力信号は基体80中の伝送ライン84で
モジュールに入力し、放射状分割器回路82に導かれる。
放射状分割器回路は、基体70および80を接続する各垂直
同軸伝送ライン89（図２に示された中心導体62および外
部導体64を含む）に伝送ライン88を介して導かれる多数
の分割器出力信号に入力信号を分割する。信号は同軸伝
送ライン89からＭＭＩＣ回路57および58に導かれる。増
幅された信号はライン59を介して放射状結合器回路54に
導かれ、モジュールの結合器ＲＦ出力が導出される。
【００２１】図６は分割器基体70の上部図であり、分割
器回路54の放射状特性、ＭＭＩＣパワー増幅器回路57お
よび58の外観、およびＭＭＩＣ回路へのｄｃ入力が形成
されることができる方法を示す。分割器基体の垂直ビア
ス64および中心導体62とそれぞれ電気接触する接地ビア
ス64A および中心導体パッド62A もまたこの図面に示さ
れている。
【００２２】図７は基体を含む異なるＬＴＣＣ層を示す
ために垂直方向に強調されたスケールの分割器基体80の
断面図である。この実施例において、ＬＴＣＣ材料の第
１の厚さ、例えば .003 インチの16個の層81A 乃至81S
、および垂直同軸伝送ライン89が延在している基体の
環状の周辺領域を形成するＬＴＣＣ材料の第２の厚さ、
例えば .010 インチの10個の層83A 乃至J が存在してい
る。一実施例において、全ての層81A 乃至81S および83
A 乃至J の全体の厚さは .10インチになる。
【００２３】入力ＲＦ信号はマイクロストリップ入力ラ
イン84を介して供給され、この入力ライン84は層81O と
81P との間の境界部で基体80内に埋設されたストリップ
ライン112 に延在する垂直同軸ラインの中心導体110 に
信号を導く。ストリップライン112 は同軸伝送ライン導
体110 から隣接した放射状分割器82まで延在し、層81N
と81O との間の境界への上方への転移部は放射状分割器
82になる同軸プローブ114 まで延在する。
【００２４】放射状分割器82は、この実施例において32
個の信号に入力信号を分割する。すなわち分割器82は分
割器から放射状に外側に延在する32個の出力ストリップ
ライン伝送ラインを有し、ラインのうちの２つ116 およ
び120 が図７において認められる。ストリップライン
は、それぞれ結合器基体70上の固体増幅器に供給される
出力信号の位相を等しくするために使用されるマイクロ
ストリップ位相同調セクションを含む。例えばライン11
6 はマイクロストリップのセクション124 を有し、ライ
ン120 はマイクロストリップのセクション126 を有す
る。位相等化は、各レッグの伝送ライン長を調節するこ
とによって行われることができる。必要に応じて内側ま
たは外側にワイヤ結合されるべき伝送ラインの選択可能
なセグメントを設けることによって、粗等化が行われる
ことができる。マイクロストリップにおける伝送ライン
セグメントの構成はワイヤ結合用の導体へのアクセスを
可能にする。
【００２５】接地面128 および130 は、基体80の上面お
よび基体層の下面81R に形成される。付加的な接地面13
4 は、ストリップライン112 用の上部接地面およびスト
リップライン116 および120 用の下部接地面を形成する
層81J と81K との間に存在している。
【００２６】放射状分割器出力からの各出力ストリップ
ライン伝送ラインは、出力垂直同軸伝送ラインの中心導
体に接続される。これらのラインのうちの２つの中心導
体62' および62''は図７において認められる。ストリッ
プライン116 は導体62' に接続され、ストリップライン
120 は導体62''に接続される。これらの同軸中心導体は
結合器基体70上に対応した導体62A に結合される。パワ
ー分割器と結合器基体との間の電気接続は、はんだ、導
電性エポキシを含む種々の方法、または小型ばね接触に
よって形成されることができる。
【００２７】図８は、図７に示されているような分割器
基体80の種々の伝送ラインおよび素子を通る信号の流を
示した概略的なブロック図である。すなわち、ＲＦ入力
信号はマイクロストリップライン84上において垂直同軸
ライン110 に供給され、このライン110 は埋設されたス
トリップライン112 に信号を導く。ライン112 は放射状
ライン82に至る同軸プローブに信号を導く。図８におい
て集合的に115 として示された分割器のストリップライ
ン出力は各出力垂直同軸ライン89に導かれる。本発明の
一実施例の適用において、それぞれ2.5 ワットの出力の
36個のＭＭＩＣ増幅器が70ワット以上の出力パワーを生
成するために単一のモジュールにおいて結合される。利
得はほぼ30ｄＢである。
【００２８】放射状分割器および結合器回路の設計は技
術的に知られている。一例は文献（“Analysis and Des
ign of a 30-Way Radial Combiner for Ku-band Applic
ations，”id）に示されている。
【００２９】上記の実施例は、本発明の原理を表した可
能な特定の実施例の単なる例示に過ぎないことが理解さ
れる。当業者は、本発明の技術的範囲を逸脱することな
くこれらの原理にしたがって別の構造を容易に実現する
であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例のマイクロ波パワーモジュー
ルの展開図。
【図２】図１のモジュールを含む駆動装置および結合器
構造の切り取られた部分的な斜視図。
【図３】モジュールの電気的な概略的ブロック図。
【図４】本発明の実施例のモジュールの簡単な展開図。
【図５】本発明の実施例のモジュールの放射状駆動装置
および結合器の簡単な断面図。
【図６】本発明の実施例のモジュール用の放射状結合器
基体の上部図。
【図７】本発明の実施例のモジュールの放射状駆動装置
の基体の断面図。
【図８】図７の駆動装置基体を通る信号流を示した簡単
な概略的ブロック図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェラルド・エー・コックス アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90291、プラヤ・デル・レイ、ナンバー１、 レッドランズ 8163

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基体上で限定された複数の放射状に延在
    する伝送ラインに入力信号のパワーを分割する放射状パ
    ワー分割器を含み、前記伝送ラインが各出力端部で終端
    する低温コファイアドセラミック材料から形成される第
    １の基体と、 その上に取付けられた複数の能動固体パワー増幅器と各
    増幅器の出力を結合し、結合器出力を供給する放射状パ
    ワー結合器とを含む第２の基体とを具備し、 第１および第２の基体が集積マイクロ波装置を形成する
    ように組立てられ、前記第１および第２の基体が組立て
    られたとき前記増幅器のそれぞれの入力に前記放射状に
    延在する伝送ラインの各出力端部を接続する伝送ライン
    回路が設けられていることを特徴とする固体ハイパワー
    マイクロ波増幅器モジュール。
  2. 【請求項２】 前記第２の基体に隣接して組立てられた
    ヒートシンクと、前記結合器出力に結合された導波体と
    を具備している請求項１記載のモジュール。
  3. 【請求項３】 前記放射状パワー結合器は導波体転移部
    に対して同軸に前記ヒートシンク導波体に結合されてい
    る請求項２記載のモジュール。
  4. 【請求項４】 前記ヒートシンクはさらに冷却剤液が前
    記ヒートシンクから熱を除去するように循環されること
    を可能にする冷却剤通路を備えている請求項２記載のモ
    ジュール。
  5. 【請求項５】 前記増幅器の入力に達する前記第２の基
    体中の対応した伝送ラインに前記第１の基体中の前記伝
    送ライン端部を結合する複数の同軸ＲＦ転移部を含んで
    いる請求項１記載のモジュール。
  6. 【請求項６】 前記第１のセラミック基体は低温コファ
    イアドセラミック材料で構成されている請求項１記載の
    モジュール。
  7. 【請求項７】 前記第２の基体は窒化アルミニウムで構
    成されている請求項１記載のモジュール。
  8. 【請求項８】 前記第１の基体はさらに前記基体中に埋
    設された複数の垂直同軸伝送ラインを含み、１つがそれ
    ぞれ前記放射状に延在した伝送ラインの１つの出力端部
    に隣接し、前記各同軸ラインは前記出力端部に接続され
    た中心導体を含み、前記同軸ラインは前記基体が組立て
    られたときに前記第２の基体の表面に隣接する第１の基
    体の表面に延在し、前記垂直同軸伝送ラインは前記伝送
    ライン回路を含んでいる請求項１記載のモジュール。
  9. 【請求項９】 前記伝送ライン回路はさらに前記第２の
    基体の前記表面と各ストリップライン導体との間に延在
    する複数の同軸ライン転移部を含み、前記各転移部は前
    記基体が組立てられたときに前記第１の基体の同軸ライ
    ンの対応した中心導体に電気的に接続された転移部中心
    導体素子を含んでいる請求項８記載のモジュール。
  10. 【請求項１０】 前記第１の基体は、前記放射状パワー
    分割器および前記放射状に延在した伝送ラインを限定す
    るように導電材料が埋設された低温コファイアドセラミ
    ック材料の複数の層を含んでいる請求項１記載のモジュ
    ール。
  11. 【請求項１１】 垂直同軸伝送ラインは前記伝送ライン
    出力端部と前記基体が組立てられるときに前記第２の基
    体に隣接して配置された前記第１の基体の表面との間を
    接続するために前記第１の基体において限定されている
    請求項１０記載のモジュール。
  12. 【請求項１２】 前記垂直同軸ラインは、第１の厚さを
    有する前記基体の環状領域に配置され、この環状領域に
    囲まれた前記放射状分割器が限定される領域は前記第１
    の厚さより小さい第２の厚さを有している請求項１１記
    載のモジュール。
  13. 【請求項１３】 前記第１の基体上で限定され、入力垂
    直同軸伝送ラインを含む中心導体に延在する入力マイク
    ロストリップラインを含み、前記入力同軸ラインが前記
    第１の基体に埋設されたストリップライン導体に延在
    し、前記ストリップライン導体は前記放射状パワー分割
    器を付勢するために前記第１の基体に埋設された同軸プ
    ローブにＲＦ入力パワーを導く請求項１１記載のモジュ
    ール。
  14. 【請求項１４】 前記伝送ライン出力端部において前記
    ＲＦ信号の位相を等化するために前記伝送ライン出力端
    部においてＲＦ信号の相対位相を調節する位相補償手段
    を具備している請求項１記載のモジュール。
  15. 【請求項１５】 基体上で限定された複数の放射状に延
    在する伝送ラインに入力信号のパワーを分割する放射状
    パワー分割器を具備し、前記伝送ラインが各出力端部で
    終端する低温コファイアドセラミック材料から形成され
    る第１の基体と、 その上に取付けられた複数の能動固体パワー増幅器と各
    増幅器の出力を結合して結合器出力を供給する放射状パ
    ワー結合器とを含む第２のセラミック基体とを具備し、 第１および第２の基体が集積マイクロ波装置を形成する
    ように組立てられ、 さらに、前記増幅器のそれぞれの入力に前記放射状に延
    在する伝送ラインの各出力端部を接続する伝送ライン回
    路と、 前記第２の基体に隣接して組立てられ、前記結合器出力
    に結合された導波体を含むヒートシンクとを具備し、前
    記放射状パワー結合器が導波体転移部に対して同軸によ
    り前記ヒートシンク導波体に結合されていることを特徴
    とする固体ハイパワーマイクロ波増幅器モジュール。
  16. 【請求項１６】 前記ヒートシンクはさらに冷却剤液が
    前記ヒートシンクから熱を除去するように循環されるこ
    とを可能にする冷却剤通路を備えている請求項15記載の
    モジュール。
  17. 【請求項１７】 前記増幅器の入力に達する前記第２の
    基体中の対応した伝送ラインに前記第１の基体中の前記
    伝送ライン端部を結合する複数の同軸ＲＦ転移部を含ん
    でいる請求項15記載のモジュール。
  18. 【請求項１８】 前記第２の基体は窒化アルミニウムか
    ら構成されている請求項15記載のモジュール。
  19. 【請求項１９】 前記第１の基体はさらに前記基体中に
    埋設された複数の垂直同軸伝送ラインを含み、１つがそ
    れぞれ前記放射状に延在した伝送ラインの１つの出力端
    部に隣接し、前記各同軸ラインは前記出力端部に接続さ
    れた中心導体を含み、前記同軸ラインは前記基体が組立
    てられたときに前記第２の基体の表面に隣接する第１の
    基体の表面に延在し、前記垂直同軸伝送ラインは前記伝
    送ライン回路を含んでいる請求項15記載のモジュール。
  20. 【請求項２０】 前記伝送ライン回路はさらに前記第２
    の基体の前記表面と各ストリップライン導体との間に延
    在する複数の同軸ライン転移部を含み、前記各転移部は
    前記基体が組立てられたときに前記第１の基体の同軸ラ
    インの対応した中心導体に電気的に接続された転移部中
    心導体素子を含んでいる請求項19記載のモジュール。
  21. 【請求項２１】 前記伝送ライン出力端部において前記
    ＲＦ信号の位相を等化するために前記伝送ライン出力端
    部においてＲＦ信号の相対位相を調節する位相補償手段
    を具備している請求項15記載のモジュール。
JP5080729A 1992-04-07 1993-04-07 固体マイクロ波パワー増幅器モジュール Pending JPH0645850A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US864980 1992-04-07
US07/864,980 US5218322A (en) 1992-04-07 1992-04-07 Solid state microwave power amplifier module

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH0645850A true JPH0645850A (ja) 1994-02-18

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