CN102280681A - 同轴-脊波导-微带转换结构功分器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种同轴-脊波导-微带转换结构超宽带多路功分器，输入同轴接头与扩展同轴波导之间采用锥体同轴渐变过渡，这种锥体同轴渐变过渡以及脊波导-微带转换结构都可以实现超宽带阻抗匹配；N个脊波导-微带转换结构在扩展同轴波导内沿圆周均布以实现N路并行功分，整个功分电路具有轴对称性，以保证N路功分信号幅度相等，相位一致，N路信号功分可一步实现，可最大限度地减小信号传输损耗。使本发明具有超宽带、低传输损耗、可实现任意多路功分输出、各路功分输出信号幅度与相位一致性好、带内平坦的群时延特性、与***其他平面电路易于集成等优点。本发明主要用于微波毫米波功率合成放大***、阵列天线等，在通信、雷达等微波毫米波***中有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于扩展同轴波导的空间功率分配器，具体地说涉及一种新型的同轴-脊波导-微带转换结构的超宽带多路功分器。
背景技术
随着军用与民用通信***的快速发展，对于高效、宽带大功率放大器的需求与日俱增。单个固态器件输出功率由于受自身半导体物理特性的影响以及加工工艺、散热、阻抗匹配等问题限制而远远达不到功率应用的要求。为了解决这一问题，人们研究了采用多个固态器件进行功率的分配、放大、合成的方法来获得高功率输出，即固态功率合成技术。因此，宽带多路功分器/合成器成为宽带大功率合成放大器的关键部件，直接决定了大功率合成放大***性能指标的好坏。
在各种功率合成技术中，传统的混合型功分/合成电路，如Wilkinson功分器、Lange耦合器和分支线耦合器等，在微波毫米波频段由于功率合成效率低或工作带宽窄等一些固有的缺陷已不适用；准光功率合成技术在结构实现上比较复杂，不易小型化，而且工作带宽较窄；矩形波导功分/合成电路带宽受限于低端截止频率，其色散特性使宽带阻抗匹配较难实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种超宽带多路功分器，克服现有功率合成技术中带宽窄、损耗大、功分/合成端口数量少等缺陷，使得功分器具有超宽带、低传输损耗、可实现任意多路功分输出、各路功分输出信号幅度与相位一致性好、带内平坦的群时延特性、与***其他平面电路易于集成等优点。
为了实现上述目的，本发明提出了一种新型同轴-脊波导-微带转换结构的超宽带多路功分器。其具体技术方案如下：同轴-脊波导-微带转换结构功分器包括输入同轴接头、同轴锥形渐变过渡、展同轴波导、包含多级阶梯脊波导和微带线输出结构。其特征在于，所述同轴波导功分器结构为轴旋转对称结构，采用同轴-脊波导-微带转换结构实现多路等幅同相功分和同轴-微带过渡，有一个同轴输入端口和多个微带输出端口。
射频信号由输入同轴接头馈入后，通过锥形同轴渐变过渡传输到扩展同轴波导，以实现标准同轴接头和扩展同轴间良好的超宽带阻抗匹配，使输入端信号反射最小。
输入同轴接头与扩展同轴波导之间通过锥形同轴渐变过渡实现良好的超宽带阻抗匹配，也可以通过同轴内导体或者/和外导体多级阶跃实现良好的超宽带阻抗匹配。
扩展同轴波导与微带线之间通过多级阶梯脊波导实现阻抗过渡，或者采用曲线函数渐变脊(如呈指数、正弦或余弦函数等过渡)波导过渡。多级阶梯脊波导或曲线函数渐变脊波导过渡一方面实现超宽带阻抗匹配，另一方面实现多路信号功率的等幅同相分配，一步完成信号功率由输入同轴接头到多路微带线等幅同相的输出。
每路实现过渡的多级阶梯脊具有相同的形状，包括脊的厚度，高度等各个方面，以实现各端口的等幅同相输出。脊片始端呈三角形，之后每一级呈矩形，并且最后一级距扩展同轴内导体的距离与介质基板厚度相同。
在同轴波导中，所有多级阶梯脊沿圆周均布，相邻脊之间的夹角相等，且其夹角为360/N(N为功率分配数目，比如十六路功分器，N＝16)；所有多级阶梯脊的分布具有轴对称特性，以保证每路功分信号具有等幅同相特性。
各个多级阶梯脊固定于外导体上，整个同轴波导内可采用空气或介质填充。各路多级阶梯脊的终端跟微带线直接连接。这种新型超宽带多路功分器，它包括一路功率输入端口，多路输出端口(十六路，二十四路或者更多)，同轴锥形过渡，以及脊波导过渡。
本发明所提出的同轴-脊波导-微带转换结构功分器工作原理如下：
N个脊波导-微带转换结构在同轴功分器内沿圆周均布以实现N路并行功分，整个功分电路具有轴对称性，以保证N路功分信号幅度相等，相位一致，N路信号功分可一步实现，可最大限度地减小信号传输损耗。
这种并行功分电路结构和场分布都具有轴对称性，只要保证实现信号功分功能的脊波导-微带转换结构沿圆周均匀分布，就可以实现各路功分输出信号幅度与相位一致，而与信号功分路数无关。因此，本发明可实现任意功分路数(功分路数可为2，3，4，5，…等)，极大地增加了电路设计灵活性，可满足各种不同的特殊的设计需求。
当需要增加这种功分电路的信号功分路数时，只要在同轴波导内增加脊波导-微带转换结构数量并保证功分电路的轴对称性就可实现，因此，本发明可实现大数量的信号功分路数(功分路数可达16路或32路以上)，在微波毫米波多功率器件大功率合成***中有应用优势。
本发明所提出的同轴功分器电磁场工作模式主要为TEM和准TEM模，没有传输截止频率，具有超宽带工作潜力；为了使扩展同轴波导容纳大量的脊波导-微带转换结构以实现大数量信号功分，扩展同轴波导尺寸往往远大于标准信号输入同轴接头，因此，在标准同轴接头与扩展同轴波导之间采用锥形同轴渐变过渡或阶跃同轴过渡以实现良好的超宽带阻抗匹配；从扩展同轴波导到微带线输出端口间的脊波导-微带转换结构可采用多级脊波导或渐变脊波导以实现到微带线良好的超宽带阻抗匹配。通过脊波导-微带转换结构将扩展同轴波导中的TEM场转换为多路平面微带传输线的准TEM场。因此，本发明所提出的同轴功分器具有超宽带特性。
本发明输出端采用微带传输线，与***其他平面电路和功率器件(如功率MMIC，功率FET管等)易于集成。
通过采用同轴-脊波导-微带转换结构，将单个同轴接头输入信号分配成N路微带线输出信号，使得本发明具有损耗低、超宽带、大数量功分路数、功分信号幅相一致性好、易于与有源功率器件集成的特点。本发明主要用于微波毫米波功率合成放大***、阵列天线等，在通信、雷达等微波毫米波***中有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明中四路同轴-脊波导-微带转换结构功分器三维结构示意图；
图2是图1的剖面结构示意图；
图3是图1和图2中四路同轴功分器的反射参数S11和其中一路传输参数S21的频率特性曲线；
图4是本发明中十六路同轴-脊波导-微带转换结构功分器结构示意图；
图5是图4中十六路同轴功分器的反射参数S11和其中一路传输参数S21的频率特性曲线。
附图中标号对应名称为：
(1)同轴接头，(2)锥形同轴渐变过渡，(3)多级阶梯脊，(4)微带线，(5)扩展同轴波导，(6)扩展同轴外导体，(7)扩展同轴内导体，(8)微带线地载板，(9)介质基片。
具体实施方式
下面通过举例来说明本发明的优点。
实施例1
此例为同轴-脊波导-微带转换结构超宽带四路功分器。
如图1和图2所示。本发明提出的基于扩展同轴波导的新型四路功分器包含五个部分，分别是：功分器信号输入端口SMA同轴接头；SMA同轴接头与扩展同轴波导之间锥体同轴渐变过渡；扩展同轴波导；四路同轴-脊波导-微带转换结构；微带线输出端口。
功分器输入端口SMA同轴接头采用商业标准SMA接头，其参数为：内导体外半径r＝0.65mm，外导体内半径R＝2.1mm。锥体同轴渐变过渡是从SMA同轴接头的内外导体到扩展同轴波导的内外导体的直线型过渡形成，其长度根据设计要求优化得到，以保证带内过渡引起的回波反射最小。
扩展同轴波导内四路脊波导-微带转换结构完全相同，且等角度均匀对称固定在扩展同轴外导体上，整个腔内无介质填充，脊的材质选为铝铜等金属导体。图1和图2所示的四路功分器采用五阶脊波导过渡，从左向右沿波的传播方向分别为第1、2、3、4、5级。第1级用三角形过渡脊，其余四级采用矩形过渡脊。脊的每级宽度相同，脊距离内导体高度从左向右依次递减，其中最后一级(第5级)脊高度大小与图2所示微带介质基片厚度相同，以保证脊与微带线良好接触。每级脊波导的长度、宽度、高度参数大小采用全波仿真软件仿真得到，保证带内过渡引起的回波反射最小。
图3是四路功分器的S参数结果。本发明能够实现在5GHz到18.1GHz的工作频带范围内反射损耗小于-20dB，***损耗小于0.2dB，相对带宽约为110％。
实施例2
此例为同轴-脊波导-微带转换结构超宽带十六路功分器。
如图4所示。本发明提出的十六路超宽带功分器与四路功分器结构相似，不同之处在于扩展同轴波导内包含十六路同轴-脊波导-微带转换结构和十六个微带线输出端口，从而实现十六路信号功率分配。十六个脊波导的长度、宽度、高度参数大小完全相同，以保证十六路微带线输出端口的功分信号具有相同的相位和幅度。
十六路超宽带扩展同轴功分器S参数如图5所示。本发明在6.7GHz到19.3GHz的频带范围内反射损耗小于-20dB，插损小于0.2dB，相对带宽约为100％。
通过上述两个实施例可以看出，本发明在功分路数增多时，仍然具有超宽带和低损耗特性，电路结构简单，装配方便，很容易与其他外部平面电路进行集成；同时，此类结构功分器路数的增加对带宽影响很小，能够扩展设计成三十二路，六十四路等更多支路的功分器。
Claims (13)
1.同轴-脊波导-微带转换结构功分器，包括输入同轴接头(1)、同轴锥形渐变过渡(2)、扩展同轴波导(5)、包含多级阶梯脊(3)的脊波导和微带线(4)输出结构。其特征在于，所述同轴波导功分器结构为轴旋转对称结构，采用同轴-脊波导-微带转换结构实现多路等幅同相功分和同轴-微带过渡，有一个同轴接头(1)输入端口和多个微带线(4)输出端口。
2.根据权利要求1所述，射频信号由输入同轴接头(1)(采用SMA接头、N型接头、K接头等同轴连接器，接头的选择并不是固定的，具体使用什么型号的接头由设计决定)馈入。
3.根据权利要求1所述，信号从输入同轴接头(1)馈入后，通过锥形同轴渐变过渡(2)传输到扩展同轴波导(5)，以实现标准同轴接头(1)(采用SMA接头、N型接头、K接头等同轴连接器)和扩展同轴间良好的超宽带阻抗匹配，使输入端信号反射最小。
4.根据权利要求3所述，输入同轴接头(1)与扩展同轴波导(5)之间通过锥形同轴渐变过渡(2)实现良好的超宽带阻抗匹配，也可以通过同轴内导体或者/和外导体多级阶跃实现良好的超宽带阻抗匹配。
5.根据权利要求1所述，扩展同轴波导(5)与微带线(4)之间通过多级阶梯脊(3)波导实现阻抗过渡，或者采用曲线函数渐变脊(如呈指数、正弦或余弦函数等过渡)波导过渡。
6.根据权利要求1和5所述，扩展同轴波导(5)与微带线(4)之间，多级阶梯脊(3)波导或曲线函数渐变脊波导过渡一方面实现超宽带阻抗匹配，另一方面实现多路信号功率的等幅同相分配，一步完成信号功率由输入同轴接头(1)到多路微带线(4)等幅同相的输出。
7.根据权利要求6所述，每路实现过渡的多级阶梯脊(3)具有相同的形状，包括脊的厚度，高度等各个方面，以实现各端口的等幅同相输出。
8.根据权利要求6，7所述，对于多级阶梯脊(3)，脊片始端呈三角形，之后每一级呈矩形，并且最后一级距扩展同轴内导体(7)的距离与介质基板(9)厚度相同。
9.根据权利要求6所述，在同轴波导中，所有多级阶梯脊(3)沿圆周均布，相邻脊之间的夹角相等，且其夹角为360/N(N为功率分配数目，比如十六路功分器，N＝16)。
10.根据权利要求6所述，在同轴波导中，所有多级阶梯脊(3)的分布具有轴对称特性，以保证每路功分信号具有等幅同相特性。
11.根据权利要求1，6，7，8，9所述，在同轴波导中，各个多级阶梯脊(3)固定于外导体上，整个同轴波导内可采用空气或介质填充。
12.根据权利要求1，6所述，功率分配的各路多级阶梯脊(3)的终端跟微带线(4)直接连接。
13.新型超宽带多路功分器，包括一路功率输入端口，多路输出端口(十六路，二十四路或者更多)，同轴锥形过渡，以及脊波导过渡。
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