CN105356025A - 基于te01模的径向波导功率分配器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于毫米波频率高端的波导多路功率分配器。该径向波导功率分配器基于圆波导TE₀₁模，包括一个矩形波导输入端口，一个圆波导，一个匹配结构以及若干个(n≥2)矩形波导输出端口。矩形波导中的TE₁₀模经模式转换器在圆波导内合成为一个TE₀₁模，从而实现圆波导横街面上电场分布的时空对称性，经多路功率分配器实现圆波导内TE₀₁模到n个矩形波导TE₁₀模的模式转换和能量分配，每个输出端口的信号等幅同相。该发明避开了使用同轴线的TEM模，其好处主要是电路的尺寸更大，降低了加工要求，另外圆波导TE₀₁模随着频率升高损耗减小，该结构尤其适用于毫米波频率高端的功率分配与合成电路。

Description

基于TE01模的径向波导功率分配器

技术领域

本发明涉及毫米波功率合成技术领域，具体涉及一种基于圆波导TE₀₁模的径向波导功率分配器。

背景技术

毫米波功率放大器是毫米波***的核心部件，是毫米波领域的研究热点，毫米波功率放大器被广泛运用于军事雷达***、射电天文学和太空以及短距离无线高速传输等领域，有着巨大的应用价值和市场前景。随着三五族半导体技术的成熟，单个固态功率放大器MMIC的输出能力不断提升，采用组合多个相干放大器的功率合成技术可以将放大器的功率输出能力成倍提升，从而达到取代中小型行波管的目的，可实现体积小、重量轻、成本低、可靠性高、寿命长、电压低、失效率低等性能。

对于多功率合成技术而言，最为重要的是实现多路、宽带、低损耗的功率分配器，将一路信号分为若干路分别放大后，再将功率分配器用作功率合成器完成多路信号的合成，最终***的输出功率等于每个固态器件输出功率之和，从而实现输出功率的倍增。

美国QuinStar公司的JamesSchellenberg等人研制了一种工作于W-Band的多路合成式功率放大器模块[“W-Band,5WSolid-StatePowerAmplifier/Combiner”，作者：JamesSchellenberg,EdwardWatkins,MiroslavMicovic,BumjinKim,andKyuHan；InternationalMicrowaveSymposiumDigest.IEEE,2010,240-243.]，该W波段多路功率合成放大器的核心电路是一个基于TEM模的同轴径向功率分配器，先将矩形波导过渡为同轴线，实现TE₁₀到TEM模式的转换，在利用同轴线TEM模激励径向功率分配器，每个输出端口可以获得等幅同相的信号，经固态器件放大后，再合为一路。该电路中，同轴线的尺寸非常小，需要非常严苛的加工和装配要求，制造成本高且成品率低，当工作频段更高时，尺寸更小，这种结构就更加难以实现。

本发明采用圆波导代替同轴线结构，利用圆波导中的高次模TE₀₁模，作为主要模式，具有损耗随频率呈反比，电路尺寸大等优势，尤其使用与毫米波高端频率的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够适用于毫米波频率高端的波导多路功率分配器，利用模式转换器在圆波导中激励起TE₀₁模。TE₀₁模不仅是时间对称模，也是空间对称模，因此在各个分配端口可以得到等幅同相的信号。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该波导功率分配器包括一个矩形波导输入端口，一个圆波导，一个匹配结构以及若干个(n≥2)矩形波导输出端口。矩形波导中的TE₁₀模经180°功分器分为两路幅度相等、相位相差180°的信号，这两路信号再经由第二级两个完全相同的180°功分器，得到幅度相同、相位依次滞后180°的四路信号，这四路信号通过匹配结构，在圆波导内合为一个TE₀₁模，从而实现圆波导横截面上电场分布的时空对称性；该圆波导输入口、匹配结构以及若干个(n≥2)矩形波导输出端口，可以实现TE₀₁模到n个矩形波导TE₁₀模的模式转换和等幅同相功率分配。

进一步的是，所述180°功分器为180°Y型波导功分器，两个输出口分别通过S型弯波导馈入到另外两个Y型波导功分器。

进一步的是，所述的第二级Y型波导功分器通过波导弧形拐弯将四路信号的输出位置调整到圆波导激励口，用于激励TE₀₁模。

进一步的是，所述径向功率分配器的输入信号为TE₀₁模，分为n≥2路矩形波导的TE₁₀模，每个输出端口的等幅同相。其中匹配结构为一个薄的大圆台。

本发明的有益效果：该径向波导功率分配器利用模式转换实现输入矩形波导TE₁₀模到圆波导TE₀₁模的转换，虽然TE₀₁模是高次模，但由于该结构的模式转换部分的特殊设计以及其馈电方式可以有效的抑制其他模式，实现单模传输。圆波导内TE₀₁模的场结构关于圆心呈时空对称性，能够用于径向功率分配器，得到n路信号的等幅功分。该发明与使用同轴线的TEM模相比，其好处主要是电路的尺寸更大，降低了加工要求，该结构尤其适用于毫米波频率高端。

附图说明

图1是本发明基于TE₀₁模的径向波导功率分配器的结构示意图(径向波导功率分配器1的结构图)；

图2是本发明基于TE₀₁模的径向波导功率分配器中的结构俯视图(径向波导功率分配器1的结构俯视图)；

图3是本发明基于TE₀₁模的径向波导功率分配器中的分配器示意图(分配器6及其剖面的示意图)；

图4是本发明基于TE₀₁模的径向波导功率分配器的曲线图(基于TE₀₁模的径向波导功率分配器的S参数图)；

图5是本发明基于TE₀₁模的径向波导功率分配器应用于功率合成电路示意图(本发明应用于功率合成电路示意图)；

图6是本发明基于TE₀₁模的径向波导功率分配器应用于功率合成电路的曲线图(本发明应用于功率合成电路的无源网络S参数图)；

图1中标记说明：输入端口1、Y型波导功分器2、201和202、模式转换器匹配501、圆波导502、输出端口P1，P2，…，Pn。图2中标记说明：圆波导的四个激励口位置301、302、303和304。图3中标记说明：分配器6，其剖面显示了其匹配结构601，601包含薄台602。图4中标记说明：m1为每个输出口的耦合量，以n＝12为例，m1＝-10·log(n)＝-10.73dB，红线代表端口1的回波损耗。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

如图1所示，该径向波导功率分配器1，是由圆波导502一端连接模式转换部分4(图2所示)，另一端连接分配器6(图3所示)构成。所述径向波导功率分配器1输入端口1，输出端口为P1，P2，…，Pn(n≥2)。图1、2所示，该模式转换部分，包括输入端口1、第一级180°Y型波导功分器2、两端S型拐弯波导203和204、两个第二级180°Y型波导功分器201和202、圆波导502的激励接口301、302、303和304、来完成从矩形波导输入口1的TE₁₀到圆波导输出口502的TE₀₁模的转换；如图3所示，该分配器6，包括圆波导502、输出口P1，P2，…，Pn(n≥2)、匹配结构601，所述匹配结构601由一个薄台结构602构成。

在上述实施方式中，输入信号模式为TE₁₀模，从矩形波导端口1输入，经由第一级180°Y型波导分支结分为两路幅度相等相位相差180°的信号，这两路信号分别通过S型弯波导203和204，任然保持幅度相等相位相差180°，然后再分别经过第二级两个180°Y型波导分支结201和202，分为四路幅度相等的信号。

四个波导弯头将信号导行至圆波导502的四个激励口301、302、303和304处得到四个幅度相等的信号，它们的相位依次滞后180°。通过匹配结构501可以在圆波导502内激励起TE₀₁模。圆波导中的TE₀₁模，可以通过分配器6分为若干路，其中匹配结构601可以使输入端口1的反射系数最小，所述匹配结构601由薄台602构成，分配器6从而实现圆波导502内TE₀₁模到矩形波导输出端口P1，P2，…，Pn处TE₁₀模的功率等幅同相分配。

另外，将一对径向波导功率分配器的输出口对接，可以实现信号能量的分配与合成，可以广泛用于微波毫米波功率合成放大器中。

实施例

在该实施例中，如图1所示结构，径向波导功率分配器工作于W频段，工作频率90～98GHz，输入端口1、输出端口P1，P2，…，Pn为BJ100标准矩形波导，尺寸2.54mm×1.27mm，圆波导502的直径为2.39mm。信号由端口1输入，经过模式转换器转换为圆波导502内的TE₀₁模，再经分配器6等幅分配到输出端口P1，P2，…，Pn，此实例中，n＝12，每个输出端口的耦合量为-10·log(n)＝-10.73dB。各端口关于圆波导502中心对称，具有良好的幅相平衡型，各端口的S参数如图4所示，输入口的回波损耗小于-20dB，各输出端口的***损耗几乎相等，均在10.78dB左右。

将一对径向波导功率分配器的输出口对接就可以用于功率合成放大器中。如图5所示，将输出端口用微带探针耦合到微带线上，接入放大器将分配出来的信号放大后，再微带探针耦合到合成器的各输入端，就能实现信号功率合成，其S参数如图6所示，在91-97GHz范围内，端口回波损耗小于-16dB，***损耗小于0.5dB。该发明在毫米波，尤其是毫米波频率高端的功率合成电路中具有极大的应用价值。

Claims (5)

1.基于TE₀₁模的功率分配器（1），所述径向波导功率分配器（1）包括矩形波导输入端口（1）以及多个功率分配端口（P1，P2，···，Pn），所述功率分配器（1）通过一个180°功分器（2）分为两路幅度相等的信号（201）和（202），这两路信号相位相差180°，分别再经过180°功分器（201）和（202）后，又分为四路幅度相等的信号，可以在模式转换器（4）的四个激励口（301）、（302）、（303）和（304）处得到四个幅度相等的信号，它们的相位依次滞后180°，再经过四个弯波导，可以在圆波导（502）的激励口满足关于中心对称的环形电场激励条件，通过匹配结构（501）就可以激励起圆波导TE₀₁模。TE₀₁模在圆波导（502）的横截面上具有空间对称性，可以通过分配器（6）分为若干路，其中匹配结构（601）可以使输入端口（1）的反射系数最小，从而实现输入端口（1）到输出端口（P1，P2，···，Pn）的功率等幅同相分配。当在端口（P1，P2，···，Pn）输入等幅同相的信号时，径向功率分配器（1）就可以在端口（1）得到n路信号的合成。

2.如权利要求1所述的径向功率分配器，其特征在于：所述180°功分器（2）为波导180°Y型功分器。

3.如权利要求1所述的第二级180°功分器（201）和（202）也为Y型波导功分器，通过波导弧形拐弯将四路信号的输出位置调整到圆波导激励口，用于激励TE₀₁模。

4.如权利要求1所述的径向功率分配器，其特征在于：径向功分器（6）中的匹配结构（601）由一个薄的大圆台（602）组成，分配路数n≥2。

5.如权利要求1所述的径向功率分配器用于功率合成电路时，其特征在于：信号从端口（1）输入，经n路放大器放大后，再将本径向功率分配器当作功率合成器使用，从端口（101）得到合成信号。