CN107275741B - 一种新型的毫米波波导径向功率合成电路 - Google Patents

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Abstract

本发明所述一种新型的毫米波波导径向功率合成器,该合成器利用八路矩形波导Y分支将径向排列的八个基于扇形波导的功率合成器合为一路。本发明所述功率合成器与传统的基于圆波导径向架构的功率合成器相比，分支路端口幅相一致性能更好，此外该电路还具有小型化，宽频带的特点，可用于满足毫米波多路高效率高功率合成需求。

Description

一种新型的毫米波波导径向功率合成电路
技术领域
本发明涉及微波毫米波技术领域，特别涉及毫米波功率合成技术领域。
背景技术
随着微波毫米波微电子技术在***应用的深入开展，微波毫米波全固态高功率发射***已成为现代先进微波毫米波通信和雷达的标志。通常，微波毫米波高功率获取主要有两个途径：真空电子功率器件和固态功率器件。电真空器件包括传统的调速管和行波管功率放大器，它们虽然可以提供高功率的输出，但工艺上实现难度较大，不能批量生产，而且工作电压很高(数十千伏)，体积大，可靠性低，寿命短，线性度低。以上缺点限制了电真空器件在微波毫米波领域的应用。固态器件供电电压低，可靠性高，体积小，重量轻，使用方便，所以固态器件的应用日益广泛。但相对于电真空器件，虽然工艺，材料和设计水平在不断发展，单个固态器件的输出功率依然有限，而且散热问题，阻抗匹配问题的限制，使其单独应用常常达不到指标要求，因而通常采用多个器件，利用功率合成技术，从而达到大功率输出的目的。
近年来，微波毫米波的功率合成技术得到了迅猛的发展，各种功率分配合成电路相继被提出并应用。传统的功率合成电路有Wilkinson功分器、Lange耦合器和分支线耦合器等，这些传统的合成/分配电路由于属于多级合成电路，且随着合成路数增加合成效率迅速降低，在高合成效率的场合已经不能满足实际需要。为了解决合成效率低的问题，各种新型的功率合成技术不断涌现，其中自由空间波的功率合成以及准光空间功率合成得到了广泛的研究与发展。自由空间功率合成技术仅适合于在空间功率需求点获取高功率，这类技术不便于实现标准接口的固态高功率输出，不利于***应用推广；可实现具有标准输出口的准光空间功率合成技术也面临合成能量收集效率低下，合成网络中高次模式影响，合成网络频率带宽窄，辐射损耗等问题。因此，在九十年代基于波导的空间功率合成技术应运而生。基于波导的空间功率合成技术合成效率较高，带宽比较宽，能有效的防止辐射损耗，具有良好的散热性能，结构简单易实现等优点，较好地弥补了准光功率合成技术和自由空间功率合成技术的不足。同时，它可以不受工作频率及波导尺寸的限制，工作于微波、毫米波以及更高的亚毫米波频段，有效地解决了在更高频段实现高功率输出的难题。
波导结构具有低损耗和大功率容量的特点，所以在高功率微波***和毫米波***中，波导的功分/合成电路有着无可替代的作用。波导结构与传统的功分/合成电路(例如Wilkinson功分器、分支线耦合器等)相比，有着无可比拟的优点。径向波导合成器采用多路波导径向构架，可在一级波导电路中实现多路合成，具有低损耗、多支路特点，并可具有高功率容量特性，是一种微波毫米波多路高效率高功率合成网。径向波导功率合成中最常见的是基于圆波导径向功率合成，它利用圆波导TE01模的圆周对称性实现功率的均匀分配，但是圆波导TE01模式是圆波导内的第五高次模式，需要通过低次模式抑制结构来获得。在实际应用中，圆波导内TE01模式的纯净度难以得到保证，不纯净的TE01模式会恶化圆波导径向架构的功率合成分支路幅相一致性能。
本发明提出了一种新型的毫米波波导径向构架功率合成器，该合成器由八个扇形波导功率合成器配合八路矩形波导Y分支构成，保留径向结构优势的同时又能保证分支路端口的幅相一致性，因此可用于实现稳定可靠的微波毫米波多路高效率高功率合成。
发明内容
鉴于现有技术上的缺陷，本发明所要解决的技术问题是实现一种基于径向构架的多路波导功率合成网络，并避免圆波导径向架构功率合成分支路端口幅相不一致的问题。
图1为本发明整体模型图，图2为单个基于扇形波导功率合成器，图3为八路矩形波导E面Y分支。如图2所示，本发明所述的基于扇形波导的功率合成器主要包括：一段45°波导径向传输线6，电磁场在径向波导6内沿径向传输；位于45°波导径向线底端向上凸起的扇形阶梯短路面5；靠近45°波导径向线底端，径向排列的多路矩形波导7；与径向传输线顶端相连的45°扇形波导4，电磁场在扇形波导4内沿轴向传输；扇形波导到矩形波导过渡结构3。由支路矩形波导口馈入的N路幅度相等、相位相同的矩形波导TE10模式信号经过45°径向线6馈入到扇形波导4，并在扇形波导4内合成扇形波导TE01模，再通过扇形到矩形波导过渡结构3转变成矩形波导TE10模式输出。
如图1、3所示，本发明所述的合成器通过八路矩形波导Y分支1将径向排列的八个基于扇形波导的功率合成器合为一路。
本发明所述的基于扇形波导功率合成器1，多路径向排列的矩形波导7一端伸向45°径向波导6，两两相邻的矩形波导7在连接处宽边共用；矩形波导另一端向四周延伸，且窄边逐渐增加并达到标准矩形波导高度b，并与标准矩形波导相连，形成多个标准矩形波导支路；当分支路数大于2时，排列在45°径向波导两旁的矩形波导窄边尺寸应略大于排列在中间部分的矩形波导。
在本发明所述的功率合成器中，45°径向波导6底端的阶梯短路面5用以实现45°径向波导口的良好匹配，该阶梯短路面5结构和形状可通过电磁场仿真优化得到。
本发明所述的功率合成器特点在于：(1)合成支路数目多，理论上可通过增加45°径向波导6半径R以及减小连接处矩形波导高度b实现更多支路数的功率合成器；(2)多路功率合成由金属波导电路网络实现，具有损耗低的特点(3)高功率容量，通常金属波导的功率容量高于其他集成传输线。(4)良好的支路端口的幅相一致性。相较于圆波导TE01模式，扇形波导的TE01模式是扇形波导内较低次模式，当扇形波导夹角小于45°时，扇形波导TE01模是扇形波导主模。这就避免了基于圆波导径向架构的功率合成因圆波导TE01模式不纯净导致的分支路幅度相位不一致的问题。
以下将结合附图和实施实例对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明所述功率合成器及实施例的总体结构图。
图2是本发明所述功基于扇形波导多路合成器及实施例结构图。
图3是本发明所述八路矩形波导E面Y分支结构图。
图4是本发明实施例的总端口反射系数以及各矩形波导支路端口-总端口传输系数幅度。
图5是本发明实施例的各矩形波导支路端口-总端口传输系数相位。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本具体实施例为一个八毫米波段基于径向架构的16路功率合成器。在实施例中，矩形波导E面Y分支2将径向排列的八个基于扇形波导的功率合成器1合为一路，记为端口1。扇形波导4半径R＝6.8mm，16路渐变矩形波导7宽边尺寸a不变，为7.112mm；窄边尺寸在连接处为b＝2.3mm，并渐变到b＝3.556mm。这样16路矩形波导端口和标准矩形波导BJ320尺寸(7.112mm×3.556mm)相同，这里依次记为端口2-17。45°径向波导6底端阶梯短路面5由一级阶梯构成，阶梯高度h1＝2.5mm，直径d1＝3mm。
图4、5为本发明实施例的电特性效果图，图4为总端口的反射系数图以及各矩形波导支路端口-总端口传输系数幅度，可以看出在31.5GHz-38.5GH频段内，总端口的反射系数优于-20dB。16路分支路端口的传输系数幅度在31-38GHz的频段内幅度不平衡性小于0.2dB，***损耗小于0.2dB。图5为总端口到16路分支路端口的传输系数相位，在31-38GHz频率范围内各矩形波导支路端口-总端口传输系数几乎具有相同的相位关系。
由以上结果可以看出，本发明所述功率合成器在八毫米波频段实现了多路功率合成功能，并且合成器支路端口具有良好的幅相一致性。由实施例可以看出，本发明所述功率合成器可用于实现稳定可靠的毫米波频段多路高效率高功率。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围。

Claims (4)

1.一种新型的毫米波波导径向功率分配/合成电路，其特征在于，所述功率分配/合成电路由八个径向排列的基于扇形波导的功率合成/分配器(1)配合八路矩形波导E面Y分支(2)构成；
所述基于扇形波导的功率合成/分配器(1)包括：一段45°波导径向传输线(6)，位于所述45°波导径向传输线(6)底端、向上凸起的扇形阶梯短路面(5)，靠近所述45°波导径向传输线(6)底端、径向排列的多路第一矩形波导(7)，一端与所述45°波导径向传输线(6)相连的45°扇形波导(4)，以及与所述45°扇形波导(4)另一端相连的扇形波导到矩形波导过渡结构(3)；
所述基于扇形波导功率合成/分配器(1)中，所述第一矩形波导(7)一端伸向所述45°波导径向传输线(6)，另一端向外延伸；两两相邻的所述第一矩形波导(7)在连接处宽边共用；所述向外延伸的第一矩形波导(7)窄边逐渐增加直到达到标准矩形波导高度b，并与标准矩形波导相连，形成多个标准矩形波导支路；当所述标准矩形波导支路的分支路数大于2时，排列在所述45°波导径向传输线(6)两旁的所述第一矩形波导(7)窄边尺寸大于排列在中间部分的第一矩形波导(7)；当所述标准矩形波导支路的支路数目增加，所述第一矩形波导(7)在连接处的高度减小；
所述八路矩形波导E面Y分支(2)连接八个基于扇形波导的功率合成/分配器(1)中的扇形波导到矩形波导过渡结构(3)，用于将径向排列的八个基于扇形波导的功率合成器(1)合为一路。
2.根据权利要求1所述的新型的毫米波波导径向功率分配/合成电路，其特征在于，所述基于扇形波导功率合成/分配器(1)中，在所述45°径向波导传输线(6)底端的阶梯短路面(5)由向内凸起的多级扇形梯台构成，梯台级数、梯台高度、梯台半径根据工作频率和带宽要求优化得到。
3.根据权利要求1或2所述的新型的毫米波波导径向功率分配/合成电路，其特征在于，所述基于扇形波导功率合成/分配器(1)中，所述扇形波导到矩形波导过渡结构(3)为与所述45°扇形波导(4)直接连接的第二矩形波导，所述第二矩形波导位于所述45°扇形波导(4)中心位置，一端伸向所述45°扇形波导(4)，另一端径向向外延伸；所述第二矩形波导宽边与所述45°扇形波导(4)轴线平行，所述第二矩形波导宽边为标准波导大小，窄边在保证传输系数的要求下优化得到。
4.根据权利要求1所述的新型的毫米波波导径向功率分配/合成电路，其特征在于，N路幅度相等、相位相同的矩形波导TE10模式信号通过所述第一矩形波导(7)馈入到所述毫米波波导径向功率分配/合成电路中，N为所述第一矩形波导(7)的数目；每个所述基于扇形波导的功率合成/分配器(1)中，所述第一矩形波导(7)连接的矩形波导TE10模式信号经过所述45°波导径向传输线(6)馈入到所述45°扇形波导(4)，并在所述45°扇形波导4内合成扇形波导TE01模，所述扇形波导TE01模通过所述扇形波导到矩形波导过渡结构(3)转变成矩形波导TE10模式输出；其中电磁场在所述45°波导径向传输线(6)内沿径向传输，在所述45°扇形波导(4)内沿轴向传输。
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