CN107706493A - 高隔离度同轴径向功率分配器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于毫米波频率的高隔离度同轴径向多路功率分配器。高隔离度该径向功率分配器包括一个同轴线输入端口，三个圆台匹配结构、若干个(n≥2)矩形波导输出端口、隔离端口及其匹配结构。同轴线中的TEM波经圆台匹配结构在矩形导内合成为TE₁₀模，经多个隔离端口引导实现同轴线内TEM波到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。增加隔离端口的好处主要是输出端口之间具有较高的隔离度，且相较于圆波导等结构，本发明中使用同轴线，采用同轴线的主模传输，模式纯净避免了高次模的干扰，该结构尤其适用于毫米波频率的功率分配/合成电路，也能够向更高频率扩展。

Description

高隔离度同轴径向功率分配器

技术领域

本发明涉及毫米波功率合成技术领域，具体涉及一种高隔离度的径向功率分配器。

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，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。近年来各个领域对放大器输出功率的要求越来越高，但由于单只管子输出功率有限，而提高单管输出功率不仅增加成本，而且随着输出功率的增加，导致稳定性和可靠性降低。因而采用组合多个相干放大器的功率合成技术是个必然的选择，该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。

功率分配器作为功率合成电路中的关键器件，直接影响功率合成效率，不仅要求分配幅度和相位具有一致性，而且还要求端口间具有较高的隔离度。而基于同轴形式的径向波导功率分配器由于具有抗干扰，损耗低，工作频带宽等优点，得到了广泛的应用。实现高隔离度的功率分配器是目前功率合成技术的重大难点。

本发明基于以上难题，提出了一个基于同轴线TEM模的多路径向具有高隔离的功率分配器。本发明的传输线均采用主模传输，模式纯净，避免了其它模式的干扰，在同轴线与矩形波导之间采用3阶圆台匹配结构，减少输入端口的回波损耗；另外输出端口之间新添加了隔离端口，且其匹配结构经过精密设计，能显著提升各端口之间的隔离度。本发明适用于毫米波频段中具有极大的应用价值，也能够向更高频率扩展。

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宽带高隔离度多路功率分配器，在各个输出端口得到等幅同相且具有高隔离度的信号。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该同轴径向功率分配器包括一个同轴线输入端口，一个圆台匹配结构，多个矩形波导输出端口、分支隔离端口及其相应的匹配结构。同轴线的一端作为输入端口，另一端连接一个圆台匹配结构，TEM波从同轴线的一端进入，到达圆台匹配结构，将TEM波转换为在矩形波导中传播的TE₁₀模，而后在隔离端口实现输出信号的隔离，最后在矩形波导端口输出丰富同相的多路信号。

进一步的是，所述同轴径向功率分配器中，同轴到矩形波导的圆台匹配结构为3阶圆台，且其半径从上往下依次增大，这样依次渐变的结构保证了同轴TEM模式到矩形波导TE₁₀顺利过渡，减少回波损耗，也可以增加工作带宽。

进一步的是，所述同轴径向功率分配器中，在任意两个输出端口之间添加一个端口，即隔离端口。用奇-偶模分析法对同轴径向功率分配器进行分析时，其模型结构可以简化为如图4所示的一个四端口的结构。类比波导魔T的原理，信号由同轴端口输入，在两矩形波导端口输出等幅同相的两路信号，而两输出端口间添加的端口为隔离端口，这样可以实现两输出端口之间信号的高度隔离。

进一步的是，所述同轴径向功率分配器中各输出端口和隔离端口的连接部分，设计了一个匹配结构，具体由一个调谐圆柱，一个隔离板以及一个由圆锥经过多次切割形成的类椎体结构组成。经过精密的设计，使得在输出端口间的信号隔离度大大增加，也保证了输入以及隔离端口具有良好的反射系数。

本发明的有益效果：一、输入采用同轴线，具有抗干扰，损耗低，工作频带宽等优点；二、同轴线与矩形波导之间采用3阶圆台匹配，过度平滑，减少输入端口的回波损耗，也增加了工作带宽，同时圆台匹配结构非常简单，易于加工和装配；三、传输线均采用主模传输，模式纯净避免了其它模式的干扰；四、在输出端口之间添加了新型隔离端口，其匹配结构经过精密设计，显著提升了各端口之间的隔离度，稳定各端口的回波损耗，使能量在不同端口之间有序稳定地传输，增加了***的稳定性和可靠性。

附图说明

图1是本发明基于高隔离度同轴径向波导功率分配器的结构示意图；

图2是本发明基于高隔离度同轴径向波导功率分配器的结构俯视图；

图3(a)是本发明基于高隔离度同轴径向波导功率分配器中模型简化整体示意图,(b)是本发明基于高隔离度同轴径向波导功率分配器中模型简化左视图；

图4是本发明基于高隔离度同轴径向波导功率分配器n＝14时整体的回波损耗曲线；

图5是本发明基于高隔离度同轴径向波导功率分配器n＝14时P2端口与其余输出端口的隔离度曲线图；

图6是本发明基于高隔离度同轴径向波导功率分配器n＝14时同轴到各输出端口的耦合量曲线图；

图1中标记说明：输入端口101、输出端口P1，P2，…，Pn。图2中标记说明：隔离端口Q1，Q2，…，Qn；图3(a)中标记说明：剖分剖分输入端口401，输出端口402和403，隔离端口404；图3(b)中标记说明：3阶匹配圆台第一阶301、第二阶302、第三阶303，隔离端口匹配结构304、305和306，其中304为圆锥体多次切割形成的类椎体结构、305为隔离挡板、306为调谐圆柱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

如图1所示，该高隔离径向功率分配器由同轴线的端口101作为输入端口，同轴线的另一端连接3阶匹配圆台301、302、303，匹配圆台再连接输出矩形波导，输出矩形波导的输出端口为P1，P2，…，Pn。如图2所示，输出端口间有隔离端口Q1，Q2，…，Qn。如图3(b)所示，每个隔离端口存在一个由圆锥体多次切割形成的类椎体结构304、隔离挡板305、圆柱孔306构成的匹配结构。

在上述实施方式中，输入信号模式为同轴线主模TEM波，TEM波由同轴线端口101输入，同轴线的另一端连接三阶圆台匹配结构301、302、303，TEM波经同轴线传输到达圆台匹配结构，将TEM波转换为能在矩形波导中传播的TE₁₀模，所述同轴径向功率分配器中，同轴到矩形波导的圆台匹配结构为3阶圆台，且其半径从上往下依次增大，这样依次渐变的结构保证了同轴TEM模式到矩形波导TE₁₀顺利过渡，能将TEM波的功率有效稳定地转化为能在矩形波导中传输的TE₁₀模，减少了回波损耗，增加了工作带宽，且圆台匹配结构结构简单，易于加工和装配。

经转化后的TE₁₀模分为多路信号向各个输出端口(P1，P2，…，Pn)传输，在任意两个输出端口之间添加一个端口，即隔离端口(Q1，Q2，…，Qn)。用奇-偶模分析法对同轴径向功率分配器进行分析时，其模型结构可以简化为如图3(a)所示的一个四端口的结构。类比波导魔T的原理，信号由同轴端口输入，在两矩形波导端口输出等幅同相的两路信号，而两输出端口间添加的端口为隔离端口，这样可以实现两输出端口之间信号的高度隔离。

所述同轴径向功率分配器中各输出端口和隔离端口的连接部分，设计了一个匹配结构，具体由一个调谐圆柱306，一个隔离板305以及一个由圆锥经过多次切割形成的类椎体结构304组成，匹配结构经过精密的设计，使得在输出端口间的信号隔离度大大增加，也保证了输入以及隔离端口具有良好的反射系数。输出信号在隔离端口处经由隔离端口以及精密设计的匹配结构的引导，能够高效稳定有序地从输出端口P1，P2，…，Pn以等幅同相的方式输出，且信号间具有良好的隔离度。

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87～97GHz，输入端口101为同轴线，同轴线的外半径为0.5mm、内半径为0.2mm；输出端口P1，P2，…，Pn为BJ100标准矩形波导，尺寸2.54mm×1.27mm。TEM波信号由端口101输入，经过同轴线另一端口连接的3阶渐变圆台匹配结构转换为能在矩形波导BJ100内传播的TE₁₀模，再经隔离器Q1，Q2，…，Qn以及输出端口与隔离端口之间的匹配结构共同作用，使得输出信号有序稳定、等幅同相地经输出端口P1，P2，…，Pn输出。

此实例中，n＝14，整体高隔离度径向功率分配器的回波损耗曲线如图4所示，在工作频带87～97GHz内均小于-20dB；输出端口P2与其余输出端口的隔离度如图5所示，除了正对P2端口的P9端口隔离度在-9dB外，其余端口的隔离度绝大部分都小于-15dB；各端口耦合量仿真结果如图6所示，各输出端口的耦合量几乎相等，均在-11.5dB附近，各输出曲线幅度不平衡度小于0.2dB，而每个输出端口的耦合量理论上为-10log(n)，当n＝14时，耦合量为-11.46dB，仿真结果与理论基本一致，并且由于各端口关于同轴线中心对称，因而各输出信号具有良好的幅相平衡性。该发明毫米波频段的功率合成电路中具有极大的应用价值，也能够向更高频率扩展。

Claims (4)

1.高隔离度同轴径向功率分配器，所述同轴径向功率分配器包括同轴线输入端口(101)以及多个功率分配端口(P1，P2，···，Pn)，TEM波经由所述功率分配器的同轴线输入端口进入，通过一个3阶渐变匹配圆台(301,302,303)转换为能在矩形波导中传输的TE₁₀模，分别再经过多个隔离端口(Q1，Q2，…，Qn)以及其匹配结构(由304、305、306组成)的共同作用，分为多路幅度相等相位相同且具有较高隔离度的信号经由功率分配端口(P1，P2，···，Pn)输出。

2.如权利要求1所述的高隔离度同轴径向功率分配器，其特征在于：所述径向功分器的匹配结构(301、302、303)由三层薄圆台组成，分配路数n≥2，薄圆台的半径从上往下依次增大，采用依次渐变的结构保证了同轴TEM模式到矩形波导TE₁₀模的顺利过渡，能减少回波损耗，也可以增加工作带宽。

3.如权利要求1所述的高隔离度同轴径向功率分配器，其特征在于：所述径向功率分配器在任意两个输出端口之间添加了一个隔离端口，如P1和P2之间的隔离端口Q2，其模型能简化为如图3(b)所示的一个四端口结构，类比波导魔T的原理，信号由同轴端口输入，在两矩形波导端口输出等幅同相的两路信号，这样可以实现两输出端口之间信号的高度隔离。

4.如权利要求1所述的高隔离度同轴径向功率分配器，其特征在于：隔离端口(Q1，Q2，…，Qn)与输出端口(P1，P2，…，Pn)之间的匹配结构由一个圆锥体多次切割形成的类椎体结构(304)、一个隔离挡板(305)、一个调谐圆柱孔(306)组成，匹配结构经过精密设计，使得在输出端口间的信号隔离度大大增加，也保证了输入以及隔离端口具有良好的反射系数。