CN110890613B - 一种超宽带波导径向功率合成器 - Google Patents

一种超宽带波导径向功率合成器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种超宽带波导径向功率合成器。该合成器包括：同轴线输出结构、同轴线‑径向波导过渡结构和多个脊波导双脊探针输入结构；同轴线‑径向波导过渡结构包括上圆盘、下圆盘和锥台；同轴线输出结构、上圆盘、锥台和下圆盘同轴设置；锥台位于上、下圆盘之间并固定在下圆盘上；脊波导双脊探针输入结构包括上下对应设置的上、下脊探针；多个上脊探针沿径向均匀分布在上圆盘的四周，每个上脊探针均与上圆盘的边缘连接；多个下脊探针沿径向均匀分布在下圆盘的四周，每个下脊探针均与下圆盘的边缘连接；同轴线输出结构的底端固定在锥台上；在上圆盘的中心开设有圆孔，同轴线输出结构穿过圆孔且与圆孔连接。本发明的合成器能够实现超倍频程。

Description

一种超宽带波导径向功率合成器
技术领域
本发明涉及微波和毫米波领域，特别是涉及一种超宽带波导径向功率合成器。
背景技术
近年来，微波、毫米波固态功率放大器以其体积小、重量轻、可靠性高的优势在无线通讯、仪器测量、电子对抗领域得到广泛运用；虽然第三代宽禁带化合物半导体GaN、GaAs的微波功率器件的性能不断提升，单个芯片的工作频率高、工作频带宽、输出功率大。但是在高功率微波***中，单个功放芯片输出功率显然难以满足***对功率的需求。因此，采用固态功放芯片作为单元电路、低损耗的功率分配/合成器作为合成网络，利用功率合成技术提高输出功率是现阶段实现高功率固态***的必由之路。
按合成方式划分，常用的微波功率合成技术可以分为以下几种：基于带线的平面合成技术和基于波导的合成技术。基于带线的平面合成技术具有体积小、工作频带宽的优点，但是随着工作频率的升高、合成路数的增加，由于其介质损耗和辐射损耗显著，合成效率大大降低；基于波导的合成技术具有低损耗、高功率容量的优点，适用于微波、毫米波高功率合成***。
现有的基于波导的合成技术包括通过电场耦合结构实现输入同轴波导到径向波导的过渡和径向波导到输出同轴波导的过渡，实现了8路径向功率合成器；该合成器在-15dB回波参考标准下工作频率覆盖7-14GHz，实现单个倍频程。目前现有的波导的合成技术无法实现超倍频程。
发明内容
本发明的目的是提供一种超宽带波导径向功率合成器，实现超倍频程。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种超宽带波导径向功率合成器，包括：同轴线输出结构、同轴线-径向波导过渡结构和多个脊波导双脊探针输入结构；
所述同轴线-径向波导过渡结构包括上圆盘、下圆盘和锥台；所述同轴线输出结构、所述上圆盘、所述锥台以及所述下圆盘同轴设置；所述锥台位于所述上圆盘与所述下圆盘之间，所述锥台固定在所述下圆盘上；
每个所述脊波导双脊探针输入结构包括上下对应设置的上脊探针和下脊探针；
多个所述上脊探针沿径向均匀分布在所述上圆盘的四周，每个所述上脊探针均与所述上圆盘的边缘连接；多个所述下脊探针沿径向均匀分布在所述下圆盘的四周，每个所述下脊探针均与所述下圆盘的边缘连接；
所述同轴线输出结构的底端固定在所述锥台上；在所述上圆盘的中心开设有圆孔，所述同轴线输出结构穿过所述圆孔且与所述圆孔连接。
可选的，所述脊波导双脊探针输入结构还包括两个脊波导；每个所述上脊探针的外端通过一个所述脊波导连接到径向波导，每个所述下脊探针的外端通过另一个所述脊波导连接到径向波导。
可选的，每个所述脊波导的延伸方向均沿径向。
可选的，所述同轴线输出结构包括同轴设置的内导体和外导体；所述外导体套设在所述内导体外；所述内导体的直径与所述外导体的内径从下至上均匀减小。
可选的，所述外导体与所述圆孔连接，所述内导体向下伸出所述外导体且与所述锥台固定连接。
可选的，所述锥台下表面的直径小于所述下圆盘的直径。
可选的，所述锥台上表面的直径小于所述圆孔的直径。
可选的，所述锥台上表面的直径等于所述内导体的直径。
可选的，每个所述上脊探针以及每个所述下脊探针的宽度均沿径向向外逐渐增大。
可选的，所述脊波导双脊探针输入结构的数量至少为2个。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明所公开的超宽带波导径向功率合成器采用同轴线-径向波导过渡结构和多个脊波导双脊探针输入结构，双脊探针结构的设置，使得该超宽带波导径向功率合成器的工作频带超过单个倍频程，实现超倍频程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的超宽带波导径向功率合成器的装置整体结构图；
图2为本发明实施例提供的超宽带波导径向功率合成器的1个支路的剖析结构示意图；
图3为本发明实施例提供的超宽带波导径向功率合成器的1个支路的正视图；
图4为本发明实施例提供的超宽带波导径向功率合成器的1个支路的俯视图；
图5为本发明实施例提供的超宽带波导径向功率合成器的1个支路的斜视图；
图6为本发明实施例提供的超宽带波导径向功率合成器各端口传输系数仿真结果图；
图7为本发明实施例提供的超宽带波导径向功率合成器合成端口反射系数仿真结果图；
图8为本发明实施例提供的超宽带波导径向功率合成器各端口相位差仿真结果图；
图9为本发明实施例提供的超宽带波导径向功率合成器电场仿真结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的超宽带波导径向功率合成器的装置整体结构图。
参见图1，该超宽带波导径向功率合成器，包括：同轴线输出结构1、同轴线-径向波导过渡结构2和多个脊波导双脊探针输入结构3；本发明的具体实施例中，所述脊波导双脊探针输入结构3的数量为8个。所述同轴线输出结构1的输出端外接标准同轴连接器。
参加图1～图5，所述同轴线输出结构1为光滑渐变的阻抗变换传输线结构，所述同轴线输出结构1实现径向波导输出端同轴波导和合成器输出端同轴波导之间的转换；所述同轴线输出结构1包括同轴设置的内导体和外导体；所述外导体套设在所述内导体外；所述内导体的直径与所述外导体的内径从下至上均匀减小，所述外导体的外径从下至上不变。所述同轴线输出结构1的输入端为标准同轴波导，端口阻抗为50欧姆，所述同轴线输出结构1内导体的直径大小和外导体的外径大小满足单模传输条件。
同轴线-径向波导过渡结构2为将同轴线输出结构1过渡到径向波导的结构。所述同轴线-径向波导过渡结构2包括上圆盘201、下圆盘203和锥台202；所述同轴线输出结构1、所述上圆盘201、所述锥台202以及所述下圆盘203同轴设置；所述锥台202位于所述上圆盘201与所述下圆盘203之间，所述锥台202固定在所述下圆盘203上；
所述上圆盘201、所述锥台202和所述下圆盘203用于同轴线输出结构1到径向波导的阻抗匹配，实现同轴线输出结构1中的电磁场传播模式到径向波导传播模式的变换，是一种磁耦合形式。
多个脊波导双脊探针输入结构3形成圆对称结构。每个所述脊波导双脊探针输入结构3包括上下对应设置的上脊探针301和下脊探针302以及上下对应设置的两个脊波导303；
多个所述上脊探针301沿径向均匀分布在所述上圆盘201的四周，每个所述上脊探针301均与所述上圆盘201的边缘连接；多个所述下脊探针302沿径向均匀分布在所述下圆盘203的四周，每个所述下脊探针302均与所述下圆盘203的边缘连接；每个所述上脊探针301的外端通过一个所述脊波导303连接到径向波导，每个所述下脊探针302的外端通过另一个所述脊波导303连接到径向波导。每个所述脊波导303的延伸方向均沿径向。多个所述上脊探针301和多个所述下脊探针302均将径向波导内的电磁场耦合至对应的脊波导中，每个脊波导双脊探针输入结构3中的两个脊波导构成双脊波导，双脊波导为标准双脊波导，以方便与其他微波、毫米波***连接，每个脊波导303的尺寸满足超宽带单模传输。
在所述超宽带波导径向功率合成器包围在金属形成的腔体内，在所述腔体内填充有空气。如图1中，包围每个所述脊波导双脊探针输入结构3的外部的方形结构均为空气形成的腔体，在腔体外即为金属。
所述同轴线输出结构1的底端固定在所述锥台202上；在所述上圆盘201的中心开设有圆孔，所述同轴线输出结构1穿过所述圆孔。所述外导体与所述圆孔连接，所述内导体向下伸出所述外导体且与所述锥台固定连接。
所述锥台202的横截面的直径随锥台高度的增加而均匀减小。所述锥台202下表面的直径小于所述下圆盘203的直径。所述锥台202上表面的直径小于所述圆孔的直径，且等于内导体的直径。
每个所述上脊探针301以及每个所述下脊探针302的宽度均沿径向向外逐渐增大。
同一个脊波导双脊探针输入结构3中的上脊探针301与下脊探针302之间的高度差、上圆盘201与下圆盘203之间的高度差以及同一个脊波导双脊探针输入结构3中的两个脊波导303之间的高度差相等。
径向波导的高度为双脊波导的窄边，则径向波导的半径R的计算公式为：
Figure BDA0002036681260000061
其中a为双脊波导的宽边。N为脊波导双脊探针输入结构3的数量。
下面提供本发明的上述实施方式的一个具体实施例：
参见图3～图5，所述同轴线输出结构1的输入端外接2.92mm标准同轴连接器。外导体半径为r1＝1.46mm，同轴线输出结构1最上端的半径r2＝0.635mm。
本具体实施例中同轴线输出结构1的长度为L＝5.12mm，同轴线-径向波导过渡结构2中锥台上表面圆半径rt＝1.14mm，锥台下表面圆半径rb＝5.73mm，锥台高度ht＝2.17mm；同轴线-径向波导过渡结构2中上圆盘的半径R2＝6.23mm，下圆盘的半径R3＝4.83mm；上下脊探针外端所对应的圆的半径R4＝9.96mm，因此上脊探针长度为R4-R3＝5.13mm，下脊探针的长度为R4-R2＝3.73mm；输出双脊波导采用标准脊波导WRD180，其波导口长度a＝7.315mm，宽度b＝3.404mm，脊宽度w＝1.83mm，高度h＝0.978mm；因此径向波导半径为：
Figure BDA0002036681260000062
图6～8为本发明超宽带波导径向功率合成器的仿真结果图。其中，图6为本发明实施例提供的超宽带波导径向功率合成器各端口传输系数仿真结果图，从图中可以看出在18-42GHz频带范围内各端口传输系数介于-8.95dB和-9.25dB之间，绝对不平衡度为0.3dB，幅度一致性好；图7为本发明实施例提供的超宽带波导径向功率合成器合成端口反射系数仿真结果图，从图中可以看出在18-42GHz频带范围内反射系数小于-20dB，端口反射小；图8为本发明实施例提供的超宽带波导径向功率合成器各端口相位差仿真结果图，从图中可以看出在18-42GHz频带范围内相位差介于-2°和+3°之间，绝对相位不平衡度为5°，幅度一致性好。
本发明的超宽带波导径向功率合成器可以用作功率分配器，用作功率分配器时，信号传输方向与用作功率合成器时的信号传输方向相反。图9为本发明实施例提供的超宽带波导径向功率合成器电场仿真结果图，从图中可以看出：当工作为功率分配器时，信号进入同轴输出端口，其内部TEM波平滑传输；进一步，经过同轴线-径向波导过渡结构，同轴线中的TEM模式平滑的过渡至径向波导传播模式；进一步，径向波导中的电磁场由双脊探针均匀耦合至8路双脊波导中输出。当工作为合成器时传输路径和模式变换过程相反。
从仿真结果可知，本发明具有超宽带、低损耗、幅度/相位一致性好的特点，具有很高的工程运用价值。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明所公开的超宽带波导径向功率合成器采用同轴线-径向波导过渡结构和多个脊波导双脊探针输入结构，双脊探针结构的设置，使得该超宽带波导径向功率合成器的工作频带超过单个倍频程，实现超倍频程。该合成器全部采用波导结构，具有损耗低、功率容量高的特点；同时，该合成器为径向圆对称结构，电磁场传播模式也具有圆对称特性，保证了各路信号的幅度/相位一致性。该发明可用于阵列天线的馈电网络、微波、毫米波超宽带功率合成放大器以及其他微波电路与***中。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种超宽带波导径向功率合成器，其特征在于，包括：同轴线输出结构、同轴线-径向波导过渡结构和多个脊波导双脊探针输入结构；
所述同轴线-径向波导过渡结构包括上圆盘、下圆盘和锥台；所述同轴线输出结构、所述上圆盘、所述锥台以及所述下圆盘同轴设置；所述锥台位于所述上圆盘与所述下圆盘之间，所述锥台固定在所述下圆盘上；
每个所述脊波导双脊探针输入结构包括上下对应设置的上脊探针和下脊探针；
多个所述上脊探针沿径向均匀分布在所述上圆盘的四周，每个所述上脊探针均与所述上圆盘的边缘连接；多个所述下脊探针沿径向均匀分布在所述下圆盘的四周，每个所述下脊探针均与所述下圆盘的边缘连接；
所述脊波导双脊探针输入结构还包括两个脊波导；每个所述上脊探针的外端通过一个所述脊波导连接到径向波导，每个所述下脊探针的外端通过另一个所述脊波导连接到径向波导；
所述同轴线输出结构的底端固定在所述锥台上；在所述上圆盘的中心开设有圆孔，所述同轴线输出结构穿过所述圆孔且与所述圆孔连接。
2.根据权利要求1所述的超宽带波导径向功率合成器，其特征在于，每个所述脊波导的延伸方向均沿径向。
3.根据权利要求1所述的超宽带波导径向功率合成器，其特征在于，所述同轴线输出结构包括同轴设置的内导体和外导体；所述外导体套设在所述内导体外；所述内导体的直径与所述外导体的内径从下至上均匀减小。
4.根据权利要求3所述的超宽带波导径向功率合成器，其特征在于，所述外导体与所述圆孔连接，所述内导体向下伸出所述外导体且与所述锥台固定连接。
5.根据权利要求1所述的超宽带波导径向功率合成器，其特征在于，所述锥台下表面的直径小于所述下圆盘的直径。
6.根据权利要求4所述的超宽带波导径向功率合成器，其特征在于，所述锥台上表面的直径小于所述圆孔的直径。
7.根据权利要求6所述的超宽带波导径向功率合成器，其特征在于，所述锥台上表面的直径等于所述内导体的直径。
8.根据权利要求1所述的超宽带波导径向功率合成器，其特征在于，每个所述上脊探针以及每个所述下脊探针的宽度均沿径向向外逐渐增大。
9.根据权利要求1所述的超宽带波导径向功率合成器，其特征在于，所述脊波导双脊探针输入结构的数量至少为2个。
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