CN114256578A - 一种基于电磁带隙结构的径向功率分配/合成器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于电磁带隙结构的径向功率分配/合成器，属于毫米波、太赫兹功率合成技术领域，包括中心依次叠置匹配圆波导和输入圆波导的上盖板，及中心设有功率分配/合成腔和多个等夹角设置的具有电磁带隙结构的矩形波导的下腔体，具有电磁带隙结构的矩形波导由矩形波导和周期排列在矩形波导宽边两侧的下腔体剖面上的销钉构成。本发明利用电磁带隙结构有效抑制特定频率范围的电磁波，实现电磁信号无泄漏传输，并且构成电磁带隙结构的销钉高度相比于矩形波导的高度较小，可降低在太赫兹频段的制作难度和加工成本，进而解决了径向功率分配/合成器因用于高频段时，在波导窄边剖分加工导致的能量泄露严重和加工困难的难题。

Description

一种基于电磁带隙结构的径向功率分配/合成器

技术领域

本发明属于毫米波、太赫兹功率合成技术领域，具体涉及一种基于电磁带隙结构的径向功率分配/合成器。

背景技术

在毫米波频段高端甚至太赫兹频段，单个固态器件的输出功率很小，需要将多个固态器件的功率进行合成来提高功率电平，相比二进制功率合成，径向功率合成可以一次性实现多路功率合成/分配，避免了二进制合成随着路数的增加而下降合成效率下降的问题，使之成为研究热潮。结合单片研制的发展现状及功率合成网络的加工难度，目前国内外公开报道的径向功率合成网络，最高工作频率仅到一百多吉赫兹。

按输出电场的方向划分，径向功率分配器可分为两类，一类是输出矩形波导中TE10模的电场方向垂直于中心轴线的情况，如输入模式为圆波导TE01模式时；另一类是输出矩形波导中TE10模的电场方向平行于中心轴线的情况，如输入模式为同轴TEM模、圆波导TM01模式时。对于前者，在加工时，根据电流分布情况，一般是在波导宽边的中心剖分，可以保证能量几乎无泄漏；而对于后者，若在波导宽边剖分，将使模块数量大大增加，装配难以实现，因此一般在窄边剖分，但此时，不管在波导窄边的顶部、底部还是中心剖分，都会切断电流线，产生较大的电磁辐射，工作频率越高，辐射越严重。

在毫米波高端与太赫兹频段，基于TEM模的同轴功率分配器，因其中心导体难以加工，优势不大，而圆波导的制作相对容易。常用的基于圆波导TE01模的径向功率分配器为输出TE10模的电场垂直于轴线的情况，不会导致严重的能量泄露，但该模式为圆波导的第七高次模，存在诸多难以去除的低阶干扰模，影响合成效率。而圆波导中可用作径向功率分配的低阶模式，如圆极化TE11模、TM01模，则属于输出TE10模的电场平行于轴线的情况，加工时进行波导剖分几乎不可避免，这将导致不可接受的能量泄露。因此，开发一种易于加工制作、性能优良的毫米波太赫兹径向功率分配/合成器至关重要。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的TE10模电场平行于轴线输出时因波导剖分导致的能量泄露和加工困难的问题，提出了一种基于电磁带隙结构的径向功率分配/合成器。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于电磁带隙结构的径向功率分配/合成器，其特征在于，包括相匹配的上盖板和下腔体；所述上盖板的上表面中心处依次叠置匹配圆波导和输入圆波导，所述下腔体的上表面中心处设有与匹配圆波导相邻接的圆柱形的功率分配/合成腔，并在功率分配/合成腔的侧面等夹角的设置多个具有电磁带隙结构的矩形波导；所述功率分配/合成腔的中心设有凸起的匹配结构，以在功率分配时取得良好的匹配效果。

进一步地，所述具有电磁带隙结构的矩形波导由标准矩形波导和若干个销钉构成，所述销钉周期排列在标准矩形波导宽边两侧的下腔体剖面上，相邻销钉之间构成电磁带隙结构；所述销钉的长宽尺寸、相邻销钉的间隙及销钉与上盖板的缝隙均小于1/4波长，销钉的高度不小于销钉与上盖板的缝隙的4倍。

进一步地，所述具有电磁带隙结构的矩形波导的宽边垂直于输入圆波导。

进一步地，所述径向功率分配/合成器中输入圆波导的输入模式应满足具有电磁带隙结构的矩形波导实现TE10模电场垂直于中心轴线输出的情况，如圆波导TM01模、圆极化TE11模等模式。

进一步地，所述输入圆波导的直径满足工作模式的传输条件，即

其中，μ_m1n1为工作模式对应的m阶贝塞尔方程的第n个零点；λ_c1为工作模式的截止波长；μ_m2n2为高次模对应的m阶贝塞尔方程的第n个零点；λ_c2为高次模的截止波长。

进一步地，所述匹配圆波导的直径大于输入圆波导的直径，约为输入圆波导直径的1.1～1.5倍，长度约为1/4波长。

进一步地，所述匹配结构由两个叠置的同圆心的圆柱体组成，上方的圆柱直径小于下方的圆柱直径，上方的圆柱高度大于下方的圆柱高度，匹配结构的高度小于功率分配/合成腔的高度。

进一步地，所述输入圆波导、匹配圆波导、功率分配/合成腔和匹配结构的中心位于同一直线上。

本发明所述基于电磁带隙结构的径向功率分配/合成器的工作原理为：

当处于功率分配的工作模式时，电磁信号从输入圆波导输入，经匹配圆波导在功率分配/合成腔进行模式转换和功率分配，将圆波导输入的能量宽频带、高效率地分配至等夹角设置的具有电磁带隙结构的矩形波导，实现圆波导模式到TE10模式的转换；当处于功率合成的工作模式时，电磁信号从多个具有电磁带隙结构的矩形波导输入，经匹配结构和匹配圆波导后功率合成，从输入圆波导输出，实现TE10模式至圆波导模式的转换；由于电磁带隙结构能够在特定的频率范围内抑制电磁波的传输，因此在加工装配时，即便在波导窄边剖分存在缝隙，亦能保证电磁信号无法泄露，从而解决了径向功率合成网络的加工难题。

本发明的有益效果为：

本发明提出一种基于电磁带隙结构的径向功率分配/合成器，通过在矩形波导宽边两侧的下腔体剖面表面引入周期阵列排布的电磁带隙结构，抑制特定频率范围的电磁波，无需电接触就能实现电磁信号无泄漏传输，并且构成电磁带隙结构的销钉高度相比于矩形波导的高度较小，可降低在太赫兹频段的制作难度和加工成本，进而解决了径向功率分配/合成器因高频段波导窄边剖分加工导致的能量泄露严重和加工困难的难题；通过宽带匹配技术，实现了宽频带的低损耗功率/合成分配，可应用于毫米波、太赫兹功率合成技术领域，具有结构简单、装配方便、低传输损耗和宽频带工作的优点。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的基于电磁带隙结构的径向功率分配/合成器的三维立体示意图；

图2为本发明实施例1提供的径向功率分配/合成器的电磁信号通路三维示意图；

图3为图2的俯视图；

图4为图2的正视图；

图5为本发明实施例1提供的径向功率分配/合成器在输入圆极化TE11模式时的电场分布图；

图6为本发明实施例1提供的径向功率分配/合成器应用于WR-4波导频段的输入端口S11仿真结果图；

图7为本发明实施例1提供的径向功率分配器结合TE11模圆极化器应用于WR-4波导频段的Sn1仿真结果图；

图8为本发明实施例2提供的基于电磁带隙结构的径向功率分配器在输入TM01模式时的电场分布图；

图9为本发明实施例2提供的功率分配器应用于WR-4波导频段的Sn1仿真结果图。

附图标记说明如下：

1：上盖板；11：输入圆波导；12：匹配圆波导；

2：下腔体；21：功率分配/合成腔；22：具有电磁带隙结构的矩形波导；221：方形销钉；222：圆形销钉；223：扇形销钉；224：标准矩形波导。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，结合以下具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明。本实施例仅为说明方案，其权利要求并不只局限于此实施例。

实施例1：

本实施例提供了一种工作频率在200～255GHz，工作于圆波导圆极化TE11模式的基于电磁带隙结构的径向功率分配/合成器，结构如图1～4所示，包括相匹配的上盖板1和下腔体2；

所述上盖板1的上表面中心处依次叠置匹配圆波导12和输入圆波导11，输入圆波导11半径为0.47mm，满足圆极化TE11模式的传输条件，匹配圆波导12半径为0.6mm，高为0.37mm。

所述下腔体2的上表面中心处设有与匹配圆波导12相邻接的圆柱形的功率分配/合成腔21，功率分配/合成腔21的半径为1.64mm，高度与WR-4标准矩形波导窄边长度相同，为0.546mm。所述功率分配/合成腔21的中心设有凸起的匹配结构，以在功率分配时取得良好的匹配效果，匹配结构由两个叠置的同圆心的圆柱体组成，上方的圆柱直径为0.56mm，高度为0.22mm，下方的圆柱直径为2.19mm，高度为0.14mm。

此外，在功率分配/合成腔21的侧面等夹角的设置8个具有电磁带隙结构的矩形波导22，所述具有电磁带隙结构的矩形波导22的宽边垂直于输入圆波导11，具有电磁带隙结构的矩形波导22由WR-4标准矩形波导224(1.092mm*0.546mm)和若干个销钉构成。

所述销钉分为方形销钉221、圆形销钉222和扇形销钉223三种，方形销钉221周期排列在WR-4标准矩形波导224两侧的下腔体剖面上，并在WR-4标准矩形波导224的每一侧排有内外两排方形销钉221，内排方形销钉221与WR-4标准矩形波导224壁持平，以实现与外接标准波导的良好匹配；圆形销钉222位于相邻WR-4标准矩形波导224之间外排方形销钉221交汇处；扇形销钉223位于相邻WR-4标准矩形波导224之间内排方形销钉221交汇处，并与功率分配/合成腔21的侧面匹配。其中，方形销钉221的边长及圆形销钉222与扇形销钉223的直径均为0.2mm，三种销钉的高度均为0.3mm，三种销钉的阵列周期为0.4mm，三种销钉与上盖板1的缝隙为0.03mm。

所述输入圆波导11、匹配圆波导12、功率分配/合成腔21和匹配结构的中心位于同一直线上。

本实施例采用三维电磁仿真软件对基于电磁带隙结构的径向功率分配/合成器精确设计，实现输入电磁波的等能量分配。其中，匹配圆波导12半径和高度、功率分配/合成腔21中凸起的匹配结构半径和高度为精确优化，周期性排列的销钉的边长、间隔及高度的尺寸为粗略优化。

为便于验证本实施例提出的径向功率分配/合成器性能及缝隙泄露情况，将其应用于WR-4波导频段进行仿真，其电场分布图如图5所示，可知当输入圆极化TE11模式时，在功率分配/合成腔进行模式转换和功率分配，实现了等功率分配。所述径向功率分配/合成器在WR-4波导频段的仿真结果如图6所示，在200～255GHz的工作频段，输入圆极化TE11模式的回波损耗优于20dB。

为更直观地表达本实施例的有益效果，将所述径向功率分配/合成器与TE11模圆极化器级联仿真，该级联结构在WR-4波导频段的仿真结果如图7所示，在200～255GHz的工作频段，各支路幅度不平衡优于±0.5dB，输入端口回波损耗优于20dB，相对带宽超过20％。

实施例2

为说明本发明提出的径向功率分配/合成器的普适性，本实施例采用类似的技术方案，提供一个工作于圆波导TM01模式的基于电磁带隙结构的径向功率合成/分配器，与实施例1相比，区别仅在于调整输入圆波导11、匹配圆波导12及凸起的匹配结构的尺寸，具体参数为：输入圆波导11半径为0.57mm，满足TM01模式的传输条件；匹配圆波导12半径为0.67mm，高为0.39mm；凸起的匹配结构，其上方的圆柱直径为0.88mm，高度为0.35mm，下方的圆柱直径为2.51mm，高度为0.3mm；其余结构相同。

将本实施例所述径向功率合成/分配器应用于WR-4波导频段进行仿真，其电场分布图如图8所示，可知当输入圆波导TM01模式时，在功率分配/合成腔进行模式转换和功率分配，实现了等功率分配。所述径向功率分配/合成器在WR-4波导频段的仿真结果如图9所示，在215～260GHz的工作频段，输入圆波导TM01模的回波损耗优于20dB，各输出端口的幅度不平衡优于±0.2dB，相对带宽超过20％。

此外，在上述实施例1和实施例2的仿真中，销钉与上盖板1之间预留了0.03mm的缝隙，其结果表明了H面剖分的缝隙对电磁信号传输影响极小，证明径向功率分配/合成器可有效避免因H面剖分而导致的缝隙泄露问题。

综上所述，本实施例提出的基于电磁带隙结构的径向功率分配/合成器，可实现输出形式为H面波导情况的径向功率分配，具有结构简单、装配方便、低传输损耗和宽频带工作的优点。

上述实施例仅说明本发明的原理及优点，而非用于限制本发明，仅为帮助理解本发明原理，本发明保护范围亦不限于上述的配置和实施例，本领域技术人员可以根据公开技术做出不脱离本发明实质的其他各种具体变形与组合，但仍在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于电磁带隙结构的径向功率分配/合成器，其特征在于，包括相匹配的上盖板和下腔体；所述上盖板的上表面中心处依次叠置匹配圆波导和输入圆波导，所述下腔体的上表面中心处设有与匹配圆波导相邻接的圆柱形的功率分配/合成腔，并在功率分配/合成腔的侧面等夹角的设置多个具有电磁带隙结构的矩形波导；所述功率分配/合成腔的中心设有凸起的匹配结构。

2.根据权利要求1所述基于电磁带隙结构的径向功率分配/合成器，其特征在于，所述具有电磁带隙结构的矩形波导由矩形波导和若干个销钉构成，所述销钉周期排列在矩形波导宽边两侧的下腔体剖面上，相邻销钉之间构成电磁带隙结构；所述销钉的长宽尺寸、相邻销钉的间隙及销钉与上盖板的缝隙均小于1/4波长，销钉的高度不小于销钉与上盖板的缝隙的4倍。

3.根据权利要求1所述基于电磁带隙结构的径向功率分配/合成器，其特征在于，所述具有电磁带隙结构的矩形波导的宽边垂直于输入圆波导。

4.根据权利要求1所述基于电磁带隙结构的径向功率分配/合成器，其特征在于，所述径向功率分配/合成器中输入圆波导的输入模式应满足具有电磁带隙结构的矩形波导实现TE10模电场垂直于中心轴线输出的情况。

5.根据权利要求1所述基于电磁带隙结构的径向功率分配/合成器，其特征在于，所述匹配圆波导的直径为输入圆波导直径的1.1～1.5倍，长度为1/4波长。

6.根据权利要求1所述基于电磁带隙结构的径向功率分配/合成器，其特征在于，所述匹配结构由两个叠置的同圆心的圆柱体组成，上方的圆柱直径小于下方的圆柱直径，上方的圆柱高度大于下方的圆柱高度，匹配结构的高度小于功率分配/合成腔的高度。

7.根据权利要求1所述基于电磁带隙结构的径向功率分配/合成器，其特征在于，所述输入圆波导的直径满足工作模式的传输条件，即

其中，μ_m1n1为工作模式对应的m阶贝塞尔方程的第n个零点；λ_c1为工作模式的截止波长；μ_m2n2为高次模对应的m阶贝塞尔方程的第n个零点；λ_c2为高次模的截止波长。

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