CN204375898U - 一种高隔离的小型化径向功率分配/合成器 - Google Patents
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Abstract
一种高隔离的小型化径向功率分配/合成器，包括一个***电阻膜片的径向功率分配/合成器和一个矩形波导-圆波导模式转换结构；所述***电阻隔膜的径向功率分配/合成器包括输入圆波导端口、阻抗变换结构、一个以上输出矩形波导，以上三种结构依次连接；所述矩形波导-圆波导模式转换结构包括顺序连接的输入矩形波导、一分四路功率分配网络、波导扩大过渡结构、输出圆波导。本实用新型的功率分配/合成器，可以实现一次功分多路，宽带，低损耗，小型化，易于装配，且端口隔离的功率分配/合成。
Description
技术领域
本实用新型涉及微波毫米波频段的空间功率合成技术领域，特别涉及一种高隔离的小型化径向功率分配/合成器。
背景技术
如今毫米波、亚毫米波通信技术正在由研究步入实际应用。随着工作频率的升高，半导体固态器件的功率容量下降，单个器件的输出功率难以满足通信电子***需求，人们一般采用功率合成网络的方法来实现大功率固态功率器件。功率合成技术的研究重心是探索哪种合成网络拓扑结构可以实现最大效率的宽带大数目的功率合成。
在各种功率合成网络拓扑结构中，径向功率分配/合成器是研究的热点之一。该结构通常是通过圆对称传输线在一个圆盘结构的中心馈入输入信号，然后在圆盘结构的周围引出多个输出端口实现一次分配多路信号。相对于常见的二进制树形结构，径向功率分配/合成器具有可以一次性完成大数目的功率分配/合成，***损耗基本不受合成路数影响的优点，特别适合于大数目的功率合成。同时径向功率分配/合成器在结构上的对称性保证了其功率分配在幅度和相位上的一致。
径向功率分配/合成器的实现形式有很多种，目前主流方案是采用同轴SMA接头直接输入或者矩形波导-同轴波导的馈电方式，在径向波导腔体中传输的是准TEM模。此种径向结构的功率容量被同轴波导的功率容量所限制，也有学者提出一种使用Marie型矩形波导-圆波导转换器进行输入的馈电方式，相对于使用同轴输入而言，将有更高的功率容量。但是该模式转换器在垂直径向圆盘的方向尺寸比较大，而且没有专门提供端口隔离的措施。
径向功率分配/合成器的另一设计难点在于难以实现输出端口匹配且隔离。而对于功率分配/合成器，其输出端口的隔离性是一个重要的指标。应用端口隔离的功率分配/合成器，合成放大器的放大器单元相互独立，也可以有效避免自激等问题。另一方面，高隔离合成 器也会使得合成放大器的失效特性良好，即当存在放大器单元损毁时，其余放大器仍可以正常工作，输出功率只会按一个可预测的比例掉落。
为了提高径向功率分配/合成器的性能，人们提出了多种实现手段和改良方法，下面介绍一下这些结构。
1984年，Ting-Ih Hsu等人在IEEE MTT-S International上的报告“A WIDEBAND 60GHz 16-WAY POWER DIVIDER COMBINER NETWORK”中，提出了一种使用在60GHz频段，使用矩形波导输入，采用矩形波导-径向波导转换结构实现16路功率分配，其结构如图7所示，该结构通过矩形波导(“RECTANGULAR WAVEGUIDE”)进行信号输入，并通过匹配结构(“WAVEGUIDE-TO-COAX MATCHING BEAD”)进行输入矩形波导到同轴波导的阻抗匹配，而“COAX-TO-RADIAL LINE MATCHING BEAD”则是完成从同轴波导到径向波导的匹配结构，最后再通过径向波导(“RADIAL WAVEGUIDE”)端口输出。该结构没有完全解决输出端口如何隔离的问题，尤其是两个相对的端口。此外，其功率容量也受到同轴波导过渡结构的限制。
2009年，Kaijun song等人在TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES上发表了题为“Planar Probe Coaxial-Waveguide Power Combiner/Divider”的文章，使用同轴SMA接头输入信号，采用微带探针伸入腔体中得到了10路端口输出，其结构如图8所示。该结构通过一个SMA连接头(SMA Connector)进行信号输入，在由Inner Conductor和Outer Conductor形成的波导腔体中传输准TEM模，最后完成波导-微带线转换输出。该结构适用于微波频段或毫米波频段低端，而随着频段变高，微带结构损耗大的缺点将会显现出来。
2008年，Larry W.Epp等人在专利号为US7385462中提出一种新的结构“WIDEBAND RADIAL POWER COMBINER/DIVIDER FED BY A MODE TRANSDUCER”，该结构使用Marie型矩形波导-圆波导转换器作为输入馈电方式，结构如图9所示，该结构通过矩形波导端口16输入信号，并通过Marie型矩形波导-圆波导模式转换器10进行模式转换，在径向功率分配结构20中完成功率分配后从矩形波导端口22输出，标号 30代表波导匹配负载。但是这种Marie型模式转换器在垂直径向圆盘的方向尺寸比较大，而且未提供端口隔离的有效解决方式。
2011年，中国专利201120423948.X中，提出了一种使用空气微带的径向功率合成放大器6，结构如图10所示，其采用矩形波导11进行信号输入，41是矩形波导端口。该放大器结构上采取了一个功率分配器和一个合成器(8和9)背靠背连接的形式，61和62是有源功率放大器模块。该专利采用矩形波导-同轴波导作为输入方式，为了实现端口匹配和隔离，抑制高次模式，引入了空气微带线并在相邻空气微带线之间覆盖薄膜电阻片。该电阻片是覆盖在腔体开槽的底部。但是，该结构也没有解决位置相对的端口隔离的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种高隔离的小型化径向功率分配/合成器。
本实用新型的目的通过以下的技术方案实现：
一种高隔离的小型化径向功率分配/合成器，其特征在于：包括一个***电阻膜片的径向功率分配/合成器和一个矩形波导-圆波导模式转换结构；所述***电阻隔膜的径向功率分配/合成器包括输入圆波导端口、阻抗变换结构、一个以上输出矩形波导，以上三种结构依次连接；所述矩形波导-圆波导模式转换结构包括顺序相连的输入矩形波导、一分四路功率分配网络、波导扩大过渡结构、输出圆波导。
所述的输入圆波导，其底部用匹配凸台结构来调节端口匹配；一个以上减半高度的输出矩形波导呈放射状与圆波导进行连接，在波导腔体中，相邻两个减半高度的输出矩形波导端口间的分支位置处径向***电阻膜片；减半高度的输出矩形波导再通过阻抗变换结构与全高度输出矩形波导进行连接，最后输出。所述的减半高度的矩形波导端口与全高度矩形波导间用过渡结构进行连接，该过渡结构用于实现宽带阻抗匹配，可以用多种匹配结构实现，比如：单节四分之一阻抗变换器、多节四分之一阻抗变换器、切比雪夫阻抗变换器和渐变传输线。
所述的输入圆波导的内径初始值按照如下公式确定：R＝λ/1.64，其中λ为导波波长。圆波导的内径初始值的实际尺寸 需要通过仿真优化进行选择，该模式转换结构的设计要求做到对于除TE01模式以外的其他模式，如TE11、TE21、TE31、TM01等模式及其极化简并模式实现高抑制度，而对于所需要的TE01模式波，则要求损耗尽量小。
所述的电阻膜片的阻值Z由奇偶模法确定，假定每个输出矩形波导的阻抗为Z0，则Z＝Z0/2。由于场的不连续性，需要对电阻隔膜的阻值进行优化设计，以有效实现输出端口之间的匹配和隔离。
所述的一分四路功率分配网络包括两级矩形波导E-T分支功分器，在每一级的矩形波导E-T分支功分器的垂直拐弯位置设置了用于消除拐弯处不连续性的匹配切角。匹配切角的尺寸通过仿真优化进行选择，所述波导扩大过渡结构将矩形波导端口的尺寸扩大，以使得与圆波导连接时实现宽带的阻抗匹配。
所述的高隔离的小型化径向功率分配/合成器为全波导结构，输入输出端口均为标准矩形波导端口。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本实用新型主要是通过设计一种新型矩形波导-圆波导模式转换结构来实现小型化，所谓的模式转换指的是将标准矩形波导中传输的TE10模式转换为圆波导中传输的所需要的TE01模式，但是与过去的成果(比如专利US7385462中使用的Marie型模式转换器)不同，其通过两级四路功率分配网络将矩形波导输入的信号转化为相位正交的四路信号馈入圆波导中，成功激励起TE01模式场，同时通过一系列弯折结构使得转换结构的体积大大减小。
2、本实用新型提出的高隔离的小型化径向功率分配/合成器，可以实现一次功分多路，宽带，低损耗，小型化，易于装配，且端口隔离的功率分配/合成。
3、相比传统使用同轴或同轴探针过渡结构进行信号输入的径向功率分配器，本实用新型使用了矩形波导-圆波导转换结构作为信号输入方式，由于是全波导结构，功率容量得到提高，同时没有介质损耗，只有很低的导体损耗，因此具有低损耗的优点。
4、相比过去的模式转换结构，本实用新型通过设计一种新型模式转换结构，可以完成从矩形波导TE10模到圆波导TE01模的转化，同时体积减小、结构紧凑、模式抑制度高。
5、本实用新型的径向功率分配/合成器，通过直接在腔体中***电阻隔膜，实现很好的端口匹配和隔离。同时，通过合理地设计过渡和波导弯折结构，实现了宽带工作。
6、本实用新型主要是通过电阻隔膜技术来实现端口高隔离度，与传统技术不同点在于以往电阻膜片都是覆盖在开槽或空气微带上(比如专利201120423948.X)，本实用新型所述电阻膜片直接***波导腔体中，沿径向放置。为了避免引入不平衡场使得功率分配/合成器性能下降，需要保证电阻隔膜的厚度尽可能的小。
附图说明
图1为本实用新型所述的一种高隔离的小型化径向20路功率分配/合成器的结构示意图；
图2-1为图1所述功率分配/合成器的模式转换结构的结构图；图2-2为图2-1所述模式转换结构的上半部分的橫面剖视图；图2-3为图2-1所述模式转换结构的下半部分的橫面剖视图；
图3为图2-1所述模式转换结构的一分二路功分器的局部图；
图4为本实用新型所述的一种高隔离的小型化径向20路功率分配/合成器的分离结构图；
图5为图4所述功率分配/合成器的底层结构的局部图；
图6为电阻膜片***到径向功率分配/合成器腔体后的效果图；
图7为文章“A WIDEBAND 60GHz 16-WAY POWER DIVIDER COMBINER NETWORK”中提出的一种16路功率分配器的结构示意图；
图8为文章“Planar Probe Coaxial-Waveguide Power Combiner/Divider”提出的一种平面同轴探针-波导功率分配/合成器；
图9为专利US7385462提出的一种径向功率分配/合成器；
图10为专利201120423948.X提出的一种使用空气微带的径向功率合成放大器。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
一种高隔离的小型化径向功率分配/合成器，其特征在于：包括一个***电阻膜片的径向功率分配/合成器和一个矩形波导-圆波导模式转换结构；所述***电阻隔膜的径向功率分配/合成器包括输入圆波导端口、阻抗变换结构、一个以上输出矩形波导，以上三种结构依次连接；所述矩形波导-圆波导模式转换结构包括顺序相连的输入矩形波导、一分四路功率分配网络、波导扩大过渡结构、输出圆波导；
所述的输入圆波导，其底部用匹配凸台结构来调节端口匹配；一个以上减半高度的输出矩形波导呈放射状与圆波导进行连接，在波导腔体中，相邻两个减半高度的输出矩形波导端口间的分支位置处径向***电阻膜片；减半高度的输出矩形波导再通过阻抗变换结构与全高度输出矩形波导进行连接，最后输出。所述的减半高度的矩形波导端口与全高度矩形波导间用过渡结构进行连接，该过渡结构用于实现宽带阻抗匹配，可以用多种匹配结构实现，比如：单节四分之一阻抗变换器、多节四分之一阻抗变换器、切比雪夫阻抗变换器和渐变传输线。
所述的输入圆波导的内径初始值按照如下公式确定：R＝λ/1.64，其中λ为导波波长。圆波导的内径初始值的实际尺寸需要通过仿真优化进行选择，该模式转换结构的设计要求做到对于除TE01模式以外的其他模式，如TE11、TE21、TE31、TM01等模式及其极化简并模式实现高抑制度，而对于所需要的TE01模式波，则要求损耗尽量小。
所述的电阻膜片的阻值Z由奇偶模法确定，假定每个输出矩形波导的阻抗为Z0，则Z＝Z0/2。由于场的不连续性，需要对电阻隔膜的阻值进行优化设计，以有效实现输出端口之间的匹配和隔离。
所述的一分四路功率分配网络包括两级矩形波导E-T分支功分器，在每一级的矩形波导E-T分支功分器的垂直拐弯位置设置了用于消除拐弯处不连续性的匹配切角。匹配切角的尺寸通过仿真优化进行 选择，所述波导扩大过渡结构将矩形波导端口的尺寸扩大，以使得与圆波导连接时实现宽带的阻抗匹配。
所述的高隔离的小型化径向功率分配/合成器为全波导结构，输入输出端口均为标准矩形波导端口。
下面以一个20路径向功率分配/合成器为例，整体结构图如图1所示。该结构包括一个模式转换结构1，一个径向功率分配/合成器2。模式转换结构1的输出口12连接径向功率分配/合成器的输入口21，模式转换结构的输入口11连接外部的信号源。
图2-1、2-2、2-3所示的是图1中使用的模式转换结构1的分离结构图。该模式转换结构由两大部分拼接构成，即顶层结构3和底层结构4。顶层结构3和底层结构4紧密结合，共同形成输入矩形波导端口11、第一级波导功分器13、第二级波导功分器14、波导扩大过渡结构16以及输出圆波导端口12。源信号由输入矩形波导端口11输入后，经过第一、第二级波导功分器分成相位正交的四路信号，这四路信号先经过一段波导扩大过渡结构16进行宽带阻抗匹配，然后进入圆波导端口12实现TE10-TE01模式转换并输出。而由于不连续性的存在，需要设计匹配凸台17抑制高次模式。在波导传输线折弯处需要设计波导切角15以消除不连续性。
图3所示的是图2-3中的波导功分器13的局部图，其中，四分一波长阻抗变换段132实现阻抗匹配的作用，波导切角131可以抑制波导不连续段存在的高次模式。在实际应用中，也可以采用如波导魔T结构和波导E-T分支作为功分器。
图4所示的是图1中使用的径向功率分配/合成器2的分离结构图，该径向功率分配/合成器由两部分拼接构成，即顶层结构5和底层结构6。顶层结构5和底层结构6紧密配合。圆波导输入端口21接受来自模式转换结构1的输出端口12的信号。矩形波导输出端口22可以与具有标准接头的功率放大器模块、波导负载或耦合器等结构相连。
图5所示的是图4中的底层结构6的局部图。在圆波导的底部中 间位置，匹配圆台64可以实现端口的宽带匹配。导体缝隙65通过开槽得到，电阻隔膜通过缝隙65***到腔体中。缝隙65的缝隙宽度需要在加工可行的前提下尽可能地确保电阻隔膜能固定在腔体内，且需要防止功率泄露。多个减半高度矩形波导端口61与径向波导连接，减半高度矩形波导端口61通过一段渐变匹配过渡传输线62与标准高度矩形波导传输线63相连，并最终通过矩形波导端口22最终输出。
图6是电阻隔膜8***到径向功率分配/合成器腔体后的效果图。电阻隔膜的实现工艺是在一块介质基片的两面镀上薄膜电阻层，为了避免引入不平衡场使得功率分配/合成器性能下降，需要保证电阻隔膜的厚度尽可能的小。同时电阻隔膜8的高度应该以尽量不影响圆波导内场分布为设计原则。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高隔离的小型化径向功率分配/合成器，其特征在于：包括一个***电阻膜片的径向功率分配/合成器和一个矩形波导-圆波导模式转换结构；所述***电阻隔膜的径向功率分配/合成器包括输入圆波导端口、阻抗变换结构、一个以上输出矩形波导，以上三种结构依次连接；所述矩形波导-圆波导模式转换结构包括顺序相连的输入矩形波导、一分四路功率分配网络、波导扩大过渡结构、输出圆波导。
2.根据权利要求1所述的高隔离的小型化径向功率分配/合成器，其特征在于：所述的输入圆波导，其底部用匹配凸台结构来调节端口匹配；一个以上减半高度的输出矩形波导呈放射状与圆波导进行连接，在波导腔体中，相邻两个减半高度的输出矩形波导端口间的分支位置处径向***电阻膜片；减半高度的输出矩形波导再通过阻抗变换结构与全高度输出矩形波导进行连接，最后输出。
3.根据权利要求1所述的高隔离的小型化径向功率分配/合成器，其特征在于：所述的输入圆波导的内径初始值按照如下公式确定：R＝λ/1.64，其中λ为导波波长。
4.根据权利要求1所述的高隔离的小型化径向功率分配/合成器，其特征在于：所述的电阻膜片的阻值Z由奇偶模法确定，假定每个输出矩形波导的阻抗为Z0，则Z＝Z0/2。
5.根据权利要求1所述的高隔离的小型化径向功率分配/合成器，其特征在于：所述的一分四路功率分配网络包括两级矩形波导E-T分支功分器，在每一级的矩形波导E-T分支功分器的垂直拐弯位置设置了用于消除拐弯处不连续性的匹配切角。
6.根据权利要求1所述的高隔离的小型化径向功率分配/合成器，其特征在于：其为全波导结构，输入输出端口均为标准矩形波导端口。
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