CN102709661A

CN102709661A - 微波毫米波积木式功率分配合成器

Info

Publication number: CN102709661A
Application number: CN2012101735260A
Authority: CN
Inventors: 窦文斌; 向博; 李腾; 孟洪福
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2012-10-03

Abstract

一种微波毫米波积木式功率分配合成器，包括第一波导、第二波导及放大器模块，第一波导通过第一耦合缝隙耦合有第一过渡波导，第一过渡波导的一端与放大器模块的一端连接，第二波导通过第二耦合缝隙耦合有第二过渡波导，第二过渡波导的一端与所述放大器模块的另一端连接，第一波导一端为第一输入端口，另一端为第一输入短路面；第二波导一端为第一输出端口，另一端为第一输出短路面；第一过渡波导、第二过渡波导的另一端分别为第一短路面、第二短路面。利用该分配合成器可输出高功率的微波毫米波信号，空间利用率高，结构形状规则、方便调试、以积木式组合实现任意路数的合成，克服了目前微波毫米波功率分配合成网络调试困难、扩展性差等缺点。

Description

微波毫米波积木式功率分配合成器

技术领域

本发明涉及一种微波毫米波空间功率分配合成网络技术，用于把一路输入信号分配到多路通道中，激励多个固态功率放大器，并将功率放大器输出的信号同相合成，从而获得高功率输出。

背景技术

在微波毫米波系统中，发射机是其中最为关键的部件之一，它的输出功率直接决定了系统的作用半径，抗干扰能力以及系统的通信质量与性能。固态发射机具有电源简单、尺寸小、重量轻、寿命长、占空比大等优点，但单个固态器件产生的功率小是其固有的不足。随着频率升高，器件尺寸减小，单个固态器件的输出功率也随之减小，频率越高，输出功率就越小。电真空器件虽然可以产生比固态器件高的功率，但要求有很高电压的电源，且体积庞大，在很多环境如航天航空飞行器中不好应用。固态器件受自身半导体物理特性的影响以及加工工艺等诸方面的限制，单个固态器件要获得较大的输出功率还难以实现。为了提高固态发射机的功率，一条众所周知的技术途径就是采用功率合成技术。固态功率合成技术研究已有几十年的历史，在微波频段已经获得大量实际应用。

功率合成有两种类型，一种是振荡器式功率合成，即采用多个固态振荡管制作振荡器，其输出功率比单管振荡器的输出功率大。这个方案因为不易实现高质量如低相位噪声的信号和雷达所需的多种波形信号，现在已经较少采用。现在采用的是多个固态功率放大合成的方案，即用微波频率源产生高质量的能实现雷达所需波形的低功率信号，馈入若干个固态功率放大器，再将这些功率放大器输出的功率合成，得到高功率输出。这个方案既能实现高功率输出，又能实现输出信号的高质量，成为固态功率合成的主流。本发明涉及的就是这种功率合成技术。

目前，功率合成技术有不同的实现途径和称呼，如芯片级合成、电路合成、空间合成和准光合成等。这些称呼是从功率合成的技术途径来命名的。为了更清晰地说明功率合成的技术特征，我们从功率合成的网络拓扑来分类，至于实现特定网络的物理结构可以是芯片级合成、电路级合成、空间合成或准光合成。我们把功率合成的网络拓扑分为2-1型和N-1型，定义如下：

2-1型：这种网络拓扑的特征是：输入信号1分为2，2分为4，4分为8，8分为16，16分为32，类推，即下一级通道数是上一级的通道数乘以2；输出信号则反过来，32合为16，16合为8，8合为4，4合为2，2合为1；示意如图1。

芯片级合成与电路合成采用这种网络拓扑。这种网络拓扑的优点是物理结构简单，有现成的平面功率分配合成结构可用，且已发展得相当成熟。其缺点是合成路数多了以后网络损耗增加很大，例如合成32路网络有5级，输入输出加在一起就是10级，这10级网络要损耗很多功率，当合成路数增加到一定数目后，再增加路数也不会增大输出功率。在合成路数少于32路时，多级网络的损耗也会降低合成效率。

这个网络拓扑的另一缺点是它合成的路数须是2的整数倍，对于调控输出功率的大小不方便，增加1级输出功率过大，不增加又不够。

N-1型：这种网络拓扑的特征是：输入信号第1级1分为K，第2级每路1分为M，K路分为K×M路，第3级每路1分为N，K×M路分为K×M×N路，类推，即下一级通道数是上一级的通道数乘以每路的功分数K（或M或N）；输出信号则反过来，K×M×N合为K×M，K×M合为K，K合为1。K（M或N）大于2。显然，对于合成同样的路数，这个网络拓扑需要的合成级数比2-1型少得多。例如，输入时1分为4，4分为16，16分为64；合成时64合为16，16合为4，4合为1；共6级就可合成64路，而2-1型要10级才能合成32路。增大N还可减少合成的级数。合成网络的级数减少就可减小网络的损耗。另外，N可以调整，即在不同的级可以取不同的N，从而合成的路数与2-1型相比灵活可变。例如，可以1分为4，4分为20（即第2级是每路1分为5，4路分为20路）；或者1分为5，5分为30（即第2级是每路1分为6，5路分为30路）；

实现这种功率分配合成网络无疑将是功率合成技术的一大突破。

目前，已报道的能实现这种N-1型网络拓扑的有空间功率合成和准光功率合成技术。如(E.J.Wilkinson,An N-way hybrid power divider,IRE Transaction Microwave Theory and Techniques.1960,8(1):116-118)、径向线合成电路(D.F.Peterson,Radial-Symmetric N-Way TEM-LineIMPATT Diode Power Combining Arrays,IEEE Transactions MicrowaveTheory and Techniques,1982,30(2):163-173)、同轴一波导合成电路(R.S.Harp and K.J.Russell.Conical power combiner.U.S.Patent 4188590,Feb.1980)等形式。在这些N-1型合成网络中，由于结构和工艺原因，其工作频率都在X波段以下，难以在毫米波频段有效地实现多路合成。

近年来，出现了基于径向波导结构的空间功率合成网络(KaijunSong,Yong Fan,Zongrui He,Broadband Radial Waveguide SpatialCombiner,IEEE Microwave and Wireless ComponentsLetters,2008,18(2):73-75；陈明勇，窦文斌，Ka波段径向波导功率合成网络，电波科学学报，2010，25(4):745-748)，这种结构需要被合成的各通道与合成网络连接后统一调试，各通道不能单独调试。因为通道单独调试时的连接波导是矩形波导，与实际连接的径向波导特性不同。在这个技术的基础上，又发展出星形功率合成网络（Xiang Bo,DouWenbin,A Ka Band Spatial Six-way Power Divider/Combiner,2011China-Japan Joint Microwave Conference Proceedings,2011,440-442），这个网络将径向波导再转换到多个矩形波导，解决了径向波导合成网络不方便各通道单独调试的困难。

上述合成网络都存在结构形状非规则、空间利用率不高、连接不方便的缺点，一般只能做一级网络，即输入时1分为N，输出时N合为1；最多与2-1型网络结合，得到2级网络，即输入时1分为2，再2分为2N，输出时2N合为2，再2合为1。还不能实现真正的N-1型合成网络的功能。

还有一种合成网络是基于探针耦合的波导功率合成网络(Xiaoqiang Xie,Ruimin Xu,Rui Diao and Weigan Lin,A NewMillimeter-wave Multi-way Power Dividing/Combining Network Basedon Waveguide-Microstrip E-plane Dual-Probe Structure,GSMM2008Proceeding,2008)，这种合成网络结构用微带探针作为固态功率放大器的耦合结构，伸入合成网络的输入输出波导中。这种结构具有形状规则，空间利用率高的优点，但却存在各通道单独调试不方便的缺点，因为单独调试时没有其它通道的探针存在，也就没有互耦存在，而实际连接时所有通道的探针都伸在同一个波导中，各探针之间存在强烈的互耦，需要统一调试，这就使调节难度增大。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种能够调试方便且结构紧凑的微波毫米波积木式功率分配合成网络。

本发明采用如下技术方案：

一种微波毫米波积木式功率分配合成器，包括：第一波导、第二波导及放大器模块，第一波导通过第一耦合缝隙耦合有第一过渡波导，第一过渡波导的一端与所述放大器模块的一端连接，第二波导通过第二耦合缝隙耦合有第二过渡波导，第二过渡波导的一端与所述放大器模块的另一端连接，所述第一波导一端为第一输入端口，另一端为第一输入短路面；第二波导一端为第一输出端口，另一端为第一输出短路面；所述第一过渡波导、第二过渡波导的另一端分别为第一短路面、第二短路面。

与目前现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明的微波毫米波功率分配合成器(如图4)，其结构上由功率分配器、放大器模块和功率合成器构成；功率分配器与放大器模块通过第一过渡波导14和第一输入波导21相连，放大器模块与功率合成器通过第一输出波导26和第二过渡波导18相连；在机械上加工工艺上分别制作功率分配器、放大器模块和功率合成器，然后用仪器分别对功率分配器、放大器模块和功率合成器的电气性能进行调测，根据调测结果把功率分配器、放大器模块和功率合成器组装成微波毫米波N-1型功率分配合成器。

目前的常用功率分配合成网络（波导微带探针式如图14，径向空间功率分配合成网络）是一个整体必须把所有的部件(包括分配器、放大器和合成器)组装完毕才能进行电气性能的调测，技术缺陷描述如下：

A、微波毫米波波导微带探针直接耦合功率分配合成网络，如图14所示。信号从波导输入端直接馈入，信号通过基片耦合探针传输到微带上，在微带腔体中安装有源放大器，经过放大的信号，基片耦合探针耦合到输出波导实现功率的合成，这种结构是通过输入波导、基片探针耦合和微带实现信号功率的分配和合成；功率分配合成网络要求每个支路具有等幅同相的特征，该结构基片探针悬置在波导中，受目前现有加工技术精度的限制，很难实现多路基片探针安装完全一致，必然会影响功率合成效率；在对该结构的功率分配合成网络调试的时候，必须把多路基片耦合探针全部安装完毕，功率放大芯片安装在微带腔体中，这样很难对每个腔体中的放大芯片进行单路的调测，这样一体结构就给整个网络带来了调试困难。

B、径向空间功率分配合成网络在微波频段有良好的性能，目前有学者采用同轴馈电，在进行波导中激励起TEM模，在径向波导中的TEM模具有等幅度同相位的特征，很适合进行宽带的功率合成，在径向波导中的电磁波通过探针耦合出能量，再对耦合出的信号进行功率放大芯片进行放大，放大后的信号在通过径向波导进行功率合成。有学者把径向波导结构扩展毫米波频段，由于毫米波的波长比微波短得多，因而，径向波导的半径急剧下降，自然就造成加工装配困难，而且由于体积较小，增大了功率放大芯片的散热难度。多路信号采用的是探针耦合结构，在实际加工安装中很难保证探针精度位置，尤其是在毫米波频段，很容易造成多路信号的幅度或者相位不平衡，从而大大降低了信号的合成效率，而且，这种结构需要被合成的各通道与合成网络连接后统一调试，各通道不能单独调试。

本发明提出的微波毫米波积木式功率分配合成器，采用波导通过耦合缝隙耦合波导，具有结构简单，机械加工简单，波导采用标准波导尺寸，在整体结构分解为功率分配网络，功率放大模块，功率合成网络；功率分配器包括第一波导12，第一耦合缝隙13，第一过渡波导14；放大器模块主要包括第一输入波导21，输入过渡微带探针22，微带线23，微带腔体24，输出过渡微带探针25和第一输出波导26，微带线23安装在微带腔体24内，功率放大芯片安装在微带腔体24内的介质基片上，通过金丝与微带线23相连接。功率分配网络包括第二过渡波导18，第二耦合缝隙15，第二波导16；本发明的微波毫米波积木式功率分配合成器调测方法如下：

在测试功率分配器时，矢量网络分析仪一端接第一波导12的第一输入端口11，矢量网络分析仪的另外一端接第一过渡波导14中的一根，第一过渡波导14的其它波导接匹配负载，通过矢量网络分析仪可以测试出S参数，这样得出第一波导12到第一过渡波导14的幅度和相位，通过S参数，即可知分配网络的幅度和相位特性，从而可知该分配网络的性能特性；功率放大器模块是一个双端口组件，矢量网络分析仪的两个端口分别接其第一输入波导11和第一输出波导12，即可测试出第一放大器模块的S参数，得到放大器模块的幅度相位特征，由于功率合成需要多个第一放大器模块，而且要求每个模块的幅度相位特征相同，可根据矢量网络分析仪进行调试每个放大器模块的幅相特性，使所需的第一放大器模块特性基本一致；功率合成网络与功率分配网络结构一样，测试方法相同。然后，再把分配网络，合成网络和放大器模块按照图5安装在一起，即可得到功率分配放大合成模块。功率放大器单独调试和放入合成网络连接的都是矩形波导，因此方便单独调试。且功率合成网络各端口之间有较好的隔离度，单独调试好后安装进合成网络中性能不会因为各通道之间的互耦而发生变化。

2、本发明微波毫米波功率分配合成器，能在坐标系x，y，z轴三个方向进行扩展实现K×M×N路功率合成，积木式组合以实现任意路数的合成；能在三维方向进行扩展充分利用立体空间，具有结构紧凑的优点。

图4所示的功率分配放大合成基本模块由4路构成，4路功率分配放大合成排列在x方向，显然可以根据需要在x轴设计出N路功率分配放大合成网络；图10所示的功率分配放大合成网络由3个图4所示的基本模块在y方向排列构成，可以根据需要在y轴方向设计出M个N路功率分配放大合成基本模块；图11、图12、图13所示的功率分配放大合成网络由2个图10所示的分配放大合成网络在z方向排列构成，可以根据需要在z轴方向设计出K个M×N路功率分配放大合成网络。

附图说明

图1是2-1型功率分配合成网络。

图2是N-1型功率分配合成网络。

图3是微波毫米波积木式功率分配合成网络示意图。

第一级功率分配器I，第二级功率分配器II，第三级功率分配器III，微带放大器IV。

图4是4路微波毫米波N-1型功率分配放大合成网络模块示意图，

第一输入端口11，第一波导12，第一耦合缝隙13，第一过渡波导14，第一输入短路面15，第一输出端口16，第二波导17，第二耦合缝隙18，第二过渡波导19，第一输出短路面110，第一短路面111，第二短路面112。

图5是放大器模块示意图，

第一输入波导21，输入过渡微带探针22，第一微带线23，微带腔体24，输出过渡微带探针25，第一输出波导26，放大器芯片27，第二微带线28。

图6是波导宽边开耦合缝隙示意图，

a为波导宽边边长，θ为耦合缝隙与波导纵向夹角。

图7是波导宽边开耦合缝隙等效电路示意图，

R为耦合缝隙的等效电阻，X为耦合缝隙的等效电抗。

图8波导6路耦合缝隙示意图，

λ_g为波导波长。

图9是波导6路耦合缝隙的等效电路示意图。

图10是3×4路微波毫米波积木式功率分配放大合成网络示意图，

第二输入端口31，第三波导32，第三耦合缝隙33，第二输入短路面35，第二输出端口36，第四波导37，第四耦合缝隙38，第二输出短路面310。

图11是2×3×4路微波毫米波积木式功率分配放大合成网络正视图，

第三输入端口41，第五波导42，第五耦合缝隙43，第三输入短路面45，第三输出端口46，第六波导47，第六耦合缝隙48，第三输出短路面410。

图12是2×3×4路微波毫米波积木式功率分配放大合成网络俯视图。

图13是2×3×4路微波毫米波积木式功率分配放大合成网络左视图。

图14是微波毫米波波导微带探针直接耦合功率分配合成网络。

具体实施方式

实施方案例1

一种微波毫米波积木式功率分配合成网络基本模块如图4示，包括功率分配器，功率放大模块，功率合成器；功率分配网络包括第一波导12，能量耦合缝隙13，第一过渡波导14；功率放大模块主要包括信号输入波导21，输入耦合探针22，微带23，微带腔体24，输出耦合探针25和信号输出波导26，功率放大芯片可以安装在微带腔体24内，采用金丝与微带线23相连；功率分配网络包括第二过渡波导19，能量第二耦合缝隙18，第二波导17；第一波导12和第二波导17采用标准波导尺寸。在测试功率分配网络时，矢量网络分析仪一端接第一波导12的第一输入端口11，矢量网络分析仪的另外一端接第一过渡波导14中的一根，其它第一过渡波导14接匹配负载，通过矢量网络分析仪就可以测试出S参数，这样可得出第一波导12到第一过渡波导14的幅度和相位，通过比较每组的S参数，即可得知分配网络的幅度和相位特性，从而可以得知该网络的性能特性；放大器模块是一个双端口组件，矢量网络分析仪接两端的波导，即可测试出放大器模块的S参数，得到放大器模块的幅度相位特征，由于功率合成需要多个放大器模块，而且要求每个模块的幅度相位特征相同，那就可以根据矢量网络分析仪进行调试每个放大器模块的幅相特性，使所用到的放大器模块特性基本一致；功率合成网络与功率分配网络结构一样，测试方法相同。然后，再把分配网络，合成网络和放大器模块按照图5安装在一起，即可得到大功率信号输出。功率放大器单独调试和放入合成网络连接的都是矩形波导，因此方便单独调试。且功率合成网络各端口之间有较好的隔离度，单独调试好后安装进合成网络中性能不会因为各通道之间的互耦而发生变化。

实施方案例2

一种微波毫米波积木式功率分配合成网络如图10示，为3个图4示4路功率分配放大合成基本模块构成的12路功率分配放大合成网络；图4中的第一波导12的信号输入由第一输入端口11改为第三耦合缝隙33馈电；第二波导17的信号输出由第一输出端口16改为第四耦合缝隙38耦合输出；图10所示信号输入从第二输入端口31进入第三波导32，第三耦合缝隙33连接第三波导32和第一波导12，第三波导32中的信号通过第三耦合缝隙33耦合到第一波导12；第二波导17中的信号通过第四耦合缝隙38耦合到第四波导37，第四波导37把3路从第四耦合缝隙38来的信号合成一路经第二输出端口36输出。

实施方案例3

一种微波毫米波积木式功率分配合成网络如图11、图12、图13示，为2个图10示3×4路功率分配放大合成网络构成的24路功率分配放大合成网络；图10中的第三波导32的信号输入由第二输入端口31改为第五耦合缝隙43馈电；第四波导37的信号输出由第二输出端口36改为第六耦合缝隙48耦合输出；图11、图12、图13所示信号输入从第三输入端口41进入第五波导42，第五耦合缝隙43连接第五波导42和第三波导32，第五波导42中的信号通过第五耦合缝隙43耦合到第三波导32；第四波导37中的信号通过第六耦合缝隙48耦合到第六波导47，第六波导47把2路从第六耦合缝隙48来的信号合成一路经第三输出端口46输出。

实施方案例4

一种微波毫米波积木式功率分配合成器，包括：第一波导12、第二波导17及放大器模块113，第一波导12通过第一耦合缝隙13耦合有第一过渡波导14，第一过渡波导14的一端与所述放大器模块113的一端连接，第二波导17通过第二耦合缝隙18耦合有第二过渡波导19，第二过渡波导19的一端与所述放大器模块113的另一端连接，所述第一波导12第一波导12一端为第一输入端口11，另一端为第一输入短路面15；第二波导17一端为第一输出端口16，另一端为第一输出短路面110；所述第一过渡波导14、第二过渡波导19的另一端分别为第一短路面111、第二短路面112。在本实施例中，所述放大器模块113包括作为所述放大器模块113一端的第一输入波导21、作为所述放大器模块113另一端的第一输出波导26及微带腔体24，在微带腔体24内设有放大器芯片27、输入过渡微带探针22及输出过渡微带探针25，输入过渡微带探针22的一端通过第一微带线23与放大器芯片27的输入端连接，输出过渡微带探针25的一端通过第二微带线28与放大器芯片27的输出端连接，所述输入过渡微带探针22的另一端延伸并插入第一输入波导21，所述输出过渡微带探针25的另一端延伸并插入第一输出波导26。在本实施例中，信号通过第一输入端口11进入第一波导12，在第一波导12中通过第一耦合缝隙13把能量耦合到第一过渡波导14，在第一过渡波导14中的电磁波具有等幅同相的特征；第一过渡波导14中的电磁波传输到第一输入波导21通过输入过渡微带探针22耦合到第一微带线23上，放大器芯片27对电磁波信号进行功率放大，放大后的电磁波信号经过第二微带线28通过输出过渡微带探针25耦合到第一输出波导26传输到第二过渡波导19中；在第二过渡波导19中具有等幅同相的电磁波信号通过第二耦合缝隙18耦合到第二波导17，在第二波导17中同相叠加合成一路通过第一输出端口16输出。

本发明以基本模块（见图4）的积木式组合（见图10和图11、图12、图13示）实现大功率信号输出。积木式组合方式如图3示，微波毫米波功率分配网络假设由三级（也可以更多级或更少级）功率分配器构成，图3中虚线I区为第一级功率分配，II区为第二级功率分配，III区为第三级功率分配；图3中虚线IV区为功率放大器模块，功率合成网络与功率分配网络设计结构相同，只是信号流向相反。

第一耦合缝隙13切割第一波导12的纵向表面电流，从而在第一过渡波导14中激励起电磁波；距离第一输入短路面15最近的第一过渡波导14的中心与第一输入短路面15的距离为二分之一个波导波长的奇数倍；相邻第一耦合缝隙13的中心间距为二分之一个波导波长的整数倍，当相邻第一耦合缝隙13的中心间距为信号二分之一个波导波长的奇数倍时，相邻第一耦合缝隙13与第一波导12纵向夹角互补，当相邻第一耦合缝隙13的间距为二分之一个波导波长的偶数倍时，相邻第一耦合缝隙13与第一波导32纵向夹角相同；第一耦合缝隙13中心与第一过渡波导14的第一短路面111的距离为二分之一个波导波长的奇数倍；第二耦合缝隙18中心与第二过渡波导19的第二短路面112的距离为二分之一个波导波长的奇数倍；第二耦合缝隙18切割第二过渡波导19的纵向表面电流，从而在第二波导17中激励起电磁波；距离第一输出短路面110最近的第二过渡波导19的中心与第一输出短路面110的距离为二分之一个波导波长，第二耦合缝隙18的中心间距为信号二分之一个波导波长的整数倍，当相邻第二耦合缝隙18的中心间距为二分之一个波导波长的奇数倍时，相邻第二耦合缝隙18与第二波导17纵向夹角互补，当相邻第二耦合缝隙18的中心间距为二分之一个波导波长的偶数倍时，相邻第二耦合缝隙18与第二波导17纵向夹角相同。

本实施例中的微波毫米波积木式功率分配合成网络以1分为N功率分配结构和N合为1功率合成结构为积木式组合的基本模块（属于N-1型），见图2示。通过积木式组合，可以实现任意路数的合成，且网络损耗比2-1型显著降低。本实施例中的微波毫米波功率分配放大合成基本模块以4路为例说明，如图4示；图4中的N-1型功率分配放大合成基本模块包括功率分配器、放大器模块113和功率合成器；由第一波导12，第一耦合缝隙13和第一过渡波导14构成功率分配器；由第二过渡波导17，第二耦合缝隙18和第二波导19构成功率合成器。第一波导12上设置第一输入端口11，另一端为第一输入短路面15；第二波导17上设置第一输出端口16，另一端为第一输出短路面110；第一输入端口11与标准波导相连作为信号输入接口，第一输出端口16与标准波导相连作为信号输出接口；第一耦合缝隙13分别与第一波导12、第一过渡波导14相连接；第二耦合缝隙18分别与第二波导17、第二过渡波导19相连接；第一过渡波导14、第二过渡波导19上分别设置第一短路面111、第二短路面112；放大器模块113如图5，包括第一输入波导21，输入过渡微带探针22，第一微带线23，微带腔体24，输出过渡微带探针25，第一输出波导26，放大器芯片27和第二微带线28；第一微带线23、第二微带线28都安装在微带腔体24内，放大器芯片的输入端、输出端分别连接到第一微带线23的一端、第二微带线28的一端，放大器芯片对输入信号进行功率放大，输入波导21与图4中的过渡波导14连接，输出波导26与图4中的过渡波导19连接。

图4中的微波毫米波N-1型功率分配合成器主要设计步骤和参数关系说明如下：

1、在矩形波导的一个端口加载激励，另一端加载匹配负载或短路面，在波导表面设置缝隙切割传导电流线，其传导电流将产生不连续性，一部分绕过缝隙，另一部分以位移电流的方式沿原来的方向继续流过缝隙，从而将能量辐射或耦合出去；功率分配合成采用波导宽边开耦合斜缝，用于波导间的能量耦合，其示意如图6，等效电路如图7所示，等效阻抗Z＝R+jX，当耦合缝隙谐振时，虚部X为0。

2、如图8所示，以6个第一耦合缝隙13为例，第一波导的第一输入端口11为激励端，另一端为第一输入短路面15，相邻第一耦合缝隙13的间距及第一耦合缝隙13到第一输入短路面15的距离均为λ_g/2的整数倍，其中λ_g为波导波长，此处取一倍即λ_g/2，为保持同相，相邻第一耦合缝隙13与波导纵向夹角互补；6个第一耦合缝隙13的等效电路如图9，第一波导的第一输入端口11处的阻抗

为达到阻抗匹配要求，则Z＝1（Z为归一化阻抗）；第一耦合缝隙13的能量比按照等效阻抗比来确定，即

P_i为第i个耦合缝隙的耦合功率，P_total为波导第一输入端11输入的总功率，以此确定各缝隙等效电阻z_i。

3、第一耦合缝隙13的长度大小主要影响等效阻抗中的虚部X，第一耦合缝隙13和波导纵向夹角主要影响等效阻抗中的实部R；根据需要确定输出总功率，选择单片集成芯片，总功率除以单片集成芯片的功率即得功分合成路数，根据功分合成路数即为第一耦合缝隙13的数量，调整耦合缝隙13的长度和与波导纵向夹角满足电磁波在波导中谐振，从而达到设计期望。

4、前面步骤2、3主要分析的是功率分配器的设计，由于功率合成器与分配器物理结构一致，而且具有互易特性，因此功率合成器的设计方法与分配器完全一样。

图4所示的功率分配放大合成基本模块为4路，根据上面设计步骤和参数关系分析，很容易在x轴方向扩展设计出N路的功率分配放大合成基本模块；由第一波导12，第一耦合缝隙13和第一过渡波导14构成了图3示意的第III级分配器。

利用M个N路功率分配放大合成基本模块可构成M×N路功率分配放大合成网络，M个N路功率分配放大合成基本模块在y轴方向水平扩展；图10所示为3个图4示4路功率分配放大合成基本模块构成的12路功率分配放大合成网络（即为实施方案例2）。信号输入从第二输入端口31进入第三波导32，第三耦合缝隙33连接第三波导32和第一波导12，第三波导32中的电磁波通过第三耦合缝隙33耦合到第一波导12；第二波导17中的电磁波通过第四耦合缝隙38耦合到第四波导37，第四波导37把3路从第四耦合缝隙38来的电磁波合成一路经第二输出端口36输出；在第三波导32上设置第二输入短路面35，在第四波导37上设置第二输出短路面310；由第三波导32，第二输入短路面35和第三耦合缝隙33构成了图3示意的第II级分配器，合成器与分配器结构相同，设计方法与前面介绍的主要设计步骤和参数关系相同。

利用K个M×N路功率分配放大合成网络可构成K×M×N路功率分配放大合成网络，K个M×N路功率分配放大合成网络在z轴方向垂直扩展；图11、图12、图13所示为2个图10所示3×4路功率分配放大合成网络构成的24路功率分配放大合成网络（即为实施方案例3）。信号输入从第三输入端口41进入第五波导42，第五耦合缝隙43连接第五波导42和第三波导32，第五波导42中的信号通过第五耦合缝隙43耦合到第三波导32；第四波导37中的信号通过第六耦合缝隙48耦合到第六波导47，第六波导47把2路从第六耦合缝隙48来的信号合成一路经第三输出端口46输出；在第五波导42上设置第三输入短路面45，在第六波导47上设置第三输出短路面410；由第五波导42，第三输入短路面45和第五耦合缝隙43构成了图3示意的第I级分配网络，合成网络与分配网络结构相同，设计方法与前面介绍的主要设计步骤和参数关系相同。

通过前面的分析和说明，采用波导耦合缝隙结构的功率分配合成网络，可以在x，y，z轴三个方向进行扩展，实现大功率信号的合成。

Claims

1.一种微波毫米波积木式功率分配合成器，其特征在于，包括：第一波导(12)、第二波导(17)及放大器模块(113)，第一波导(12)通过第一耦合缝隙(13)耦合有第一过渡波导(14)，第一过渡波导(14)的一端与所述放大器模块(113)的一端连接，第二波导(17)通过第二耦合缝隙(18)耦合有第二过渡波导(19)，第二过渡波导(19)的一端与所述放大器模块(113)的另一端连接，所述第一波导(12)第一波导(12)一端为第一输入端口(11)，另一端为第一输入短路面(15)；第二波导(17)一端为第一输出端口(16)，另一端为第一输出短路面(110)；所述第一过渡波导(14)、第二过渡波导(19)的另一端分别为第一短路面(111)、第二短路面(112)。

2.根据权利要求1所述的微波毫米波积木式功率分配合成器，其特征在于，所述放大器模块(113)包括作为所述放大器模块(113)一端的第一输入波导(21)、作为所述放大器模块(113)另一端的第一输出波导(26)及微带腔体(24)，在微带腔体(24)内设有放大器芯片(27)、输入过渡微带探针(22)及输出过渡微带探针(25)，输入过渡微带探针(22)的一端通过第一微带线（23）与放大器芯片（27）的输入端连接，输出过渡微带探针(25)的一端通过第二微带线（28）与放大器芯片（27）的输出端连接，所述输入过渡微带探针(22)的另一端延伸并插入第一输入波导(21)，所述输出过渡微带探针(25)的另一端延伸并插入第一输出波导(26)。