CN102832432A - 一种径向线功率分配/合成器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种径向线功率分配/合成器，包括同轴探针、径向波导腔体、和多路阶梯形波导；同轴探针插入径向波导腔体的中心位置；径向波导腔体与多路阶梯形波导相连；每路阶梯形波导由至少一个过渡矩形波导和一个标准矩形波导组成；标准矩形波导通过过渡矩形波导与径向波导腔体相连；过渡矩形波导的宽度比标准矩形波导的宽度大。两个上述径向线功率分配/合成器采用背靠背形式可以组成功率放大器。本发明通过增加至少一个过渡矩形波导径向线功率分配/合成器的工作带宽。

Description

一种径向线功率分配/合成器
技术领域
本发明涉及一种径向线功率分配/合成网络。
背景技术
超宽带高功率放大器在导航、精确制导、雷达、通信、电子对抗等领域得到越来越多的应用。径向线功率分配/合成器可以完成任意路数的固态功放器件的合成，也可以完成一路射频信号到任意路数的功率分配。功率放大器包括一径向线功率分配器、平面电路和一径向线功率合成器。径向线功率分配器和径向线功率合成器的结构完全相同，又称径向线功率分配/合成器。现有的径向线功率分配/合成器包括同轴探针、径向波导腔体、和多路标准矩形波导。同轴探针插入径向波导腔体的中心位置，径向波导腔体与多路标准矩形波导相连。射频信号从径向线功率分配器的同轴探针输入，经径向波导转换到矩形波导分配后，过渡到平面电路进行功率放大后再通过功率合成器合成；从而形成了功率放大功能。不过，径向波导直接过渡到矩形波导的结构往往工作带宽相对不宽。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种径向线功率分配/合成器，能够展宽径向线功率分配/合成器的工作带宽。
本发明的技术方案是：一种径向线功率分配/合成器，包括同轴探针、径向波导腔体、和多路阶梯形波导；同轴探针插入径向波导腔体的中心位置；径向波导腔体与多路阶梯形波导相连；每路阶梯形波导由至少一个过渡矩形波导和一个标准矩形波导组成；标准矩形波导通过过渡矩形波导与径向波导腔体相连；过渡矩形波导的宽度比标准矩形波导的宽度大。
所述同轴探针包括内导体、外导体、和填充介质；所述内导体的底部位于径向波导腔体内。
在内导体的底部安装金属套筒。
所述多路阶梯形波导为8路。
一种功率放大器，包括两个上述径向线功率分配/合成器，微带探针，和平面电路；每个径向线功率分配/合成器的每路阶梯形波导微带探针的一端与平面电路相连，微带探针的另一端与阶梯形波导相连。
在距离各路阶梯形波导的短路面1/4波长处插入微带探针，微带探针与平面电路相连。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明在径向波导与标准矩形波导的过渡处，增加了阻抗变换结构(过渡矩形波导)，过渡矩形波导的宽度比标准矩形波导的宽度大；从而在径向波导和矩形波导之间形成了电抗匹配，可有效展宽过渡结构的工作带宽，从而展宽了径向线功率分配/合成器的工作带宽。
附图说明
图1为本发明的实施例-Ka频段八路径向线功率分配器的俯视图，
图2为本发明的实施例-Ka频段八路径向线功率分配器的截面图；
图3为两个径向线功率分配/合成器背靠背组合成功率放大器的截面图；
图4为八路径向线功率分配器加阶梯阻抗变换后的对比图：不加阻抗变换(图中圆点)、加一阶阻抗变换(图中虚线)、加二阶阻抗变换(图中实线)输入驻波的对比仿真结果；
图5为Ka频段八路径向线功率分配/合成器背靠背结构的回波损耗s11仿真结果图；其横坐标为频率，纵坐标为回波损耗；
图6为Ka频段八路径向线功率分配/合成器背靠背结构的插入损耗s21仿真结果图；其横坐标为频率，纵坐标为插入损耗。
具体实施方式
如图1-2所示，本发明的径向线功率分配/合成器，包括同轴探针、圆柱形径向波导腔体3、和多路阶梯形波导。在径向波导3的外围圆周，沿中心对称方向每隔角度φ连接一个阶梯形波导(对于N路分配/合成器而言，φ等于360°/N，N大于2)。同轴探针包括内导体1、外导体10、和填充介质2。同轴探针的内导体1比外导体和填充介质2长。径向波导腔体与多路阶梯形波导相连；每路阶梯形波导由至少一个过渡矩形波导4和一个标准矩形波导5组成；标准矩形波导5通过过渡矩形波导4与径向波导腔体3相连；过渡矩形波导4的宽度比标准矩形波导5的宽度大。标准矩形波导5的最外端为波导的短路面6。在径向波导腔体3中心位置插入同轴探针，同轴探针的内导体1的底部位于径向波导腔体3中心位置；同轴探针的外导体和填充介质2与径向波导腔体3的外表面接触。优选地，可以在同轴探针内导体1的底部加上金属套筒7来进一步扩展功分器的带宽。
本发明的径向线功率分配/合成器可以单独作为功率分配器、功率合成器使用。在作为功率分配器使用时，其工作过程如下：射频信号从同轴探针输入，探针在圆柱形的径向波导腔体内激励起主模传输；通过过渡矩形波导实现径向波导到标准矩形波导的过渡从而实现功率信号的分配；即把标准矩形波导的宽边，设计成阶梯渐变的结构来进行宽带匹配，使之具有较高的合成效率，更宽的工作带宽，灵活的输出功率。在作为功率合成器使用时，其工作过程如下：多路射频信号通过阶梯形波导输入到径向波导腔体，在径向波导腔体实现信号的合成，并通过同轴探针输出。
如图3所示，将两个径向线功率分配/合成器组合成背靠背的形式，可以作为功率放大器使用，其工作过程如下：通过一个功率/合成分配器完成功率分配后，在距离各路阶梯形波导的短路面1/4波长处插入微带探针8，使之处于矩形波导电场最强的地方，实现波导一微带的过渡，经平面电路的功率放大芯片阵列放大后，采取同样的结构过渡到径向波导内进行功率合成，最后由径向波导中心的同轴探针输出。
上述方案的原理是：在径向波导中存在柱面TEM波，电场只有z向分量，在半径为R的圆周上电场具有相同的场强；而磁场只有φ向分量，在半径为R的圆周上磁场也具有相同的场强，方向沿圆周切向。由于与径向波导腔体连接的阶梯形波导呈中心对称，每个阶梯形波导口处电场分布相同，即确保了每个阶梯形波导从径向波导中耦合的能量相等。采用径向波导与矩形波导相结合的方法，有效的减少高次模谐振的发生。径向波导腔体3通过过渡矩形波导4与标准矩形波导5相连；相当于在径向波导腔体3和标准矩形波导5之间形成了电抗匹配，通过阶梯阻抗变换的技术，使得工作带宽加宽。
实施例
下面以Ka频段八路径向线功率分配/合成器为例，对本发明进行详细说明：
所述多路阶梯形波导为8路。同轴探针的内外导体都为铜，同轴探针的填充介质2选择介电常数为5.5的玻璃绝缘子，它的尺寸为半径0.9mm，高度1.8mm。同轴探针内导体1半径0.3mm，内导体1插入径向波导腔体3内的高度为1.6mm，外加套筒7半径为0.6mm，高度为1.1mm。
射频信号经同轴探针在径向波导腔体3内激励起主模后等分成八路传输到第一阶矩形波导4，经波导宽边的阶梯变换过渡到WR-28标准矩形波导5，其中矩形波导4的宽度(图1中的竖直方向)为8.61mm，长度为2.9mm。标准矩形波导5的宽度为7.12mm，而整个波导的高度(图2所示的竖直方向)为3.56mm，标准矩形波导5的长度的选择至少为大于2倍波导波长。由于各个分路都是呈中心对称的，各分路之间的幅度、相位一致性较好。
如图4所示，经HFSS软件仿真表明，没有采用阶梯阻抗变换的结构(只有标准矩形波导)，在32.2GHz-39.5GHz的频率范围内回波损耗低于-20dB，而加上一阶阻抗变换(即增加一个过渡矩形波导)，回波损耗低于-20dB的范围在29.4GHz-39.3GHz，相对带宽约为30％，基本能够覆盖整个Ka频段；而加上二阶阻抗变换(即增加两个过渡矩形波导)后，工作频率范围在27.4GHz-39.5GHz，进一步扩展了结构的工作带宽，适用于宽频带大功率毫米波固态功率放大器
如图3所示，在利用一个径向线功率分配/合成器完成功率分配后，在距离波导短路面6四分之一波长的位置插入微带探针8，实现波导-微带的过渡。微带探针的尺寸对整个结构的损耗也有很大作用，经仿真优化，微带探针8的宽度为1.2mm，长度为1.8mm，后面接线宽为0.78mm的标准50Ω微带线。此时可以接入固态功率放大器，射频信号经过功率放大后，由微带-波导的过渡转换到矩形波导，采用同样的阶梯阻抗变换过渡到径向波导内进行功率合成，最后由同轴探针耦合输出。
如图5、图6所示，整个Ka频段径向线功率分配/合成器在31.8GHz-38.3GHz的频率范围内，回波损耗小于-20dB，插入损耗小于0.2dB，具有宽频带、低插损、高效率合成的特点，可以作为大功率输出的合成器件。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.一种径向线功率分配/合成器，包括同轴探针、径向波导腔体、和多路阶梯形波导；同轴探针插入径向波导腔体的中心位置；径向波导腔体与多路阶梯形波导相连；每路阶梯形波导由至少一个过渡矩形波导和一个标准矩形波导组成；标准矩形波导通过过渡矩形波导与径向波导腔体相连；过渡矩形波导的宽度比标准矩形波导的宽度大。
2.如权利要求1所述的一种径向线功率分配/合成器，其特征在于：所述同轴探针包括内导体、外导体、和填充介质；所述内导体的底部位于径向波导腔体内。
3.如权利要求1所述的一种径向线功率分配/合成器，其特征在于：在内导体的底部安装金属套筒。
4.如权利要求1所述的一种径向线功率分配/合成器，其特征在于：所述多路阶梯形波导为8路。
5.一种功率放大器，其特征在于，包括两个权利要求1至4任一权利要求所述的径向线功率分配/合成器，微带探针，和平面电路；在每个径向线功率分配/合成器的每路阶梯形波导上插入微带探针，微带探针与平面电路相连。
6.如权利要求5所述的功率放大器，其特征在于：在距离各路阶梯形波导的短路面1/4波长处插入微带探针。
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