CN103219574A

CN103219574A - 毫米波超宽带空间功率合成网络

Info

Publication number: CN103219574A
Application number: CN2012100178698A
Authority: CN
Inventors: 党章
Original assignee: CETC 10 Research Institute
Current assignee: CETC 10 Research Institute
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2032-01-19
Also published as: CN103219574B

Abstract

本发明提出的一种毫米波超宽带空间功率合成网络，将射频信号从四个微带传输线输入端口（2）合成至标准双脊波导输出端口（1）。微带双探针（12）从单脊波导宽边（16）垂直插入，面对面地分布在波导单脊背（19）的两侧，将微带传输线（14）上的射频信号过渡至非标单脊波导（21）中；过渡至上下两路非标单脊波导中的射频信号通过T型接头（3）合成至非标双脊波导（20）；T形外层（8）U形槽底内壁上制有两级阻抗变换阶梯（10），在把非标双脊波导转换至标准双脊波导（6）的同时将射频信号过渡至标准双脊波导输出端口（1）；上下两个非标单脊波导中的波导单脊背（19）分别转角延伸通过非标双脊波导，并最终进入标准双脊波导中构成双脊背（17）。

Description

毫米波超宽带空间功率合成网络

技术领域

本发明涉及一种主要应用于毫米波超宽带功率合成放大器中。

背景技术

目前国内研制较为成熟的电子对抗装备工作频率在18GHz以下，而在毫米波频段，电子对抗的研究才刚起步，特别是对其中的核心部件毫米波宽带大功率固态功放的需求越来越迫切。毫米波频段的宽带放大器件输出功率有限，欲实现大功率输出，采用功率合成技术是一种有效的解决途径。目前，应用最多的功率合成技术包括电路合成与空间功率合成两种。

宽带的电路合成技术通常采用平面传输线结构的多级阻抗变换威尔金森电桥和多指Lange耦合器，而合成路数的扩展采用将它们自身或相互级联实现。平面传输线随着频率的上升其损耗越来越大，特别是在毫米波频段，多级阻抗变换带来的过长平面传输线极大地降低了威尔金森电桥的合成效率。在毫米波频段，由于宽带多指Lange耦合器的线宽与线间距过小，难以通过薄膜工艺实现，只能采用芯片级工艺。毫米波芯片中广泛采用的GaAs衬底材料介电常数高，造成线宽更窄，损耗进一步加大。通过查询国内外相关产品资料，采用0.1mm厚的GaAs衬底制作出来的宽带Lange耦合器在40GHz处的损耗约为1dB。若采用上述平面电路技术将合成支路数扩展至4路或以上必将带来更大的损耗。

空间功率合成器借助低损耗的空间结构传输线代替传统的平面传输线作为射频信号的主传输线，在需要采用放大器件进行放大的位置才通过某种过渡结构将能量转换至平面电路上，有效缩短高损耗的平面传输线长度，提高功率合成的效率。但现有的空间功率合成器多采用矩形波导作为射频信号的主传输线，由于矩形波导的主模工作带宽有限，如标准矩形波导WR34与WR28，主模工作带宽分别为18GHz-26GHz与26GHz-40GHz，无法覆盖18GHz-40GHz的频率范围。

综上所述，现有的功率合成技术还难以在毫米波频段兼顾宽频带和高合成效率这两个要求。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种具有频段宽、效率高，能够覆盖18GHz-40GHz的频率范围的毫米波超宽带空间功率合成网络，以突破空间功率合成器工作带宽的瓶颈。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种毫米波超宽带空间功率合成网络，包括从标准双脊波导宽边7将其切割为三层的组合体，其中两个相向对称的T形外层8与中间T形内层9结合固联为一体，形成一个向外凸出的T形结合体和两个相向对称的E形对合标准双脊波导宽边7与标准双脊波导输出端口1，其特征在于，四个分布在上述组合体后面的微带传输线输入端口2设置在T形外层8与中间T形内层9的结合线缝上，从四个微带传输线输入端口2输入射频信号，最终合成至标准双脊波导输出端口1输出；微带双探针12从单脊波导宽边16垂直插入，面对面地分布在波导单脊背19的两侧，将微带传输线14上的射频信号过渡至非标单脊波导21中；过渡至上下两路非标单脊波导21中的射频信号通过T型接头3合成至非标双脊波导20；T形外层8的U形槽底内壁上制有两级阻抗变换阶梯10，在把非标双脊波导20转换至标准双脊波导6的同时，将射频信号过渡至标准双脊波导输出端口1；上下两个非标单脊波导21中的波导单脊背19分别转角延伸通过非标双脊波导20，并最终进入标准双脊波导6中构成双脊背17。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明脊波导宽边T型功率合成器与脊波导宽边微带双探针过渡相结合实现毫米波超宽带空间功率合成网络。采用了具有宽主模工作频带（18GHz-40GHz）的标准双脊波导传输线WRD180作为波导标准双脊波导输出端口1；通过两级阻抗变换阶梯10将非标双脊波导20转换至标准双脊波导输出端口1，由于非标双脊波导20在工作频率的低端具有较为平缓的特性阻抗—频率响应，有利于通过圆弧倒角18与梯形台阶11共同实现脊波导宽边T型功率合成器的宽带匹配；将上下两个非标单脊波导21中的波导单脊背19分别转角延伸通过非标双脊波导20，并最终进入标准双脊波导6中构成双脊背17，使得射频信号主要集中在了波导单脊背19与单脊波导宽边16之间；将微带双探针12从单脊波导宽边16垂直插入，并面对面地分布在波导单脊背19的两侧，通过耦合将射频信号从微带双探针12过渡至波导单脊背19与单脊波导宽边16之间。由于射频信号主要集中在了波导单脊背19与单脊波导宽边16之间，使得该耦合结构具有宽带、高效率的特点。这种耦合过渡相比现有的渐变脊背接触式过渡，在毫米波频段具有更小的损耗以及更好的集成安装性。

采用脊波导作为射频信号的主传输线，由于其主模TE₁₀波的截止波长更长, 而TE₂₀或TE₃₀模截止波长更短，使得脊波导单模工作频带比矩形波导宽很多。一般矩形波导的工作带宽不到一个倍频程，而脊波导工作带宽可以达到几个倍频程。因此相对于现有功率合成技术，具有更宽的工作带宽。

脊波导与矩形波导一样具有低损耗的优点，且脊波导主模TE₁₀模的截止波长较长，因此应用于同样的频率时，脊波导尺寸更小；脊波导特性阻抗较低，易与低阻抗的同轴线及微带线匹配。这些特点都有益于提高合成网络的效率。

本发明采用具有宽主模工作频带的脊波导传输线替代目前常用的矩形波导，并创造性地采用插入式双探针结构将脊波导中的射频信号过渡至微带传输线，进一步突破了空间功率合成网络工作带宽的瓶颈。

本发明通过超宽带匹配实现了覆盖K（18GHz-26GHz）和Ka（26GHz-40GHz）波段的高效率功率合成。解决了基于矩形波导无法实现的毫米波超宽带功率合成问题。

附图说明

图1是本发明中功率合成网络原理框图。

图2是本发明中功率合成网络的正、侧向示意图。

图3是图2中的T形外层8的构造示意图。

图4是图2中的T形内层9的构造示意图。

图中：1标准双脊波导输出端口，2微带传输线端口，3 T型接头，4波导宽边T型分支，5宽边开窗，6标准双脊波导，7标准双脊波导宽边，8 T形外层，9 T形内层，10两级阻抗变换阶梯，11梯形台阶，12微带双探针，13高阻抗短截线，14微带传输线， 15波导短路面，16单脊波导宽边，17双脊背，18圆弧倒角，19波导单脊背，20非标双脊波导，21非标单脊波导。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1描述的基于脊波导的功率合成网络，包括了：脊波导宽边T型功率合成器与脊波导宽边微带双探针过渡两部分。脊波导宽边T型功率合成器采用T型接头3将射频信号从上下两路非标单脊波导21中合成至标准双脊波导输出端口1；脊波导宽边微带双探针过渡将微带双探针12分别从非标单脊波导21的单脊波导宽边16对称插入至波导单脊背19的两侧，将射频信号从微带双探针12过渡至标单脊波导21中的同时，实现两路功率合成。

上述两部分共有的单脊波导宽边16，波导单脊背19，非标单脊波导21级联，实现了总共四路的毫米波超宽带空间功率合成网络。

参阅图2。图中所描述的功率合成网络是从标准双脊波导宽边7将其切割为三层的组合体，其中两个相向对称的T形外层8与中间T形内层9结合固联为一体，形成一个向外凸出的T形结合体和两个相向对称的E形对合标准双脊波导宽边7与标准双脊波导输出端口1，四个分布在上述组合体后面的微带传输线输入端口2设置在T形外层8与中间T形内层9的结合线缝上。整个功率合成网络将射频信号从四个微带传输线输入端口2合成至标准双脊波导输出端口1。整个功率合成网络具体的功率合成路线为：微带传输线输入端口2→微带传输线14→微带双探针12→非标单脊波导21→非标双脊波导20→标准双脊波导6→标准双脊波导输出端口1。

参阅图3、图4，为了实现的方便将整个功率合成网络分为了三层，射频信号以电磁场的方式存在于其中。射频信号从四个微带传输线输入端口2进入合成网络，经由微带传输线14与高阻抗短截线13传输至微带双探针12。将微带双探针12从单脊波导宽边16的宽边开窗5垂直插入，面对面地分布在波导单脊背19的两侧，通过耦合将射频信号以电场的方式合成至了非标单脊波导21中的波导单脊背19与单脊波导宽边16之间，从而实现了射频信号至非标单脊波导21的传输；

将上下两个非标单脊波导21中的波导单脊背19分别转角延伸通过非标双脊波导20，并最终进入标准双脊波导6中构成双脊背17，从而将非标单脊波导21中的波导单脊背19与单脊波导宽边16之间的电场合成至了双脊背17之间，实现了射频信号在标准双脊波导输出端口1的合成。

为了与其它器件相连，实现射频信号的理想合成与传输，功率合成网络的各个端口均需进行阻抗匹配，其中，微带传输线输入端口2的匹配通过约为中心频率1/4波长的微带双探针12至波导短路面15的距离，以及微带双探针12与微带传输线14之间的高阻抗短截线13来实现；标准双脊波导输出端口1的阻抗匹配，通过波导脊背转弯处的圆弧倒角18和在T型接头3位置采用的梯形台阶11，以及标准双脊波导6内腔设置的两级阻抗变换阶梯10共同完成。

Claims

1.一种毫米波超宽带空间功率合成网络，包括，从标准双脊波导宽边（7）将其切割为三层的组合体，其中两个相向对称的T形外层（8）与中间T形内层（9）结合固联为一体，形成一个向外凸出的T形结合体和两个相向对称的E形对合标准双脊波导宽边（7）与标准双脊波导输出端口（1），其特征在于，四个分布在上述组合体后面的微带传输线输入端口（2）设置在T形外层（8）与中间T形内层（9）的结合线缝上，从四个微带传输线输入端口（2）输入射频信号，最终合成至标准双脊波导输出端口（1）输出；微带双探针（12）从单脊波导宽边（16）垂直插入，面对面地分布在波导单脊背（19）的两侧，将微带传输线（14）上的射频信号过渡至非标单脊波导（21）中；过渡至上下两路非标单脊波导（21）中的射频信号通过T型接头（3）合成至非标双脊波导（20）；T形外层（8）的U形槽底内壁上制有两级阻抗变换阶梯（10），在把非标双脊波导（20）转换至标准双脊波导（6）的同时，将射频信号过渡至标准双脊波导输出端口（1）；上下两个非标单脊波导（21）中的波导单脊背（19）分别转角延伸通过非标双脊波导（20），并最终进入标准双脊波导（6）中构成双脊背（17）。

2.根据权利要求1所述的毫米波超宽带空间功率合成网络，其特征在于，整个功率合成网络具体的功率合成路线为：微带传输线输入端口（2）→微带传输线（14）→微带双探针（12）→非标单脊波导（21）→非标双脊波导（20）→标准双脊波导（6）→标准双脊波导输出端口（1）。

3.根据权利要求1所述的毫米波超宽带空间功率合成网络，其特征在于，在波导脊背的转弯处圆弧倒角（18），并在T型接头（3）的位置采用梯形台阶（11）的结构，实现标准双脊波导输出端口（1）的宽带匹配。

4.根据权利要求1所述的毫米波超宽带空间功率合成网络，其特征在于，将非标双脊波导（20）的宽边扩展至9mm，并通过两级阻抗变换阶梯（10）实现至标准双脊波导（6）的转换。

5.根据权利要求1所述的毫米波超宽带空间功率合成网络，其特征在于，微带传输线输入端口（2）的匹配通过中心频率1/4波长的微带双探针（12）至波导短路面（15）的距离，以及微带双探针（12）与微带传输线（14）之间的高阻抗短截线（13）来实现。

6.根据权利要求1所述的毫米波超宽带空间功率合成网络，其特征在于，标准双脊波导输出端口（1）的阻抗匹配，通过波导脊背转弯处的圆弧倒角（18）和在T型接头（3）位置采用的梯形台阶（11），以及标准双脊波导（6）内腔设置的两级阻抗变换阶梯（10）共同完成。