CN103346375B - 扩展波导空间功率分配合成器 - Google Patents
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Abstract
一种基于微带探针阵列的单面双脊扩展波导空间功率分配合成器，其采用具有低损耗、宽频带特性的扩展波导空间功率分配合成结构，扩展波导主要由同轴台阶状阻抗变换结构和八路具有高幅相一致性和高功率分配合成效率的单面双脊矩形波导构成，每一路矩形波导均可通过波导-微带探针阵列转换结构在微带电路上实现功率的单路放大，最终的功率合成在扩展波导内完成。该技术将功率放大器的增益放大电路和功率放大电路置于扩展波导外，不但有效地解决了散热问题，而且大大提高了系统的功率容量。该技术的适用频率范围可覆盖微波毫米波多个频段，输出功率可根据不同频段的带宽要求结合具体的功率器件灵活调整。
Description
技术领域
本发明涉及一种单面双脊扩展波导空间功率分配合成器。
背景技术
微波毫米波固态功率放大器作为微波毫米波雷达、制导及通信等系统的一个重要组成部分，已经成为微波毫米波领域研究的重要课题。随着对放大器输出功率要求的不断提高，单个放大芯片的输出功率已不再能够满足系统工作的需要，因此，必须采用多路放大、功率合成的技术以有效提高整个放大电路的输出功率。
由于传统的平面电路功率分配合成技术所采用的技术方案在结构实现上都比较复杂，降低损耗和有效散热问题都很难解决，因而合成效率和合成功率并不十分理想。基于波导的空间功率合成技术可以有效地防止辐射损耗，具有频带宽、损耗低、散热快、幅相一致性高及功率容量大等优点，较好地弥补了平面电路功率合成技术的不足。因而，基于波导的功率合成技术逐渐成为毫米波空间功率合成技术的研究热点。
目前空间功率分配合成技术主要采用波导内叠片方式，通过放置于每层叠片上的有源鳍线天线实现功率的放大。功率的分配和合成借助于有源鳍线天线阵在波导内实现，典型的实现结构如图1所示。这种结构的优点是结构紧凑，但是其最大的缺点是无法达到有效的散热，同时，也容易激起高次模，从而大大影响了其功率合成的效率。同时，在毫米波频段由于波导内空间非常狭小，无法放置放大芯片，因此，该结构只适合于微波频段，无法在毫米波频段实现多路的功率分配与合成。
随着微波毫米波技术在雷达、制导及通信等领域的广泛应用，对微波毫米波信号源的带宽、增益及输出功率等指标都提出了越来越高的要求。微波毫米波固态功放芯片虽然具有尺寸小、重量轻、可靠性高及电路结构紧凑等优点，但由于目前单个固态器件的输出功率受自身半导体物理特性的影响以及散热、加工工艺、阻抗匹配等问题的限制而远远达不到实际工程中要求的输出功率，因而无法满足微波毫米波大功率通信系统的要求。因此，在单个器件输出功率有限的情况下，采用多个固态器件的功率合成技术是提高系统输出功率的有效方法。而目前国内外功率分配合成技术所遇到的普遍问题是如何进一步有效地提高功率分配合成效率、降低损耗、增大工作带宽及提高功率容量等。
本发明要解决的技术问题就是有效提高功率分配合成器的宽频带、大容量、高效率及低损耗等技术难题。
发明内容
本发明通过对国内外微波毫米波空间功率分配合成技术的深入分析和研究，提出了一种新型的基于微带探针阵列的单面双脊扩展波导空间功率分配合成技术。该技术采用具有低损耗、宽频带特性的扩展波导空间功率分配合成结构，扩展波导主要由同轴台阶状阻抗变换结构和八路具有高幅相一致性和高功率分配合成效率的单面双脊矩形波导构成，每一路矩形波导均可通过波导-微带探针阵列转换结构在微带电路上实现功率的单路放大，最终的功率合成在扩展波导内完成。该技术将功率放大器的增益放大电路和功率放大电路置于扩展波导外，不但有效地解决了散热问题，而且大大提高了系统的功率容量。该技术的适用频率范围可覆盖微波毫米波多个频段，输出功率可根据不同频段的带宽要求结合具体的功率器件灵活调整。
本发明的技术方案是：一种单面双脊扩展波导空间功率分配合成器，电磁波首先由同轴波导进入宽带扩展波导，然后由扩展波导进入每个单面双脊矩形波导，完成功率分配，进入矩形波导的每一路信号通过矩形波导-微带探针阵列转换结构进入微带平面电路，在该平面电路上，通过增益放大和功率放大将放大后的电磁波能量由微带探针阵列-波导转换结构再进入每一路单面双脊矩形波导，八路脊波导的输出功率最终在扩展波导中完成收集与合成，合成后的信号最后通过同轴波导输出；通过合理设计同轴及波导尺寸、微带探针尺寸与位置以及扩展波导内台阶过渡结构的尺寸，即可在微波及毫米波不同频段内实现宽带功率分配与合成，这种功率分配与合成的实现方式由于采用了金属波导结构，因而大大降低了功率分配与合成中的能量损耗，有效提高了合成效率；这种扩展波导由于采用了轴对称的径向辐射状结构，因此，使得散热效率大大提高；扩展波导与同轴线一样，也可存在TEM模，由扩展波导的相关理论可知，它是一种柱面TEM模，在半径为R的圆周上电场相同，电场只有轴向分量，在半径为R的圆周上磁场大小相等，方向沿圆周切向，扩展波导TEM模的电磁场分布具有径向对称性；扩展波导功率合成器的中心探针采用了台阶过渡的结构，该结构根据最小反射理论及传输线模型进行了优化设计，同时，为了提高各端口的隔离度、改善端口驻波以及有效解决扩展波导在毫米波频段存在的高次模干扰问题，采用扩展波导与单面双脊波导相结合的方法来抑制高次模的传输；单面双脊矩形波导-微带探针阵列转换结构中的微带探针采用高频专用微波基片实现，微带探针到50欧姆标准阻抗微带线的过渡根据最小反射理论及传输线模型采用了三级阶梯变换的结构，可在宽带范围内实现插入损耗小于0.3dB，驻波小于1.2。
现有功率分配合成技术由于采用波导内叠片方案，其缺点是很难进一步有效地提高功率分配合成效率、降低损耗、增大工作带宽及提高功率容量等，同时由于毫米波频段的波导尺寸都很小，很难放置放大芯片，因此，该技术在高于40GHz的毫米波频段的缺点更加显著。
本发明的目的就是要解决微波毫米波功率分配与合成中的宽频带、高频率、高效率和低损耗。采用本技术后，在微波及毫米波频段，工作带宽可达10GHz以上，功率分配合成效率可由传统叠片方式的60％左右提高至80％以上。
附图说明
图1是现有微波频段波导叠片式功率分配合成器。
图2是单面双脊扩展波导空间功率分配合成器结构原理图。
图2(a)是单面双脊扩展波导空间功率分配器结构图。
图2(b)是空间功率分配合成器整体结构图。
图2(c)是单面双脊扩展波导功率分配器内部结构图。
图2(d)是单面双脊波导-微带探针阵列转换结构图。
具体实施方式
下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本发明所采用的基于微带探针阵列的单面双脊扩展波导空间功率分配合成结构原理如图2所示。在该结构中，电磁波首先由同轴波导进入宽带扩展波导，然后由扩展波导进入每个单面双脊矩形波导，完成功率分配，进入矩形波导的每一路信号通过矩形波导-微带探针阵列转换结构进入微带平面电路，在该平面电路上，通过增益放大和功率放大将放大后的电磁波能量由微带探针阵列-波导转换结构再进入每一路单面双脊矩形波导，八路脊波导的输出功率最终在扩展波导中完成收集与合成，合成后的信号最后通过同轴波导输出。
通过合理设计同轴及波导尺寸、微带探针尺寸与位置以及扩展波导内台阶过渡结构的尺寸，即可在微波及毫米波不同频段内实现宽带功率分配与合成，这种功率分配与合成的实现方式由于采用了金属波导结构，因而大大降低了功率分配与合成中的能量损耗，有效提高了合成效率。除此之外，这种扩展波导由于采用了轴对称的径向辐射状结构，因此，使得散热效率大大提高。
扩展波导与同轴线一样，也可存在TEM模，由扩展波导的相关理论可知，它是一种柱面TEM模，在半径为R的圆周上电场相同，电场只有轴向分量(φ分量)，在半径为R的圆周上磁场大小相等，方向沿圆周切向，也就是说，扩展波导TEM模的电磁场分布具有径向对称性，这也是我们利用扩展波导实现功率等分的原因之一。
扩展波导功率合成器的中心探针采用了台阶过渡的结构，该结构根据最小反射理论及传输线模型进行了优化设计，同时，为了提高各端口的隔离度、改善端口驻波以及有效解决扩展波导在毫米波频段存在的高次模干扰问题，这里采用了扩展波导与单面双脊波导相结合的方法来抑制高次模的传输。
单面双脊矩形波导-微带探针阵列转换结构中的微带探针采用高频专用微波基片实现，微带探针到50欧姆标准阻抗微带线的过渡根据最小反射理论及传输线模型采用了三级阶梯变换的结构，可在宽带范围内实现插入损耗小于0.3dB，驻波小于1.2。
本发明不但可将其适用频率范围由传统的微波频段提高至毫米波频段，从而避免了现有实现方式中芯片难于装配的问题，同时，该技术具有更宽的工作频带，更高的功率分配与合成效率，更低的通路损耗以及更加高效的散热方式。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换(如与扩展波导相连的矩形波导的路数发生改变等)，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (1)
1.一种扩展波导空间功率分配合成器，其特征在于，电磁波首先由同轴波导进入宽带扩展波导，然后由扩展波导进入每个单面双脊矩形波导，完成功率分配，进入矩形波导的每一路信号通过矩形波导-微带探针阵列转换结构进入微带平面电路，在该平面电路上，通过增益放大和功率放大将放大后的电磁波能量由微带探针阵列-波导转换结构再进入每一路单面双脊矩形波导，8路脊波导的输出功率最终在扩展波导中完成收集与合成，合成后的信号最后通过同轴波导输出；通过合理设计同轴波导尺寸、微带探针尺寸与位置以及扩展波导内台阶过渡结构的尺寸，即可在微波及毫米波不同频段内实现宽带功率分配与合成，这种功率分配与合成的实现方式由于采用了金属波导结构，因而降低了功率分配与合成中的能量损耗，有效提高了合成效率；这种扩展波导由于采用了轴对称的径向辐射状结构，因此，使得散热效率提高；扩展波导与同轴线一样，也存在TEM模，由扩展波导的相关理论可知，它是一种柱面TEM模，在半径为R的圆周上电场相同，电场只有轴向分量，在半径为R的圆周上磁场大小相等，方向沿圆周切向，扩展波导TEM模的电磁场分布具有径向对称性；扩展波导功率合成器的微带探针采用了台阶过渡的结构，该结构根据最小反射理论及传输线模型进行了优化设计，同时，为了提高各端口的隔离度、改善端口驻波以及有效解决扩展波导在毫米波频段存在的高次模干扰问题，采用扩展波导与单面双脊波导相结合的方法来抑制高次模的传输；单面双脊矩形波导-微带探针阵列转换结构中的微带探针采用高频专用微波基片实现，微带探针到50欧姆标准阻抗微带线的过渡根据最小反射理论及传输线模型采用了三级阶梯变换的结构，可在宽带范围内实现插入损耗小于0.3dB，驻波小于1.2。
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