CN103633404B - 一种非对称脊波导多路功率分配器及功率分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种非对称脊波导多路功率分配器及功率分配方法，包括标准波导、渐变脊波导、非对称脊波导、探针阵列、薄膜电阻；所述非对称脊波导的脊与标准波导的E面中心对称线呈30°角度偏移；所述探针阵列的探针间间距为工作带宽中心频率波长的四分之一；所述标准波导、所述渐变脊波导、所述非对称脊波导及所述探针阵列依次相连；所述薄膜电阻分别设置在所述探针阵列中各路探针之间。采用上述方案，不但功率分配的比例与路数的可调节性得到大大提高，而且隔离度也得到有效提高，同时，采用本方法后，降低了电路结构的尺寸，从而能够有效地减小功率分配中的损耗。
Description
技术领域
本发明属于多路分配器技术领域，尤其涉及的是一种非对称脊波导多路功率分配器及功率分配方法。
背景技术
微波毫米波固态功率分配器作为微波毫米波雷达、天线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。随着微波应用系统的复杂程度不断提高，对功率分配器的分配路数及隔离度的要求也不断提高，平面功率分配电路已不再能够满足系统工作的需要，因此，必须采用波导-探针阵列-微带电路的空间多路功率分配方法。
由于传统的平面电路多路功率分配技术所采用的技术方案在结构实现上都比较复杂，降低损耗和减小结构尺寸的问题都很难解决，因而功率分配路数很难得到提升。非对称脊波导与探针阵列的结合应用可以有效地降低通路损耗，提高电磁波传输效率，且具有宽频带，多路数，高隔离等优点，较好的弥补了平面功率分配技术的不足。因而，波导与探针阵列相结合的技术方法将逐渐成为毫米波空间功率分配技术的研究热点。
目前波导-微带探针空间功率分配技术主要采用波导E面探针或H面探针链式功率分配结构。功率的分配借助于插入波导内的微带探针对波导中的电磁波耦合实现。E面探针的优点在于两路功分时根据矩形波导的场型和探针的对称性，两条微带支路在较宽频带内都可以保持较高的幅度和相位的一致性，但是其最大缺点是由于波导口尺寸的限制及其主传输模式TE10模中电磁场分布的不均匀性，很难对探针分配路数进行扩展，因此，这种结构只适用于功率分配路数要求较少的电路中。H面探针链式功率分配结构的优点在于扩展了功率分配路数，但是其最大的缺点是单纯通过调节探针的尺寸很难保证工作带宽和功率分配的比例，对于装配精度要求非常高，并且在实际装配中由于人工操作而带来的误差可控性很差，因此，这种结构只适用于对幅度一致性要求低的电路中。
现有波导-微带探针功率分配技术由于采用单纯调节微带探针尺寸及位置的方案，其缺点是很难进一步扩展功率分配的路数，且功率分配比例的可调节性差，同时，由于毫米波频段的波导尺寸都很小，装配过程中很难对探针装配位置进行有效公差控制，当该技术应用于高于40GHz的毫米波频段的电路时，其缺点更加显著。
因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种非对称脊波导多路功率分配器及功率分配方法。
本发明的技术方案如下：
一种非对称脊波导多路功率分配器，其中，包括标准波导、渐变脊波导、非对称脊波导、探针阵列、薄膜电阻；所述非对称脊波导的脊与标准波导的E面中心对称线呈30°角度偏移；所述探针阵列的探针间间距为工作带宽中心频率波长的四分之一；所述标准波导、所述渐变脊波导、所述非对称脊波导及所述探针阵列依次相连；所述薄膜电阻分别设置在所述探针阵列中各路探针之间。
所述的非对称脊波导多路功率分配器，其中，所述非对称脊波导的脊影响非对称脊波导内的电磁场能量分布，所述探针阵列中的探针呈阶梯状分布，其耦合强度与非对称脊波导中能量分布相匹配，从而能够将输出功率均匀分配到每一路探针。
所述的非对称脊波导多路功率分配器，其中，所述探针阵列制作在高频专用微波基片上，各路探针间用薄膜电阻相连，所述探针阵列中的微带探针，其到50欧姆微带线的过渡根据最小反射理论及传输线模型，采用了由探针到高阻抗线再到中阻抗线，最后过渡到50欧姆微带线的三级阶梯变换的结构；所述薄膜电阻方阻为50欧姆。
所述的分配方法，其中，包括以下步骤：
步骤1：设置电磁波由标准波导通过渐变脊波导进入非对称脊波导，然后通过非对称脊波导中脊的位置的变换，改变非对称脊波导内电磁场的能量分布方式，使非对称脊波导内的电磁场与探针阵列相匹配，完成功率分配；
步骤2：经过功率分配后的每一个支路信号，进入微带平面电路，在平面电路上，对每一路功率分配出的信号进行处理。
所述步骤2中所述处理为通过功率放大器芯片进行信号放大，再利用与功率分配网络相同的结构作为功率合成网络，完成放大后信号的多路功率合成。
采用上述方案，通过波导中非对称脊的机械加工，并将探针阵列集成于一个微带介质基片上来有效地避免了人为因素而产生的误差。同时，非对称脊与探针阵列的配合使用可以根据不同频段和具体应用要求，通路数量及功率分配比例可灵活更改。
附图说明
图1为本发明的非对称脊波导多路功率分配器结构图。
图2为本发明中标准矩形波导-渐变脊波导-非对称脊波导过渡结构图。
图3为本发明中微带探针阵列结构图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
本发明所采用的基于微带探针阵列的非对称脊波导空间功率分配合成结构原理如图1-3所示。其关键点是该结构中非对称脊波导与微带探针阵列相结合，其中非对称脊位置的改变影响波导中电磁场能量分布的比例变化，探针阵列的阶梯状分布能够均匀耦合波导中的能量。进一步而言本发明中一种非对称脊波导多路功率分配器，其结构由标准波导口、渐变脊波导、非对称脊波导、探针阵列、薄膜电阻构成；所述标准波导口、所述渐变脊波导、所述非对称脊波导及所述探针阵列依次相连；所述薄膜电阻分别设置在所述探针阵列中各路探针之间。所述非对称脊波导影响了波导内的电磁场能量分布，所述探针阵列中的探针呈阶梯状分布，其耦合强度与波导中能量分布相匹配，从而能够将输出功率均匀分配到每一路探针，以达到功率分配的目的。在该结构中，电磁波首先由标准波导1通过渐变脊波导2进入非对称脊波导3，通过非对称脊波导中脊的位置的变换，改变波导内电磁场的能量分布方式，使波导内的电磁场与探针阵列4相匹配，完成功率分配，经过功率分配后的每一个支路信号，进入微带平面电路，在平面电路上，我们可以对每一路功率分配出的信号进行处理，例如通过功率放大器芯片进行信号放大，再利用与-功率分配网络相同的结构作为功率合成网络，完成放大后信号的多路功率合成。
传统的脊波导是指在标准的矩形波导宽边加上关于波导宽边中心对称地脊，而本发明中提出的非对称脊波导，是通过对标准脊波导中脊的位置进行改变或偏移从而改变波导中电磁场的能量分布。通过对波导中非对称脊的位置与偏移的调节匹配使得功率分配比例的调节变得更加简单方便。
通过合理设计非对称脊波导3尺寸、微带探针尺寸与位置以及探针阻抗变换线之间薄膜电阻的尺寸，即可在微波及毫米波不同频段内实现宽带功率分配，这种功率分配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中的能量损耗，有效降低了插入损耗。
本发明通过利用非对称脊波导3中脊的位置变化，对波导中传输电磁场能量分布产生影响。我们通过适当调节微带探针的位置，使得探针阵列4从波导中耦合的能量传输到微带电路，这种调节功率分配比例的方法简单灵活，实现方便。
非对称脊波导3功率分配器中的微带探针阵列4采用渐变的结构，该结构根据最小反射理论及传输线模型进行了优化设计。该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0.4dB，驻波小于1.3。同时，为了提高各端口的隔离度、改善端口驻波，这里采用了在微带探针阵列中每一路探针之间均增加了薄膜电阻5的方法来提高隔离和改善各端口驻波。
上述实施例基础上，进一步说明，本发明的一种非对称脊波导多路功率分配器，其特征在于，包括标准波导1、渐变脊波导2、非对称脊波导3、探针阵列4、薄膜电阻；所述非对称脊波导3的脊与标准波导1的E面中心对称线呈30°角度偏移；所述探针阵列4的探针间间距为工作带宽中心频率波长的四分之一；所述标准波导1、所述渐变脊波导2、所述非对称脊波导3及所述探针阵列4依次相连；所述薄膜电阻分别设置在所述探针阵列中各路探针之间。
非对称脊波导3中的脊与标准波导1的E面中心对称线呈30°角度的偏移，这种方法可以有效的改变波导中电磁场的能量分布。
所述非对称脊波导3中的非对称脊影响了非对称脊波导3内的电磁场能量分布，所述探针阵列4中的探针呈阶梯状分布，其耦合强度与非对称脊波导3中能量分布相匹配，从而能够将输出功率均匀分配到每一路探针。
所述探针阵列4制作在高频专用微波基片上，各路探针间用薄膜电阻相连，所述探针阵列4中的微带探针，其到50欧姆微带线的过渡根据最小反射理论及传输线模型，采用了由探针到高阻抗线再到中阻抗线，最后过渡到50欧姆微带线的三级阶梯变换的结构；所述薄膜电阻方阻为50欧姆。
本发明涉及的分配方法，包括以下步骤：
步骤1：设置电磁波由标准波导1通过渐变脊波导2进入非对称脊波导3，然后通过非对称脊波导3中脊的位置的变换，改变非对称脊波导3内电磁场的能量分布方式，使非对称脊波导3内的电磁场与探针阵列相匹配，完成功率分配；
步骤2：经过功率分配后的每一个支路信号，进入微带平面电路，在平面电路上，对每一路功率分配出的信号进行处理。
所述步骤2中所述处理为通过功率放大器芯片进行信号放大，再利用与功率分配网络相同的结构作为功率合成网络，完成放大后信号的多路功率合成。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种非对称脊波导多路功率分配器，其特征在于，包括标准波导、渐变脊波导、非对称脊波导、探针阵列、薄膜电阻；所述非对称脊波导的脊与标准波导的E面中心对称线呈30°角度偏移；所述探针阵列的探针间间距为工作带宽中心频率波长的四分之一；所述标准波导、所述渐变脊波导、所述非对称脊波导及所述探针阵列依次相连；所述薄膜电阻分别设置在所述探针阵列中各路探针之间。
2.如权利要求1所述的非对称脊波导多路功率分配器，其特征在于，所述非对称脊波导的脊影响非对称脊波导内的电磁场能量分布，所述探针阵列中的探针呈阶梯状分布，其耦合强度与非对称脊波导中能量分布相匹配，从而能够将输出功率均匀分配到每一路探针。
3.如权利要求1所述的非对称脊波导多路功率分配器，其特征在于，所述探针阵列制作在高频专用微波基片上，各路探针间用薄膜电阻相连，所述探针阵列中的微带探针，其到50欧姆微带线的过渡根据最小反射理论及传输线模型，采用了由探针到高阻抗线再到中阻抗线，最后过渡到50欧姆微带线的三级阶梯变换的结构；所述薄膜电阻方阻为50欧姆。
4.一种非对称脊波导多路功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：设置电磁波由标准波导通过渐变脊波导进入非对称脊波导，然后通过非对称脊波导中脊的位置的变换，改变非对称脊波导内电磁场的能量分布方式，使非对称脊波导内的电磁场与探针阵列相匹配，完成功率分配；
步骤2：经过功率分配后的每一个支路信号，进入微带平面电路，在平面电路上，对每一路功率分配出的信号进行处理。
5.如权利要求4所述的分配方法，其特征在于，所述步骤2中所述处理为通过功率放大器芯片进行信号放大，再利用与功率分配网络相同的结构作为功率合成网络，完成放大后信号的多路功率合成。
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