CN104051835B - 毫米波径向波导空间功率分配/合成器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种毫米波径向波导空间功率分配/合成器，包括自上到下依次配装的上腔体、中间腔体与下腔体，在上腔体中开设有标准波导腔，标准波导腔的一端位于上腔体的中心，标准波导腔的另一端位于上腔体的边缘；下腔体中开设有均匀分布的多个径向波导腔，在下腔体的中心设置有多级阶梯匹配销钉；在中间腔体的中心开设有圆孔；多级阶梯匹配销钉的自由端穿过圆孔且位于上腔体中心的标准波导腔内；多级阶梯匹配销钉与圆孔之间留有间隙。本发明通过多级阶梯匹配销钉拓展了径向波导功率分配/合成器的工作带宽，在多路合成中的合成效率较传统技术效率大大提高。

Description

毫米波径向波导空间功率分配/合成器
技术领域
本发明涉及一种毫米波径向波导空间功率分配/合成网络。
背景技术
毫米波宽带大功率放大器在导航、精确制导、雷达、通信、电子对抗等领域得到越来越多的应用。为了获得毫米波大功率输出，需要采用功率合成将多个固态功率器件放置集中在一个功率合成的放大器中；另一方面，出于经济性和可靠性等方面的考虑，通常会采用较小的固态功率器件进行功率合成从而替代一个高功率的固态功率器件，除了能够输出更大的功率外，功率合成技术还能在一个或部分固态功率器件失效的情况下保证功率放大系统继续工作而不会完全失效，只是系统性能下降。
研制低插损、宽带、体积小的功率合成网络是研究的重点。由于U频段属于毫米波频段，工作频率相当高，微带电路合成由于传输损耗以及电路结构随器件数量增加成非线性增长，其合成路数受到限制，几乎只能应用在芯片级的功率合成；目前在毫米波阶段应用最多的是波导二进制合成，类似的有波导T型结，E面和H面3dB波导电桥等等，二进制合成方式存在多级级联损耗，以及合成路数限定为二的n次方；相比而言，径向波导功率分配/合成器可以完成任意路数的固态功率器件的合成，也可以完成一路射频信号到任意路数的功率分配。功率放大器包括一个径向波导功率分配器、平面电路和一个径向波导功率合成器。径向波导功率分配器和径向波导功率合成器的结构完全相同，又称功率分配/合成器。径向波导功率合成不存在多级级联带来的损耗，提高了多路合成效率，而且合成的路数不局限于二进制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种毫米波径向波导空间功率分配/合成器，具有插入损耗小、工作频带宽、体积小、重量轻等特点。
本发明所采取的技术方案是：一种毫米波径向波导空间功率分配/合成器，包括自上到下依次配装的上腔体、中间腔体与下腔体，在上腔体中开设有标准波导腔，标准波导腔的一端位于上腔体的中心，标准波导腔的另一端位于上腔体的边缘；下腔体中开设有均匀分布的多个径向波导腔，在下腔体的中心设置有多级阶梯匹配销钉；在中间腔体的中心开设有圆孔；多级阶梯匹配销钉的自由端穿过圆孔且位于上腔体中心的标准波导腔内；多级阶梯匹配销钉与圆孔之间留有间隙。
其中，所述上腔体、中间腔体与下腔体的中心相重合且利用紧固螺钉紧固在一起。
其中，所述径向波导腔为8路或10路，均为标准矩形波导。
其中，所述多级阶梯匹配销钉从底端到自由端的阶梯依次由大变小。
其中，多级阶梯匹配销钉与圆孔之间的间隙为0.65倍销钉的半径。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明通过波导径向波导空间功率合成的方式,把输入到波导的信号以波导径向线结构实现了八路或者十路功率分配，径向波导与标准波导的过渡处，增加了多级阶梯匹配销钉，从而在径向波导与矩形波导之间形成电抗匹配，有效实现了功率分配/合成结构的超宽的工作频带。本发明具有集成度高、频率范围宽、合成效率高的特点，性能稳定可靠，实用简便，特别是和传统的电路合成和二进制波导空间功率合成结构相比，在体积和重量上有了很大的改善和提高，有利于毫米波系统小型化的应用，具有很大的推广应用价值。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的截面图；
图3是两个径向波导功率分配/合成器背靠背组合功率合成网络的截面图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-2所示，本发明的径向波导功率分配/合成器，包括自上到下依次配装的上腔体1、中间腔体2与下腔体3，三个腔体采用销钉7进行定位装配，在上腔体中开设有标准波导腔5，标准波导腔5的一端位于上腔体的中心，标准波导腔5的另一端位于上腔体1的边缘；下腔体3中开设有均匀分布的多个径向波导腔6，在下腔体的中心设置有多级阶梯匹配销钉4；在中间腔体2的中心开设有圆孔8；多级阶梯匹配销钉4的自由端穿过圆孔8且位于上腔体中心的标准波导腔5内；多级阶梯匹配销钉4与圆8孔之间留有间隙。在径向波导的外围圆周，沿中心对称方向每隔角度φ连接标准矩形波导6(对于N路的分配/合成器而言，φ等于360°/N，N大于2)。可以通过调整多级阶梯匹配销钉4的级数以及尺寸，获得较大的工作带宽，足够低的插入损耗。
本发明的径向波导功率分配/合成器可以单独作为功率分配器或者功率合成器使用。在作为功率分配器使用时，其工作过程如下：体实现信号的功率合成，并通过多级阶梯匹配销钉4，发射到标准射频信号从标准矩形波导5输入，通过多级阶梯匹配销钉4的耦合到径向波导，在圆柱形的径向波导腔体内激励起主模传输；通过多级阶梯匹配销钉4的多级阶梯实现径向波导到标准矩形波导的匹配过渡从而实现信号的功率分配；即把不易加工的圆锥形匹配销钉，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，较宽的工作带宽，易于机械加工。在作为功率合成器使用时，其工作过程如下：多路射频信号通过径向波导腔输入到径向波导腔体，在径向波导腔矩形波导5输出。
如图3所示，将两个径向波导功率分配/合成器组合成背靠背的形式，形成径向波导功率合成网络，配合小功率放大器芯片，可以实现高功率放大器，其工作过程如下：通过一个径向波导功率分配/合成器完成信号的功率分配后，在距离各路输出标准矩形波导的短路面四分之一的波导波长处插入一个波导微带探针过渡结构10，使之处于该标准矩形波导的电场场强的最强位置，从而实现波导到微带的之间的能量转换，再经过微带电路中的多个功率器放大芯片放大后，采取同样的结构到径向波导内进行功率合成，最后由径向波导功率合成器的标准矩形波导输出，以获得更大的功率。
上述方案的原理是：标准矩形波导的横电波，通过多级阶梯匹配销钉4耦合，形成横电磁波传输到径向波导中，在径向波导中存在着柱面的横电磁波，其中电场只有纵向Z向分量，在半径为R的圆周上电场具有相同的场强大小；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大小，沿圆周的切向方向。由于与径向波导腔体连接的标准矩形波导呈中心对称，则在每个波导口处的电场大小分布一样，这样确保了每个输出的标准波导从径向波导中耦合的能量相等。径向波导腔体9通过多级阶梯匹配销钉4与标准矩形波导5相连，相当于在径向波导腔体9和标准矩形波导5之间形成电抗匹配，通过多级阶梯匹配技术，得到了宽带高效的功率分配/合成器。

Claims (5)

1.一种毫米波径向波导空间功率分配/合成器，包括自上到下依次配装的上腔体、中间腔体与下腔体，在上腔体中开设有标准波导腔，标准波导腔的一端位于上腔体的中心，标准波导腔的另一端位于上腔体的边缘；下腔体中开设有均匀分布的多个径向波导腔，在下腔体的中心设置有多级阶梯匹配销钉；在中间腔体的中心开设有圆孔；多级阶梯匹配销钉的自由端穿过圆孔且位于上腔体中心的标准波导腔内；多级阶梯匹配销钉与圆孔之间留有间隙。
2.根据权利要求1所述的毫米波径向波导空间功率分配/合成器，其特征在于：所述上腔体、中间腔体与下腔体的中心相重合且利用紧固螺钉紧固在一起。
3.根据权利要求1所述的毫米波径向波导空间功率分配/合成器，其特征在于：所述径向波导腔为8路或10路，均为标准矩形波导。
4.根据权利要求1所述的毫米波径向波导空间功率分配/合成器，其特征在于：所述多级阶梯匹配销钉从底端到自由端的阶梯依次由大变小。
5.根据权利要求1所述的毫米波径向波导空间功率分配/合成器，其特征在于：多级阶梯匹配销钉与圆孔之间的间隙为0.65倍销钉的半径。
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