CN104134842A - 毫米波多路空间波导功率分配合成器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波多路空间波导功率分配合成器及方法。所述功率分配器包括一个4路波导功率分配器和四个2路波导功率分配器；在4路波导功率分配器内部设有一个第一端口和四个第二端口并设有第一功率调配部件，第一功率调配部件用于将电磁波的一路信号等比例功分为四路信号；在2路波导功率分配器内部设有一个第三端口和两个第四端口并设有第二功率调配部件，每个第三端口与一个第二端口连接，第二功率调配部件进一步将四路信号等比例功分为八路信号，每路信号单独进行功率放大，放大后的单路信号经过与功率分配器具有相同结构的功率合成器，完成电磁波信号的多路功率合成。本发明具有宽频带、大容量、高隔离、高效率及低损耗等优点。

Description

毫米波多路空间波导功率分配合成器及方法

技术领域

本发明涉及一种适用于毫米波频段的毫米波多路空间波导功率分配/合成器、采用所述毫米波多路空间波导功率分配/合成器的功率分配方法、以及采用所述毫米波多路空间波导功率分配/合成器的功率合成方法。

背景技术

随着毫米波大功率测试技术的发展，单个固态功率放大芯片的输出功率已不能满足测试系统对输出功率的要求，需要采用单路功率放大与多路功率分配/合成技术相结合的方法来提高系统的输出功率。常见的功率分配/合成器包括平面电路功率分配/合成器和基于径向波导的空间功率分配/合成器两种。平面电路功率分配/合成器多采用多级威尔金森功率分配器级联的结构形式，随着功率分配/合成路数的增多，功率分配器的级数随之增加，微带电路损耗也随之增大，造成了合成效率的下降；另外，平面电路功率分配/合成器功率容量有限、散热效率低，在毫米波频段己不再适用。

基于径向波导的空间功率分配/合成器的结构如图1所示，该类型的功率分配/合成器具有功率容量大、传输损耗小、散热性能好、合成效率高等优点，被广泛应用于毫米波领域。其工作过程为：电磁波首先从位于上侧的同轴端口进入8路径向波导，完成功率分配，进入每一路矩形波导的信号通过矩形波导-微带探针转换结构进入微带平面电路，在微带平面电路上完成功率放大后的信号再通过8路径向波导完成功率合成，从位于下侧的同轴端口输出。然而，上述基于波导的空间功率分配/合成器，存在如下缺点：(1)基于波导的空间功率分配/合成器所采用的立体结构增加了加工难度，且装配复杂、生产成本高；(2)由于采用了同轴传输线作为多路功率分配与合成段的传输媒介，随着工作频率的升高，同轴传输线的损耗变大，合成效率迅速降低；(3)这种功率分配/合成器由于无法加入隔离电阻，各放大单元支路之间的隔离度较差，使得基于波导的空间功率分配/合成器的稳定性和可靠性降低。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种毫米波多路空间波导功率分配/合成器，具有宽频带、大容量、高隔离、高效率及低损耗等优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

毫米波多路空间波导功率分配/合成器，包括一个4路波导功率分配器和四个2路波导功率分配器；

4路波导功率分配器，包括第一矩形波导、第一台阶渐变波导和扩展波导，其中，第一矩形波导连接在第一台阶渐变波导的窄端侧上，扩展波导连接在第一台阶渐变波导的宽端侧上，在第一矩形波导上设有一个第一端口，在扩展波导上设有四个第二端口；在扩展波导内部设有三组第一功率调配部件，用于将由第一端口输入的一路电磁波信号等比例功分为四路信号并由四个第二端口输出、或将由四个第二端口输入的信号合成为一路信号并由第一端口输出，其中，每组第一功率调配部件包括一个调配螺钉和一个第一薄膜电阻片；

2路波导功率分配器，包括第二台阶渐变波导、第二矩形波导和第三矩形波导，在第二台阶渐变波导的窄端侧上设有一个第三端口，第二矩形波导和第三矩形波导分别连接在第二台阶渐变波导的宽端侧上，在第二矩形波导和第三矩形波导上各设有一个第四端口；在第二台阶渐变波导内部设有一组第二功率调配部件，用于将由第三端口输入的一路电磁波信号等比例功分为两路信号并由两个第四端口输出、或将由两个第四端口输入的信号合成为一路信号并由第三端口输出，其中，每组第二功率调配部件包括一个第二薄膜电阻片；在每个第四端口处设有一个波导-探针转换部件和一个50Ω阻抗微带线，用于完成电磁波信号由波导到微带平面电路、或由微带平面电路到波导的转换；

其中，每个第三端口对应的连接在一个第二端口上。

进一步，上述调配螺钉伸入扩展波导内部的长度可调节，通过调节调配螺钉伸入扩展波导内部的长度，实现对各支路信号幅度一致性的灵活调节。

进一步，上述第一薄膜电阻片和第二薄膜电阻片，均采用高频专用微波基片，且单面镀50Ω方阻薄膜。

进一步，上述第一薄膜电阻片设置在第二端口处，第一薄膜电阻片的设置方向与电磁波的传播方向保持一致，且第一薄膜电阻片未镀50Ω方阻薄膜的一面朝向调配螺钉。

进一步，上述第二薄膜电阻片的设置方向与电磁波的传播方向保持一致，且第二薄膜电阻片镀有50Ω方阻薄膜的一面的朝向与波导-探针转换部件由第四端口向外伸出的方向一致。

进一步，上述波导-探针转换部件，采用由探针到高阻抗线再到中阻抗线的三级阶梯变换结构。

本发明的另一个目的在于提出一种毫米波多路空间波导功率分配方法，采用上述毫米波多路空间波导功率分配/合成器，具体功率分配步骤如下：

电磁波首先由第一端口输入，通过第一台阶渐变波导过渡到装有调配螺钉和第一薄膜电阻片的扩展波导，在调配螺钉和第一薄膜电阻片的功率调配作用下等比例功分为四路信号，分别从四个第二端口输出，然后再分别由第三端口进入装有第二薄膜电阻片的第二台阶渐变波导，在第二薄膜电阻片的功率调配作用下，将四路信号进一步等比例功分为八路信号，分别从八个第四端口输出，从第四端口输出的每路信号再通过一个波导-探针转换部件和一个50Ω阻抗微带线，实现电磁波信号由波导到微带平面电路的转换。

进一步，上述调配螺钉伸入扩展波导内部的长度可调节，通过调节调配螺钉伸入扩展波导内部的长度，实现对各支路信号幅度一致性的灵活调节；

上述第一薄膜电阻片和第二薄膜电阻片，均采用高频专用微波基片，且单面镀50Ω方阻薄膜；

上述第一薄膜电阻片设置在第二端口处，第一薄膜电阻片的设置方向与电磁波的传播方向保持一致，且第一薄膜电阻片未镀50Ω方阻薄膜的一面朝向调配螺钉；

上述第二薄膜电阻片的设置方向与电磁波的传播方向保持一致，且第二薄膜电阻片镀有50Ω方阻薄膜的一面的朝向与波导-探针转换部件由第四端口向外伸出的方向一致；

上述波导-探针转换部件，采用由探针到高阻抗线再到中阻抗线的三级阶梯变换结构。

此外，本发明还提出了一种毫米波多路空间波导功率合成方法，采用上述毫米波多路空间波导功率分配/合成器，具体功率合成步骤如下：

在每一路微带平面电路上的信号通过功率放大芯片实现单路信号的功率放大，经过功率放大后的每路信号通过一个波导-探针转换部件和一个50Ω阻抗微带线，实现电磁波信号由微带平面电路到波导的转换，并由八个第四端口分别输入，在第二薄膜电阻片的功率调配作用下，每两路信号合成一路信号并经过四个第三端口分别输出，同时由第二端口输入到扩展波导内部，在调配螺钉和第一薄膜电阻片的功率调配作用下，将进入扩展波导内部的四路信号进一步合成为一路信号并由第一端口输出。

进一步，上述调配螺钉伸入扩展波导内部的长度可调节，通过调节调配螺钉伸入扩展波导内部的长度，实现对各支路信号幅度一致性的灵活调节；

上述第一薄膜电阻片和第二薄膜电阻片，均采用高频专用微波基片，且单面镀50Ω方阻薄膜；

上述第一薄膜电阻片设置在第二端口处，第一薄膜电阻片的设置方向与电磁波的传播方向保持一致，且第一薄膜电阻片未镀50Ω方阻薄膜的一面朝向调配螺钉；

上述第二薄膜电阻片的设置方向与电磁波的传播方向保持一致，且第二薄膜电阻片镀有50Ω方阻薄膜的一面的朝向与波导-探针转换部件由第四端口向外伸出的方向一致；

上述波导-探针转换部件，采用由探针到高阻抗线再到中阻抗线的三级阶梯变换结构。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)、工作频带宽：通过合理设计第一台阶渐变波导和第二台阶渐变波导的尺寸、波导-探针转换部件的尺寸与位置、以及第一薄膜电阻片和第二薄膜电阻片的尺寸与位置，即可在毫米波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过程中的能量损耗，有效提高了合成效率；

(2)、具有高隔离特性及高可靠性：由于功率分配/合成器在矩形波导中插入了薄膜电阻片，不仅能够对电磁场高次模式起到抑制作用，而且使得各功率放大单元支路之间具有高度隔离，隔离度可以达到20dB以上；当各路信号出现幅度或相位差时，产生的不均衡电流将被薄膜电阻片消耗掉，从而保证功率分配/合成器的各个放大单元处于独立工作状态，互不影响，当某一路放大单元出现故障时，其余放大单元支路仍可正常工作，增强了系统工作的可靠性；

(3)、输出功率大：由于采用了基于波导的空间功率分配/合成技术，因此，该结构具有较大的输出功率，另外，输出功率可根据带宽要求结合具体的功率器件灵活调整；

(4)、具有较低的功率损耗：由于功率分配和功率合成过程均是在低损耗的矩形波导内完成的，且功率分配/合成器本身的尺寸较小，其内部的波导和微带线路径较短，因此，大大降低了毫米波能量的传输损耗；

(5)、具有良好的散热设计：由于每路波导之间均有一定的空间间隔，而且该波导功率分配/合成器外部可以安装大面积散热片，从而提高了整体散热效率；

(6)、具有高度的幅相一致性：由于毫米波多路空间波导的功率分配器和功率合成器采用了对称结构，有效避免了幅相不一致所带来的能量损耗，大大提高了功率合成的效率；

(7)、结构紧凑，便于应用：本发明采用标准矩形波导口作为输入输出接口，功率的分配、放大和合成均集成于一体，整个结构小巧轻便，具有很强的工程实用性；

(8)、根据最小反射理论对探针结构的尺寸进行了优化，可以实现各端口的匹配以及电磁场能量在波导与微带电路之间的高效转换，具有结构简单、易于实现、损耗小及输入端口驻波比低等优点。

附图说明

图1为现有技术中基于径向波导的功率分配/合成器的结构示意图；

图2为本发明中毫米波多路空间波导功率分配/合成器的整体装配示意图；

图3为图2中毫米波多路空间波导功率分配/合成器的平面结构示意图；

图4为图3中4路波导功率分配器的结构示意图；

图5为图3中2路波导功率分配器的结构示意图；

图6为图3中波导-微带-波导转接结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

结合图2和图3所示，毫米波多路空间波导功率分配器，包括一个4路波导功率分配器和四个2路波导功率分配器。

如图4所示，4路波导功率分配器，包括第一矩形波导1、第一台阶渐变波导2和扩展波导3，其中，第一矩形波导1连接在第一台阶渐变波导2的窄端侧上，扩展波导3连接在第一台阶渐变波导2的宽端侧上。

在第一矩形波导1上设有一个第一端口11，在扩展波导3上设有四个第二端口12、13、14、15。在扩展波导内部设有三组第一功率调配部件，分别位于第二端口12、13、14处，用于将由第一端口11输入的一路电磁波信号等比例功分为四路信号并由第二端口12、13、14、15分别输出，其中，每组第一功率调配部件包括一个调配螺钉4和一个第一薄膜电阻片5。

其中，调配螺钉4伸入扩展波导3内部的长度可调节，通过调节调配螺钉伸入扩展波导内部的长度，可以实现对各支路信号幅度一致性的灵活调节，从而补偿因加工误差和装配误差所产生的功率分配不均。

第一薄膜电阻片5采用高频专用微波基片，且单片镀50Ω方阻薄膜，利于改善各端口驻波，实现各端口之间的高度隔离。具体的，第一薄膜电阻片5的设置方向与电磁波的传播方向保持一致，且第一薄膜电阻片5未镀50Ω方阻薄膜的一面朝向调配螺钉4，这样就可以实现第二端口12、13、14、和15之间的高度隔离，同时，调配螺钉4可以实现对这4个第二端口的输出信号幅度一致性的灵活调节。

结合图5所示，2路波导功率分配器，包括第二台阶渐变波导6、第二矩形波导17和第三矩形波导18，在第二台阶渐变波导6的窄端侧上设有一个第三端口16，第二矩形波导17和第三矩形波导18分别连接在第二台阶渐变波导6的宽端侧上，在第二矩形波导17和第三矩形波导18上各设有一个第四端口20。其中，每个第三端口16对应的连接在一个第二端口12、13、14、15上，从而完成了8路波导功率分配，如图3所示。

在第二台阶渐变波导6内部设有一组第二功率调配部件，用于将由第三端口16输入的一路电磁波信号等比例功分为两路信号并由第四端口20分别输出，其中，每组第二功率调配部件包括一个第二薄膜电阻片7。

根据最小反射理论可以对第一台阶渐变波导2和第二台阶渐变波导6的尺寸进行优化，可以实现各个端口的匹配、以及电磁场能量在金属波导内的高效分配与合成，具有结构简单、易于实现、损耗小及输入端口驻波比低等优点。

第二薄膜电阻片7采用高频专用微波基片，且单片镀50Ω方阻薄膜，利于改善各端口驻波，实现各端口之间的高度隔离。具体的，第二薄膜电阻片7的设置方向与电磁波的传播方向保持一致，第二薄膜电阻片7镀有50Ω方阻薄膜的一面的朝向与波导-探针转换部件由第四端口20向外伸出的方向一致。

在每个第四端口20处设有一个波导-探针转换部件8和一个50Ω阻抗微带线9，用于完成电磁波信号由波导到微带平面电路的转换，在每一路微带平面电路上的信号通过功率放大芯片10实现单路信号的功率放大。

具体的，波导-探针转换部件8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的三级阶梯变换结构，最后过渡到50Ω阻抗微带线9，介质基片使用高频专用微波基片，可在毫米波频段内实现插入损耗小于0.3dB，驻波小于1.3。

在上述结构的毫米波多路空间波导功率分配器中，电磁波首先由第一端口11输入，通过第一台阶渐变波导2过渡到装有调配螺钉4和第一薄膜电阻片5的扩展波导3，在调配螺钉4和第一薄膜电阻片5的功率调配作用下等比例功分为四路信号，分别从第二端口12、13、14、15输出，然后再分别由第三端口16进入装有第二薄膜电阻片7的第二台阶渐变波导6，在第二薄膜电阻片7的功率调配作用下，将四路信号进一步等比例功分为八路信号，分别从八个第四端口20输出，从第四端口输出的每路信号再通过一个波导-探针转换部件8和一个50Ω阻抗微带线9，实现电磁波信号由波导到微带平面电路的转换。

毫米波多路空间波导功率合成器，具有与毫米波多路空间波导功率分配器相同的结构，且空间对称，这样就构成了8路功率分配/合成器，整体结构装配侧视图如图2所示，其中，结构19为功放芯片加电线槽，用于为功率放大芯片10供电。

此种结构的功率分配/合成器结构紧凑，并实现了电路结构形式的平面化，易于加工、装配简单、可以有效降低加工成本。另外，该功率分配/合成器将功率放大电路置于功分与合成电路之外，同时可以在整体结构的上、下侧面加装散热片，有效提高了整体的散热效率。

在上述结构的毫米波多路空间波导功率合成器中，在每一路微带平面电路上的信号通过功率放大芯片10实现单路信号的功率放大。经过功率放大后的每路信号通过一个波导-探针转换部件8和一个50Ω阻抗微带线9，实现电磁波信号由微带平面电路到波导的转换，并由八个第四端口20分别输入，在第二薄膜电阻片7的功率调配作用下，每两路信号合成一路信号并经过四个第三端口16分别输出，同时由第二端口12、13、14、15分别输入到扩展波导3内部，在调配螺钉4和第一薄膜电阻片5的功率调配作用下，将进入扩展波导3内部的四路信号进一步合成为一路信号并由第一端口11输出，完成电磁波信号的多路功率合成。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (10)

1.毫米波多路空间波导功率分配/合成器，其特征在于，包括一个4路波导功率分配器和四个2路波导功率分配器；

4路波导功率分配器，包括第一矩形波导、第一台阶渐变波导和扩展波导，其中，第一矩形波导连接在第一台阶渐变波导的窄端侧上，扩展波导连接在第一台阶渐变波导的宽端侧上，在第一矩形波导上设有一个第一端口，在扩展波导上设有四个第二端口；在扩展波导内部设有三组第一功率调配部件，用于将由第一端口输入的一路电磁波信号等比例功分为四路信号并由四个第二端口输出、或将由四个第二端口输入的信号合成为一路信号并由第一端口输出，其中，每组第一功率调配部件包括一个调配螺钉和一个第一薄膜电阻片；

2路波导功率分配器，包括第二台阶渐变波导、第二矩形波导和第三矩形波导，在第二台阶渐变波导的窄端侧上设有一个第三端口，第二矩形波导和第三矩形波导分别连接在第二台阶渐变波导的宽端侧上，在第二矩形波导和第三矩形波导上各设有一个第四端口；在第二台阶渐变波导内部设有一组第二功率调配部件，用于将由第三端口输入的一路电磁波信号等比例功分为两路信号并由两个第四端口输出、或将由两个第四端口输入的信号合成为一路信号并由第三端口输出，其中，每组第二功率调配部件包括一个第二薄膜电阻片；在每个第四端口处设有一个波导-探针转换部件和一个50Ω阻抗微带线，用于完成电磁波信号由波导到微带平面电路、或由微带平面电路到波导的转换；

其中，每个第三端口对应的连接在一个第二端口上。

2.根据权利要求1所述的毫米波多路空间波导功率分配/合成器，其特征在于，所述调配螺钉伸入扩展波导内部的长度可调节，通过调节调配螺钉伸入扩展波导内部的长度，实现对各支路信号幅度一致性的灵活调节。

3.根据权利要求1所述的毫米波多路空间波导功率分配/合成器，其特征在于，所述第一薄膜电阻片和第二薄膜电阻片，均采用高频专用微波基片，且单面镀50Ω方阻薄膜。

4.根据权利要求3所述的毫米波多路空间波导功率分配/合成器，其特征在于，所述第一薄膜电阻片设置在第二端口处，第一薄膜电阻片的设置方向与电磁波的传播方向保持一致，且第一薄膜电阻片未镀50Ω方阻薄膜的一面朝向调配螺钉。

5.根据权利要求3所述的毫米波多路空间波导功率分配/合成器，其特征在于，所述第二薄膜电阻片的设置方向与电磁波的传播方向保持一致，且第二薄膜电阻片镀有50Ω方阻薄膜的一面的朝向与波导-探针转换部件由第四端口向外伸出的方向一致。

6.根据权利要求1所述的毫米波多路空间波导功率分配/合成器，其特征在于，所述波导-探针转换部件，采用由探针到高阻抗线再到中阻抗线的三级阶梯变换结构。

7.毫米波多路空间波导功率分配方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的毫米波多路空间波导功率分配/合成器，具体功率分配步骤如下：

电磁波首先由第一端口输入，通过第一台阶渐变波导过渡到装有调配螺钉和第一薄膜电阻片的扩展波导，在调配螺钉和第一薄膜电阻片的功率调配作用下等比例功分为四路信号，分别从四个第二端口输出，然后再分别由第三端口进入装有第二薄膜电阻片的第二台阶渐变波导，在第二薄膜电阻片的功率调配作用下，将四路信号进一步等比例功分为八路信号，分别从八个第四端口输出，从第四端口输出的每路信号再通过一个波导-探针转换部件和一个50Ω阻抗微带线，实现电磁波信号由波导到微带平面电路的转换。

8.根据权利要求7所述的毫米波多路空间波导功率分配方法，其特征在于，

所述调配螺钉伸入扩展波导内部的长度可调节，通过调节调配螺钉伸入扩展波导内部的长度，实现对各支路信号幅度一致性的灵活调节；

所述第一薄膜电阻片和第二薄膜电阻片，均采用高频专用微波基片，且单面镀50Ω方阻薄膜；

所述第一薄膜电阻片设置在第二端口处，第一薄膜电阻片的设置方向与电磁波的传播方向保持一致，且第一薄膜电阻片未镀50Ω方阻薄膜的一面朝向调配螺钉；

所述第二薄膜电阻片的设置方向与电磁波的传播方向保持一致，且第二薄膜电阻片镀有50Ω方阻薄膜的一面的朝向与波导-探针转换部件由第四端口向外伸出的方向一致；

所述波导-探针转换部件，采用由探针到高阻抗线再到中阻抗线的三级阶梯变换结构。

9.毫米波多路空间波导功率合成方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的毫米波多路空间波导功率分配/合成器，具体功率合成步骤如下：

在每一路微带平面电路上的信号通过功率放大芯片实现单路信号的功率放大，经过功率放大后的每路信号通过一个波导-探针转换部件和一个50Ω阻抗微带线，实现电磁波信号由微带平面电路到波导的转换，并由八个第四端口分别输入，在第二薄膜电阻片的功率调配作用下，每两路信号合成一路信号并经过四个第三端口分别输出，同时由第二端口输入到扩展波导内部，在调配螺钉和第一薄膜电阻片的功率调配作用下，将进入扩展波导内部的四路信号进一步合成为一路信号并由第一端口输出。

10.根据权利要求9所述的毫米波多路空间波导功率合成方法，其特征在于，

所述调配螺钉伸入扩展波导内部的长度可调节，通过调节调配螺钉伸入扩展波导内部的长度，实现对各支路信号幅度一致性的灵活调节；

所述第一薄膜电阻片和第二薄膜电阻片，均采用高频专用微波基片，且单面镀50Ω方阻薄膜；

所述第一薄膜电阻片设置在第二端口处，第一薄膜电阻片的设置方向与电磁波的传播方向保持一致，且第一薄膜电阻片未镀50Ω方阻薄膜的一面朝向调配螺钉；

所述第二薄膜电阻片的设置方向与电磁波的传播方向保持一致，且第二薄膜电阻片镀有50Ω方阻薄膜的一面的朝向与波导-探针转换部件由第四端口向外伸出的方向一致；

所述波导-探针转换部件，采用由探针到高阻抗线再到中阻抗线的三级阶梯变换结构。