CN104167585B - 微波功率分配器、合成器以及分配合成器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波功率分配器、微波功率合成器和微波功率分配合成器，上述微波功率分配器包括：第一圆波导，接收微波并将微波传输至第三圆波导；第二圆波导，与第三圆波导相连，并维持短路状态；第三圆波导，与第一矩波导、第二矩波导和第三矩波导相连，将接收到的微波转换为功率相等、相位相同的两束微波，分别传输至第一矩波导和第二矩波导；其中，第一圆波导、第二圆波导和第三圆波导为TM01模式圆波导，且共轴线，第一矩波导、第二矩波导和第三矩波导为TE10模式矩波导，且夹角均为120°，第三矩波导维持短路状态。通过本发明的技术方案，能够提高波导微波合成过程中的功率容量，并保证较高的隔离度，以及降低反射系数，提高微波合成的效果。

Description

微波功率分配器、合成器以及分配合成器

技术领域

本发明涉及微波处理技术领域，具体而言，涉及一种微波功率分配器、微波功率合成器以及一种微波功率分配合成器。

背景技术

高功率微波(HPM)一般是指频率在300MHz到300GHz，脉冲功率超过100MW或平均功率在1MW的电磁辐射。HPM系统是该相干电磁辐射产生、传输以及发射系统。主要应用包括：(1)通过电子回旋共振机制对受控热核等离子体加热；(2)用于高功率短脉冲雷达，实现较宽频带下精确分辨被探测和跟踪的目标；(3)为地球和太空之间传输能量；为宇宙飞船发射到太空轨道或者轨道之间变换提供能量；(4)用于高能粒子射频加速器，进行高能物理、核物理科学研究；(5)用于HPM定向能武器。高功率容量的微波具有高的电磁场能量密度，高幅度的电磁场容易在传输和发射系统发生微波击穿，更具体地讲，是微波触发的等离子体雪崩。

考虑到击穿限制和微波源的成本，微波源的输出功率总是有限的。高功率容量的微波合成器实现不同微波源输出功率的合成，提高了传输和发射功率，而并不增加微波源的压力。同时，多路微波共用一部天线辐射，能减少天线数量。

近些年来国际上公开发表的高功率容量的微波合成器中，典型的有耦合两个正交极化的TE11模式到同一波导中的合成器，通过过模矩形波导耦合两个比较靠近频率的高功率拍波合成器，以及基于过模圆波导滤波器结构的合成器，但是上述几种合成器均存在共同缺点，即体积庞大而功率容量却有限，不同端口之间的隔离度难以得到保障，反射系数又较高，对微波合成造成诸多不良影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提高波导微波合成过程中的功率容量，并保证较高的隔离度，以及降低反射系数，提高微波合成的效果。

为此目的，本发明提出了一种微波功率分配器，包括：第一圆波导，与第三圆波导相连，用于接收微波，并将所述微波传输至所述第三圆波导；第二圆波导，与所述第三圆波导相连，并维持短路状态；所述第三圆波导，与第一矩波导、第二矩波导和第三矩波导分别相连，用于将接收到的微波转换为功率相等、相位相同的两束微波，分别传输至所述第一矩波导和所述第二矩波导；其中，所述第一圆波导、第二圆波导和第三圆波导为TM01模式圆波导，所述第一圆波导、第二圆波导和第三圆波导共轴线，所述第一矩波导、第二矩波导和第三矩波导为TE10模式矩波导，所述第一矩波导、第二矩波导和第三矩波导之间夹角均为120°，且所述第三矩波导维持短路状态。

优选地，所述第一圆波导的半径为15mm，高度大于30mm。

优选地，所述第二圆波导的半径为20mm，高度为10mm。

优选地，所述第三圆波导与所述第一矩波导、第二矩波导和第三矩波导的高度相同，且半径为26mm。

优选地，所述第一矩波导、第二矩波导和第三矩波导的长度为31.3mm，宽度为15.5mm，所述第三矩波导的短路面距离所述第三圆波导的轴线28mm。

优选地，所述第一圆波导与所述第三圆波导之间的倒角半径为8mm，所述第二圆波导与所述第三圆波导之间的倒角半径为5mm，所述第一矩波导、第二矩波导和第三矩波导与所述第三圆波导之间的倒角半径均为2mm。

本发明还提出了一种微波功率合成器，包括：第四圆波导，与第六圆波导相连，用于输出来自所述第六圆波导的微波；第五圆波导，与所述第六圆波导相连，并维持短路状态；所述第六圆波导，与第五矩波导、第六矩波导、第七矩波导和第八矩波导分别相连，用于接收来自第五矩波导、第六矩波导、第七矩波导和第八矩波导的四束功率相等、相位相同的TE10模式微波，所述四束TE10模式微波激励得到幅值相等、相位相反的四束TE11模式微波，所述四束TE11模式微波相消，并激励得到幅值相等、相位相同的两束TM01模式微波，所述两束TM01模式微波相叠加，得到一束TM01模式微波，将叠加得到TM01模式微波发送至所述第四圆波导；其中，所述第四圆波导、第五圆波导和第六圆波导为TM01模式圆波导，所述第四圆波导、第五圆波导和第六圆波导共轴线，且第五矩波导、第六矩波导、第七矩波导和第八矩波导为TE10模式矩波导，所述第五矩波导、第六矩波导、第七矩波导和第八圆波导之间夹角均为90°。

优选地，所述第四圆波导的半径为16.2mm，高度大于30mm。

优选地，所述第五圆波导的半径为23mm，高度为13mm。

优选地，所述第六圆波导与所述第五矩波导、第六矩波导、第七矩波导和第八矩波导的高度相同，且半径为28mm。

优选地，所述第五矩波导、第六矩波导、第七矩波导和第八矩波导的长度为31.3mm，宽度为15.5mm。

优选地，所述第四圆波导与所述第六圆波导之间的倒角半径为6mm，所述第五圆波导与所述第六圆波导之间的倒角半径为3mm，所述第五矩波导、第六矩波导、第七矩波导和第八矩波导与所述第六圆波导之间的倒角半径均为2mm。

本发明还提出了一种微波功率分配合成器，包括上述任一项所述的微波功率分配器，以及上述任一项所述的微波功率合成器，其中，所述两个微波功率分配器的第一矩波导和第二矩波导分别与所述第五矩波导、第六矩波导、第七矩波导和第八矩波导相连，用于将接收到的微波分别传输至所述第五矩波导、第六矩波导、第七矩波导和第八矩波导，并经过所述第六圆波导合成，通过所述第四矩波导输出合成后的微波。

通过上述技术方案，能够在微波合成过程中，保证不同微波的输入端口之间具有较高的隔离度，同时具有较低的反射系数，并使得微波合成过程中具有较高的功率容量。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的微波功率分配器的结构示意图；

图2示出了如图1所示的微波功率分配器内的场强幅度分布示意图；

图3示出了如图1所示的微波功率分配器的S参数分布示意图；

图4示出了根据本发明一个实施例的微波功率合成器的结构示意图；

图5示出了如图4所示的微波功率合成器内的场强幅度分布示意图；

图6示出了根据本发明一个实施例的微波功率分配合成器的结构示意图。

附图标号说明：

1-第一圆波导；2-第二圆波导；3-第三圆波导；4-第一矩波导；5-第二矩波导；6-第三矩波导；7-第四圆波导；8-第五圆波导；9-第六圆波导；10-第五矩波导；11-第六矩波导；12-第七矩波导；13-第八矩波导。

具体实施方式

了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

图1示出了根据本发明一个实施例的微波功率分配器的结构示意图。

如图1所示，根据本发明一个实施例的微波功率分配器包括：第一圆波导1，与第三圆波导3相连，用于接收微波，并将微波传输至第三圆波导3；第二圆波导2，与第三圆3波导相连，并维持短路状态；第三圆波导3，与第一矩波导4、第二矩波导5和第三矩波导6分别相连，用于将接收到的微波转换为功率相等、相位相同的两束微波，分别传输至第一矩波导4和第二矩波导5；其中，第一圆波导1、第二圆波导2和第三圆波导3为TM01模式圆波导，第一圆波导1、第二圆波导2和第三圆波导3共轴线，第一矩波导4、第二矩波导5和第三矩波导6为TE10模式矩波导，第一矩波导4、第二矩波导5和第三矩波导6之间夹角均为120°，且第三矩波导6维持短路状态。

第一圆波导1输入TM01模式的微波，第三圆波导3将微波转换为功率相等、相位相同的两束微波，并分别分配至TE10模式的第一矩波导4和第二矩波导5中，由于第一矩波导4和第二矩波导5之间夹角为120°，使得一个矩波导的反射TE10模和另一个矩波导的透射TE10模等幅反相相消，从而使得第一矩波导4和第二矩波导5之间等效隔离且没有反射。

通过设置第二圆波导2短路，起到了类径向线的过渡作用，结合第三矩波导6短路，使得在电场增幅较小的情况下实现微波模式的转换以及S参数的匹配，使得将TM01模式的微波转换为TE10模式的转换效率达到99.3％以上。在X波段中心频率9.3GHz情况下，若输入功率为1W的微波，结构最大场强为2240V/m，真空下金属结构击穿场强1MV/cm，那么该微波功率分配器可以具有2GW的功率容量，实现功率容量的极大提高。

优选地，第一圆波导1的半径为15mm，高度大于30mm。

优选地，第二圆波导2的半径为20mm，高度为10mm。

优选地，第三圆波导3与第一矩波导4、第二矩波导5和第三矩波导6的高度相同，且半径为26mm。

优选地，第一矩波导4、第二矩波导5和第三矩波导6的长度为31.3mm，宽度为15.5mm，第三矩波导6的短路面距离第三圆波导3的轴线28mm。

优选地，第一圆波导1与第三圆波导3之间的倒角半径为8mm，第二圆波导2与第三圆波3导之间的倒角半径为5mm，第一矩波导4、第二矩波导5和第三矩波导6与第三圆波导3之间的倒角半径均为2mm。

通过设置波导之间的倒角，不同波导之间的半径和连接关系，以及矩波导短路面距离圆波导轴线距离，可以降低显著地降低场强(即圆波导之间的倒角和矩波导与圆波导之间的倒角)，可以有效地降低输入端口的反射系数，在X波段中心频率9.3GHz情况下，输入端口的反射系数小于-20dB，结构内具体的场强幅度分布如图2所示。

具体的S参数分布如图3所示：

其中，dB(S(1:3,1:1))＝-24.5758dB，dB(S(1:3,1:2))＝-33.4591dB，dB(S(1:3,1:3))＝-23.2486dB，dB(S(1:3,1:4))＝-39.8735dB，dB(S(1:3,1:5))＝-42.4312dB，dB(S(1:3,2:1))＝-3.0456dB，dB(S(1:3,3:1))＝-3.0506dB。具体的，dB(S(1:3,2:1))和dB(S(1:3,3:1))两条曲线重合，dB(S(1:3,2:1))＝-3.0456dB＝49.6％代表向第一圆波导1注入TM01模式微波中，有49.6％的能量转化成了第一矩形波导4中的TE10模式，dB(S(1:3,3:1))＝-3.0506dB＝49.54％代表向第一圆波导1注入TM01模式微波中，有49.54％的能量转化成了第二矩形波导5中的能量。可见，第一圆波导1中的能量有49.6％+49.54％＝99.14％的能量转化为两个矩波导中的TE10模式，且两个输出矩波导的输出的能量基本相等，保证了功率分配器的有效性。

图4示出了根据本发明一个实施例的微波功率合成器的结构示意图。

如图4所示，根据本发明一个实施例的微波功率合成器，包括：第四圆波导7，与第六圆波导9相连，用于输出来自第六圆波导9的微波；第五圆波导8，与第六圆波导9相连，并维持短路状态；第六圆波导9，与第五矩波导10、第六矩波导11、第七矩波导12和第八矩波导13分别相连，用于接收来自第五矩波导10、第六矩波导11、第七矩波导12和第八矩波导13的四束功率相等、相位相同的TE10模式微波，四束TE10模式微波激励得到幅值相等、相位相反的四束TE11模式微波，四束TE11模式微波相消，并激励得到幅值相等、相位相同的两束TM01模式微波，两束TM01模式微波相叠加，得到一束TM01模式微波，将叠加得到TM01模式微波发送至第四圆波导7；其中，第四圆波导7、第五圆波导8和第六圆波导9为TM01模式圆波导，第四圆波导7、第五圆波导8和第六圆波导9共轴线，且第五矩波导10、第六矩波导11、第七矩波导12和第八矩波导13为TE10模式矩波导，第五矩波导10、第六矩波导11、第七矩波导12和第八圆波导13之间夹角均为90°。

当四路TE10模式的矩波导同时输入功率相同，相位相同的TE10模式微波时，在第六圆波导9中能够激励等幅、反相的TE11模式微波，而等幅、反相的TE11模式微波会相互抵消，进一步激励等幅、同相的TM01模式微波，等幅、同相的TM01模式微波相叠加，最终输出叠加后的TM01模式微波。

优选地，第四圆波导7的半径为16.2mm，高度大于30mm。

优选地，第五圆波导8的半径为23mm，高度为13mm。

优选地，第六圆波导9与第五矩波导10、第六矩波导11、第七矩波导12和第八矩波导13的高度相同，且半径为28mm。

优选地，第五矩波导10、第六矩波导11、第七矩波导12和第八矩波导13的长度为31.3mm，宽度为15.5mm。

优选地，第四圆波导7与第六圆波导9之间的倒角半径为6mm，第五圆波导8与第六圆波导9之间的倒角半径为3mm，第五矩波导10、第六矩波导11、第七矩波导12和第八矩波导13与第六圆波导9之间的倒角半径均为2mm。

通过设置波导之间的倒角，不同波导之间的半径和连接关系，以及矩波导短路面距离圆波导轴线距离，可以降低显著地降低场强(比如第四圆波导7与第六圆波导9之间倒角半径为6mm的大倒角)，可以有效地降低输入端口的反射系数，在X波段中心频率9.3GHz情况下，输入端口的反射系数小于-20dB，隔离度大于20dB，结构内具体的场强幅度分布如图5所示。

图6示出了根据本发明一个实施例的微波功率分配合成器的结构示意图。

如图4所示，根据本发明一个实施例的微波功率分配合成器包括两个上述的微波功率分配器和一个上述微波功率合成器，其中，所述两个微波功率分配器的第一矩波导4和第二矩波导5分别与所述第五矩波导10、第六矩波导11、第七矩波导12和第八矩波导13相连，用于将接收到的微波分别传输至所述第五矩波导10、第六矩波导11、第七矩波导12和第八矩波导13，并经过所述第六圆波导9合成，通过第四圆波导7输出合成后的微波。

两个分配器可以分别将TM01模式的微波转换为TE01模式微波，并输入到合成器中，合成器则可以讲四束TE01模式的微波通过激励、相消和叠加，合称为TM01模式微波并输出，从而微波功率分配合成器实现了TM01模式微波的叠加输出，并且保证了输入端口之间仅具有很低的反射系数，且电场强度较小，功率容量较高。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”、“第七”、“第八”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种微波功率分配器，其特征在于，包括：

第一圆波导，与第三圆波导相连，用于接收微波，并将所述微波传输至所述第三圆波导；

第二圆波导，与所述第三圆波导相连，并维持短路状态；

所述第三圆波导，与第一矩波导、第二矩波导和第三矩波导分别相连，用于将接收到的微波转换为功率相等、相位相同的两束微波，分别传输至所述第一矩波导和所述第二矩波导；

其中，所述第一圆波导、第二圆波导和第三圆波导为TM01模式圆波导，所述第一圆波导、第二圆波导和第三圆波导共轴线，所述第一矩波导、第二矩波导和第三矩波导为TE10模式矩波导，所述第一矩波导、第二矩波导和第三矩波导之间夹角均为120°，且所述第三矩波导维持短路状态。

2.根据权利要求1所述微波功率分配器，其特征在于，所述第一圆波导的半径为15mm，高度大于30mm。

3.根据权利要求1所述微波功率分配器，其特征在于，所述第二圆波导的半径为20mm，高度为10mm。

4.根据权利要求1所述微波功率分配器，其特征在于，所述第三圆波导与所述第一矩波导、第二矩波导和第三矩波导的高度相同，且半径为26mm。

5.根据权利要求1所述微波功率分配器，其特征在于，所述第一矩波导、第二矩波导和第三矩波导的长度为31.3mm，宽度为15.5mm，所述第三矩波导的短路面距离所述第三圆波导的轴线28mm。

6.根据权利要求1所述微波功率分配器，其特征在于，所述第一圆波导与所述第三圆波导之间的倒角半径为8mm，所述第二圆波导与所述第三圆波导之间的倒角半径为5mm，所述第一矩波导、第二矩波导和第三矩波导与所述第三圆波导之间的倒角半径均为2mm。

7.一种微波功率合成器，其特征在于，包括：

第四圆波导，与第六圆波导相连，用于输出来自所述第六圆波导的微波；

第五圆波导，与所述第六圆波导相连，并维持短路状态；

所述第六圆波导，与第五矩波导、第六矩波导、第七矩波导和第八矩波导分别相连，用于接收来自第五矩波导、第六矩波导、第七矩波导和第八矩波导的四束功率相等、相位相同的TE10模式微波，所述四束TE10模式微波激励得到幅值相等、相位相反的四束TE11模式微波，所述四束TE11模式微波相消，并激励得到幅值相等、相位相同的两束TM01模式微波，所述两束TM01模式微波相叠加，得到一束TM01模式微波，将叠加得到TM01模式微波发送至所述第四圆波导；

其中，所述第四圆波导、第五圆波导和第六圆波导为TM01模式圆波导，所述第四圆波导、第五圆波导和第六圆波导共轴线，且第五矩波导、第六矩波导、第七矩波导和第八矩波导为TE10模式矩波导，所述第五矩波导、第六矩波导、第七矩波导和第八圆波导之间夹角均为90°。

8.根据权利要求7所述微波功率合成器，其特征在于，所述第四圆波导的半径为16.2mm，高度大于30mm。

9.根据权利要求7所述微波功率合成器，其特征在于，所述第五圆波导的半径为23mm，高度为13mm。

10.根据权利要求7所述微波功率合成器，其特征在于，所述第六圆波导与所述第五矩波导、第六矩波导、第七矩波导和第八矩波导的高度相同，且半径为28mm。

11.根据权利要求7所述微波功率合成器，其特征在于，所述第五矩波导、第六矩波导、第七矩波导和第八矩波导的长度为31.3mm，宽度为15.5mm。

12.根据权利要求7所述微波功率合成器，其特征在于，所述第四圆波导与所述第六圆波导之间的倒角半径为6mm，所述第五圆波导与所述第六圆波导之间的倒角半径为3mm，所述第五矩波导、第六矩波导、第七矩波导和第八矩波导与所述第六圆波导之间的倒角半径均为2mm。

13.一种微波功率分配合成器，其特征在于，包括两个如权利要求1至6中任一项所述的微波功率分配器，以及一个如权利要求7至12中任一项所述的微波功率合成器，其中，所述两个微波功率分配器的第一矩波导和第二矩波导分别与所述第五矩波导、第六矩波导、第七矩波导和第八矩波导相连，用于将接收到的微波分别传输至所述第五矩波导、第六矩波导、第七矩波导和第八矩波导，并经过所述第六圆波导合成，通过所述第四圆波导输出合成后的微波。