CN104362420A

CN104362420A - 一种宽带全端口匹配波导功分合成方法

Info

Publication number: CN104362420A
Application number: CN201410615934.6A
Authority: CN
Inventors: 邓建钦; 姜万顺; 王明超
Original assignee: CETC 41 Institute
Current assignee: CETC 41 Institute
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2015-02-18

Abstract

一种宽带全端口匹配波导功分合成方法，包括以下步骤：A：电磁波由输入波导输入信号；B：所述信号经电感膜片及吸收负载的共同作用，进入多层功率分配结构；C：再经多层阻抗渐变鳍线，实现空间功率分配合成信号；D：所述合成信号由输出波导输出。采用本发明的方法，宽频带、高频率、高效率、多路数和良好全端口匹配，在毫米波频段，工作带宽可达波导全带宽，合成效率至80％以上，频率范围可适用至170GHz，同时由于该发明具有全端口匹配的特点，基于该技术所设计的放大器具有良好的稳定性。

Description

一种宽带全端口匹配波导功分合成方法

技术领域

本发明涉及一种合成方法，特别涉及一种宽带全端口匹配波导功分合成方法。

背景技术

毫米波固态功率放大器作为毫米波雷达、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。

功率分配/合成器主要分为平面和空间两种形式，平面电路合成器和基于波导的空间功率合成器，随着频率的升高，平面电路功分合成器插损比较大，因此不适用于毫米波频段，鉴于在毫米波频段，金属波导是毫米波系统以及毫米波模块间连接的主要传输线，且因金属波导具有较低损耗、单模传输和高功率容量特性，因此采用MMIC功率器件作为合成功率放大单元，实现的基于波导结构的毫米波功率合成技术成为了当前固态毫米波合成技术的热门方向。

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在毫米波频段由于波导内空间非常狭小，叠层的数量是非常有限的，因此，该结构无法在频率较高的毫米波频段实现多路的功率分配与合成。为实现多路的功率分配合成，一般采用径向波导功分合成方案，电磁波首先由同轴进入宽带径向波导，然后由径向波导进入矩形波导，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，进而完成了多路功率分配合成，但这种结构采用了同轴做为一个多路功分的传输媒介，随着频率进入到五毫米乃至更高频段，同轴作为传输线，损耗较大，将严重的影响了个合成器的合成效率。

现有的毫米波功率分配/合成技术由于采用波导内叠片方案，其缺点是在毫米波频段很难进一步的扩展功率分配/合成的路数，为进一步扩展功率分配/合成的路数，现在一些方案引入了基于同轴的径向波导多路功率分配方案，这种结构形式由于同轴随着频率的升高，损耗是明显增大，致使其在5mm波段乃至更高频段难以应用，另外，目前的毫米波功率/分配合成器难于实现全端口驻波匹配，致使基于该合成器设计的放大器，稳定性较差。

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，提供一种宽带全端口匹配波导功分合成方法。

本发明的技术方案如下：

一种宽带全端口匹配波导功分合成方法，其中，包括以下步骤：

A：电磁波由输入波导输入信号；

B：所述信号经电感膜片及吸收负载的共同作用，进入多层功率分配结构；

C：再经多层阻抗渐变鳍线，实现空间功率分配合成信号；

D：所述合成信号由输出波导输出。

所述的方法，其中，所述步骤B中，所述信号等幅并同向的进入多层功率分配结构。

所述的方法，其中，所述输入波导设置波导功分单元，以实现电磁波的波导功分。

所述的方法，其中，所述多层功率分配结构设置空间多层功率分配/合成单元，以实现所述信号的分配或合成。

所述的方法，其中，所述波导功分单元与所述空间多层功率分配/合成单元的宽频带端口匹配设置。

所述的方法，其中，所述波导功分单元设置一吸收端口。

所述的方法，其中，所述电感膜片与所述吸收负载的形状及尺寸与所述吸收端口相匹配。

所述的方法，其中，所述波导采用金属材料。

所述的方法，其中，所述多层阻抗渐变鳍线中的微带电路由微波基片实现，其阻抗值为50欧姆。

所述的方法，其中，所述阻抗渐变鳍线，采用正弦函数、指数函数和直线函数的拟合函数，拟合函数的方程为Y＝((b/2+w/2)/(exp(1)-1)*(exp(sin^m(x*2*pi/L0))-1)+n*(x*(b/2+w/2)/L0))/(n+1)，其中b为波导的窄边宽度，w为50欧姆微带线导带宽度，L0为渐变线的长度，m为正弦的幂系数，n决定直线函数的斜率。

采用上述方案，本发明不仅解决了现有技术存在的问题，而且明显具有以下优势：

1宽频带、高频率、高效率、多路数和良好全端口匹配，在毫米波频段，工作带宽可达波导全带宽，合成效率至80％以上，频率范围可适用至170GHz，同时由于该发明具有全端口匹配的特点，因此基于该技术所设计的放大器具有良好的稳定性。

2该技术将具有低损耗、宽频带特性的波导功分器与结构紧凑的波导空间多层结构相结合，即保证了功分合成器结构紧凑的特点，同时拓展了功率分配/合成的路数。同时，该结构在波导功分时，突破了传统波导功分的结构，通过采用外加吸收端口的方式，通过调节吸收负载的外形结构尺寸配合电感膜片，即可实现输入端口与功分输出端口的全端口匹配，这一方面是提高了基于该功分合成器所设计的放大器的稳定性，同时改善了合成放大器的合成效率。

附图说明

图1为本发明宽带全端口匹配波导功分合成方法采用的合成器结构示意图。

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

如图1所示，本发明所设计功率分配/合成结构，在该结构中，电磁波首先由输入波导1输入，输入信号在电感膜片2和吸收负载3的共同作用下，等幅、同向的进入多层功率分配结构4。信号在4中，经多层渐变鳍线，实现空间功率分配合成，合成后的信号通过输出波导5输出。

通过合理设计电感膜片2和吸收负载的尺寸，可实现波导功分单元与空间多层功率分配/合成单元的宽频带端口匹配，进而提高基于该结构实现的合成放大器的稳定性。

通过合理设计电感膜片2、吸收负载3、对极鳍线的渐变方程与位置4、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中的能量损耗，提高了合成效率。除此之外，该结构在波导功分/合成单元，外加了一个吸收负载，其主要用于改善波导功单元输出端口的驻波，通过合理设计电感膜片2和吸收负载的尺寸，可实现波导功分单元与空间多层功率分配/合成单元的宽频带端口匹配，进而提高基于该结构实现的合成放大器的稳定性。

阻抗渐变对鳍线3转换结构中的微带电路采用专用微波基片实现，鳍线到50欧姆标准阻抗微带线的过渡曲线方程根据最小反射理论及传输线模型设计，采用了多渐变函数拟合使用的设计方程，通过合理的选择渐变函数的形式及其使用的位置，将可在宽带范围实现低插损和高匹配。

实施例2

在上述实施例的基础上，如图1所示，进一步，电磁波首先由输入波导输入1，输入信号在电感膜片2和吸收负载3的共同作用下，等幅、同向的进入多层功率分配结构4。信号在4中，经多层渐变鳍线，实现空间功率分配合成，合成后的信号通过输出波导输出5。

通过合理设计电感膜片2和吸收负载3的尺寸，可实现波导功分单元与空间多层功率分配/合成单元的宽频带端口匹配，进而提高基于该结构实现的合成放大器的稳定性。

阻抗渐变对鳍线转换结构中的微带电路采用专用微波基片实现，鳍线到50欧姆标准阻抗微带线的过渡曲线方程根据最小反射理论及传输线模型设计，采用了多渐变函数拟合使用的设计方程，Y＝((b/2+w/2)/(exp(1)-1)*(exp(sin^m(x*2*pi/L0))-1)+n*(x*(b/2+w/2)/L0))/(n+1)为正弦函数、指数函数和直线多个函数的拟合函数，其中b为波导的窄边宽度，w为50欧姆微带线导带宽度，L0为渐变线的长度，m为正弦的幂系数，n决定直线函数的斜率，通过合理的选择L0、m和n将可在宽带范围实现低插损和高匹配。

实施例3

在上述实施例的基础上，如图1所示，提供一种宽带全端口匹配波导功分合成方法，其中，包括以下步骤：

A：电磁波由输入波导输入信号；

C：再经多层阻抗渐变鳍线，实现空间功率分配合成信号；

D：所述合成信号由输出波导输出。

在上述实施例的基础上，其中，所述步骤B中，所述信号等幅并同向的进入多层功率分配结构。

在上述实施例的基础上，其中，所述输入波导设置波导功分单元，以实现电磁波的波导功分。

在上述实施例的基础上，其中，所述多层功率分配结构设置空间多层功率分配/合成单元，以实现所述信号的分配或合成。

在上述实施例的基础上，其中，所述波导功分单元与所述空间多层功率分配/合成单元的宽频带端口匹配设置。

在上述实施例的基础上，其中，所述波导功分单元设置一吸收端口。

在上述实施例的基础上，其中，所述电感膜片与所述吸收负载的形状及尺寸与所述吸收端口相匹配。

在上述实施例的基础上，其中，所述波导采用金属材料。

在上述实施例的基础上，其中，所述多层阻抗渐变鳍线用于实现波导至50欧姆微带线转换，采用多渐变函数拟合使用的设计方程，Y＝((b/2+w/2)/(exp(1)-1)*(exp(sin^m(x*2*pi/L0))-1)+n*(x*(b/2+w/2)/L0))/(n+1)，为正弦函数、指数函数和直线多个函数的拟合函数，其中b为波导的窄边宽度，w为50欧姆微带线导带宽度，L0为渐变线的长度，m为正弦的幂系数，n决定直线函数的斜率。

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

1.一种宽带全端口匹配波导功分合成方法，其特征在于，包括以下步骤：

A：电磁波由输入波导输入信号；

C：再经多层阻抗渐变鳍线，实现空间功率分配合成信号；

D：所述合成信号由输出波导输出。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B中，所述信号等幅并同向的进入多层功率分配结构。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述输入波导设置波导功分单元，以实现电磁波的波导功分。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述多层功率分配结构设置空间多层功率分配/合成单元，以实现所述信号的分配或合成。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述波导功分单元与所述空间多层功率分配/合成单元的宽频带端口匹配设置。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述波导功分单元设置一吸收端口。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电感膜片与所述吸收负载的形状及尺寸与所述吸收端口相匹配。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述波导采用金属材料。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述多层阻抗渐变鳍线中的微带电路由微波基片实现，其阻抗值为50欧姆。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述阻抗渐变鳍线，采用正弦函数、指数函数和直线函数的拟合函数，拟合函数的方程为Y＝((b/2+w/2)/(exp(1)-1)*(exp(sin^m(x*2*pi/L0))-1)+n*(x*(b/2+w/2)/L0))/(n+1)，其中b为波导的窄边宽度，w为50欧姆微带线导带宽度，L0为渐变线的长度，m为正弦的幂系数，n决定直线函数的斜率。