CN105281001A - 一种高功率微波的功率分配器 - Google Patents

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黄文华
朱旗
孟儒
李佳伟
梁铁柱
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Abstract

本发明属于高功率微波技术领域，公开了一种高功率微波功率分配器。本发明高功率微波功率分配器包括圆-矩过渡波导(1)、扇形波导(2)、调相段波导(3)和输出多路矩波导(4)；圆-矩过渡波导(1)、扇形波导(2)、调相段波导(3)及输出多路矩波导(4)依次相连，所述的调相段波导(3)与输出多路矩波导(4)个数与微波功率分配器分配的路数相同；所述的调相段波导(3)包括两个截面为矩形的波导，两个截面为矩形的波导通过指数渐变段(5)相连，第一矩形波导(6)的宽边大于第二矩形(7)的宽边。采用本发明实现了高功率微波多路等幅同相的功率分配，且功率容量高，结构简单紧凑。

Description

一种高功率微波的功率分配器
技术领域
本发明属于高功率微波技术领域，尤其涉及一种高功率微波功率分配器。
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1.00MW或平均功率大于1MW的电磁辐射。高功率微波存在或者潜在的应用如下：1)作为武器攻击电子系统；2)雷达和能量传送等。随着高功率微波技术的快速发展，阵列化的传输发射技术是急需突破的技术难题。
高功率容量的多路功率分配器把注入的微波功率按照等幅、同相的要求馈入到阵列中的各个辐射单元中，是微波阵列技术的关键器件。但现阶段大部分功率分配器无法承受高功率微波源产生的GW级功率。而少数有较高功率容量的功率分配器由于分配路数少、结构庞大或输出端口不共面等问题使其难以在实际的高功率微波阵列发射中应用。最常见的具有较高功率容量的功率分配器是插片的矩波导T型接头，见图1。TE10模式微波从端口1注入，均匀的分配到端口2、端口3中。这种分配方式若要实现多路(大于40路)的微波输出需要以1分2、2分4、4分8……这种方式级联，结构笨重、微波损耗较大；而另一种具有较高功率容量的功率分配器是利用磁耦合在圆波导周向加载矩形波导实现功率分配，如图2所示。微波从端口1注入，均匀的分配到周向分布的矩波导端口2、端口3、端口4、端口5中，但是固定频段的圆波导周向尺寸有限，限制了微波分配路数，10路以上的微波输出是难以实现的，并且输出的微波端口沿周向排布，给馈入共面阵列单元带来较大的困难。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是：提供一种微波功率分配器，把注入的高功率微波实现多路等幅同相的功率分配。
为解决上述技术问题：本发明提出了一种高功率微波功率分配器，包括圆-矩过渡波导、扇形波导、调相段波导和输出多路矩波导。圆-矩过渡波导、扇形波导、调相段波导及输出多路矩波导依次相连，所述的调相段波导与输出多路矩波导个数与微波功率分配器分配的路数相同；所述的调相段波导包括两个截面为矩形的波导，两个截面为矩形的波导通过指数渐变段相连，靠近微波输入的矩形波导为第一矩形波导，靠近微波输出的矩形波导为第二矩形波导，第一矩形波导的宽边大于第二矩形的宽边。
进一步，各个路数调相段波导第一矩形波导长度与第二矩形波导长度的确定如下：
(1)、获取各个路数端口的相位补偿值
将给定的微波频率与高功率微波功率分配器的尺寸、输入圆波导半径、圆-矩过渡波导长度、矩形波导尺寸、扇形波导张角、扇形波导半径、功率分配的路数、输出矩形波导宽边与窄边的尺寸及各路调相段的长度尺寸输入到电磁场仿真软件，建立本发明高功率微波功率分配器的初始几何模型，高功率微波功率分配器的初始几何模型建立后通过电磁场仿真软件即可获得各个路数端口的相位差。
(2)、确定各个路数调相段第一矩形波导长度与第二矩形波导长度
Δφ＝[βL1+β′(L-L1)]-[βL2+β′(L-L2)]
＝(β-β′)ΔL
其中，Δφ为两段调相段波导之间的相位差，β是与调相段第一矩形波导宽边对应的矩形波导的纵向传播常数，β′是调相段第二矩形波导宽边对应的矩形波导的纵向传播常数，L为调相段波导的长度，L1为一段调相段第一矩形波导段的长度，L2为已知的调相段第二矩形波导段长度，ΔL为L1与L2的差值，a1为调相段第一矩形波导宽边，a2为调相段第一矩形波导宽边，k0为微波在自由空间中的传播常数，以离扇形波导中心轴最近的矩形波导为基准，与该处扇形波导相连的调相段第一矩形波导长度与第二矩形波导长度是给定的；
重复上述计算过程，即可确定各个路数调相段第一矩形波导长度与第二矩形波导长度。
本发明技术有益效果
1、本发明利用扇形波导等幅度输出与调相段补偿相位的方式，实现了高功率微波多路等幅同相的功率分配。
2、本发明在结构上采用扇形波导与调相段结合的方式，直接输入圆波导TE11模，则功率容量高，结构简单紧凑。
附图说明
图1为基于矩形波导1分2功率分配器；
图2为基于圆波导周向加载矩形波导的功率分配器；
图3为本发明的功率分配器示意图(48路为例)；
图4本发明的功率分配器剖面示意图；
图5为根据两段调相段确定其中一段调相段第一与第二矩形波导端长度示意图；
图6为本实施例中的功率分配器的切面电场分布图(48路为例)；
图7为本实施例中的功率分配器的S参数的幅度曲线(48路为例)；
图8为本实施例中的功率分配器的S参数的相位曲线(48路为例)；
图9为本实施例中的功率分配器在注入功率2GW下金属壁电场分布图(48路为例)；
图10为本发明调相段波导示意图。
具体实施方式
如图3、图4所示，本发明的高功率微波功率分配器包括圆-矩过渡波导1、扇形波导2、调相段波导3和输出多路矩波导4。圆-矩过渡波导1、扇形波导2、调相段波导3及输出多路矩波导4依次相连，高功率微波依次通过圆-矩过渡波导1、扇形波导2、调相段波导3，最后通过输出多路矩波导4输出，所述的调相段波导3与输出多路矩波导4个数与微波功率分配器分配的路数相同；如图10所示，所述的调相段波导3包括两个截面为矩形的波导，两个截面为矩形的波导通过指数渐变段5相连，靠近微波输入的矩形波导为第一矩形波导6，靠近微波输出的矩形波导为第二矩形波导7，第一矩形波导6的宽边a1大于第二矩形7的宽边a2。
圆-矩过渡波导1把输入的圆波导TE11模式转换为矩形波导的TE10模式。矩形波导的TE10模式输入扇形波导2后，矩形波导的TE10模式转换为具有幅度分布相等，等相位面成一扇面的矩形波导的TE10模式。由于矩形波导的TE10模式输入到扇形波导后，矩形波导虽然具有幅度分布相等的特性，但等相位面变成一扇面，存在中央端口比边缘端口相位超前的问题，所以需要对经过扇形波导2的矩形波导进行相位补偿。通过对调相段波导3第一矩形波导6长度与第二矩形波导7长度的确定，对经过扇形波导的矩形波导进行相位补偿。
如图5所示，各个路数调相段波导3第一矩形波导6长度与第二矩形波导7长度的确定如下：
1、获取各个路数端口的相位补偿值
将给定的微波频率与本发明高功率微波功率分配器的尺寸、输入圆波导半径、圆-矩过渡波导长度、矩形波导尺寸、扇形波导张角、扇形波导半径、功率分配的路数、输出矩形波导宽边与窄边的尺寸及各路调相段的长度尺寸输入到电磁场仿真软件，建立本发明高功率微波功率分配器的初始几何模型，高功率微波功率分配器的初始几何模型建立后通过电磁场仿真软件即可获得各个路数端口的相位差。电磁场仿真软件是公知的，比如HFSS电磁场仿真软件。
2、确定各个路数调相段第一矩形波导长度与第二矩形波导长度
Δφ＝[βL1+β′(L-L1)]-[βL2+β′(L-L2)]
＝(β-β′)ΔL
其中，Δφ为两段调相段波导之间的相位差，β是与调相段第一矩形波导宽边对应的矩形波导的纵向传播常数，β′是调相段第二矩形波导宽边对应的矩形波导的纵向传播常数，L为调相段波导的长度，L1为一段调相段第一矩形波导段的长度，L2为已知一段调相段第二矩形波导段长度，ΔL为L1与L2的差值，a1为调相段第一矩形波导宽边，a2为调相段第一矩形波导宽边，k0为微波在自由空间中的传播常数。以离扇形波导中心轴最近的矩形波导为基准，与该处扇形波导相连的调相段第一矩形波导长度与第二矩形波导长度是给定的，如图5所示。
重复上述计算过程，即可确定各个路数调相段第一矩形波导长度与第二矩形波导长度。
举例说明：
以48路本发明的高功率微波功率分配器为例。扇形波导与调相段结合的48路高功率微波功率分配器的场分布如图6所示，从图6中直观看到，在48个输出端口微波具有等幅同相的输出，在2GW的注入功率下，最大电场强度为561kV/cm，可以满足GW级的功率容量要求。其中功率分配器总长度L＝510mm，宽度W＝800mm，输入圆波导半径r＝24.75mm，圆-矩过渡波导长度为l＝70mm，矩形波导尺寸a＝45mm，b＝24mm，扇形波导张角90°，半径171mm，输出48单元的矩形波导尺寸为23mm×15mm，48路输出的高功率微波功率分配器1端口到24端口与48端口到25端口的调相段尺寸Lt分别为45mm、85mm、120mm、153mm、45mm、77mm、110mm、139mm、168mm、55mm、81mm、106mm、130mm、153mm、174mm、50mm、67mm、83mm、96mm、108mm、118mm、124mm、128mm、130mm。仿真结果表明：本发明的高功率微波功率分配器在工作频率9.3GHz处反射系数S11为-21dB，各输出端口Sn1最大相差0.8dB，传输系数相位基本相等，最大相位差为9°，如图7、图8所示。在2GW输入功率下，结构的最大场强为68.4MV/m，如图9，满足GW级HPM应用的功率容量要求。

Claims (2)

1.一种高功率微波功率分配器，其特征在于：包括圆-矩过渡波导(1)、扇形波导(2)、调相段波导(3)和输出多路矩波导(4)；圆-矩过渡波导(1)、扇形波导(2)、调相段波导(3)及输出多路矩波导(4)依次相连，所述的调相段波导(3)与输出多路矩波导(4)个数与微波功率分配器分配的路数相同；所述的调相段波导(3)包括两个截面为矩形的波导，两个截面为矩形的波导通过指数渐变段(5)相连，靠近微波输入的矩形波导为第一矩形波导(6)，靠近微波输出的矩形波导为第二矩形波导(7)，第一矩形波导(6)的宽边大于第二矩形(7)的宽边。
2.根据权利要求1所述的高功率微波功率分配器，其特征在于：各个路数调相段波导第一矩形波导长度与第二矩形波导长度的确定如下：
(1)、获取各个路数端口的相位补偿值
将给定的微波频率与高功率微波功率分配器的尺寸、输入圆波导半径、圆-矩过渡波导长度、矩形波导尺寸、扇形波导张角、扇形波导半径、功率分配的路数、输出矩形波导宽边与窄边的尺寸及各路调相段的长度尺寸输入到电磁场仿真软件，建立本发明高功率微波功率分配器的初始几何模型，高功率微波功率分配器的初始几何模型建立后，通过电磁场仿真软件即可获得各个路数端口的相位差；
(2)、确定各个路数调相段第一矩形波导长度与第二矩形波导长度
Δφ＝[βL1+β′(L-L1)]-[βL2+β′(L-L2)]
＝(β-β′)ΔL
其中，Δφ为两段调相段波导之间的相位差，β是与调相段第一矩形波导宽边对应的矩形波导的纵向传播常数，β′是调相段第二矩形波导宽边对应的矩形波导的纵向传播常数，L为调相段波导的长度，L1为一段调相段第一矩形波导段的长度，L2为已知一段调相段第二矩形波导段长度，ΔL为L1与L2的差值，a1为调相段第一矩形波导宽边，a2为调相段第一矩形波导宽边，k0为微波在自由空间中的传播常数，以离扇形波导中心轴最近的矩形波导为基准，与该处扇形波导相连的调相段第一矩形波导长度与第二矩形波导长度是给定的；
重复上述计算过程，即确定各个路数调相段第一矩形波导长度与第二矩形波导长度。
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