CN105281003B - 基于圆极化模的径向波导功率分配器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于毫米波频率高端的波导多路功率分配器。该径向波导功率分配器，包括一个矩形波导输入端口、一个矩形波导匹配端口以及一个圆波导输出端口，矩形波导中的TE10模经模式转换器在圆波导内合成为一个圆极化的TE11模，从而实现圆波导内电磁场分布的时间对称性，经多路功率分配器实现圆波导内圆极化TE11模到n个矩形波导TE10模的模式转换和能量分配，每个输出端口的信号幅度相等，相位依次滞后360°/n。该发明避开了使用同轴线的TEM模、圆波导的TE01模等具有空间对称性的传播模式，且TE11模为圆波导的主模，在功率分配结构设计时可以不考虑高次模的传播效应，模式更纯，功分器的损耗更小，带宽更宽，尤其适用于毫米波频率高端。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波功率合成技术领域，具体涉及一种基于圆极化模的径向波导功率分配器。
背景技术
毫米波具有宽频带、高精度、高分辨率和大信息容量等优点，在军事雷达系统、射电天文学和太空以及短距离无线高速传输等领域有着巨大的应用价值和市场前景。毫米波功率放大器是毫米波系统的核心部件，是毫米波领域的研究热点。随着三五族半导体技术的成熟，单个固态功率放大器MMIC的输出能力不断提升，采用组合多个相干放大器的功率合成技术可以将放大器的功率输出能力成倍提升，从而达到取代中小型行波管的目的。
对于多功率合成技术而言，最为重要的是实现多路、宽带、低损耗的功率分配器，将一路信号分为若干路分别放大后，再将功率分配器用作功率合成器完成多路信号的合成，最终系统的输出功率等于每个固态器件输出功率之和，从而实现输出功率的倍增。
美国QuinStar公司的James Schellenberg等人研制了一种工作于W-Band的多路合成式功率放大器模块[“W-Band,5W Solid-State Power Amplifier/Combiner”，作者：James Schellenberg,Edward Watkins,Miroslav Micovic,Bumjin Kim,and Kyu Han；International Microwave Symposium Digest.IEEE,2010,240-243.]，该W波段多路功率合成放大器的核心电路是一个基于TEM模的同轴径向功率分配器，先将矩形波导过渡为同轴线，实现TE10到TEM模式的转换，在利用同轴线TEM模激励径向功率分配器，每个输出端口可以获得等幅同相的信号，经固态器件放大后，再合为一路，非常适用于毫米波频段的多路功率合成与分配电路中，但缺点是随着工作频率的升高，同轴线的尺寸非常小，需要非常严苛的加工和装配要求，制造难度非常大且成本高昂。
由于工作于主模的圆波导尺寸比同轴线要大很多，本发明采用圆波导取代同轴线结构解决了径向功率分配器中同轴线在高端频率的加工和制作困难问题，降低了电路对加工和装配的精度与难度，本发明尤其适用于毫米波高端频率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够适用于毫米波频率高端的波导多路功率分配器，利用模式转换器在圆波导中激励起圆极化TE11模。圆极化TE11模为时间对称模而非空间对称模，因此在各个分配端口可以得到幅度相等但相位依次滞后的信号。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该波导功率分配器，包括模式转换器和分配器。所述模式转换器包括一个矩形波导输入端口、一个矩形波导匹配端口以及一个圆波导输出端口，矩形波导中的TE10模经90°电桥分为两路幅度相等，相位相差90°的信号，这两路信号分别经过两个180°功分器得到幅度相等，相位依次滞后90°的四路信号，这四路信号经由四段电长度相等的空间扭波导实现两个振幅相等，相位相差90°的线极化TE11模，二者合成为一个圆极化的TE11模，从而实现圆波导内电磁场分布的时间对称性；所述分配器，包括一个圆波导输入口、匹配结构以及若干个(n≥2)矩形波导输出端口，实现圆极化TE11模到n个矩形波导TE10模的转换和功率分配。
进一步的是，所述模式转换器中的90°电桥为波导90°分支线电桥，使用时匹配端口需要接负载，分支线电桥的两个输出口分别通过波导弧形拐弯馈入到两个180°功分器。
进一步的是，所述180°功分器为波导180°T型波导功分器。
进一步的是，所述180°功分器后接四个波导空间扭波导。扭波导包含两种结构，其中一种为先在波导H面实现90°拐弯，然后在波导E面实现90°拐弯，另外一种为先在波导E面实现90°拐弯，然后在波导H面实现90°拐弯，两种结构虽然不同，但是具有相同的电长度，对四路信号产生相同相移，并且将四路信号的输出位置调整到圆波导激励口，用于激励圆极化TE11模。
进一步的是，所述径向功率分配器的输入信号为圆极化TE11模，分为n≥2路矩形波导的TE10模，每个输出端口的幅度相等，相位依次滞后360°/n。其中匹配结构由一个薄的大圆台和一个较小的锥型台组成。
本发明的有益效果：该径向波导功率分配器利用模式转换器实现输入矩形波导TE10模到圆波导主模TE11模的转换，但由于TE11模是线极化模，无法用于圆对称的径向功率分配器，该模式转换器巧妙地利用两个相位相差90°的线极化TE11模合成了一个圆极化的TE11模，实现圆波导内场结构关于圆心的时间对称性；场结构具有时间对称性的模式就能够用于径向功率分配器，得到n路信号的等幅功分。该发明避开了使用同轴线的TEM模、圆波导的TE01模等具有空间对称性的传播模式，其好处主要有三点：1、用模式的时间对称性取代空间对称性来进行径向功率分配，场结构即模式的选择更灵活；2、TE11模为圆波导的主模，在功率分配结构设计时可以不考虑高次模的传播效应，模式更纯，功分器的损耗更小，带宽更宽；3、采用圆波导结构而不是同轴线结构，电路的尺寸更大，降低了加工要求，该结构尤其适用于毫米波频率高端。
附图说明
图1是本发明基于圆极化模的径向波导功率分配器的结构示意图；
图2是本发明基于圆极化模的径向波导功率分配器中的模式转换器示意图；
图3是本发明基于圆极化模的径向波导功率分配器中的分配器示意图；
图4是本发明基于圆极化模的径向波导功率分配器的曲线图；
图5是本发明基于圆极化模的径向波导功率分配器应用于功率合成电路示意图；
图6是本发明基于圆极化模的径向波导功率分配器应用于功率合成电路的曲线图；
图7是本发明基于圆极化模的径向波导功率分配器中的模式转换器中圆波导激励端口部分局部放大示意图；
图8是本发明基于圆极化模的径向波导功率分配器中的模式转换器扭波导部分局部放大示意图；
图1中标记说明：输入端口101、匹配端口102、90°电桥2、180°功分器201和202、波导弯头301、302、303和304、模式转换器匹配601、圆波导602、功率分配端口P1，P2，…，Pn。图2中标记说明：圆波导的四个激励口位置501、502、503和504。图3中标记说明：分配器，其剖面显示了其匹配结构701，701包含薄台702和锥台703两部分。图4中标记说明：m1为每个输出口的耦合量，以n＝12为例，m1＝-10·log(n)＝-10.73dB，红线和紫线代表端口101和102的回波损耗。图5中标记说明：输入端口101、匹配端口102；输出端口103、负载端口104。图7中标记说明：圆波导的第一激励口501、第二激励口502、第三激励口503和第四激励口504。图8中标记说明：模式转换器波导弯头部分302和303，302包括波导H面90°阶梯拐弯801，波导E面90°阶梯拐弯802，波导H面90°圆弧转弯803；303包括波导E面90°圆弧转弯804，波导H面90°阶梯拐弯805，波导E面90°阶梯拐弯806。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
如图1所示，该径向波导功率分配器，包括图2所示的模式转换器和图3所示的分配器，通过圆波导602将模式转换器和分配器直接相连构成径向波导功率分配器，所述径向波导功率分配器输入端口为101，匹配端口为102，功率分配端口为P1，P2，…，Pn(n≥2)，输入端口101和匹配端口102可以互换。图2所示，该模式转换器，包括输入端口101、匹配端口102、90°波导分支线电桥2、两端S型拐弯波导203和204、两个180°波导T型功分器201和202、四个波导弯头301、302、303和304、圆波导602的激励端口501、502、503和504、模式转换器4完成从矩形波导输入端口101的TE10到圆波导602的圆极化TE11模的转换；如图3所示，该分配器，包括圆波导602、功率分配端口P1，P2，…，Pn(n≥2)、匹配结构701，所述匹配结构701，包含薄台结构702和锥台结构703。
在上述实施方式中，输入信号模式为TE10模，从矩形波导输入端口101输入，匹配端口102需加匹配负载，信号经过90°波导分支节电桥，后分为两路幅度相等相位相差90°的信号，两路信号分别通过S型弯波导203和204，仍然保持幅度相等相位相差90°，然后再分别经过两个180°T型功分器201和202，分为四路幅度相等的信号，再经过四个波导弯头301、302、303和304改变信号的传播方向，所述波导弯头301和303结构相同，先在波导H面实现90°拐弯，然后在波导E面实现90°拐弯；302和304结构相同，先在波导E面实现90°拐弯，然后在波导H面实现90°拐弯。四路信号经过301、302、303和304产生的附加相移相同，但相位依然保持依次滞后90°。若信号从匹配端口102输入，则四路信号的相位依次超前90°。
四个波导弯头301、302、303和304将信号导行至圆波导602的四个激励端口501、502、503和504处得到四个幅度相等的信号，它们的相位依次滞后90°。信号在激励端口501和503相位相差180°，通过匹配结构601可以在圆波导602内激励起线极化TE11模；信号在激励端口502和504相位也相差180°，通过匹配结构601也可以在圆波导602内激励起线极化TE11模。这两个线极化TE11模幅度相等，相位相差90°，二者合成右旋圆极化的TE11模。圆极化的TE11模，可以通过分配器分为若干路，其中匹配结构701可以使输入端口101的反射系数最小，所述匹配结构701包含薄台702和锥台703，分配器从而实现圆波导602内圆极化TE11模到矩形波导功率分配端口P1，P2，…，Pn处TE10模的功率等幅分配，各个功率分配端口的相位依次滞后360°/n。
所述径向波导功率分配器，当信号从匹配端口102输入，输入端口101接匹配负载时，圆波导602的四个激励端口501、502、503和504处得到四个幅度相等的信号，它们的相位依次超前90°，在圆波导602内得到左旋圆极化TE11模，功率分配端口P1，P2，…，Pn处TE10模的功率等幅分配，各个输出端口的相位依次超前360°/n。
所述径向波导功率分配器，可当作功率合成器使用，当在功率分配端口P1，P2，…，Pn输入等幅、相位依次滞后360°/n的信号时，径向功率分配器的输入端口101就作为输出端口得到n路信号的合成，匹配端口102需接匹配负载；当在功率分配端口P1，P2，…，Pn输入幅度相等、相位依次超前360°/n的信号时，径向功率分配器的匹配端口102就作为输出端口得到n路信号的合成，输入端口101应接匹配负载。
另外，将一对径向波导功率分配器的输出口对接，可以实现信号能量的分配与合成，可以广泛用于微波毫米波功率合成放大器中。
实施例
在该实施例中，如图1所示结构，基于圆极化模的径向波导功率分配器工作于W频段，工作频率88～100GHz，输入端口101、匹配端口102、功率分配端口P1，P2，…，Pn为BJ100标准矩形波导，尺寸2.54mm×1.27mm，圆波导602的直径为2.39mm。信号由输入端口101输入，经过模式转换器转换为圆波导602内的右旋圆极化TE11模，再经分配器等幅分配到功率分配端口P1，P2，…，Pn，此实例中，n＝12，每个功率分配端口的耦合量为-10·log(n)＝-10.73dB，从功率分配端口P1，P2，…，P12，相位依次滞后360°/n＝30°。各端口关于圆波导602中心对称，具有良好的幅相平衡型，各端口的S参数如图4所示，输入端口和匹配端的回波损耗小于-20dB，各功率分配端口的插入损耗几乎相等，均在10.73dB左右。
将一对径向波导功率分配器的输出口对接就可以用于功率合成放大器中。如图5所示，将输出端口用微带探针耦合到微带线上，接入放大器将分配出来的信号放大后，再微带探针耦合到合成器的各输入端，就能实现信号功率合成，其S参数如图6所示，在88-100GHz范围内，端口回波损耗小于-20dB，插入损耗小于0.5dB。该发明在毫米波，尤其是毫米波频率高端的功率合成电路中具有极大的应用价值。
Claims (6)
1.基于圆极化模的径向功率分配器，径向波导功率分配器包括矩形波导输入端口(101)和匹配端口(102)以及多个功率分配端口(P1，P2，···，Pn)，所述功率分配器通过一个90°电桥(2)分为两路幅度相等、相位相差90°的信号，这两路信号分别经过第一个180°功分器(201)和第二个180°功分器(202)后，又分为四路幅度相等的信号，再经过四个波导弯头，可以在模式转换器的第一激励端口(501)、第二激励端口(502)、第三激励端口(503)和第四激励端口(504)处得到四个幅度相等的信号，它们的相位依次滞后90°；第一激励端口(501)和第三激励端口(503)相位相差180°，通过匹配结构(601)可以在圆波导(602)内激励起线极化TE11模；第二激励端口(502)和第四激励端口(504)相位也相差180°，通过匹配结构(601)也可以在圆波导(602)内激励起线极化TE11模；两个线极化TE11模幅度相等，相位相差90°，二者合成右旋圆极化的TE11模，如果输入端口(101)和匹配端口(102)互换，则得到左旋圆极化TE11模；圆极化的TE11模，可以通过分配器分为若干路，其中匹配结构(701)可以使输入端口(101)的反射系数最小，从而实现输入端口(101)到功率分配端口(P1，P2，···，Pn)的功率等幅分配，各功率分配端口的相位依次滞后360°/n(n为功率分配端口数量，n≥2)；当功率分配端口(P1，P2，···，Pn)作为输入端口输入等幅、相位依次滞后360°/n的信号时，径向功率分配器的输入端口(101)就作为输出端口得到n路信号的合成，此时匹配端口(102)为匹配端口；当功率分配端口(P1，P2，···，Pn)作为输入端口输入等幅、相位依次超前360°/n的信号时，径向功率分配器的匹配端口(102)就作为输出端口得到n路信号的合成，此时输入端口(101)为匹配端口。
2.如权利要求1所述的基于圆极化模的径向功率分配器，其特征在于：所述90°电桥(2)为波导90°分支线电桥。
3.如权利要求1所述的基于圆极化模的径向功率分配器，其特征在于：所述第一个180°功分器(201)和第二个180°功分器(202)为波导180°T型功分器。
4.如权利要求1所述的基于圆极化模的径向功率分配器，其特征在于：所述四个波导弯头分别为第一波导弯头(301)、第二波导弯头(302)、第三波导弯头(303)和第四波导弯头(304)，其中第一波导弯头(301)和第三波导弯头(303)结构相同，先经过波导E面90°圆弧转弯(804)，再经过第二波导H面90°阶梯拐弯(805)，最后经过第二波导E面90°阶梯拐弯(806)；第二波导弯头(302)和第四波导弯头(304)结构相同，先经过第一波导H面90°阶梯拐弯(801)，然后经过第一波导E面90°阶梯拐弯(802)，最后经过波导H面90°圆弧转弯(803)，此外第一波导H面90°阶梯拐弯(801)和第二波导H面90°阶梯拐弯(805)完全相同，第一波导E面90°阶梯拐弯(802)和第二波导E面90°阶梯拐弯(806)完全相同；且四路信号经过这四个波导弯头产生的附加相移相同，但相位依然保持依次超前或滞后90°。
5.如权利要求1所述的基于圆极化模的径向功率分配器，其特征在于：径向分配器中的匹配结构(701)由一个薄的大圆台(702)和一个较小的锥型台(703)组成，分配路数n≥2。
6.如权利要求1所述的基于圆极化模的径向功率分配器，用于功率合成电路时，其特征在于：信号从输入端口(101)输入，匹配端口(102)接匹配，输出端口用探针结构过渡到微带线，经n路放大器放大后，再将本径向功率分配器当作功率合成器使用，从输出端口(103)得到合成信号，负载端口(104)接匹配负载；当输入端口(101)与匹配端口(102)互换时，输出端口(103)与负载端口(104)也应互换。
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