CN105304998A - 一种新型宽带径向曲线渐变脊空间功率分配/合成器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种新型宽带径向曲线渐变脊空间功率分配/合成器，包括：同轴曲线阻抗变换结构、N路阻抗曲线渐变径向脊阵列与矩形波导阵列；每一路阻抗曲线渐变径向脊由曲线阻抗渐变结构与渐变矩形同轴内导体组成；矩形内导体与标准同轴内导体相连，在非标矩形波导内实现信号的传递；电磁信号由标准同轴输入，由曲线渐变同轴进入到扩展波导圆盘，然后利用径向曲线渐变脊阵列与同轴转换结构直接将信号等幅同相分配到N路同轴内，分配后的信号经由标准同轴输出，实现N路信号的分配与合成。本发明的功率分配/合成器工作频带宽，输出功率大，功率损耗低，具有高度的幅相一致性，功率分配/合成路数多，结构紧凑，便于应用。

Description

一种新型宽带径向曲线渐变脊空间功率分配/合成器

技术领域

本发明涉及微波毫米波技术领域，特别涉及一种功率分配/合成器。

背景技术

随着微波毫米波技术在雷达、制导及卫星通信等领域的广泛应用，对微波毫米波信号源的带宽、增益及输出功率等指标都提出了越来越高的要求。微波毫米波固态功放芯片具有尺寸小、重量轻、可靠性高及电路结构紧凑等优点，成为毫米波雷达、制导及通信、测试等系统的一个重要组成部分。

但由于目前单个固态器件的输出功率受自身半导体物理特性的影响以及散热、加工工艺、阻抗匹配等问题的限制而远远达不到实际工程中要求的功率输出，无法满足微波毫米波大功率通信系统的要求。因此，在单个器件输出功率有限的情况下，采用多个固态器件的功率合成技术是提高系统输出功率的一种有效方法。

但是，国内外高效率的功率分配合成技术一直是急需攻克的技术难题，其所遇到的普遍问题是如何进一步有效地提高功率分配/合成效率、降低损耗、增大工作带宽及提高功率容量等。

目前，功率分配与合成技术方案主要分为两种：平面功率分配/合成技术与空间功率分配/合成技术。

图1所示为一种传统的平面微带威尔金森功率分配/合成器，其一般适用于微波低频频段，这种微带功率分配/合成器的合成路数少、插入损耗大，受隔离电阻与介质材料等因素影响其功率容量较低，不能有效的散热，具有很多的局限性。

图2所示为一种常用的基于波导的功率分配/合成器，输入信号由标准同轴1-1进入，标准同轴1传递的信号进过渐变圆盘1-2进入下方的圆盘，该圆盘由标准矩形波导1-3组成，然后经过微带探针1-4等功分为12路。该技术方案，可以将输入信号等幅同相位的进行分配与合成，但是受限于波导尺寸，很难将该方案应用到微波低频频段，无法在微波频段实现多路信号的功率分配与合成。另外，波导与波导分岔处容易激起高次模，恶化输入端口的回波反射，从而大大影响了其插入损耗与功率合成的效率。因此，如图2所示的技术方案同样具有一定的局限性。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明提出一种新型宽带径向曲线渐变脊空间功率分配/合成器。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种新型宽带径向曲线渐变脊空间功率分配/合成器，包括：同轴曲线阻抗变换结构、N路阻抗曲线渐变径向脊阵列与矩形波导阵列；

每一路阻抗曲线渐变径向脊由曲线阻抗渐变结构与渐变矩形同轴内导体组成；

矩形内导体与标准同轴内导体相连，在非标矩形波导内实现信号的传递；

电磁信号由标准同轴输入，由曲线渐变同轴进入到扩展波导圆盘，然后利用径向曲线渐变脊阵列与同轴转换结构直接将信号等幅同相分配到N路同轴内，分配后的信号经由标准同轴输出，实现N路信号的分配与合成。

可选地，作为功率合成器时，由两个相同的宽带径向曲线渐变脊空间功率分配/合成器与N路增益放大单元组成，宽带径向曲线渐变脊空间功率分配/合成器中一个作为功率分配器，另一个作为功率合成器。

可选地，上述的新型宽带径向曲线渐变脊空间功率分配/合成器，包括：标准同轴输入端口、曲线宽带匹配同轴、宽展波导圆盘、径向曲线渐变脊、同轴与台阶转换矩形体、矩形内导体、圆柱形内导体、标准同轴、非标矩形波导；

工作时，电磁波信号首先由标准同轴进入，经由曲线宽带匹配同轴向下继续传输；曲线宽带匹配同轴与扩展波导圆盘相匹配，将电磁信号传输到扩展波导圆盘内，由扩展波导圆盘进入每一路分支进行功率分配；待分配的电磁波信号首先经过径向曲线渐变脊，输入端的电磁信号传输到同轴与台阶转换矩形体，通过同轴与台阶转换矩形体与矩形内导体完成电磁信号到同轴内导体的过渡；经由矩形内导体传递的信号通过圆柱形内导体与标准同轴进行阻抗匹配输出，完成输入信号的N路等幅同相分配；在非标矩形波导内利用波导同轴与曲线渐变脊转换结构，直接将径向波导圆盘内的信号分配同轴中；分配后的各路信号分别经过外部的增益放大电路分别进行放大，再由与分配结构相同的合成结构进行功率合成，合成后的信号由标准同轴输出，进而完成功率分配与合成。

可选地，所述曲线宽带匹配同轴内外导体的坐标(x，z)遵循以下方程：

${\left(\frac{x}{j}\right)}^m+{\left(\frac{z}{p}\right)}^n=1---\left(1\right)$

其中，j和p分别为同轴渐变结构的高度与宽度，m与n均为大于1的正整数。

可选地，所述径向曲线渐变脊的结构曲线(x，y)坐标遵循以下方程：

$y=k*e^{\left(\frac{\ln (b/a)}{d-c}\right)*x}---\left(2\right)$

其中，1＞k＞0，a与b分别为曲线起点y轴方向的高度，c与d分别为曲线起点与终点X轴方向距圆心的距离。

本发明的有益效果是：

(1)工作频带宽：通过改变径向非标准矩形波导、径向曲线渐变脊与同轴匹配结构的尺寸，避免了常规矩形波导受波导尺寸的限制，可工作在微波毫米波低频到高频各个频段，实现宽带频率覆盖；

(2)输出功率大：由于采用了径向非标波导与径向曲线渐变脊相结合的同轴功率分配/合成方案，功率的分配与合成都在空间中完成，因此，该结构具有较大的功率容量，可根据不同的频段要求和具体的功率器件，达到不同的输出功率；

(3)功率损耗低：由于功率分配和合成过程均在低损耗的径向波导内完成，因此，大大降低了微波毫米波能量的传输损耗；

(4)具有高度的幅相一致性：由于该结构在能量的分配段及合成段均采用了轴对称结构，从而有效避免了幅相不一致性带来的能量损耗，大大提高了功率合成的效率；

(5)功率分配/合成路数多：该分配合成结构采用了轴向对称结构，调节波导和轴向曲线渐变脊尺寸，灵活确定合成路数，合成路数的提高有效地增大了系统的输出功率能力；

(6)结构紧凑，便于应用：采用同轴连接器作为输入输出接口，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。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的平面微带威尔金森功率分配/合成器的结构图示意图；

图2为现有的基于标准矩形波导的功率分配/合成器的结构示意图；

图3为本发明新型宽带径向曲线渐变脊空间功率分配/合成器一个实施例的结构示意图；

图4为本发明功率分配/合成器的同轴过渡结构剖视图；

图5为本发明功率分配/合成器的径向渐变脊组成的支路结构剖视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

传统的平面电路功率分配合成技术方案在结构实现上较为简单，但是降低损耗、增加合成路数、提高功率容量与有效散热问题都很难解决，因而合成效率和承受功率并不理想。基于径向波导的空间的功率分配与合成技术可以有效地防止辐射损耗，具有损耗低、幅相一致性高及功率容量大等优点，但是受限于波导与结构整体尺寸，很难将该方案应用到微波低频频段，无法在微波频段实现多路信号的功率分配与合成。另外，波导与波导分岔处容易激起高次模，恶化输入端口的回波反射，从而大大影响了其插入损耗与功率合成的效率。

由于现在的功率分配/合成方案具有一定的局限性，为了解决以上问题，进一步提高功率分配与合成效率、降低损耗、增大工作带宽及提高功率容量等，本发明提出了一种新型宽带径向曲线渐变脊空间功率分配/合成器，该功率分配/合成器适用于微波毫米波各频段内的功率分配与合成，可以根据不同分配与合成路数要求灵活设计，路数一般为2路至64路之间。该功率分配/合成器采用了具有低损耗、宽频带特性的宽带径向曲线渐变脊同轴功率分配合成结构，整体结构主要由同轴曲线阻抗变换结构、N路具有高幅相一致性和高功率分配合成效率的阻抗曲线渐变径向脊阵列与矩形波导阵列构成，每一路阻抗曲线渐变径向脊由新型曲线阻抗渐变结构与渐变矩形同轴内导体组成，矩形内导体与标准同轴内导体相连，在非标矩形波导内实现了信号的传递，将同轴曲线阻抗渐变结构内传递的信号等幅同相功分为N路，分配后的信号经由标准同轴输出，进而实现N路信号的分配与合成。

本发明提出的功率分配/合成器具有功率容量大、传输损耗小、散热性能好、合成效率高与尺寸小等优点，为微波毫米波内的多路大功率分配与合成提供了解决方案，提高了系统的功率输出能力，有效解决由于单个固态器件的输出功率能力有限，无法满足微波毫米波大功率通信系统的功率要求问题。

下面结合附图对本发明的新型宽带径向曲线渐变脊空间功率分配/合成器进行详细说明。

在微波毫米波频段内，所有的功率分配/合成技术首先必须解决的关键技术就是提高所有支路的幅相一致性、降低信号通路的插入损耗、提高散热效率与增宽工作频率等问题。

本发明提出的一种新型宽带径向曲线渐变脊空间功率分配/合成器具有轴向对称结构，功率的分配与合成均在空间内完成，恰好满足上述要求。

图3所示为一种20路新型宽带径向曲线渐变脊空间功率分配/合成器的实施例，包括：标准同轴输入端口2-1、曲线宽带匹配同轴2-2、宽展波导圆盘2-3、径向曲线渐变脊2-4、同轴与台阶转换矩形体2-5、矩形内导体2-6、圆柱形内导体2-7、标准同轴2-8、非标矩形波导2-9。

采用该技术方案作为功率合成器时，主要由两个相同的宽带径向曲线渐变脊空间功率分配/合成器与N路增益放大单元组成，宽带径向曲线渐变脊空间功率分配/合成器中一个作为功率分配器，另一个作为功率合成器，采用相同的结构可以保证各支路幅度与相位的一致性，可以高效地进行功率的分配与合成。

工作时，电磁波信号首先由标准同轴2-1进入，经由曲线宽带匹配同轴2-2向下继续传输，该曲线渐变结构具有宽频带工作特性，利用曲线渐变形式实现了同轴向扩展波导圆盘的过渡，曲线过渡结构具有工作频带宽、插入损耗低的优点，有效地拓宽了整个功率分配/合成结构的工作带宽，通过调节过渡结构的尺寸灵活适应不同的工作带宽。

曲线宽带匹配同轴2-2与扩展波导圆盘2-3相匹配，将电磁信号高效的传输到扩展波导圆盘2-3内，由扩展波导圆盘2-3进入每一路分支进行功率分配。

待分配的电磁波信号首先经过径向曲线渐变脊2-4，径向曲线渐变脊2-4的引入可避免电磁波信号在进行分配的过程中产生高次模，可以提高输入端口的回波损耗，因此输入端的电磁信号可以高效的传输到同轴与台阶转换矩形体2-5，通过同轴与台阶转换矩形体2-5与矩形内导体2-6完成电磁信号到同轴内导体的过渡。

经由矩形内导体2-6传递的信号通过圆柱形内导体2-7与标准同轴2-8进行阻抗匹配输出，完成输入信号的N路等幅同相分配，利用该结构功分出的各个支路信号具有较高的幅度和相位一致性。其中，标准同轴2-8的内导体在非标波导2-9的长度对阻抗匹配起着至关重要的作用。

在非标矩形波导内利用波导同轴与曲线渐变脊转换结构，直接将径向波导圆盘内的信号分配同轴中，克服了矩形波导尺寸受截止频率限制的技术难题，增大了输出功率能力。

分配后的各路信号分别经过外部的增益放大电路分别进行放大，再由与分配结构相同的合成结构进行功率合成，合成后的信号由标准同轴2-1输出，进而完成功率合成器的功率分配与合成设计。

本发明的径向曲线渐变脊空间功率分配/合成器，电磁信号由标准同轴输入，由曲线渐变同轴进入到扩展波导圆盘，然后利用径向曲线渐变脊阵列与同轴转换结构直接将信号等幅同相分配到N路同轴内，整体方案具有功率损耗低、工作频带宽与幅相一致性好等优点。

图4、图5所示结构分别为同轴过渡结构剖视图与由径向曲线渐变脊组成的支路结构剖视图，其中曲线宽带匹配同轴内外导体的坐标(x，z)遵循以下方程：

${\left(\frac{x}{j}\right)}^m+{\left(\frac{z}{p}\right)}^n=1---\left(1\right)$

其中，j和p分别为同轴渐变结构的高度与宽度，m与n均为大于1的正整数。

径向曲线渐变脊的结构曲线(x，y)坐标遵循以下方程：

$y=k*e^{\left(\frac{\ln (b/a)}{d-c}\right)*x}---\left(2\right)$

其中，1＞k＞0，a与b分别为曲线起点y轴方向的高度，c与d分别为曲线起点与终点X轴方向距圆心的距离。

通过合理设计曲线宽带匹配同轴2-2、径向曲线渐变脊2-4、圆柱形内导体2-7及非标波导2-9等匹配结构的尺寸、标准同轴2-8内导体伸入非标波导2-9内的长度与优化各个曲线的方程参数，即可在微波及毫米波不同频段内实现多路宽带功率信号的分配与合成。

本发明所提出的功率分配/合成器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，有效提高了合成效率；除此之外，这种扩展波导由于采用了轴对称的径向辐射状结构，因此，使得各支路的幅度相位一致性与散热效率大大提高。

本发明提出的技术方案，可以根据不同分配与合成路数要求灵活设计，可以为4路、8路、16路直至更多的64路信号的分配与合成。因此，本发明同时解决了功率分配/合成器的宽工作频带和大功率容量的技术难点，为微波毫米波内的多路大功率分配与合成提供了解决方案，提高了系统的功率输出能力，有效解决由于单个固态器件的输出功率能力有限，无法满足微波毫米波大功率通信系统的功率要求问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (5)

1.一种新型宽带径向曲线渐变脊空间功率分配/合成器，其特征在于，包括：同轴曲线阻抗变换结构、N路阻抗曲线渐变径向脊阵列与矩形波导阵列；

每一路阻抗曲线渐变径向脊由曲线阻抗渐变结构与渐变矩形同轴内导体组成；

矩形内导体与标准同轴内导体相连，在非标矩形波导内实现信号的传递；

电磁信号由标准同轴输入，由曲线渐变同轴进入到扩展波导圆盘，然后利用径向曲线渐变脊阵列与同轴转换结构直接将信号等幅同相分配到N路同轴内，分配后的信号经由标准同轴输出，实现N路信号的分配与合成。

2.如权利要求1所述的新型宽带径向曲线渐变脊空间功率分配/合成器，其特征在于，作为功率合成器时，由两个相同的宽带径向曲线渐变脊空间功率分配/合成器与N路增益放大单元组成，宽带径向曲线渐变脊空间功率分配/合成器中一个作为功率分配器，另一个作为功率合成器。

3.如权利要求1所述的新型宽带径向曲线渐变脊空间功率分配/合成器，其特征在于，包括：标准同轴输入端口、曲线宽带匹配同轴、宽展波导圆盘、径向曲线渐变脊、同轴与台阶转换矩形体、矩形内导体、圆柱形内导体、标准同轴、非标矩形波导；

工作时，电磁波信号首先由标准同轴进入，经由曲线宽带匹配同轴向下继续传输；曲线宽带匹配同轴与扩展波导圆盘相匹配，将电磁信号传输到扩展波导圆盘内，由扩展波导圆盘进入每一路分支进行功率分配；待分配的电磁波信号首先经过径向曲线渐变脊，输入端的电磁信号传输到同轴与台阶转换矩形体，通过同轴与台阶转换矩形体与矩形内导体完成电磁信号到同轴内导体的过渡；经由矩形内导体传递的信号通过圆柱形内导体与标准同轴进行阻抗匹配输出，完成输入信号的N路等幅同相分配；在非标矩形波导内利用波导同轴与曲线渐变脊转换结构，直接将径向波导圆盘内的信号分配同轴中；分配后的各路信号分别经过外部的增益放大电路分别进行放大，再由与分配结构相同的合成结构进行功率合成，合成后的信号由标准同轴输出，进而完成功率分配与合成。

4.如权利要求3所述的新型宽带径向曲线渐变脊空间功率分配/合成器，其特征在于，所述曲线宽带匹配同轴内外导体的坐标(x，z)遵循以下方程：

${\left(\frac{x}{j}\right)}^m+{\left(\frac{z}{p}\right)}^n=1---\left(1\right)$

其中，j和p分别为同轴渐变结构的高度与宽度，m与n均为大于1的正整数。

5.如权利要求3所述的新型宽带径向曲线渐变脊空间功率分配/合成器，其特征在于，所述径向曲线渐变脊的结构曲线(x，y)坐标遵循以下方程：

$y=k*e^{\left(\frac{\ln (b/a)}{d-c}\right)*x}---\left(2\right)$

其中，1＞k＞0，a与b分别为曲线起点y轴方向的高度，c与d分别为曲线起点与终点X轴方向距圆心的距离。