CN105322265A - 基于扇形波导的功率分配/合成器 - Google Patents

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/合成器。该基于扇形波导的功率分配/合成器，包括一个矩形波导输入端口，一个模式激励器，一个180°扇形波导，一个匹配结构以及若干个(n≥2)矩形波导输出端口。矩形波导中的TE₁₀模通过模式转换器(矩形波导馈源或Y型波导馈源，当扇角小于90°时用前者；当扇角介于90°和180°之间时用后者)在扇型波导内激励起TE₀₁模，且对其他模实现抑制。经多路功率分配器实现扇形波导到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等幅同相。该发明与圆波导相比，扇形波导激发的模式不存在极化简并，模式纯度更高，带宽更宽；与同轴线的TEM模，其好处是损耗更小，功率容量更大，并且电路的尺寸更大，加工成本和加工难度更低。

Description

基于扇形波导的功率分配/合成器

技术领域

本发明涉及毫米波功率合成技术领域，具体涉及一种基于扇形波导的功率分配/合成器。

背景技术

毫米波在通信、雷达、制导、电子战、射电天文学及临床医学等领域都有重大的意义。相比微波低端，毫米波可以携带更多的信息，具有更高的跟踪与识别精度；毫米波元器件的尺寸较小，因此毫米波系统更容易小型化。在毫米波电路及电子系统中，发射机的发射功率对系统的作用距离、通信质量、干扰与反干扰能力有决定性的意义，微波毫米波全固态高功率发射系统已成为现代先进微波毫米波通信和雷达的标志。通常，微波毫米波高功率获取主要有两个途径：真空电子功率器件和固态功率器件。真空电子管、行波管等器件虽然能在毫米波频段提供足够大的功率输出，但受限于体积、重量等因素，应用范围受限；相比较而言，微波固态器件体积小、重量轻，但是受限于现有半导体物理器件特性，单个固态器件输出功率有限。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，可实现体积小、重量轻、成本低、可靠性高、寿命长、电压低、失效率低等性能。

功率合成技术的关键是要实现多路数、宽频带、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。传统的功率合成电路有Wilkinson功分器、Lange耦合器和分支线耦合器等，这些传统的合成/分配电路由于属于多级合成电路，且随着合成路数增加合成效率迅速降低，在高合成效率的场合已经不能满足实际需要。为了解决合成效率低的问题，各种新型的功率合成技术不断涌现，其中自由空间波的功率合成以及准光空间功率合成得到了广泛的研究与发展。自由空间功率合成技术仅适合于在空间功率需求点获取高功率，这类技术不便于实现标准接口的固态高功率输出，不利于系统应用推广；可实现具有标准输出口的准光空间功率合成技术也面临合成能量收集效率低下，合成网络中高次模式影响，合成网络频率带宽窄，辐射损耗等问题。因此，在九十年代基于波导的空间功率合成技术应运而生。基于波导的空间功率合成技术合成效率较高，能有效的防止辐射损耗，具有良好的散热性能，结构简单易实现等优点，较好地弥补了准光功率合成技术和自由空间功率合成技术的不足。同时，它可以不受工作频率及波导尺寸的限制，工作于微波、毫米波以及更高的亚毫米波频段，有效地解决了在更高频段实现高功率输出的难题。

波导结构具有低损耗和大功率容量的特点，所以在高功率微波系统和毫米波系统中，波导的功分/合成电路有着无可替代的作用。径向波导合成器采用多路波导径向构架，可在一级波导电路中实现多路合成，具有低损耗、多支路特点，并可具有高功率容量特性，是一种微波毫米波多路高效率高功率合成网络。径向波导具有单位角度的径向路数越多，模式越纯净的特点，而在实际使用中会出现有足够多的合成路数就能满足使用的特殊情况(输出功率的实际需求和成本控制)，合成器的路数并一定是越多越好。

本发明采用扇形波导代替圆波导结构。好处是：扇形波导不存在极化简并，并且扇角越小，模式纯度越高，且工作模式的带宽比圆波导更宽。在扇形波导中激励起TE₀₁模，在各个分配端口可以得到等幅同相的信号。

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/合成器。通过模式转换器将标准矩形波导中的TE₁₀模转换成扇形波导的TE₀₁模，再馈入径向波导功率分配/合成器，实现各个分配端口的等幅同相输出。与基于圆波导的径向合成器相比，可以保证模式的纯度，实现低损耗，又能满足较多路数的功率合成。

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/合成器分为模式转换器和分配/合成器两部分。包括一个矩形波导输入端口，一个模式转换器，一个扇形波导，一个匹配结构以及若干个(n≥2)矩形波导输出端口。矩形波导中的TE₁₀模通过模式转换器(矩形波导馈源或Y型波导馈源，当扇角小于90°时用前者；当扇角介于90°和180°之间时用后者)在扇型波导内激励起TE₀₁模，且对其他模实现抑制。该扇型波导输入口、匹配结构以及若干个(n≥2)矩形波导输出端口，可以实现该模式到n个矩形波导TE₁₀模的模式转换和等幅功率分配。

进一步的是，所述矩形波导为BJ900标准矩形波导。

进一步的是，所述的标准矩形波导输出口与矩形波导馈源或Y型波导馈源相连接。

进一步的是，所述矩形波导馈源或Y型波导馈源输出的信号馈入到扇形波导，在扇形波导激励口激励起TE₀₁模式。

进一步的是，输入信号经过所述功率分配/合成器，分为n≥2路矩形波导的TE₁₀模，每个输出端口等幅同相。其中匹配结构为一个薄的扇形台。

本发明的有益效果：该波导功率分配/合成器利用模式转换器实现输入矩形波导TE₁₀模到扇形波导TE₀₁模式的转换，该模式能够用于功率分配/合成器，得到n路信号的等幅同相功分。该发明与圆波导相比，扇形波导激发的模式不存在极化简，模式纯度更高，带宽更宽；与使用同轴线的TEM模相比，其好处主要是电路的尺寸更大，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是本发明基于扇形波导的功率分配/合成器的扇形波导扇角为任意度数φ时，激励起所需模式TE₀₁模的次第，以及当扇角小于90°时用矩形波导馈源；当扇角介于90°和180°之间时用Y型波导馈源。

图2是本发明基于扇形波导的功率分配/合成器的结构示意图；

图3是本发明基于扇形波导的功率分配/合成器的模式转换器示意图；

图4是本发明基于扇形波导的功率分配/合成器的分配器示意图

图5是本发明基于扇形波导的功率分配/合成器的曲线图；

图6是本发明基于扇形波导的功率分配/合成器应用于功率合成电路示意图；

图7是本发明基于扇形波导的功率分配/合成器应用于功率合成电路的曲线图；

图1中标记说明：扇形波导扇角φ分别为锐角55°、钝角110°以及平角180°时，所激励的TE₀₁模式分别为主模、第一高次模以及第二高次模；图2中标记说明：输入端口1、Y型波导馈源2、模式转换器匹配301、扇形波导4输出端口P1，P2，…，Pn。图3中标记说明：扇形波导两个激励口位置401和402；图4中标记说明：分配器5，其剖面显示了其匹配结构501，501包含薄台502。

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2所示，该扇形波导功率分配/合成器包括图3所示的模式转换器3以及图4所示的分配器5，二者通过180°扇形波导4相连构成。所述扇形波导功率分配/合成器输入端口1，输出端口为P1，P2，…，Pn(n≥2)。图3所示，该模式转换部分，包括输入端口1、一个Y型波导馈源2以及180°扇形波导的激励口401、402来完成从矩形波导输入口1的TE₁₀模到180°扇形波导TE₀₁模式的转换。如图4所示，该分配器5，包括180°扇形波导4、输出口P1，P2，…，Pn(n≥2)、匹配结构501，所述匹配结构501由一个薄台结构502构成。

在上述实施方式中，输入信号模式为TE₁₀模，从矩形波导端口1输入，经由Y型波导馈源分为两路等幅信号，通过匹配结构在扇形波导4的激励口401和402激励起TE₀₁模式，该模式相比于圆波导中的TE₀₁模次数更低，再通过分配器5分为若干路，其中匹配结构501可以使输入端口1的反射系数最小，所述匹配结构501由薄台502构成，分配器5从而实现由扇形波导4到矩形波导输出端口P1，P2，…，Pn处TE₁₀模的功率等幅同相分配。

另外，将一对所述波导功率分配/合成器的输出口对接，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2所示结构，该波导功率分配/合成器工作于W频段，工作频率90～98GHz，输入端口1、输出端口P1，P2，…，Pn为BJ900标准矩形波导，尺寸2.54mm×1.27mm，180°扇形波导4的半径为2.32mm。信号由端口1输入，经过模式转换器3在180°扇形波导4内激励起TE₀₁模式，再经分配器5等幅同相分配到输出端口P1，P2，…，Pn，此实例中，n＝6，各端口的S参数如图5所示，输入口的回波损耗小于-17.5dB，各输出端口的插入损耗几乎相等，均小于0.2dB。

将一对该波导功率分配/合成器的输出口对接就可以用于功率合成放大器中。如图6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7所示，在90-97GHz范围内，端口回波损耗小于-17dB，插入损耗小于0.2dB。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 (5)

1.基于扇形波导的功率分配/合成器，所述基于扇形波导的功率分配/合成器包括矩形波导输入端口(1)、模式转换器(3)和180°扇形波导(4)以及多个功率分配端口(P1，P2，···，Pn)，所述功率分配/合成器矩形波导中的TE₀₁模通过模式转换器(矩形波导馈源或Y型波导馈源，当扇角小于90°时用前者；当扇角介于90°和180°之间时用后者)在扇型波导内激励起TE₀₁模，且对其他模实现抑制。该信号可以通过分配器(5)分为若干路，其中匹配结构(501)可以使输入端口(1)的反射系数最小，从而实现输入端口(1)到输出端口(P1，P2，···，Pn)的功率等幅同相分配。当在端口(P1，P2，···，Pn)输入等幅同相的信号时，径向功率分配器(1)就可以在端口(1)得到n路信号的合成。

2.如权利要求1所述的基于扇形波导的功率分配/合成器，其特征在于：所述扇形波导的扇角φ越小，模式纯度越高，用于功分的所需模式TE₀₁模次数越低，但功率容量也随之减小。

3.如权利要求1所述的基于扇形波导的功率分配/合成器，其特征在于：当扇角小于90°时，模式转换器是矩形波导馈源，当扇角介于90°和180°之间时，则为Y型波导馈源。

4.如权利要求1所述的基于扇形波导的功率分配/合成器，其特征在于：分配器(5)中的匹配结构(501)由一个大薄台(502)组成，分配路数n≥2。

5.如权利要求1所述的基于扇形波导的功率分配/合成器用于功率合成电路时，其特征在于：信号从端口(1)输入，经n路放大器放大后，再将本扇形波导功率分配器当作功率合成器使用，得到合成信号。