CN105390787A - 一种新型复合函数渐变毫米波波导功率分配合成器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及毫米波功率分配合成技术领域，具体涉及一种新型复合函数渐变毫米波波导功率分配合成器。分配合成器包括N级分配器和与其对称设置的通过功率放大芯片相连的相同数量的合成器；分配器母体通过一级两路波导功分器连接有2^N-2个分配器子体；合成器母体通过一级两路波导合路器连接有2^N-2个合成器子体；本发明可适用于毫米波频段，具有宽频带、大容量、高效率及低损耗等优点。

Description

一种新型复合函数渐变毫米波波导功率分配合成器

技术领域

本发明涉及毫米波功率分配合成技术领域，具体涉及一种新型复合函数渐变毫米波波导功率分配合成器。

背景技术

功率分配合成器通常采用单路功率放大与多路功率分配合成技术相结合的设计方法，来获得大功率的输出信号。目前的功率分配合成技术主要包括平面电路功率分配合成技术和基于波导的空间功率分配合成技术。技术特点及弊端如下：

1、传统的平面电路功率分配合成技术多采用多级威尔金森功分器级联的结构形式，随着功率分配合成路数的增多，功分器的级数随之增加，微带电路损耗也随之增大，从而造成了合成效率的下降。

但此种方案的功率容量有限、散热效率低，在毫米波频段已不再适用。

2、基于波导的空间功率合成技术中，电磁波首先由位于上侧的同轴端口进入八路径向波导，完成功率分配，进入每一路矩形波导的信号通过矩形波导-微带探针转换结构进入微带平面电路，在平面电路上完成功率放大后的信号，再通过八路径向波导完成功率的合成，从位于下方的同轴端口输出。

但缺点如下：(1)该技术所采用的立体结构增加了加工难度，且装配复杂，生产成本高；(2)该技术由于采用了同轴传输线作为多路功率分配与合成段的传输媒介，随着工作频率进入到40GHz乃至更高频段，同轴传输线的损耗变大，将严重影响合成器的合成效率。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种适用于毫米波频段的，具有宽频带、大容量、高效率及低损耗等优点的毫米波波导功率分配合成器。

本发明提供一种新型复合函数渐变毫米波波导功率分配合成器，分配合成器包括N级分配器和与其对称设置的通过功率放大芯片相连的相同数量的合成器；分配器母体通过一级两路波导功分器连接有2^N-2个分配器子体；合成器母体通过一级两路波导合路器连接有2^N-2个合成器子体；一级两路波导功分器中的两路分支波导分别通过基于复合函数的渐变波导结构展宽为标准矩形波导，该复合函数表达式为：

X(t)＝t

$Y\left(t\right)=\frac{H1}{\sqrt{e^2-1}}\sqrt{e^{2{\sin }^2\left(\frac{t\mathrm{\π}}{2L}\right)}-1}$

其中X(t)为渐变波导结构的水平段的长度变化，Y(t)为渐变波导结构的竖直段的长度变化；L为渐变波导结构水平段的长度；H1为渐变波导的展宽宽度；t的取值范围为0≤t≤L。

复合函数通过调控L的长度，实现对矩形波导的窄边展宽的调控，可以在多个毫米波波段内实现超宽带的阻抗匹配，从而实现与一级两路波导功分器的输入端口和输出端口的匹配，进而控制电磁场能量在一级两路波导功分器内的分配与合成。因此，具有结构紧凑、易于实现、加工成本低、带宽宽、损耗小及输入端口驻波比低等优点。

优选方案如下：

所述分配器子体由一个一级两路波导功分器、两个带有波导探针转换结构的二级两路波导功分器和在二级两路波导功分器两侧末端的圆弧波导短路面结构组成；所述分配器子体中，一级两路波导功分器的纵向端为输入端口，横向两端口为输出端口；二级两路波导功分器的输入端口与一级两路波导功分器的其中一个输出端口相连接，输出端口为阻抗微带线。阻抗微带线的阻抗值为50Ω。

所述合成器子体由一个一级两路波导合路器、两个带有波导探针转换结构的二级两路波导合路器和在二级两路波导合路器两侧末端的圆弧波导短路面结构组成；所述合成器子体中，二级两路波导合路器的输入端口为阻抗微带线，输出端口与一级两路波导合路器的其中一个输入端口相连接；一级两路波导合路器的纵向端为输出端口，横向两端口为输入端口。

功率分配合成器的功率分配段与合成段具有相同的结构，且空间对称，同时该结构可根据不同的工作频率和工作带宽适当更改各结构的尺寸，但是整体结构原理不变。此外，多路波导功率分配合成器并不仅限于四路功率分配合成器，在上述相同原理的基础之上，可以设计出八路、十六路、2^N路的波导功率分配合成器。

功率分配合成器整体外部加装有散热片。

一级两路波导功分器和二级两路波导功分器的横向中部外侧设置有向内凹的匹配切角。一级两路波导合路器和二级两路波导合路器的横向中部外侧设置有向内凹的匹配切角。一级两路波导功分器和一级两路波导合路器的三路端口为标准矩形波导端口。

波导探针转换结构中使用的为高频微波基片，可在毫米波频段内实现插入损耗小于0.3dB，驻波比小于1.3。基于圆弧波导短路面的波导探针转换结构不同于传统的直角波导短路面，而是采用了新型的圆弧波导短路面，并根据最小反射理论对圆弧波导短路面的尺寸以及探针结构的尺寸进行了优化，不仅可以有效地消除直角波导短路面多次反射造成的杂波干扰，而且可以在超宽带内实现各端口的匹配以及电磁场能量在波导与微带电路之间的高效转换，具有结构简单、易于实现、损耗小及输入端口驻波比低等优点。

工作原理：电磁波首先由标准矩形波导端口A输入一级两路波导功分器，在匹配切角结构的功率分配作用下，电磁波信号被等幅反相分成两路信号，分别从端口B和C输出，然后再分别由输入端口D进入二级两路波导功分器，再次在匹配切角的功率分配作用下，将两路信号进一步等比例功分为四路信号，每路信号再通过波导-探针-波导转换结构，完成电磁波信号由波导到微带平面电路再进入到波导的转换，在每一路平面微带电路上的信号通过功率放大芯片实现单路信号的功率放大。最后，各支路信号通过与分配器具有对称结构的合成器完成电磁波信号的多路功率合成。

本发明具有如下优点：

(1)结构紧凑，实现了电路结构形式的平面化，易于加工，装配简单，可以有效降低加工成本。

(2)该功率分配合成器将功率放大电路置于功分与合成电路之外，可在整体结构的上下侧面加装散热片，有效提高了整体的散热效率。

(3)该功率分配合成器的适用频率范围可以覆盖毫米波等多个频段，输出功率可根据带宽要求结合具体的功率器件灵活调整。

(4)功率分配合成器采用基于复合函数的渐变波导结构，通过灵活设计渐变波导结构的复合函数各参数值，不仅可以在最短的长度距离内实现矩形波导的窄边展宽，而且可以在多个毫米波波段内实现超宽带的阻抗匹配，从而实现输入输出端口的匹配以及电磁场能量在金属波导内的高效分配与合成；最大限度地缩小了功率分配合成器的结构尺寸，降低了加工成本，同时减小了输入端口驻波比和插入损耗。

(5)采用了圆弧波导短路面结构，相比较于传统的直角波导短路面结构，该结构可以有效地消除直角波导短路面多次反射造成的杂波干扰，同时减小波导探针转换结构的插入损耗，实现超宽带的阻抗匹配。

(6)毫米波高隔离度多路空间波导功率分配合成器，其波导探针转换结构根据最小反射理论及传输线模型，采用了由探针到高阻抗线再到中阻抗线，最后过渡到50Ω微带线的三级阶梯变换结构，介质基片使用高频专用微波基片，可实现在毫米波频段内实现插入损耗小于0.3dB，驻波比小于1.3。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明的一级两路波导功分器结构示意图；

图2为本发明的二级两路波导功分器结构示意图；

图3为本发明的结构整体示意图；

图中：1.一级两路波导功分器，2.二级两路波导功分器，3.圆弧波导短路面结构，4.匹配切角，5.波导探针转换结构，6.功率放大芯片，7.一级两路波导合路器，8.二级两路波导合路器，9.渐变波导结构，10.50Ω阻抗微带线，A.一级两路波导功分器输入端口，B、C.一级两路波导功分器输出端口，D.二级两路波导功分器输入端口，E、F.二级两路波导功分器输出端口，L：渐变波导的长度，H1：渐变波导的展宽宽度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出以下详细说明，但本发明并不局限于具体实施例。

实施例1：

一种新型复合函数渐变毫米波波导功率分配合成器，分配合成器包括2级分配器和与其对称设置的通过功率放大芯片6相连的2个合成器；分配器母体通过一级两路波导功分器1连接有2个分配器子体；合成器母体通过一级两路波导合路器7连接有2个合成器子体；一级两路波导功分器1中的两路分支波导分别通过基于复合函数的渐变波导结构展宽为标准矩形波导，该复合函数表达式为：

X(t)＝t

$Y\left(t\right)=\frac{H1}{\sqrt{e^2-1}}\sqrt{e^{2{\sin }^2\left(\frac{t\mathrm{\π}}{2L}\right)}-1}$

其中X(t)为渐变波导结构9的水平段的长度变化，Y(t)为渐变波导结构9的竖直段的长度变化；L为渐变波导结构9水平段的长度；H1为渐变波导结构9的展宽宽度；t的取值范围为0≤t≤L。

当t＝0时，X(t)＝0，Y(t)＝0；

当t＝L/2时，X(t)＝L/2，

当t＝L时，X(t)＝L，Y(t)＝H1。

复合函数通过调控L的长度，实现对矩形波导的窄边展宽的调控，可以在多个毫米波波段内实现超宽带的阻抗匹配，从而实现与一级两路波导功分器1的输入端口和输出端口的匹配，进而控制电磁场能量在一级两路波导功分器1内的分配与合成。因此，具有结构紧凑、易于实现、加工成本低、带宽宽、损耗小及输入端口驻波比低等优点。

所述分配器子体由一个一级两路波导功分器1、两个带有波导探针转换结构的二级两路波导功分器2和在二级两路波导功分器2两侧末端的圆弧波导短路面结构3组成；所述分配器子体中，一级两路波导功分器1的纵向端为输入端口，横向两端口为输出端口；二级两路波导功分器2的输入端口与一级两路波导功分器1的其中一个输出端口相连接，输出端口为阻抗微带线10。阻抗微带线10阻抗值为50Ω。

所述合成器子体由一个一级两路波导合路器7、两个带有波导探针转换结构的二级两路波导合路器8和在二级两路波导合路器8两侧末端的圆弧波导短路面结构3组成；所述合成器子体中，二级两路波导合路器8的输入端口为阻抗微带线10，输出端口与一级两路波导合路器7的其中一个输入端口相连接；一级两路波导合路器7的纵向端为输出端口，横向两端口为输入端口。

功率分配合成器的功率分配段与合成段具有相同的结构，且空间对称，同时该结构可根据不同的工作频率和工作带宽适当更改各结构的尺寸，但是整体结构原理不变。此外，多路波导功率分配合成器并不仅限于四路功率分配合成器，在上述相同原理的基础之上，可以设计出八路、十六路、2^N路的波导功率分配合成器。

功率分配合成器整体外部加装有散热片。

一级两路波导功分器1和二级两路波导功分器2的横向中部外侧设置有向内凹的匹配切角4。一级两路波导合路器7和二级两路波导合路器8的横向中部外侧设置有向内凹的匹配切角4。一级两路波导功分器1和一级两路波导合路器7的三路端口为标准矩形波导端口。

波导探针转换结构5中使用的为高频微波基片，可在毫米波频段内实现插入损耗小于0.3dB，驻波比小于1.3。基于圆弧波导短路面的波导探针转换结构不同于传统的直角波导短路面，而是采用了新型的圆弧波导短路面，并根据最小反射理论对圆弧波导短路面的尺寸以及探针结构的尺寸进行了优化，不仅可以有效地消除直角波导短路面多次反射造成的杂波干扰，而且可以在超宽带内实现各端口的匹配以及电磁场能量在波导与微带电路之间的高效转换，具有结构简单、易于实现、损耗小及输入端口驻波比低等优点。

工作原理：电磁波首先由标准矩形波导端口A输入一级两路波导功分器1，在匹配切角4结构的功率分配作用下，电磁波信号被等幅反相分成两路信号，分别从端口B和C输出，然后再分别由输入端口D进入二级两路波导功分器2，再次在匹配切角4的功率分配作用下，将两路信号进一步等比例功分为四路信号，每路信号再通过波导-探针-波导转换结构，完成电磁波信号由波导到微带平面电路再进入到波导的转换，在每一路平面微带电路上的信号通过功率放大芯片6实现单路信号的功率放大。最后，各支路信号通过与分配器具有对称结构的合成器完成电磁波信号的多路功率合成。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (10)

1.一种新型复合函数渐变毫米波波导功率分配合成器，其特征在于：分配合成器包括N级分配器和与其对称设置的通过功率放大芯片相连的相同数量的合成器；分配器母体通过一级两路波导功分器连接有2^N-2个分配器子体；合成器母体通过一级两路波导合路器连接有2^N-2个合成器子体；一级两路波导功分器中的两路分支波导分别通过基于复合函数的渐变波导结构展宽为标准矩形波导，该复合函数表达式为：

X(t)＝t

$Y\left(t\right)=\frac{H1}{\sqrt{e^2-1}}\sqrt{e^{2{\sin }^2\left(\frac{t\mathrm{\π}}{2L}\right)}-1}$

其中X(t)为渐变波导结构的水平段的长度变化，Y(t)为渐变波导结构的竖直段的长度变化；L为渐变波导结构水平段的长度；H1为渐变波导的展宽宽度；t的取值范围为0≤t≤L。

2.根据权利要求1所述的一种新型复合函数渐变毫米波波导功率分配合成器，其特征在于：所述复合函数通过调控L的长度，实现对矩形波导的窄边展宽的调控，可以在多个毫米波波段内实现超宽带的阻抗匹配，从而实现与一级两路波导功分器的输入端口和输出端口的匹配，进而控制电磁场能量在一级两路波导功分器内的分配与合成。

3.根据权利要求1所述的一种新型复合函数渐变毫米波波导功率分配合成器，其特征在于：所述分配器子体由一个一级两路波导功分器、两个带有波导探针转换结构的二级两路波导功分器和在二级两路波导功分器两侧末端的圆弧波导短路面结构组成；所述分配器子体中，一级两路波导功分器的纵向端为输入端口，横向两端口为输出端口；二级两路波导功分器的输入端口与一级两路波导功分器的其中一个输出端口相连接，输出端口为阻抗微带线。

4.根据权利要求3所述的一种新型复合函数渐变毫米波波导功率分配合成器，其特征在于：所述阻抗微带线的阻抗值为50Ω。

5.根据权利要求1所述的一种新型复合函数渐变毫米波波导功率分配合成器，其特征在于：所述合成器子体由一个一级两路波导合路器、两个带有波导探针转换结构的二级两路波导合路器和在二级两路波导合路器两侧末端的圆弧波导短路面结构组成；所述合成器子体中，二级两路波导合路器的输入端口为阻抗微带线，输出端口与一级两路波导合路器的其中一个输入端口相连接；一级两路波导合路器的纵向端为输出端口，横向两端口为输入端口。

6.根据权利要求1所述的一种新型复合函数渐变毫米波波导功率分配合成器，其特征在于：所述功率分配合成器整体外部加装有散热片。

7.根据权利要求3所述的一种新型复合函数渐变毫米波波导功率分配合成器，其特征在于：所述的一级两路波导功分器和二级两路波导功分器的横向中部外侧设置有向内凹的匹配切角。

8.根据权利要求5所述的一种新型复合函数渐变毫米波波导功率分配合成器，其特征在于：所述的一级两路波导合路器和二级两路波导合路器的横向中部外侧设置有向内凹的匹配切角。

9.根据权利要求3或5所述的一种新型复合函数渐变毫米波波导功率分配合成器，其特征在于：所述一级两路波导功分器和一级两路波导合路器的三路端口为标准矩形波导端口。

10.根据权利要求3或5所述的一种新型复合函数渐变毫米波波导功率分配合成器，其特征在于：所述波导探针转换结构中使用的为高频微波基片，可在毫米波频段内实现插入损耗小于0.3dB，驻波比小于1.3。