CN105762476A - 径向波导合成/分配器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种径向波导合成/分配器，包括开设有波导腔的径向波导腔体，从所述径向波导腔体的第一表面伸入内部的同轴探针，以及与所述径向波导腔体连接的径向波导，所述同轴探针包括外导体和外导体内的内导体，所述外导体和内导体同轴设置，其特征在于，所述径向波导腔体的第一表面形成有下凹结构，且所述下凹结构上大下小。本发明使用径向波导腔体本身的下凹结构进行匹配，而同轴探针本身的结构不做额外的改变。相比对同轴探针进行加工，对径向波导腔体进行加工的难度大大降低，对加工精度的要求也大为降低，提高了实用性。

Description

径向波导合成/分配器

技术领域

本发明涉及波导型器件，特别是涉及一种径向波导合成/分配器。

背景技术

径向波导合成/分配器可以完成任意路数的固态功放器件的合成，也可以完成一路射频信号到任意路数的功率分配。在径向波导合成端的同轴耦合探针往往是加工的难点，无论磁耦合、电耦合加工都需要很高精确度。合成端的耦合探针匹配是设计重点，对合成效率有很大的影响。

传统的从径向波导耦合到同轴结构的电耦合方式通常采用在同轴内导体的一端连接一个圆柱的结构，如图1所示。合成器的各项指标主要由圆柱厚度h，圆柱半径r，圆柱与径向波导的上下的距离h1、h2决定。特点是加工完成后有一定的可调节度，可通过上下移动圆柱的位置进行调节。但由于要获得合适的参数，需要将导体底部、圆柱加工至合适的形状和尺寸，因此需要较高的加工精度，导致成本提高。

磁耦合方式的探针结构则如图2A、2B所示：探针底部呈阶梯或锥形结构与径向波导底面相连接。与电耦合相比，它在一定加工精度下可以做更多的阶梯，并且可以使同轴内导体的位置方便固定。缺点是一旦加工完成基本不可以进行调节。

发明内容

基于此，有必要提供一种加工难度较小的径向波导合成/分配器。

一种径向波导合成/分配器，包括开设有波导腔的径向波导腔体，从所述径向波导腔体的第一表面伸入内部的同轴探针，以及与所述径向波导腔体连接的径向波导，所述同轴探针包括外导体和外导体内的内导体，所述外导体和内导体同轴设置，其特征在于，所述径向波导腔体的第一表面形成有下凹结构，且所述下凹结构上大下小。

在其中一个实施例中，所述下凹结构为大小渐变的结构、大小跳变的结构或渐变与跳变结合的结构。

在其中一个实施例中，所述下凹结构的横截面为阶梯型。

在其中一个实施例中，所述径向波导腔体为中心对称的结构，所述下凹结构由同轴的两个圆台结构组成。

在其中一个实施例中，所述径向波导为长方体结构，每个所述波导合成/分配器包括多个径向波导，由径向波导腔体向外延伸形成星型结构。

在其中一个实施例中，还包括同轴波导转换结构，所述同轴波导转换结构包括外波导、设于所述外波导内的脊波导，以及与所述脊波导连接的所述同轴探针，所述脊波导为多阶阶梯结构，从连接所述同轴探针的一端开始、阶梯的高度顺次减小，所述外波导连接所述同轴探针的一面与所述脊波导之间留有间隙。

在其中一个实施例中，所述多阶阶梯结构的阶梯数为5。

在其中一个实施例中，所述外波导为空心的长方体结构。

在其中一个实施例中，所述多阶阶梯结构的宽度为1.3毫米±0.1毫米，所述间隙为0.11毫米±0.1毫米，从连接所述同轴探针的阶梯开始每级的阶梯高度和长度依次为：2.53毫米±0.1毫米、2.2毫米±0.1毫米，2.27毫米±0.1毫米、3.2毫米±0.1毫米，0.98毫米±0.1毫米、2.8毫米±0.1毫米、0.7毫米±0.1毫米、1.9毫米±0.1毫米，0.5毫米±0.1毫米、2.6毫米±0.1毫米；所述两个圆台结构分别为高0.87毫米±0.1毫米、半径6.85毫米±0.1毫米，高1.23毫米±0.1毫米、半径3.8毫米±0.1毫米，所述同轴探针的内导体距所述径向波导腔体的底部距离为0.53毫米±0.1毫米。

在其中一个实施例中，所述内导体和外导体之间填充气体或真空。

上述径向波导合成/分配器，使用径向波导腔体本身的下凹结构进行匹配，而同轴探针本身的结构不做额外的改变。相比对同轴探针进行加工，对径向波导腔体进行加工的难度大大降低，对加工精度的要求也大为降低，提高了实用性。

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实施例的附图。

图1是一种传统的从径向波导耦合到同轴结构的电耦合方式的结构图；

图2A、2B分别是两种传统的从径向波导耦合到同轴结构的磁耦合方式的结构图；

图3A～3C分别是三个实施例中波导合成/分配器的剖视图；

图4是图8所示波导合成/分配器的反射系数曲线；

图5是图8所示波导合成/分配器的合成端到各端口的传输系数曲线；

图6是内导体伸入波导腔体的深度变化时波导合成/分配器的反射系数曲线；

图7是内导体伸入波导腔体的深度变化时波导合成/分配器的合成端到其中一个端口的传输系数曲线；

图8是一实施例中波导合成/分配器的立体图；

图9是一实施例中同轴波导转换结构的剖视图；

图10是图9所示同轴波导转换结构仿真的端口回波损耗；

图11是图9所示同轴波导转换结构仿真的传输损耗；

图12是将同轴波导转换结构结合进径向波导合成/分配器后的剖视图；

图13是采用图12的结构得到的仿真模型的立体图；

图14是图12所示波导合成/分配器的反射系数曲线；

图15是图12所示波导合成/分配器的合成端到各端口的传输系数曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“竖直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图3A是一实施例中径向波导合成/分配器的剖视图，包括开设有波导腔的径向波导腔体120，从径向波导腔体120的上表面伸入其内部的同轴探针110，以及与径向波导腔体120连接的径向波导130。同轴探针110包括外导体114和外导体114内的内导体112，外导体114和内导体112同轴设置。径向波导腔体120的上表面形成有上大下小的下凹结构121，该下凹结构121可以是大小渐变的结构、大小跳变的结构或渐变与跳变结合的结构。图3A的阶梯结构(横截面为阶梯型)即为大小跳变的结构，图3B所示实施例为一种大小渐变的结构，图3C所示实施例为一种渐变与跳变结合的结构。其中图3A所示的阶梯结构加工难度最小，工程人员可以根据实际的加工精度和理论公式，结合仿真模拟来选择下凹结构121的具体结构。

上述径向波导合成/分配器，使用径向波导腔体120本身的下凹结构121进行匹配，而同轴探针110本身的结构不做额外的改变。相比对同轴探针110进行加工，对径向波导腔体120进行加工的难度大大降低，对加工精度的要求也大为降低，提高了实用性。另外经过仿真分析，使用径向波导腔体120自身的结构进行匹配，具有更低的损耗。

使用图3A所示的设计，通过三维电磁仿真软件HFSS(HighFrequencyStructureSimulator)仿真设计了一个ka波段的毫米波径向波导合成器，其仿真模型如图8所示，径向波导腔体120为中心对称的结构，下凹结构121由同轴的两个圆台结构组成。多个长方体结构的径向波导130以径向波导腔体120为中心向外延伸形成星型结构。图4示出了该合成器的反射系数S11(Sn1和S(n,1)表示同一个意思)，回波损耗在30.8GHz-38.5GHz大约7.7GHz的频率范围内小于-20dB，相对带宽达到22％，具有较宽的可用带宽。

在合成效率方面，采用上述径向波导合成/分配器在并不过多降低带宽的基础上拥有了更好的合成效率。功率合成端到功率分配端的传输系数平均在-9.05dB左右，在较宽的带宽范围内合成效率大于97％，各个端口的传输系数如图5所示，其中S21～S91表示从合成端口到各个分配端口(各个径向波导130)的传输系数。这得益于使用径向波导腔体120本身的下凹结构121进行匹配的匹配方式，利用径向波导腔体120自身进行匹配降低了损耗。

通过简单地调节内导体112伸入波导腔体120的深度可以方便地对其进行调节，如图6所示，仿真结果证明在一定调节范围内径向波导合成/分配器均可正常工作。图6中H表示内导体112距径向波导腔体120的底部距离。

上述径向波导合成/分配器是针对毫米波进行的设计，但本领域普通技术人员能够理解，其同样可以应用于其它波长类型的波导。

由于毫米波的特性，毫米波在微带传输线和同轴线上会有较大的损耗，一般情况下多使用波导传输线进行传输。尤其在毫米波功率放大器的设计上，为了最好的利用放大器提升的功率，在功率合成器的合成端总是用波导进行传输。传统的毫米波径向波导合成器的合成通过同轴探针进行耦合后连接K连接器，再与同轴—波导转换器连接，最后用波导进行传输。一种传统的同轴-矩形波导的转换结构采用同轴线与横向矩形波导转换，主要采用电耦合探针，其特点是有一定的可调节度，可通过探针伸入的位置(深度)进行调节。

在一个实施例中，径向波导合成/分配器的同轴波导转换结构采用同轴线与竖向的矩形波导配合脊波导结构来实现。参见图9，同轴波导转换结构20包括外波导220、设于外波导220内的脊波导210，以及与脊波导210连接的同轴探针110。脊波导210为多阶阶梯结构(图9所示实施例中为5阶)，从连接同轴探针110的一端开始、阶梯的高度顺次减小。外波导220为空心的长方体结构，外波导220连接同轴探针110的一面与脊波导220之间留有间隙B。

采用如下表所示的结构参数对同轴波导转换结构20进行HFSS的仿真，仿真结果主要关注其回波损耗与传输损耗，它的工作带宽对结合后的功率合成器工作带宽有极大的影响，如图10和图11所示。端口回波损耗S11在31.2GHz-36.5GHz大约5.3GHz范围内低于-20dB，传输损耗S21在31.5GHz～36GHz带宽内大于-0.02dB。

表1

将同轴波导转换结构20结合进径向波导合成/分配器，其中的内导体112就作为耦合探针。因为匹配的工作已经由径向波导腔体120的下凹结构121完成，所以内导体112并不需要更多的加工和变动，具体结构如图12、图13所示。

其中因为脊波导210与内导体112连接，使得内导体112得到固定，在本实施例中，同轴探针110的内径外径之间填充气体(比如空气)或者真空。同轴波导转换结构20直接固定在径向波导腔体120上，这也是选择使用同轴-竖向波导转换的原因。其中的同轴探针110的长度需要很短，以减小因毫米波经同轴探针110传输产生的额外损耗，将毫米波更多地通过波导进行传输，但要保证同轴探针110的长度大于传输的毫米波的波长的1/4，因此将同轴探针110的长度设计为大于其适用的毫米波的最大波长的1/4，小于最大波长的10倍。

在同轴波导转换结构20加载后需要对其参数进行再调整，调整后的径向波导合成/分配器的全部参数如下表所示。在整体的功率合成结构中，产生损耗的主要在于径向波导腔体120到同轴探针110的耦合和同轴波导转换结构20两处，在本实施例中虽然进行了两次转换，仍保持了较高的合成效率。

表2

使用HFSS进行仿真分析，HFSS对波导结构的仿真有较高的准确度。加载同轴波导转换结构20后原本的阶径向波导合成/分配器的带宽会受到影响，带宽会在一定程度上有所降低。其回波损耗和传输损耗的结果如图14、图15所示。反射系数S11在ka波导的30.9GHz-36.45GHz内大约5.5GHz的带宽范围小于-20dB，相对带宽达到16％。合成端口到各个分配端口间的传输系数分布在-9.05dB左右，在进行两次转换后同样具有较高的合成效率，满足绝大多数在毫米波第一窗口30GHz左右应用的毫米波功率放大器的使用。同时通过简单调节伸入到径向波导腔体120内的内导体112的距离，可对它的耦合进行调节，使设计具有较高的实用性。

通过仿真分析，表2所示实施例在各参数在±0.1mm的范围内，径向波导合成器都可以完成工作。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种径向波导合成/分配器，包括开设有波导腔的径向波导腔体，从所述径向波导腔体的第一表面伸入内部的同轴探针，以及与所述径向波导腔体连接的径向波导，所述同轴探针包括外导体和外导体内的内导体，所述外导体和内导体同轴设置，其特征在于，所述径向波导腔体的第一表面形成有下凹结构，且所述下凹结构上大下小。

2.根据权利要求1所述的径向波导合成/分配器，其特征在于，所述下凹结构为大小渐变的结构、大小跳变的结构或渐变与跳变结合的结构。

3.根据权利要求2所述的径向波导合成/分配器，其特征在于，所述下凹结构的横截面为阶梯型。

4.根据权利要求3所述的径向波导合成/分配器，其特征在于，所述径向波导腔体为中心对称的结构，所述下凹结构由同轴的两个圆台结构组成。

5.根据权利要求4所述的径向波导合成/分配器，其特征在于，所述径向波导为长方体结构，每个所述波导合成/分配器包括多个径向波导，由径向波导腔体向外延伸形成星型结构。

6.根据权利要求5所述的径向波导合成/分配器，其特征在于，还包括同轴波导转换结构，所述同轴波导转换结构包括外波导、设于所述外波导内的脊波导，以及与所述脊波导连接的所述同轴探针，所述脊波导为多阶阶梯结构，从连接所述同轴探针的一端开始、阶梯的高度顺次减小，所述外波导连接所述同轴探针的一面与所述脊波导之间留有间隙。

7.根据权利要求6所述的径向波导合成/分配器，其特征在于，所述多阶阶梯结构的阶梯数为5。

8.根据权利要求7所述的径向波导合成/分配器，其特征在于，所述外波导为空心的长方体结构。

9.根据权利要求8所述的径向波导合成/分配器，其特征在于，所述多阶阶梯结构的宽度为1.3毫米±0.1毫米，所述间隙为0.11毫米±0.1毫米，从连接所述同轴探针的阶梯开始每级的阶梯高度和长度依次为：2.53毫米±0.1毫米、2.2毫米±0.1毫米，2.27毫米±0.1毫米、3.2毫米±0.1毫米，0.98毫米±0.1毫米、2.8毫米±0.1毫米、0.7毫米±0.1毫米、1.9毫米±0.1毫米，0.5毫米±0.1毫米、2.6毫米±0.1毫米；所述两个圆台结构分别为高0.87毫米±0.1毫米、半径6.85毫米±0.1毫米，高1.23毫米±0.1毫米、半径3.8毫米±0.1毫米，所述同轴探针的内导体距所述径向波导腔体的底部距离为0.53毫米±0.1毫米。

10.根据权利要求1-9中任意一项所述的径向波导合成/分配器，其特征在于，所述内导体和外导体之间填充气体或真空。