CN106229598A - kW级超紧凑高隔离度共面魔T及微波功率合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种kW级超紧凑高隔离度共面魔T及微波功率合成方法，共面魔T包括位于同一平面的和端口、差端口、两个输入端口，还包括波导单元、耦合探针、同轴‑同轴波导匹配单元和同轴‑矩形波导匹配单元；耦合探针的半径及插入全高矩形波导段的长度用于调节和端口和差端口的匹配特性。TE10信号进入差端口，被等幅反相分配后从输入端口输出；TEM信号进入和端口，被等幅同相分配后从输入端口输出。本发明共面魔T解决了现有的介质微波功率合成很难满足kW级功率容量和低插损高隔离度以及尺寸体积要求，其和差端口的共面排布，在实现较宽的带宽同时，具有紧凑的横截面积，高功率容量以及小的插损。

Description

kW级超紧凑高隔离度共面魔T及微波功率合成方法
技术领域
本发明涉及kW级有源器件的紧凑高隔离度高效功率合成器件及合成方法。
背景技术
传统的高功率微波一般是通过电真空器件来产生，但随着有源器件输出功率的不断提高，通过大量的有源器件进行组阵，后再通过大规模天线阵列进行辐射进而产生与传统电真空器件辐射相比拟的等效辐射功率。
为了在等效辐射功率不变的情况下尽量减少有源相控阵天线的单元数量，需要在有限截面尺寸内对多个有源器件进行功率合成，为了保证有源器件的失效性能，增加系统的稳定性同时保证合成效率，需要合成器输入端口间具有高隔离度，各端口需要具有良好的驻波性能，同时需要有较高的合成效率，所有功能需要在有限截面内实现。
目前微波领域主要合成器包括二进制功率合成器、波导行波功率合成器、波导径向功率分配合成器和波导空间功率合成器等。其中基于电阻隔膜的二进制功率合成器不满足kW级功率容量要求，基于现有的常规波导魔T结构的合成器大都不满足横截面尺寸要求，波导行波功率合成器合成端口间隔离度与回波损耗也无法满足要求，波导径向功率分配合成器无法满足其超紧凑的体积要求和高隔离度低反射要求，空间功率合成技术用于微波频段尺寸较高。常规的依托于介质的平面传输线对于实现kW级功率容量有较大难度，因此现有的微波功率合成技术大都不满足kW级功率容量和低插损高隔离度以及尺寸体积要求。
发明内容
本发明目的是提供一种kW级超紧凑高隔离度共面魔T及微波功率合成方法，其和差端口共面，具有紧凑的横截面积，可在较宽频带范围内实现较高的和差端口隔离度以及各端口较低的回波损耗，同时它还具有高功率容量和性能稳定的特点。
本发明的技术解决方案是：
一种kW级超紧凑高隔离度共面魔T，包括和端口、差端口、两个输入端口、波导单元、耦合探针，其特殊之处是：还包括同轴-同轴波导匹配单元和同轴-矩形波导匹配单元；所述波导单元包括一个全高矩形波导段、两个与全高矩形波导段窄边T形连接的半高矩形波导段、两个与半高矩形波导段分别连接的90度半高E面弯波导段、两个与半高E面弯波导连接的半高直波导段；所述差端口设置在全高矩形波导段的外端面；所述两个输入端口分别设置在与半高直矩形波导段外连接的同轴波导外端面；所述和端口通过同轴-同轴波导匹配单元与半高矩形波导段连接；所述同轴-矩形波导匹配单元设置在半高直波导段内且与输入端口连接。
优选的，上述同轴-同轴波导匹配单元包括依次同轴连接的介质匹配同轴波导段、第一空气匹配同轴波导段、第二空气匹配同轴波导段；所述和端口设置在介质匹配同轴波导段的外端面且与之共轴；所述耦合探针设置在半高矩形波导段内且与第二空气匹配同轴波导段共轴连接。
优选的，上述同轴-矩形波导匹配单元包括沿半高直波导段方向依次连接的一个底部匹配矩形金属块、至少一个中部匹配矩形金属块、一个顶部匹配矩形金属块；所述底部匹配矩形金属块的另一端面与输入端口共轴连接；所述至少一个中部匹配矩形金属块和所述顶部匹配矩形金属块均与半高直波导段的其中一个侧面紧贴；两个半高直波导段内的所述至少一个中部匹配矩形金属块和所述顶部匹配矩形金属块均与半高直波导段的同一方位的侧面紧贴；所述至少一个中部匹配矩形金属块和所述顶部匹配矩形金属块的宽度依次减小；所述顶部匹配矩形金属块长度大于任一中部匹配矩形金属块的长度；所述至少一个中部匹配矩形金属块和所述顶部匹配矩形金属块均设置在半高直波导段的中部且与之平行。
作为调节手段，上述耦合探针的半径及插入全高矩形波导段的长度用于调节和端口和差端口的匹配特性；所述底部匹配矩形金属块、中部匹配矩形金属块和顶部匹配矩形金属块的尺寸用于调节输入端口的匹配特性。
上述中部匹配矩形金属块的数量最佳为两个。
基于上述kW级超紧凑高隔离度共面魔T的效微波功率合成方法，包括以下几种模式：
1)TE10模式的微波信号进入全高矩形波导段构成的差端口后，差端口无反射；因模式反对称特性被同轴结构的和端口高度隔离后，微波信号被等幅反相分配后分别通过两路90度半高E面弯波导段、半高矩形波导段及半高直波导段，再经同轴-矩形波导匹配单元进行TE10-TEM模式转换后，最后从与半高直波导段相连的同轴结构构成的输入端口输出；
2)TEM模式的微波信号进入同轴结构的和端口后，和端口无反射，被同轴耦合探针耦合至全高矩形波导段内；因模式反对称特性被全高矩形波导结构的差端口高度隔离后，微波信号被等幅同相分配后分别通过两路90度半高E面弯波导段、半高矩形波导段及半高直波导段，再经同轴-矩形波导匹配单元进行TE10-TEM模式转换后，最后从与半高直波导段相连的同轴结构构成的输入端口输出；
3)TEM模式微波信号进入其中一路与半高矩形波导段连接的输入端口后，自身无反射，被另一路与半高矩形波导段连接的输入端口被高度隔离；微波信号被等幅分配至全高矩形波导结构构成的差端口和同轴结构的和端口。
本发明优点:
1、耦合方式独特，结构紧凑，功率容量高。本发明共面魔T，同轴结构的截面尺寸远小于波导结构截面尺寸，内部结构也比较简单，因而较容易实现和差端口的共面排布，同时还具有较高的功率容量，最终实现有限截面内的高功率合成。
2、实现了较宽的带宽。本发明E面矩形波导功分器由一个全高矩形波导段和两个半高矩形波导段组成的T形连接来实现，在T形连接中间处插入梯形匹配结构，可以增大带宽。另外，本发明同轴结构截止频率为零，因此其也具有宽带特性。
3、损耗小。本发明魔T结构可在26％带宽范围内实现小于-20dB回波损耗，大于20dB的隔离度以及小于0.4dB的插入损耗。
附图说明
图1为共面魔T的结构示意图；
图2为共面魔T的三维结构示意图；
图1和图2中：1、2-输入端口，3-差端口，4-和端口，5-耦合探针，61-介质匹配同轴波导段，62-第一空气匹配同轴波导段，63-第二空气匹配同轴波导段；71-底部匹配矩形金属块，72-中部匹配矩形金属块，73-顶部匹配矩形金属块，81-全高矩形波导段，82-半高矩形波导段，83-90度半高E面弯波导面，84-半高直波导段；深色部分代表同轴端口介质部分，浅色代表波导金属壳包裹的内部真空结构。
图3为共面魔T的S参数分布图，其中S11、S12、S43、S33、S44对应左侧坐标轴，S31和S41对应右侧坐标轴。
图4为差端口3注入微波时，魔T表面瞬态场分布。
图5为和端口4注入微波时，魔T表面瞬态场分布。
图6中，(a)为魔T设计过程中E面功分器截面矢量场分布，(b)为E面功分器S参数分布。
图7中，(a)为魔T设计过程中H面功分器截面矢量场分布，(b)为H面功分器S参数分布。
图8中，(a)为同轴过渡结构，蓝色部分代表介质，灰色部分代表金属波导壳包裹的真空部分，(b)为相应的S参数分布。
图9中，(a)为同轴矩形转换结构，蓝色部分代表介质，灰色部分代表金属波导壳包裹的真空部分，(b)为相应的S参数分布。
具体实施方式
本发明kW级超紧凑高隔离度共面魔T，包括和端口、差端口、两个输入端口、波导单元、耦合探针、同轴-同轴波导匹配单元和同轴-矩形波导匹配单元。
波导单元包括一个全高矩形波导段、两个与全高矩形波导段窄边T形连接的半高矩形波导段、两个与半高矩形波导段分别连接的90度半高E面弯波导段、两个与半高E面弯波导连接的半高直波导段；差端口设置在全高矩形波导段的外端面；两个输入端口分别设置在两个半高直波导段的外端面；和端口通过同轴-同轴波导匹配单元与半高矩形波导段连接；同轴-矩形波导匹配单元设置在半高直波导段内且与输入端口连接。
同轴-同轴波导匹配单元包括依次同轴连接的介质匹配同轴波导段、第一空气匹配同轴波导段、第二空气匹配同轴波导段；和端口设置在介质匹配同轴波导段的外端面且与之同轴；全高矩形波导段与半高矩形波导段E面T形连接处插入金属耦合探针。
同轴-矩形波导匹配单元包括沿半高直波导段方向依次连接的一个底部匹配矩形金属块、两个中部匹配矩形金属块、一个顶部匹配矩形金属块；半高矩形波导段短路面紧贴底部匹配矩形金属块，同轴馈电结构与半高矩形波导段短路面连接。两个中部匹配矩形金属块和顶部匹配矩形金属块均与半高直波导段的其中一个侧面紧贴；两个半高直波导段内的两个中部匹配矩形金属块和顶部匹配矩形金属块均与半高直波导段的同一方位的侧面紧贴；两个中部匹配矩形金属块和顶部匹配矩形金属块的宽度依次减小；顶部匹配矩形金属块长度大于任一中部匹配矩形金属块的长度；两个中部匹配矩形金属块和所述顶部匹配矩形金属块均设置在半高直波导段的中部且与之平行。
耦合探针的半径及插入全高矩形波导段的长度用于调节和端口和差端口的匹配特性；底部匹配矩形金属块、中部匹配矩形金属块和顶部匹配矩形金属块的尺寸用于调节输入端口的匹配特性。
本发明共面魔T的设计方法：
先设计一个宽带E面矩形波导功分器；再将E面功分器的输入端口短路，在对面T形连接处插入金属耦合探针，并通过非标准同轴波导耦合输出，实现H面同轴至两路矩形波导功分器；将E面功分器输入端口恢复，其结构变为四端口结构，可以实现魔T的相关功能；最后设计矩形波导至标准同轴端口和非标准同轴至标准同轴的宽带高效转换结构并与初步实现的魔T端口连接。最终共面魔T结构包含3个同轴端口和一个矩形端口。
魔T的同轴端口和其对面的E面输入端口分别为和端口和差端口，和差端口的高度隔离是由矩形波导奇对称(E面方向)分布的TE10模式和同轴波导的偶对称分布TEM模式来实现的，这符合奇偶禁戒规则。和差端口的共面主要是利用紧凑的同轴端口与矩形端口的对立布局来实现的。
宽带E面矩形波导功分器由一个全高矩形波导段和两个半高矩形波导段组成的T形连接来实现，在T形连接中间处插入梯形匹配结构，可以增大带宽。
H面功分器的匹配特性主要通过调整插入同轴探针的长度和半径以及耦合输出同轴探针的内外半径决定的。
矩形波导至标准SMA同轴接口的宽带同轴转换接结构是由多个不同尺寸的插入匹配金属块来实现的，非标准同轴接口至标准SMA同轴接口的宽带过渡由四段过渡结构组成。
具有三个同轴端口和一个矩形波导端口的共面魔T所有参数在全波软件中进行全局优化，最终可实现在7.6-9.9GHz(26％带宽)范围内小于-20dB回波损耗，大于20dB的隔离度以及小于0.4dB的插入损耗。
本发明设计实例：
以X波段中心频率8.7GHz为例，全高矩形波导段尺寸为22.86mm×10.16mm，半高矩形波导段尺寸为22.86mm×5.08mm，输入SMA同轴波导内外半径分别为2.05mm和0.65mm，同轴波导中间介质采用介电常数为2.2的聚四氟乙烯。全高矩形波导段与两个半高矩形波导段组成T形连接，T形连接中心处有深度为1.3mm,高度为22.86mm，宽度为9.4mm的矩形金属凸起，金属凸起中心插入半径为1.22，长度为8.98mm的金属探针，金属探针外侧依次连接3段同轴结构：外径为4.68mm，内径为1.22mm，长度为2mm的空气同轴波导；外径为3.77mm，内径为1.22mm的介质(聚四氟乙烯)同轴波导，长度为10.16mm；外径为2.37mm,内径为0.65mm的介质同轴波导，长度为6.56mm。经过三段同轴波导过渡至内外径为2.05mm和0.65mm的介质同轴波导。矩形波导T形连接的半高矩形波导段延伸1.7mm后接90度E面半高矩形波导段弯曲，矩形波导弯曲处有一长度约为6.4mm的切角，半高矩形波导段E面弯曲通过紧贴波导壁的三个不同尺寸的长方体金属块和一个位于半高直波导段截面中央的长方体金属块过渡至同轴端口：其三维尺寸分别为:8.33×1.56×2.51，3.29×2.9×2.4，3.27×4.11×2.2，3.23×2.94×2.14。(单位均为mm)。
在X波段7.6-9.9GHz范围内(26％频带)，其和差端口的隔离度大于20dB，其各端口的回波损耗小于-20dB，其横截面尺寸(和差端口连接方向)小于0.7λ×0.7λ，端口3注入TE10模式1W时，其表面最大场强小于25kV/m，按照空气中30kV/cm击穿阈值计算，其功率容量不低于14kW。
本发明原理：
本发明提出的共面魔T通过具有偶对称TEM模式的同轴波导端口和具有E面奇对称的TE10模式的矩形波导端口分别作为魔T的和差端口，同轴结构的截面尺寸远小于波导结构截面尺寸，因而波导和差端口的共面较容易实现，同时因为同轴结构截止频率为零，因此其也具有宽带特性。与传统的波导魔T相比，本发明魔T和差端口共面，横截面积远远小于传统的波导魔T,内部结构也比较简单，同时还具有较高的功率容量，因此它在有限截面内的超紧凑功率合成方面有重要应用。
当TE10模式的微波信号通过全高矩形波导段(端口3)进入魔T，TE10模式的微波会被等幅反相分配至两路半高矩形波导段，最后经匹配金属结构在与半高矩形波导段相连的同轴结构中输出，全高矩形波导段端口无反射(＜-20dB)，全高矩形波导段与T形连接中间插入端口之间高度隔离(＞40dB)。
当T形连接处的同轴端口输入TEM模式的微波，微波信号会被等幅同相分配至两路半高矩形波导段，后经匹配金属结构在与半高直波导段连接的同轴结构中输出，同轴波导结构的输入端口无反射(＜-20dB)，且与全高矩形波导段高度隔离(＞40dB)。
与半高矩形波导段连接的同轴波导输入TEM微波信号时，输入端口无反射(-20dB)，另一路与半高矩形波导段连接的同轴波导高度隔离(＞20dB)，输入信号等幅分配至全高矩形波导段端口和T形连接处的同轴端口。

Claims (6)

1.一种kW级超紧凑高隔离度共面魔T，包括和端口、差端口、两个输入端口、波导单元、耦合探针，其特征在于：
还包括同轴-同轴波导匹配单元和同轴-矩形波导匹配单元；
所述波导单元包括一个全高矩形波导段、两个与全高矩形波导段窄边T形连接的半高矩形波导段、两个与半高矩形波导段分别连接的90度半高E面弯波导段、两个与半高E面弯波导连接的半高直波导段；
所述差端口设置在全高矩形波导段的外端面；
所述两个输入端口分别设置在与半高直矩形波导段外连接的同轴波导外端面；
所述和端口通过同轴-同轴波导匹配单元与半高矩形波导段连接；
所述同轴-矩形波导匹配单元设置在半高直波导段内且与输入端口连接。
2.根据权利要求1所述的kW级超紧凑高隔离度共面魔T，其特征在于：
所述同轴-同轴波导匹配单元包括依次同轴连接的介质匹配同轴波导段、第一空气匹配同轴波导段、第二空气匹配同轴波导段；
所述和端口设置在介质匹配同轴波导段的外端面且与之共轴；
所述耦合探针设置在半高矩形波导段内且与第二空气匹配同轴波导段共轴连接。
3.根据权利要求1所述的kW级超紧凑高隔离度共面魔T，其特征在于：
所述同轴-矩形波导匹配单元包括沿半高直波导段方向依次连接的一个底部匹配矩形金属块、至少一个中部匹配矩形金属块、一个顶部匹配矩形金属块；
所述底部匹配矩形金属块的另一端面与输入端口共轴连接；
所述至少一个中部匹配矩形金属块和所述顶部匹配矩形金属块均与半高直波导段的其中一个侧面紧贴；
两个半高直波导段内的所述至少一个中部匹配矩形金属块和所述顶部匹配矩形金属块均与半高直波导段的同一方位的侧面紧贴；
所述至少一个中部匹配矩形金属块和所述顶部匹配矩形金属块的宽度依次减小；
所述顶部匹配矩形金属块长度大于任一中部匹配矩形金属块的长度；
所述至少一个中部匹配矩形金属块和所述顶部匹配矩形金属块均设置在半高直波导段的中部且与之平行。
4.根据权利要求3所述的kW级超紧凑高隔离度共面魔T，其特征在于：所述耦合探针的半径及插入全高矩形波导段的长度用于调节和端口和差端口的匹配特性；所述底部匹配矩形金属块、中部匹配矩形金属块和顶部匹配矩形金属块的尺寸用于调节输入端口的匹配特性。
5.根据权利要求4所述的kW级超紧凑高隔离度共面魔T，其特征在于：中部匹配矩形金属块的数量为两个。
6.基于权利要求1至5所述kW级超紧凑高隔离度共面魔T的微波功率合成方法，其特征在于：包括以下几种模式：
1)TE10模式的微波信号进入全高矩形波导段构成的差端口后，差端口无反射；因模式反对称特性被同轴结构的和端口高度隔离后，微波信号被等幅反相分配后分别通过两路90度半高E面弯波导段、半高矩形波导段及半高直波导段，再经同轴-矩形波导匹配单元进行TE10-TEM模式转换后，最后从与半高直波导段相连的同轴结构构成的输入端口输出；
2)TEM模式的微波信号进入同轴结构的和端口后，和端口无反射，被同轴耦合探针耦合至全高矩形波导段内；因模式反对称特性被全高矩形波导结构的差端口高度隔离后，微波信号被等幅同相分配后分别通过两路90度半高E面弯波导段、半高矩形波导段及半高直波导段，再经同轴-矩形波导匹配单元进行TE10-TEM模式转换后，最后从与半高直波导段相连的同轴结构构成的输入端口输出；
3)TEM模式微波信号进入其中一路与半高矩形波导段连接的输入端口后，自身无反射，另一路与半高矩形波导段连接的输入端口被高度隔离；微波信号被等幅分配至全高矩形波导结构构成的差端口和同轴结构的和端口。
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