CN106356605B - 基于tm01模的径向波导功率分配器和功率合成器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于圆波导TM01模的径向波导功率分配器，包括用于输入矩形波导信号的输入端口，与输入端口连接的将输入信号分为两路等幅同相信号的一级魔T中和臂，用于传递一级魔T中和臂输出的各一路等幅同相信号的C型弯波导，连接于每个C型弯波导末端并将输入信号分为四路等幅同相信号的二级魔T中和臂，四个分别连接于二级魔T中和臂的每一路输出信号的弧形弯波导，与所有弧形弯波导末端均连接的圆形激励口，安置于圆形激励口内的匹配结构，同轴地垂直于圆形激励口安置的圆波导，以及同轴地安置并具有N个功率等幅同相分配的输出端口的分配结构。本发明相比使用同轴线的TEM模，其电路尺寸更大，降低了加工要求，尤其适用于毫米波频率高端。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波功率合成技术领域，具体地讲，是涉及一种基于圆波导TM01模的径向波导功率分配器和功率合成器。
背景技术
毫米波功率放大器是毫米波系统的核心部件，是毫米波领域的研究热点，毫米波功率放大器被广泛运用于军事雷达系统、射电天文学和太空以及短距离无线高速传输等领域，有着巨大的应用价值和市场前景。随着三五族半导体技术的成熟，单个固态功率放大器MMIC的输出能力不断提升，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。
对于多功率合成技术而言，最为重要的是实现多路、宽度、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。
美国QuinStar公司的James Schellenberg等人研制了一种工作于W-Band的多路合成式功率放大器模块[“W-Band, 5W Solid-State Power Amplifier/ Combiner”，作者：James Schellenberg, Edward Watkins, Miroslav Micovic, Bumjin Kim, and KyuHan; International Microwave Symposium Digest. IEEE, 2010, 240 - 243.]，该W波段多路功率合成放大器的核心电路是一个基于TEM模的同轴径向功率分配器，先将矩形波导过渡为同轴线，实现TE10到TEM模式的转换，在利用同轴线TEM模激励径向功率分配器，每个输出端口可以获得等幅同相的信号，经固态器件放大后，再合为一路。该电路中，同轴线的尺寸非常小，需要非常严苛的加工和装配要求，制造成本高且成品率低，当工作频段更高时，尺寸更小，这种结构就更加难以实现。
本发明采用圆波导代替同轴线结构，利用圆波导中的第一高次模TM01模，作为主要模式，具有损耗随频率呈反比，电路尺寸大等优势，尤其使用与毫米波高端频率的应用。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种能够适用于毫米波高端频率的基于圆波导TM01模的径向波导功率分配器，利用模式转换在圆波导中激励起TM01模，TM01模不仅是时间对称模，也是空间对称模，因此在各个分配端口可以得到等幅同相的信号。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于圆波导TM01模的径向波导功率分配器，包括用于输入矩形波导信号的输入端口，与输入端口连接的将输入信号分为两路等幅同相信号的一级魔T中和臂，两条均与一级魔T中和臂连接的用于传递其输出的各一路等幅同相信号的C型弯波导，连接于每个C型弯波导末端的二级魔T中和臂，经过一级魔T中和臂和二级魔T中和臂后所述输入端口的输入信号被分为四路等幅同相的信号，四个分别连接于二级魔T中和臂的每一路输出信号的弧形弯波导，与所有弧形弯波导末端均连接的圆形激励口，安置于圆形激励口内的匹配结构，同轴地垂直于圆形激励口安置的圆波导，以及同轴地安置于圆波导末端并具有N个功率等幅同相分配的输出端口的分配结构，其中N为不小于2的整数，所有所述弧形弯波导的末端传输方向轴线穿过所述圆形激励口的轴心。
进一步地，所述一级魔T中和臂内设有用于信号分流导向的导向凸部。
进一步地，所述二级魔T中和臂内还设有用于信号分流导向的导向凸部。
具体地，所述安置于圆形激励口内的匹配结构为与圆波导同轴并由其一端向另一端凸起的圆台。
具体地，所述由二级魔T中和臂分成的四路等幅同相信号经过所述圆形激励口在所述圆波导内激励起TM01模。
更具体地，所述分配结构包括同轴地设置于圆波导末端的薄台，以及N个在圆波导末端呈圆周均布排列的用于输出矩形波导信号的输出端口。
本发明还提供一种功率合成器，包括一对如上所述的基于圆波导TM01模的径向波导功率分配器，以及将该对基于圆波导TM01模的径向波导功率分配器的每个输出端口均分别连接的对接部，其中，信号由一个输入端口输入，由另一个输入端口输出。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明利用模式转换实现输入矩形波导TE10模得到圆波导TM01模的转换，虽然TM01模是第一高次模，但由于本发明中特殊设计的模式转换以及其馈电方式可以有效地抑制其他模式，实现单模传输，同时圆波导内TM01模的场结构关于圆心呈时空对称性，能够用于径向功率分配，得到n路信号的等幅功分，而且本发明与使用同轴线的TEM模相比，其电路尺寸更大，有效地降低了加工要求，尤其适用于毫米波频率高端。
（2）本发明在两级魔T中和臂上设置导向凸部，更有利于传输信号的分流导向。
（3）本发明在圆波导的始末端分别设置圆台和薄台实现信号转换的更好匹配。
（4）本发明还能够通过一对相同的径向波导功率分配器实现功率合成的功能，使之广泛地应用于毫米波功率合成放大器中，扩展应用范围。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中上部模式转换部分的俯视示意图。
图3为本发明中下部分配部分的结构示意图。
图4为本发明中下部分配部分的侧视示意图。
图5为本发明一种实施方式的功率分配S参数图。
图6为本发明用作功率合成器的结构仿真示意图。
图7为本发明一种实施方式用作功率合成器的S参数图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1至图4所示，该基于圆波导TM01模的径向波导功率分配器，包括用于输入矩形波导信号的输入端口1，与输入端口连接的将输入信号分为两路等幅同相信号的一级魔T中和臂2，两条均与一级魔T中和臂连接的用于传递其输出的各一路等幅同相信号的C型弯波导3，连接于每个C型弯波导末端的二级魔T中和臂4，经过一级魔T中和臂和二级魔T中和臂后所述输入端口的输入信号被分为四路等幅同相的信号，四个分别连接于二级魔T中和臂的每一路输出信号的弧形弯波导5，与所有弧形弯波导末端均连接的圆形激励口6，安置于圆形激励口内的匹配结构7，同轴地垂直于圆形激励口安置的圆波导8，以及同轴地安置于圆波导末端并具有N个功率等幅同相分配的输出端口的分配结构9，其中N为不小于2的整数，所有所述弧形弯波导的末端传输方向轴线穿过所述圆形激励口的轴心。
进一步地，所述一级魔T中和臂内设有用于信号分流导向的导向凸部11。所述二级魔T中和臂内还设有用于信号分流导向的导向凸部11。
具体地，所述安置于圆形激励口内的匹配结构为与圆波导同轴并由其一端向另一端凸起的圆台。具体地，所述由二级魔T中和臂分成的四路等幅同相信号经过所述圆形激励口在所述圆波导内激励起TM01模。
更具体地，所述分配结构包括同轴地设置于圆波导末端的薄台10，以及N个在圆波导末端呈圆周均布排列的用于输出矩形波导信号的输出端口P1/P2…/Pn。
使用时，由输入端口输入矩形波导TE10模，经一级魔T中和臂分为两路等幅同相的信号，这两路信号分别通过C型弯波导仍然保持等幅同相，然后再分别经过两个二级魔T中和臂，分为四路等幅同相的信号，这四路信号再分别经弧形弯波导导向至圆形激励口处，通过圆形激励口处的匹配结构在圆波导内激励起TM01模；圆波导内的TM01模再通过分配结构分为N路信号，其中薄台的设置使得输入端口的反射系数最小，圆周均布排列的输出端口实现了圆波导内TM01模到矩形波导输出端口的TE01模的功率等幅同相分配。
具体地，将该径向波导功率分配器工作于W频段，工作频率92～96GHz，输入端口1和N=12个输出端口P1,P2,…,Pn为BJ100标准矩形波导，尺寸2.54mm × 1.27mm，圆波导的直径为2.39mm。信号由输入端口1输入，经过模式转换为圆波导内的TM01模，再等幅分配到各个输出端口，每个输出端口幅相福项平衡性，各端口的S参数如图5所示，输入端口的回波损耗小于-14dB，各输出端口的插入损耗几乎相等，均在10.88dB左右。
如图6所示，本发明还提供一种功率合成器，包括一对如上所述的基于圆波导TM01模的径向波导功率分配器，以及将该对基于圆波导TM01模的径向波导功率分配器的每个输出端口均分别连接的对接部20，其中，信号由一个输入端口输入，由另一个输入端口输出。具体地，该对接部由依次连接的微带探针、放大器、微带线、微带探针组成。
该对径向波导功率分配器的每个输出端口分别通过对接部连接，将一个径向波导功率分配器的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的信号放大后，再通过微带探针耦合到另一个镜像波导功率分配器的对应输出端口上，实现从一个输入端口输入信号并从另一个输入端口输出信号，实现信号功率合成。
例如采用前述相同参数的两个径向波导功率分配器，其S参数如图7所示，在92-96GHz范围内，端口回波损耗小于-18dB，插入损耗小于0.5dB。
本发明在毫米波，尤其是在毫米波频率高端的功率合成电路中具有极大的应用价值。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于TM01模的径向波导功率分配器，其特征在于，包括用于输入矩形波导信号的输入端口，与输入端口连接的将输入信号分为两路等幅同相信号的一级魔T中和臂，两条均与一级魔T中和臂连接的用于传递其输出的各一路等幅同相信号的C型弯波导，连接于每个C型弯波导末端的二级魔T中和臂，经过一级魔T中和臂和二级魔T中和臂后所述输入端口的输入信号被分为四路等幅同相的信号，四个分别连接于二级魔T中和臂的每一路输出信号的弧形弯波导，与所有弧形弯波导末端均连接的圆形激励口，安置于圆形激励口内的匹配结构，同轴地垂直于圆形激励口安置的圆波导，以及同轴地安置于圆波导末端并具有N个功率等幅同相分配的输出端口的分配结构，其中N为不小于2的整数，所有所述弧形弯波导的末端传输方向轴线穿过所述圆形激励口的轴心；
所述一级魔T中和臂内设有用于信号导向的导向凸部，所述二级魔T中和臂内还设有用于信号导向的导向凸部；
所述安置于圆形激励口内的匹配结构为与圆波导同轴并由其一端向另一端凸起的圆台；
所述由二级魔T中和臂分成的四路等幅同相信号经过所述圆形激励口在所述圆波导内激励起TM01模。
2.根据权利要求1所述的基于TM01模的径向波导功率分配器，其特征在于，所述分配结构包括同轴地设置于圆波导末端的薄台，以及N个在圆波导末端呈圆周均布排列的用于输出矩形波导信号的输出端口。
3.一种功率合成器，其特征在于，包括一对如权利要求1～2任一项所述的基于TM01模的径向波导功率分配器，以及将该对基于TM01模的径向波导功率分配器的每个输出端口均分别连接的对接部，其中，信号由一个输入端口输入，由另一个输入端口输出。
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