CN106410350A - 一种多路Ka波段径向波导功率分配/合成网络及方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多路Ka波段径向波导功率分配/合成网络及方法与应用，包括输入/输出阶梯形波导、圆波导、多路径向波导腔体以及同轴探针，其中，所述多路径向波导通过圆波导与输入/输出阶梯形波导相连，同轴探针插入径向波导的中间部分，通过若干次渐变伸至输入/输出阶梯形矩形波导中，形成同轴波导到阶梯形波导以及同轴波导到径向波导的匹配，上述两个功率分配/合成网络通过一段背靠背结构可构成完整的功率放大器。本发明采用矩形波导作为输入/输出端口便于与其他毫米波器件连接，采用渐变的探针以及在输入/输出矩形波导中增加阶梯结构扩展径向波导功率分配/合成器的带宽。
Description
技术领域
本发明涉及一种多路Ka波段径向波导功率分配/合成网络及方法与应用。
背景技术
随着微波毫米波技术在各个领域的广泛应用，相应的微波固态功放的需求也在逐渐增加长,并且固态功放的输出功率的需求也越来越大。但是由于单只功率器件的输出功率有限，因此难以获得较大的输出功率,为了在在毫米波频段获得较大的功率，须通过合成使得固态器件产生较高的功率。
在毫米波领域，已研究出多种结构的功率合成方案：如常规的一分二3dB波导合成网络方案、一分多波导分配/合成方案、空间功率合成方案等。一分二3dB波导合成网络技术是较早发展的技术，但这一技术随着合成路数增多，存在着合成网络损耗较大的缺点。一分多和空间功率合成方案尝试克服一分二波导合成网络的不足，并已取得了相应的进展。近年来，径向波导被用于功率分配和功率合成网络并有大量的报道。径向波导结构紧凑并且径向对称，在功率分配和合成时具有各路光程相同，易于同相合成的特点，非常适用于高功率的合成。
目前的Ka波段径向波导功率分配/合成器多采用同轴波导作为输入/输出端口，不便于与其他毫米波部件进行连接，工作带宽相对较窄且插入损耗大。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种多路Ka波段径向波导功率分配/合成网络及方法与应用，本发明通过在输入/输出矩形波导中加入一级台阶、在探针中加入圆盘和锥形接口，形成同轴波导到矩形波导以及同轴波导到径向波导的匹配，从而扩展整个径向波导功率分配/合成网络的带宽。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多路Ka波段径向波导功率分配/合成网络，包括输入/输出阶梯形波导、圆波导、多路径向波导腔体以及同轴探针，其中，所述多路径向波导通过圆波导与输入/输出阶梯形波导相连，同轴探针插入径向波导的中间部分，通过若干次渐变伸至输入/输出阶梯形矩形波导中，形成同轴波导到阶梯形波导以及同轴波导到径向波导的匹配。
所述输入/输出阶梯形波导为具有一级台阶的矩形波导，一级台阶与矩形波导短路面相交。
所述多路径向波导腔体中间是径向波导腔，在其外围圆周处每隔一段连接有一个标准矩形波导。
所述同轴探针包括锥形结构、圆盘以及同轴线，所述锥形结构设置于径向波导腔体底部的中心，所述圆盘设置于阶梯形波导的台阶中，锥形结构和圆盘通过同轴线连接。
所述多路径向波导的腔体由两个ka波段标准矩形波导垂直相交而形成。
所述多路径向波导为四路。
基于上述波导功率分配/合成网络的工作方法，射频信号从输入矩形波导进入，经过一级阶梯矩形波导以及同轴探针，实现输入矩形波导到圆波导的转换，上述一级阶梯和同轴探针的圆盘扩展该部分转换的工作带宽；射频信号到达圆波导后经过同轴探针从多路径向波导中心位置伸入，经过探针的锥形结构，由TEM模为径向腔中的E模，经由径向腔外围平均排列的标准矩形波导口输出，实现功率信号的分配。
一种功率放大器，包括两个上述波导功率分配/合成网络，且两个波导功率分配/合成网络相背向连接，在径向波导腔体内设置有微带探针，两个微带探针通过高阻抗线连接，实现波导到微带的过渡。
所述微带探针与平面电路相连。
所述微带探针放置于距离各路波导的短路面1/4波长处。
本发明的有益效果为：
(1)本发明输入/输出端口采用标准矩形波导端口便于与其他毫米波部件连接；
(2)本发明在输入/输出矩形波导中加入一级台阶、在探针中加入圆盘和锥形接口，形成同轴波导到矩形波导以及同轴波导到径向波导的匹配，从而扩展整个径向波导功率分配/合成网络的带宽。
附图说明
图1为本发明一种多路Ka波段径向波导功率分配/合成网络截面示意图。
图2为两个多路Ka波段径向波导功率分配/合成网络通过背靠背结构构成的功率合成放大器截面示意图。
图3为本发明一种多路Ka波段径向波导功率分配/合成网络回波损耗仿真曲线。
图4为本发明一种多路Ka波段径向波导功率分配/合成网络各路幅度不平衡度仿真曲线。
图5为本发明一种多路Ka波段径向波导功率分配/合成网络各路相位不平衡度仿真曲线。
图6为两个多路Ka波段径向波导功率分配/合成网络通过背靠背结构构成的功率合成放大器回波损耗以及插入损耗的仿真曲线。
其中：1、标准矩形波导，2、一级台阶，3、一级台阶，4、径向波导腔体，5、金属圆盘，6、同轴线，7、锥形结构，8、微带探针，9、高阻抗线。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明一种多路Ka波段径向波导功率分配/合成网络的结构，包括输入/输出阶梯形矩形波导、圆波导、多路径向波导腔体以及同轴探针。输入/输出阶梯形矩形波导由标准矩形波导1和一级台阶2构成，一级台阶与矩形波导短路面相交。多路径向波导腔体4中间是径向波导腔，在其外围圆周处每隔φ度连接了一个标准矩形波导(对于N路功分合成器而言，角度等于360°/N)。输入/输出阶梯形矩形波导通过圆波导3与多路径向波导腔体4连接。同轴探针包括锥形结构7、圆盘5以及连接锥形结构与圆盘的一段同轴线6；同轴探针锥形结构7的底部位于径向波导腔体4底部的中心，锥形结构顶部通过一段同轴线6经由圆波导伸入输入/输出阶梯形矩形波导中，同轴线6底部连接金属圆盘5。
本发明一种多路Ka波段径向波导功率分配/合成网络可作为单独的功率分配或合成器使用，假设作为功率分配器使用，其工作过程如下：射频信号从输入标准矩形波导进入，经过一级阶梯矩形波导以及带金属圆盘的金属探针，实现输入矩形波导到圆波导的转换，上述一级阶梯和金属圆盘用于扩展该部分转换的工作带宽；射频信号到达圆波导后经过同同轴探针从多路径向波导中心位置伸入，经过探针的锥形结构，由TEM模为径向腔中的E模，经由径向腔外围平均排列的标准矩形波导口输出，从而实现功率信号的分配，上述锥形结构可提高该部分过渡的工作带宽。
如图2所示，将两个径向线功率分配/合成器通过背靠背的形式连接，可以构成完整的功率放大器，其工作过程如下：通过一个功率/合成分配器完成功率分配后，在距离各路径向波导腔体的短路面四分之一波长处插入微带探针8，使之处于矩形波导电场最强的地方，实现波导一微带的过渡，经平面电路的功率放大芯片阵列放大后，采取同样的结构过渡到径向波导内进行功率合成，最后由阶梯形矩形波导输出。
下面结合实际实施例对本发明进行进一步详细说明：
本发明所多路Ka波段径向波导功率分配/合成网络为4路。输入/输出阶梯形矩形波导均为ka波段标准矩形波导WR-28，加入的一级台阶长度为5mm，高度为0.6mm，宽度与标准矩形波导宽边相同，为7.12mm。
所述多路径向波导的腔体由两个ka波段标准矩形波导WR-28垂直相交而成，同轴探针锥形结构的底部放置于多路径向波导的腔体底部的中心位置，该锥形结构底部半径为2.5mm，顶部半径为0.6mm，高度为2.86mm；锥形结构的顶部与一段半径为0.6mm的同轴线相连，经由一段半径为1.4mm的圆波导伸入距离输入/输出阶梯形矩形波导段路面中，同轴线处于距离阶梯矩形波导短路面2mm(约四分之一波长)处，伸入阶梯矩形波导中的长度为0.7mm；在该同轴线底部连接一个圆盘，圆盘的半径为1mm，长度为1mm。
结合图3所示，利用电磁仿真软件HFSS进行仿真的结果可看出：在30GHz～40GHz频段内，回波损耗S11均小于20dB，几乎覆盖整个Ka频段，具有较宽的工作带宽。结合图4以及图5，对各输出端口的幅度和相位进行分析，在30GHz～40GHz频段内，该径向波导功率分配/合成网络四个端口的幅度不平衡度小于0.1dB，相位不平衡度小于0.5°，因此具有良好的幅度和相位一致性。
结合图2，利用一个Ka波段径向波导功率分配进行功率分配后，在距离输出波导短路面四分之一波长的位置插入微带探针8，再经由一段高阻抗线9实现波导到微带的过渡。选择插入损耗小，韧性好，易加工制造的RT/Duroid 5880，板子相对介电常数为2.2，厚度为0.2mm。对波导到微带过渡结构的进行仿真优化，经过优化微带探针8的宽度为0.5mm，长度为1.2mm，高阻抗线的宽度为0.4mm，长度为1mm，后接线宽为0.6mm的标准50Ω微带线。将固态功率放大器与该50Ω微带线相连，功率信号经过放大后，由微带到波导的过渡转换到Ka波段径向波导功率合成网络中，经过功率合成后，通过标准阶梯矩形波导输出。
整个Ka波段功率合成器在30GHz～40GHz频带内，插入损耗小于0.45dB，回波损耗大于16dB，在30GHz～38GHz频带内，回波损耗均由于20dB，因此本发明所述滤波器具有插入损耗低，工作带宽宽的特点，可作为毫米波功率合成器件。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种多路Ka波段径向波导功率分配/合成网络，其特征是：包括输入/输出阶梯形波导、圆波导、多路径向波导腔体以及同轴探针，其中，所述多路径向波导通过圆波导与输入/输出阶梯形波导相连，同轴探针插入径向波导的中间部分，通过若干次渐变伸至输入/输出阶梯形矩形波导中，形成同轴波导到阶梯形波导以及同轴波导到径向波导的匹配。
2.如权利要求1所述的一种多路Ka波段径向波导功率分配/合成网络，其特征是：所述输入/输出阶梯形波导为具有一级台阶的矩形波导，一级台阶与矩形波导短路面相交。
3.如权利要求1所述的一种多路Ka波段径向波导功率分配/合成网络，其特征是：所述多路径向波导腔体中间是径向波导腔，在其外围圆周处每隔一段连接有一个标准矩形波导。
4.如权利要求1所述的一种多路Ka波段径向波导功率分配/合成网络，其特征是：所述同轴探针包括锥形结构、圆盘以及同轴线，所述锥形结构设置于径向波导腔体底部的中心，所述圆盘设置于阶梯形波导的台阶中，锥形结构和圆盘通过同轴线连接。
5.如权利要求1所述的一种多路Ka波段径向波导功率分配/合成网络，其特征是：所述多路径向波导的腔体由两个ka波段标准矩形波导垂直相交而形成。
6.如权利要求1所述的一种多路Ka波段径向波导功率分配/合成网络，其特征是：所述多路径向波导为四路。
7.基于如权利要求1-6中任一项所述的波导功率分配/合成网络的工作方法，其特征是：射频信号从输入矩形波导进入，经过一级阶梯矩形波导以及同轴探针，实现输入矩形波导到圆波导的转换，上述一级阶梯和同轴探针的圆盘扩展该部分转换的工作带宽；射频信号到达圆波导后经过同轴探针从多路径向波导中心位置伸入，经过探针的锥形结构，由TEM模为径向腔中的E模，经由径向腔外围平均排列的标准矩形波导口输出，实现功率信号的分配。
8.一种功率放大器，其特征是：包括两个如权利要求1-6中任一项所述的波导功率分配/合成网络，且两个波导功率分配/合成网络相背向连接，在径向波导腔体内设置有微带探针，两个微带探针通过高阻抗线连接，实现波导到微带的过渡。
9.如权利要求8所述的一种功率放大器，其特征是：所述微带探针与平面电路相连。
10.如权利要求8所述的一种功率放大器，其特征是：所述微带探针放置于距离各路波导的短路面1/4波长处。
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