CN106992348B - 一种类摆线过渡结构的宽带径向波导功率分配/合成器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种类摆线过渡结构的宽带径向波导功率分配/合成器，属于微波/毫米波无源器件领域。该结构包括标准矩形波导、矩形波导‑同轴波导过渡结构、同轴波导、类摆线过渡结构、设置有多级阶梯阻抗匹配结构的径向波导与N路标准输出矩形波导。具有功率容量大、频带宽、结构紧凑、插入损耗和反射损耗低、各输出端口幅度一致性和相位一致性好、易于加工和装配等优点。

Description

一种类摆线过渡结构的宽带径向波导功率分配/合成器

技术领域

本发明属于微波/毫米波无源器件领域，具体涉及一种类摆线过渡结构的宽带径向波导功率分配/合成器。

背景技术

固态功率放大器作为毫米波通信系统中的核心模块之一，其功率输出水平和工作带宽决定了整体通信系统性能。单片微波固态芯片的输出功率有限，难以实现大功率输出的需求，为了满足应用系统的大功率输出要求，通常的技术途径是采用功率合成技术，对多路固态芯片输出功率进行合成。

微波毫米波功率合成的技术方案通常有：平面功率分配/合成技术、空间功率合成技术和基于金属波导的功率合成技术。典型的平面功率分配/合成技术如：威尔金森功率分配/合成器。威尔金森功率分配/合成器采用微带作为信号传输线，具有结构紧凑，加工方便等特点。但是这种平面功率合成技术在高频率下存在严重的欧姆损耗和较强辐射损耗。此外，这种采用多级级联的功率合成结构，随着合成路数的增加，功率合成效率迅速下降，同时使得功率合成结构复杂、体积庞大。空间功率合成技术是上世纪八十年代提出的一种新型功率合成技术，特别适合多器件的功率合成，具有很强的应用潜力。由于空间功率合成技术是利用辐射天线将多个固态器件功率在自由空间点进行功率合成，因而不便于实现标准接口输出，在固态系统应用中使用不方便。基于金属波导的功率合成技术具有功率容量大、合成效率高和散热性能好等优点，且易于与其他微波毫米波系统连接。径向波导功率分配/合成器是一种单级的波导合结构：能实现任意路数的功率分配和合成，具有损耗低、合成效率高、功率容量大、结构紧凑等特点，常适合大功率合成应用。

径向波导功率分配/合成器一般由同轴线、径向波导、多路标准同轴线或标准矩形波导输出组成。信号经标准同轴线馈入后，在径向波导内激励起TEM模式，激励起的TEM模式沿着径向波导向前传播，由于输出结构的对称性，使得各端口输出功率一致，从而实现多路等功率输出。为了实现同轴线到径向波导、径向波导到多路输出端在宽频带内的良好匹配，需要对位于同轴线内导体底部的匹配结构进行特别的优化设计。为了增加径向功率分配/合成器的带宽，专利毫米波径向波导空间功率分配/合成器(专利号CN104051835A，发明人李硕)设计了位于径向波导腔体的多级阶梯匹配销钉结构。但是随着合成路数的增加，径向波导的半径随之增加，为了在宽的频带内实现良好的驻波特性，需要的阶梯匹配级数也越高。专利一种新型宽带径向曲线渐变脊空间功率分配合成器(专利号CN105304998A，发明人张文强、宁曰民等)提出了一种宽带径向曲线渐变脊空间功率分配/合成器，通过采用同轴曲线阻抗渐变结构和径向曲线渐变脊阵列结构，使得功率分配/合成器的带宽得到了提高。但是，这种渐变脊的结构会降低功率分配/合成器的功率容量。此外，根据阻抗的匹配的要求，径向曲线渐变脊阵列要经过一定长度的矩形同轴内导体连接到标准同轴内导体，这会使得整个功率分配/合成器的体积变大，增加了设计复杂度。同时，这种渐变得结构对加工精度要求也较高，工艺实现困难。

发明内容

为了解决上述技术方案的不足，提高固态功率放大器的输出功率、工作带宽和减小几何尺寸，本发明提出了一种类摆线过渡结构的宽带径向波导功率分配/合成器，具有功率容量大、频带宽、结构紧凑、插入损耗和反射损耗低、各输出端口幅度一致性和相位一致性好、易于加工和装配等优点。

为了实现上述设计目的，本发明采用以下技术方案：

一种类摆线过渡结构的宽带径向波导功率分配/合成器，包括：标准矩形波导、矩形波导-同轴波导过渡结构、同轴波导、类摆线过渡结构、包含多级阶梯阻抗匹配结构的径向波导与N路标准输出矩形波导。

所述类摆线过渡结构的宽带径向波导功率分配/合成器，作为功率分配器时，微波信号以TE_0,1模的形式由标准矩形波导输入，经矩形波导-同轴波导过渡结构向前传播到同轴波导，转化为同轴线中的TEM模；产生的TEM模经类摆线过渡结构继续向前传输，输入到后接的径向波导中；最后，经均匀分布在径向波导周围的N路标准输出矩形波导实现等幅同相输出。

所述类摆线过渡结构的宽带径向波导功率分配/合成器，作为功率合成器时，微波信号由上述功率分配器进行N路等幅同相分配，每路微波信号经过一个功率放大模块对信号进行功率放大以后，由N路输出矩形波导阵列输入，沿上述信号分配时的逆过程，在矩形波导实现总功率的输出。

所述标准矩形波导采用标准法兰口进行连接，以方便与外部毫米波系统连接。

所述矩形波导-同轴波导过渡结构包括：伸入矩形波导内部的同轴探针结构和一端短路的矩形波导，短路面距离探针中心约为四分之一工作波长。

所述同轴波导，其内外导体的尺寸设计要满足TEM波单模传输条件即：λ≤3.456(b+c)，其中λ为同轴波导工作波长，b、c分别为内外导体半径。

所述类摆线过渡结构为连续光滑的同轴波导到径向波导的过渡结构，实现同轴波导阻抗到径向波导阻抗渐变阻抗过渡。类摆线过渡结构内外导体曲线遵循的类摆线方程为：

其中,0≤t≤R-a，a为同轴波导内外导体半径，R为类摆线过渡结构的宽度，s为类摆线过渡结构外导体的高度。在设计过程中，内外导体的高度和宽度可以随着工作频段和匹配阻抗的不同做出适当的调整。为了实现类摆线结构与径向波导输入端的连接，则类摆线结构内导体高度为s+h-h1，其中h为径向波导的高度，h1为径向多级阶梯阻抗匹配的总高度。

所述径向波导中的多级阶梯阻抗匹配结构能够实现类摆线结构输出与N路矩形波导之间的宽带阻抗匹配。径向波导的高度与采用的标准矩形波导高度相同。

本发明的优点在于：

(1)输入输出均采用标准矩形波导，方便与外部毫米波系统连接。

(2)功率合成时在径向波导内完成，可以实现多路功率源的合成，且合成效率高，可以实现大功率的输出。

(3)采用了类摆线过渡结构和包含多级阶梯阻抗匹配结构的径向波导，有效地增加功率分配/合成器的带宽，降低反射损耗；

(4)由于整个结构具有旋转对称性，且采用矩形波导输出而不是同轴探针，可以保证装配精度，有利于提升功率分配/合成的幅相一致性；

(5)整个功率分配/合成器结构简单，体积紧凑，易于进行加工和装配；

附图说明

图1是本发明所述的类摆线过渡结构的宽带20路径向波导功率分配/合成器的实施例结构示意图；

图2是实施例内部结构示意图；

图3是图1中功率分配/合成器的剖面示意图；

图4是类摆线过渡结构的示意图；

图5和图6是实施例S参数仿真结果；

图7是实施例的N路矩形波导端口的相位特性。

具体实施方式

下面以一个工作在Q波段20路类摆线过渡结构的径向波导功率分配/合成器为例，对本发明提出的技术方案作进一步详细的说明。Q波段20路类摆线过渡结构的径向波导功率分配/合成器整体结构如图1、2和3所示。该径向波导功率分配/合成器包括：标准矩形波导1，矩形波导-同轴波导过渡结构2，同轴波导3，类摆线过渡结构4，设有多级阶梯阻抗匹配结构5的径向波导6和标准输出矩形波导7。

该实施例作为分配器工作时，电磁波由标准矩形波导1输入，经矩形波导-同轴波导过渡结构2进入同轴波导后形成稳定的TEM模式，由于类摆线的过渡结构具有良好的匹配特性，使得同轴波导中的TEM模式能有效的传输至径向波导内。最后，径向波导内的能量经均匀对称分布的多级阶梯阻抗匹配结构耦合到输出矩形波导，实现N路等幅同相的信号输出。作为合成器时，信号的传播为分配器的逆过程。

根据工作频段，确定N路标准输出矩形波导为WR-22波导，其尺寸为5.69mm×2.845mm；径向波导的高度与标准输出矩形波导的高度相同为2.845mm；径向波导半径取值为18.21mm；同轴线内外导体半径取为0.35mm和1.1mm，同轴线长度为6mm；类摆线过渡结构外导体的高度取为15.8mm，宽度取为12mm；为了实现该20路径向波导功率分配/合成器宽的频带，该实施例中取三级阶梯匹配，三级阶梯匹配结构总的高度为0.919mm。

由公式(1)，(2)结合上面给出的数据，可以确定类摆线过渡结构外导体曲线的方程：

其中,0≤t≤10.9，单位为mm。

类摆线过渡结构内导体曲线的方程：

其中,0≤t≤11.65，单位为mm。

图5为所述20路功率分配合成器的输入端口1的回波损耗。在37GHz-40GHz范围内，端口1回波损耗小于-20dB，在40GHz-48GHz范围内，回波损耗小于-23dB，表明功率合成器具有良好的驻波。

图6为所述20路功率分配合成器端口1到20路分支端口6的传输特性。在37GHz-48GHz范围内，传输系数最小为-13.18dB，最大为-12.96dB；与理想输出值-13dB相比较，输出端口的幅度不一致性小于±0.2dB，表明输出信号具有很好的幅度一致性。

图7为所述20路功率分配合成器输出端口1到各输出分支端口6的相位特性。在37GHz-48GHz范围内，各输出端口相位不一致性小于±0.4°，表明输出信号具有很好的相位一致性。

综上，该实施例作为功率分配器时，可以实现等幅、同相的N路信号输出。考虑到端口的互易性，该结构作为功率合成器时，则可以实现高效率的功率合成。

Claims (2)

1.一种类摆线过渡结构的宽带径向波导功率分配/合成器，包括：标准矩形波导、矩形波导-同轴波导过渡结构、同轴波导、类摆线过渡结构、包含多级阶梯阻抗匹配结构的径向波导以及N路标准输出矩形波导；

所述类摆线过渡结构的宽带径向波导功率分配/合成器，作为功率分配器时，微波信号以TE_0,1模的形式由标准矩形波导输入，经矩形波导-同轴波导过渡结构向前传播到同轴波导，转化为同轴线中的TEM模；产生的TEM模经类摆线过渡结构继续向前传输，输入到后接的径向波导中；最后，经均匀分布在径向波导周围的N路标准输出矩形波导实现等幅同相输出；

所述类摆线过渡结构的宽带径向波导功率分配/合成器，作为功率合成器时，微波信号由上述功率分配器进行N路等幅同相分配，每路微波信号经过一个功率放大模块对信号进行功率放大以后，由N路输出矩形波导阵列输入，沿上述信号分配时的逆过程，在矩形波导实现总功率的输出；

所述矩形波导-同轴波导过渡结构包括：伸入矩形波导内部的同轴探针结构和一端短路的矩形波导，短路面距离探针中心为四分之一工作波长；

所述同轴波导内外导体的尺寸满足TEM波单模传输条件：λ≤3.456(b+c)，其中λ为同轴波导工作波长，b、c分别为内外导体半径；

所述类摆线过渡结构为连续光滑的同轴波导到径向波导的过渡结构，实现同轴波导阻抗到径向波导阻抗渐变阻抗过渡；类摆线过渡结构内外导体曲线遵循的类摆线方程为：

其中,0≤t≤R-a，a为同轴波导内外导体半径，R为类摆线过渡结构的宽度，s为类摆线过渡结构外导体的高度；为了实现类摆线结构与径向波导输入端的连接，类摆线结构内导体高度为s+h-h1，其中h为径向波导的高度，h1为径向多级阶梯阻抗匹配的总高度；

所述径向波导的高度与后接的标准矩形波导高度相同；径向波导中的多级阶梯阻抗匹配结构能够实现类摆线结构输出与N路矩形波导之间的宽带阻抗匹配。

2.如权利要求1所述的一种类摆线过渡结构的宽带径向波导功率分配/合成器，其特征在于：所述标准矩形波导采用标准法兰口与外部毫米波系统连接。