CN106997982A - 一种Klopfenstein阻抗过渡扩展同轴功率分配/合成器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Klopfenstein阻抗过渡扩展同轴功率分配/合成器，属于微波技术领域。该结构包括：50欧姆标准同轴波导、同轴波导到扩展同轴波导过渡结构、扩展同轴波导段、λ/4长阻抗匹配段和沿径向呈辐射状分布的50欧姆标准同轴波导阵列。本发明基于Klopfenstein阻抗变化的同轴波导到扩展同轴波导过渡结构，实现同轴波导到扩展同轴波导的最佳匹配，大大提高整个功率分配合成器的工作带宽；并且该结构具有很低的插入损耗、良好的散热性能、紧凑的结构，输入输出均采用50欧姆标准同轴波导接口，便于微波毫米波系统应用。

Description

一种Klopfenstein阻抗过渡扩展同轴功率分配/合成器

技术领域

本发明属于微波领域，具体涉及一种扩展同轴功率分配/合成器。

背景技术

微波固态功率放大器在军事、商业通信系统中有着广泛应用。随着微波毫米波技术的发展，通信系统对固态放大器的输出功率、带宽和工作效率都提出了更高的要求，单片微波固态芯片的输出功率已经难以满足微波毫米波通信系统需求。通常的解决方案是利用微波毫米波功率合成技术，将多个固态模块的输出功率进行合成，以满足大功率输出的应用要求。

传统平面电路功率分配合成技术通常采用微带线，具有功率容量小、损耗大和散热较困难等不足。且随着分配、合成路数的增加，结构会变得复杂。金属波导功率合成技术采用封闭的腔体结构，具有功率合成效率高、损耗小、功率容量大和易于散热等特点，被广泛应用于高功率合成中。但基于标准矩形波导和圆波导的功率合成结构，工作带宽受限于波导尺寸，因此在微波频率低端，上述结构的工作带宽较窄。而扩展同轴功率分配合成结构，其工作模式为TEM模，可以实现宽的工作频带，解决了金属波导带宽在微波频率低端受限的问题。而且随着功率分配合成路数的增加，可以增加扩展同轴线的半径，适合多路大功率合成应用。专利一种扩展同轴功率分配合成器及功率分配、合成方法(专利号CN103354301A，发明人宁月明、姜万顺等)采用了多级阶梯式的过渡结构，实现输出同轴波导到多路输出同轴波导阻抗过渡，在输出同轴探针阵列之间加入氮化铝电阻薄膜，增加了各输出端口的隔离度，有效地抑制了扩展同轴中的高次模式。但该结构功率分配合成器工作频带越宽，要求多级阶梯式过渡结构的阶数越多，使得功率分配合成器的过渡结构较长，增加了功率分配合成器的体积。文章“A General Impedance Tapered Transition for N-Way Conical and Coaxial Combiners”IEEE Trans.Microw.Theory Techn.,vol.64,no.12,pp.4482–4490,Dec.2016。作者R.D.Beyers and D.I.L.de Villiers提出了一种设计光滑阻抗渐变结构的方案，大大增加了功分分配合成器的工作带宽。但是这种同轴波导到锥形波导再到同轴波导的过渡结构增加了设计的复杂度，特别是在要求整体结构具有较小的反射时，需要做很多段的圆弧线设计。

发明内容

为了解决上述几种技术方案的不足，降低功率分配合成器的体积和设计复杂度，提高功率分配/合成器工作带宽、效率和功率容量。本发明提出了一种Klopfenstein阻抗过渡扩展同轴功率分配/合成器。

本发明采用如下技术方案：

一种Klopfenstein阻抗过渡扩展同轴功率分配/合成器，包括：50欧姆标准同轴波导、同轴波导到扩展同轴波导过渡结构、扩展同轴波导段、λ/4长阻抗匹配段和沿径向呈辐射状分布的50欧姆标准同轴波导阵列。

所述50欧姆标准同轴波导一端与过渡结构连接，另一端与标准SMA接头连接。50欧姆标准同轴波导内外导体半径满足TEM波单模传输条件即：λ≤3.456(a+b)，其中λ为波导工作波长，a、b分别为同轴波导内外导体半径。为了满足大功率输出的要求，通常内外导体半径在满足单模传输的条件下取值尽量大。

所述同轴波导到扩展同轴波导过渡结构另一端与扩展同轴波导段连接。其阻抗变化满足Klopfenstein渐变特性阻抗关系，以实现同轴波导到扩展同轴波导的宽带匹配，Klopfenstein特性阻抗变化的自然对数为：

式中，Z₀和Z_L分别为输入输出端特性阻抗。函数Γ₀为：

函数A为：

其中，L为Klopfenstein过渡段长度，λ_m为最大波导波长。函数φ(x,A)定义为：

其中I₁(x)是修正贝塞尔函数。同轴波导到扩展同轴波导过渡段外导体半径遵循方程：

式中，b₁为同轴波导外导体半径，b₂为扩展同轴波导外导体半径。由同轴波导特性阻抗公式可以确定Klopfenstein过渡段内导体半径满足方程：

式中，ξ_r为同轴线内填充介质的相对介电常数。由Z₀为50欧姆和Z_L为50/N欧姆(N为功率分配/合成路数)，结合上面的公式可以确定过渡段内导体曲线a(z)。

所述扩展同轴波导段末端与λ/4阻抗匹配段连接，50欧姆标准同轴波导阵列沿径向均匀分布于扩展同轴波导周围，同时内导体通过金属圆柱与50欧姆标准同轴波导阵列内导体连接，金属圆柱半径大于同轴波导阵列内导体且轴线重合。扩展同轴波导段外导体半径b₂，设计要保证能够容纳规定的合成路数，同时保证b₂尽可能小，以抑制高次模式，减小对功率分配合成的幅相一致性的影响。

所述λ/4阻抗匹配段为N路同轴波导口提供电路等效上的开路。

所述50欧姆标准同轴波导阵列满足同轴波导单模传输条件。

本发明作为功率分配器使用时，电磁信号由50欧姆标准同轴波导输入，在同轴波导中形成稳定的TEM模式后，向前传播输入到同轴波导到扩展同轴波导过渡结构；由过渡段实现电磁波最小反射后，继续向前传播输入到扩展同轴波导段；最后由50欧姆标准同轴波导阵列实现电磁信号等幅同相分配后输出。

本发明作为功率合成器时，每路电磁信号经过单个模块功率放大器实现功率放大后，由50欧姆标准同轴波导阵列输入，经上述功率分配的逆过程，实现N路功率的合成后，由50欧姆标准同轴波导输出。

本发明的有益效果在于：

(1)基于Klopfenstein阻抗变化的同轴波导到扩展同轴波导过渡结构，能实现同轴波导到扩展同轴波导的最佳匹配，大大提高整个功率分配合成器的工作带宽。

(2)Klopfenstein阻抗匹配在要求的反射系数下，过渡段的长度最短。因此，实现了整个功率分配合成器紧凑的结构。

(3)该功率分配合成器可以在标准同轴波导最大输出功率的前提下，进行多路的功率分配合成，实现大功率输出。

(4)采用金属腔体的结构，具有很低的插入损耗和良好的散热性能。

(5)径向均匀分布的50欧姆标准同轴波导阵列，使得分配/合成的信号具有良好的幅相一致性，可以实现高效率的功率分配/合成；

(6)输入输出均采用50欧姆标准同轴波导接口，便于微波毫米波系统应用。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的剖面示意图；

图3为本发明实施例S参数仿真结果；

图4是本发明实施例的10路同轴波导端口的相位特性。

附图标号说明：1为50欧姆标准同轴波导、2为Klopfenstein阻抗过渡结构、3为扩展同轴波导段、4为λ/4阻抗匹配段、5为沿径向均匀分布的50欧姆标准同轴波导阵列。

具体实施方式

下面结合附图，以一个3GHz-7GHz的10路功率分配合成器作为实施例，对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不只局限该实施例。

如图1、2所示，本发明的一种Klopfenstein阻抗过渡扩展同轴功率分配合成器，包括50欧姆标准同轴波导1、同轴波导到扩展同轴波导过渡结构2、扩展同轴波导段3、λ/4长阻抗匹配段4和沿径向均匀分布的50欧姆标准同轴波导阵列。扩展同轴波导3为轴对称的圆柱结构；10路50欧姆同轴波导5沿径向呈辐射状分布于扩展同轴波导周围；同轴波导到扩展同轴波导过渡结构2为Klopfenstein阻抗渐变结构，其两端分别与50欧姆同轴波导1和扩展同轴波导3连接；λ/4阻抗匹配段4位于扩展同轴波导3末端，为10路50欧姆同轴波导5提供电等效上的开路。

50欧姆标准同轴波导1内导体半径a₁为2.284mm，外导体半径b₁为5mm。扩展同轴波导3应能够容纳10路同轴波导阵列，确定扩展同轴波导外导体半径b₂为30mm，扩展同轴波导长度L₁为11.11mm。为了使同轴波导到扩展同轴波导过渡结构2具有足够低的反射系数，确定过渡段长度L为86.39mm。由公式(5)可以得到Klopfenstein过渡段外导体方程为：

b(z)＝0.2894y+5，0≤y≤30

单位为mm。已知Z₀为50欧姆，Z_L为5欧姆，结合公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)和(6)可以得到同轴波导到扩展同轴波导过渡结构2内导体曲线上各点坐标和扩展同轴波导3内导体半径为a₂为27.455mm。

λ/4阻抗匹配段4内导体半径为15.955mm，长度L₂为13mm。10路50欧姆同轴波导阵列内导体半径a₃为0.652mm，外导体半径b₃为1.5mm，同轴波导阵列内导体通过金属圆柱与扩展同轴内导体相连接，其中金属圆柱的半径为1.04mm。

图3和4为本发明实施例的反射特性和传输特性。如图3所示，50欧同轴线端口的TEM模式的反射系数在3GHz-7GHz范围内小于-20dB，具有很宽的工作频带。在图3中，3GHz-7GHz范围，同轴波导端口到10路同轴波导阵列各端口的传输系数最大为-9.88dB，最小为-10.12dB，各端口幅度不一致性小于±0.15dB，幅度一致性良好。由图4可见，3GHz-7GHz范围内，同轴波导端口到10路同轴波导阵列各端口传输系数的相位基本相同，具有很好的相位一致性。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，但本发明的实施方式并不局限于上述实施例，其他任何未背离本发明精神实质与原理下所作的改变、替换、组合等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种Klopfenstein阻抗过渡扩展同轴功率分配/合成器，包括：50欧姆标准同轴波导、同轴波导到扩展同轴波导过渡结构、扩展同轴波导段、λ/4长阻抗匹配段和沿径向呈辐射状均匀分布的50欧姆标准同轴波导阵列；

所述50欧姆标准同轴波导一端与同轴波导到扩展同轴波导过渡结构连接，另一端与标准SMA接头连接；

所述同轴波导到扩展同轴波导过渡结构为Klopfenstein阻抗渐变结构，其另一端与扩展同轴波导段连接，其阻抗变化满足Klopfenstein渐变特性阻抗关系，以实现同轴波导到扩展同轴波导的宽带匹配；

所述扩展同轴波导段末端与λ/4阻抗匹配段连接，λ/4阻抗匹配段为N路同轴波导口提供电路等效上的开路；

所述50欧姆标准同轴波导阵列沿径向均匀分布于扩展同轴波导段周围，同时扩展同轴波导段内导体通过金属圆柱与50欧姆标准同轴波导阵列内导体连接，金属圆柱半径大于同轴波导阵列内导体且轴线重合。

2.如权利要求1所述的一种Klopfenstein阻抗过渡扩展同轴功率分配/合成器，其特征在于：所述50欧姆标准同轴波导阵列满足同轴波导单模传输条件。

3.如权利要求1所述的一种Klopfenstein阻抗过渡扩展同轴功率分配/合成器，其特征在于：50欧姆标准同轴波导内外导体半径满足TEM波单模传输条件即：λ≤3.456(a+b)，其中λ为波导工作波长，a、b分别为同轴波导内外导体半径。

4.如权利要求1所述的一种Klopfenstein阻抗过渡扩展同轴功率分配/合成器，其特征在于：所述同轴波导到扩展同轴波导过渡结构为Klopfenstein阻抗渐变结构，Klopfenstein特性阻抗变化的自然对数为：

$\begin{array}{cc}\ln Z\left(z\right)=\frac{1}{2}ln\left(Z_0{Z}_L\right)+\frac{{\mathrm{\Γ}}_0}{\cosh A}{A}^2\mathrm{\φ}(2z/L-1,A)& 0\≤z\≤L\end{array}---\left(1\right)$

其中Z₀和Z_L分别为输入输出端特性阻抗，函数Γ₀为：

${\mathrm{\Γ}}_0=\frac{1}{2}ln(Z_L/Z_0)---\left(2\right)$

函数A为：

$A=\frac{2\mathrm{\π}L}{{\mathrm{\λ}}_m}---\left(3\right)$

其中，L为同轴波导到扩展同轴波导过渡结构的长度，λ_m为最大波导波长；函数φ(x,A)定义为：

$\begin{array}{cc}\mathrm{\φ}(x,A)={\∫}_0^x\frac{I_1\left(A\sqrt{1-y^2}\right)}{A\sqrt{1-y^2}}dy& \left|x\right|\≤1\end{array}---\left(4\right)$

其中I₁(x)是修正贝塞尔函数；

同轴波导到扩展同轴波导过渡段外导体半径遵循方程：

$\begin{array}{cc}b\left(z\right)=y=\frac{(b_2-b_1)z}{L}+b_1& b_1\≤y\≤b_2\end{array}---\left(5\right)$

式中，b₁为同轴波导外导体半径，b₂为扩展同轴波导外导体半径，由同轴波导特性阻抗公式可以确定Klopfenstein过渡段内导体半径满足方程：

$a\left(z\right)=\frac{b\left(z\right)}{e^{\frac{Z\left(z\right)\sqrt{{\mathrm{\ξ}}_r}}{60}}}---\left(6\right)$

式中，ξ_r为同轴线内填充介质的相对介电常数，由Z₀为50欧姆和Z_L为50/N欧姆(N为功率分配/合成路数)，结合上面的公式可以确定过渡段内导体曲线a(z)。