CN109149045B - 一种波导h-t结及毫米波波导平面功率分配合成网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波导H‑T结及毫米波波导平面功率分配合成网络，属于微波毫米波无源器件领域中的功率分配/合成器。本发明波导H‑T结包括三个标准矩形波导管，还包括波导匹配结构，波导匹配结构包括设于波导腔内的阶梯结构以及位于第一波导管末端处的收窄结构。本发明毫米波波导平面功率合成网络的功率分配器和功率合成器是以波导H‑T结为基本单元进行二进制树形级联实现的。本发明波导H‑T结可以实现良好的匹配效果，其结构简单，易于加工实现。本发明的波导平面功率分配合成网络结构简单、紧凑，易于实现，其结构设计非常巧妙，可以极大地节省空间，从而有助于实现装置的小型化。

Description

一种波导H-T结及毫米波波导平面功率分配合成网络

技术领域

本发明涉及一种波导H-T结及毫米波波导平面功率分配合成网络，属于微波毫米波无源器件领域中的功率分配/合成器，特别适用于作为卫星通信微波信道设备功率放大器的功率合成器。

背景技术

卫星通信正在向Ka等更高的通信频段发展，通信容量越来越大，因而所需要的微波毫米波信道设备的功率越来越大，但是在微波毫米波频段单个固态功率放大器芯片的输出功率有限，因而在卫星通信的高频段固态功率放大器均采用功率合成的方式。

目前，在这些频段应用最多的功率合成技术是波导内空间功率合成。波导内空间功率合成既能有效地解决各个功率单片的散热又能提高多路合成时的功率合成效率，更适合应用于在这些频段产生较大的整机输出功率。随之，如何设计幅度相位一致性好、插入损耗小、体积小的波导空间功率合成网络，就成了研制高功率输出微波毫米波功率放大器的瓶颈之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种波导H-T结及毫米波波导平面功率分配合成网络，该波导H-T结具有匹配性好的特点，该网络具有幅相一致性高、插入损耗小、体积小、合成效率高、频带宽的特点。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种波导H-T结，包括三个标准矩形波导管，其中，第二波导管与第三波导管位于同一直线上，第一波导管与第二、第三波导管相垂直；此外，还包括波导匹配结构，所述波导匹配结构包括设于波导腔内的阶梯结构以及位于第一波导管末端处的收窄结构；所述阶梯结构正对第一波导管，所述阶梯结构在竖直方向上贯穿整个波导腔，所述阶梯结构与波导腔的侧壁不相接触，所述阶梯结构由叠置的下方长方体金属块和上方长方体金属块组成，上方长方体金属块的尺寸小于下方长方体金属块的尺寸；所述收窄结构为位于第一波导管末端交接面两窄边处的竖向金属柱。

本发明还提供一种毫米波波导平面功率分配合成网络，其包括波导功率分配器和波导功率合成器；所述波导功率分配器和波导功率合成器均以腔体形式集成在同一个装置本体中，波导功率分配器和波导功率合成器均为二进制树形级联结构；所述二进制树形级联结构以如权利要求1所述的波导H-T结为基本单元，且下一级波导H-T结的第一波导管通过直波导与上一级波导H-T结的第二或第三波导管连接；两个二进制树形级联结构的首级波导H-T结的第一波导管的朝向相反，两个二进制树形级联结构的分布区域彼此平行，两个二进制树形级联结构的级数相同；两个二进制树形级联结构的所有末级波导管均通过波导E面90°阶梯过渡弯角导向同一方向，并通过直波导开口于所述装置本体的同一个外表面上；两个二进制树形级联结构中，一者的首级波导H-T结的第一波导管通过第一波导结构开口于所述装置本体的一侧表面上，另一者的首级波导H-T结的第一波导管通过第二波导结构开口于所述装置本体的对侧表面上。

在一种更具体的情况下，所述第一波导结构为直波导，所述第二波导结构由直波导和两个波导E面90°阶梯过渡弯角组成。

在一种更具体的情况下，所述波导功率合成器的波导尺寸小于所述波导功率分配器的波导尺寸。

在一种更具体的情况下，所述二进制树形级联结构为2、3、4或5级级联。

在一种更具体的情况下，所述波导功率分配器中，至少有一个波导H-T结的两个侧向支臂长度不等，从而使输出波导具有90°相位差；所述波导功率合成器的对应波导H-T结的两个侧向支臂长度不等，从而消除波导功率分配器所产生的相位差。

在一种更具体的情况下，所述装置本体包括上、中、下三块层板，三块层板之间通过螺钉紧固连接，所述上层板的下表面具有第一上型面，所述中层板的上表面具有第一下型面，所述中层板的下表面具有第二上型面，所述下层板的上表面具有第二下型面，所述第一上型面和第一下型面构成第一型腔，所述第二上型面和第二下型面构成第二型腔，所述波导功率分配器和波导功率合成器分别包含于第一型腔和第二型腔中。

在一种更具体的情况下，所述波导功率分配器的所有末级波导管所对应的开口与所述波导功率合成器的所有末级波导管所对应的开口均分散地分布于所述装置本体的相应外表面上；根据两组开口之间的对应关系，彼此对应的两个开口临近分布。

本发明采用上述技术方案相对于现有技术而言所产生的有益效果在于：

1、本发明波导H-T结可以实现良好的匹配效果，其结构简单，易于加工实现。

2、本发明的波导平面功率分配合成网络结构简单、紧凑，易于实现，其结构设计非常巧妙，可以极大地节省空间，从而有助于实现装置的小型化。

3、本发明波导平面功率分配合成网络可用于研制功率合成放大器，其中，功率分配合成网络部分与功率放大器基本单元可以分别、单独地进行调试，并且所有参与功率合成的放大器基本单元都设置在波导平面功率合成网络的一侧，这样的结构有利于功率放大器基本单元模块进行散热。此外，在以该波导平面功率分配合成网络为基础研制的功率合成放大器中，功率放大器基本单元模块可分离设计，基本单元故障时可以方便地进行维修和更换。

4、进一步地，本发明波导平面功率分配合成网络中，波导功率合成器的波导尺寸小于波导功率分配器的波导尺寸，这样，在结合高精度加工技术以提高波导内腔的表面光洁度的情况下，可以大大降低波导功率合成器的插入损耗，最大程度地提高波导功率合成放大器的功率合成效率。

5、进一步地，本发明波导平面功率合成分配网络中的波导功率分配器和波导功率合成器中的波导H-T结的两个侧向支臂的长度经过调整，使输入波导H-T结和输出波导H-T结的两个支臂分别实现互补的90°相位差，由此可以实现平衡功率放大器，该结构在多路功率合成时可以有效改善端口的驻波特性。

附图说明

图1为本发明实施例中波导H-T结的一种三维结构示意图；

图2为图1中波导H-T结的波导腔结构示意图；

图3为图1所示波导H-T结的S参数仿真结果图；

图4为本发明实施例中一种毫米波波导平面功率分配合成网络的波导功率分配器和波导功率合成器的腔体结构示意图；

图5为不做支臂长度调整情况下毫米波波导平面功率合成网络的S参数仿真结果图；

图6为本发明实施例中毫米波波导平面功率合成网络装置本体的一个侧视图；

图7为本发明实施例中毫米波波导平面功率合成网络装置本体的俯视图；

图8为本发明实施例中第一下型面的结构示意图；

图9为本发明实施例中第二下型面的结构示意图；

图10为本发明实施例中一种波导功率分配器和波导功率合成器腔体结构的俯视图；

图11为经过支臂长度调整的毫米波波导平面功率合成网络的S参数仿真结果图；

附图标记说明：第一波导口1，第二波导口2，第三波导口3，下方长方体金属块4，上方长方体金属块5，左侧长方体金属块6，右侧长方体金属块7，功率输出波导口8，功率输入波导口9，第二波导结构10，波导功率分配器一级波导H-T结11，波导功率分配器二级波导H-T结12、13，波导功率分配器三级波导H-T结14、15、16、17，波导功率分配器四级波导H-T结18、19、20、21、22、23、24、25，波导E面90°阶梯过渡弯角26、27，标准矩形波导管28，上层板29，中层板30，下层板31，临近的一对开口32。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和2所示，一种波导H-T结，其包括三个标准矩形波导口，依次是第一波导口1、第二波导口2和第三波导口3；所述的第二波导口2和第三波导口3在一条直线上反向对接，第一波导口1与第二、第三波导口2、3联通的标准矩形波导管在宽边上垂直联通；上方、下方长方体金属块4、5设置在波导腔内，且处在波导H面T型结的正中处，上方长方体金属块5设置在下方长方体金属块4上，左侧、右侧长方体金属块6、7设置在波导管交接面的窄边处；长方体金属块4、5、6、7用于实现波导口1、2、3间的匹配。

上述波导H-T结的S参数仿真结果如图3所示。从图中可以看出，该波导H-T结具有良好的性能。

一种毫米波波导平面功率合成网络，其输入端的功率分配器和输出端的功率合成器是以便于机加实现的波导H-T结为基本单元进行二进制树形级联实现的。

具体来说，该功率合成网络以上述波导H-T结为基本单元，波导功率分配器和波导功率合成器都是以波导H-T结进行二进制树形级联实现的，波导功率分配器和波导功率合成器分别处在两个平面上，为减小波导功率合成器插入损耗并提高功率合成效率，可以使波导功率合成器中的波导尺寸小于波导功率分配器中的波导尺寸。

该毫米波波导平面功率合成网络的合成路数可根据具体需要设置为二路、四路、八路、十六路、三十二路等。以十六路毫米波波导平面功率合成网络为例，如图4所示，波导平面功率合成网络包括一个功率输出波导口8、一个功率输入波导口9；为便于波导平面功率合成网络的机加工实现，功率输入波导处设置了第二波导结构10，第二波导结构10是由一个直波导和两个波导E面90°阶梯过渡弯角所组成的波导Z型过渡结构。

输入微波信号经功率输入波导口9输入，利用一级波导H-T结11进行功率等幅同相分配，等幅同相分配后的微波信号再经二级波导H-T结12、13进行等幅同相分配，再经三级波导H-T结14、15、16、17进行等幅同相分配，再经四级波导H-T结18、19、20、21、22、23、24、25进行等幅同相分配，最终将毫米波十六路波导平面功率合成网络输入端的信号进行了等幅同相的十六路分配。

十六路功率合成器与十六功率分配器相同，十六路功率分配器上有16个波导E面90°阶梯过渡弯角26，十六路功率合成器上也有16个波导E面90°阶梯过渡弯角27。

此外，还可在波导功率分配器的所有末级波导管所对应的开口与波导功率合成器的所有末级波导管所对应的开口之间设置标准矩形波导管28，该标准矩形波导管28用于毫米波波导平面功率合成网络性能的仿真和测试，正常使用的时候不需要标准矩形波导管28。

如图6～9所示，本发明所涉及的一种毫米波波导平面功率合成网络包括上层板29、中层板30、下层板31；上层板板的下表面具有第一上型面，中层板的上表面具有第一下型面，中层板的下表面具有第二上型面，下层板的上表面具有第二下型面，第一上型面和第一下型面构成第一型腔，第二上型面和第二下型面构成第二型腔，波导功率分配器和波导功率合成器分别包含于第一型腔和第二型腔中。

具体来说，上层板29上设置了二进制级联的波导H-T结及用于实现匹配的长方体金属块，还设置了用于实现波导E面90°弯角过渡的阶梯。中层板30上设置了二进制级联的波导H-T结及用于实现匹配的长方体金属块，还设置了用于实现波导E面90°弯角过渡的阶梯，还设置了实现波导功率分配器波导联通的直通波导。下层板31上设置了实现波导功率分配器波导和波导功率合成器波导联通的直通波导，另外下层板31上还可以根据需要设置用于装配驱动功率芯片的腔体结构。

这种结构中，波导功率分配器和波导功率合成器分层设置在波导平面功率合成网络中，最大程度地减小了波导平面功率合成网络的体积和重量。

此外，为了便于使用，可以使波导功率分配器的所有末级波导管所对应的开口与波导功率合成器的所有末级波导管所对应的开口均分散地分布于所述装置本体的相应外表面上，同时根据两组开口之间的对应关系，使彼此对应的两个开口32临近分布。仿真测试时，可以通过标准矩形波导管28将这两个开口32连通。

如图10所示，还可对该毫米波波导平面功率合成网络中的波导功率分配器和波导功率合成器中的波导H-T结输出两支臂的长度进行调整，使输入波导H-T结和输出波导H-T结的两个支臂分别实现互补的90°相位差，由此可以实现平衡功率放大器。

图5和图11分别为不经支臂长度调整和经过支臂长度调整的毫米波平衡波导平面功率合成网络的S参数仿真结果图。可以看出，经过支臂长度调整后（即图10的结构），在多路功率合成时可以有效改善端口驻波特性。

本发明毫米波平衡波导平面功率合成网络的简要工作原理如下：

如图4所示（标准矩形波导管28仅用于毫米波波导平面功率合成网络性能的仿真和测试，正常使用的时候不需要该结构），输入信号从功率输入波导口9激励时，输入信号首先经过波导Z型过渡10，再经波导功率分配器一级波导H-T结11等幅同相分成两路信号，分路后的信号经波导功率分配器二级波导H-T结12、13分别等幅同相分成两路信号，此时输入波导口9激励的信号已被四路等幅同相分配，分路后的信号再经波导功率分配器三级波导H-T结14、15、16、17和波导功率分配器四级波导H-T结18、19、20、21、22、23、24、25分别实现四路等幅同相分配，最后输入波导口9激励的信号完成16路等幅同相分配。最终分路后的16路支路信号经波导E面90°阶梯过渡弯角26分别输出。根据互易原理，16路波导功率合成器与16路波导功率分配器相同。

Claims (5)

1.一种毫米波波导平面功率分配合成网络，包括波导功率分配器和波导功率合成器；其特征在于，所述波导功率分配器和波导功率合成器均以腔体形式集成在同一个装置本体中，波导功率分配器和波导功率合成器均为二进制树形级联结构；所述二进制树形级联结构以波导H-T结为基本单元，且下一级波导H-T结的第一波导管通过直波导与上一级波导H-T结的第二或第三波导管连接；

所述波导H-T结包括三个标准矩形波导管，其中，第二波导管与第三波导管位于同一直线上，第一波导管与第二、第三波导管相垂直；其特征在于，还包括波导匹配结构，所述波导匹配结构包括设于波导腔内的阶梯结构以及位于第一波导管末端处的收窄结构；所述阶梯结构正对第一波导管，所述阶梯结构在竖直方向上贯穿整个波导腔，所述阶梯结构与波导腔的侧壁不相接触，所述阶梯结构由叠置的下方长方体金属块和上方长方体金属块组成，上方长方体金属块的尺寸小于下方长方体金属块的尺寸；所述收窄结构为位于第一波导管末端交接面两窄边处的竖向金属柱；

两个二进制树形级联结构的首级波导H-T结的第一波导管的朝向相反，两个二进制树形级联结构的分布区域彼此平行，两个二进制树形级联结构的级数相同；两个二进制树形级联结构的所有末级波导管均通过波导E面90°阶梯过渡弯角导向同一方向，并通过直波导开口于所述装置本体的同一个外表面上；两个二进制树形级联结构中，一者的首级波导H-T结的第一波导管通过第一波导结构开口于所述装置本体的一侧表面上，另一者的首级波导H-T结的第一波导管通过第二波导结构开口于所述装置本体的对侧表面上；

所述第一波导结构为直波导，所述第二波导结构由直波导和两个波导E面90°阶梯过渡弯角组成；

所述波导功率合成器的波导尺寸小于所述波导功率分配器的波导尺寸。

2.根据权利要求1所述的毫米波波导平面功率分配合成网络，其特征在于，所述二进制树形级联结构为2、3、4或5级级联。

3.根据权利要求1所述的毫米波波导平面功率分配合成网络，其特征在于，所述波导功率分配器中，至少有一个波导H-T结的两个侧向支臂长度不等，从而使输出波导具有90°相位差；所述波导功率合成器的对应波导H-T结的两个侧向支臂长度不等，从而消除波导功率分配器所产生的相位差。

4.根据权利要求1所述的毫米波波导平面功率分配合成网络，其特征在于，所述装置本体包括上、中、下三块层板，三块层板之间通过螺钉紧固连接，所述上层板的下表面具有第一上型面，所述中层板的上表面具有第一下型面，所述中层板的下表面具有第二上型面，所述下层板的上表面具有第二下型面，所述第一上型面和第一下型面构成第一型腔，所述第二上型面和第二下型面构成第二型腔，所述波导功率分配器和波导功率合成器分别包含于第一型腔和第二型腔中。

5.根据权利要求1所述的毫米波波导平面功率分配合成网络，其特征在于，所述波导功率分配器的所有末级波导管所对应的开口与所述波导功率合成器的所有末级波导管所对应的开口均分散地分布于所述装置本体的相应外表面上；根据两组开口之间的对应关系，彼此对应的两个开口临近分布。