CN110048204A - 矩形波导径向功率合成器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种矩形波导径向功率合成器，旨在提供一种具有宽频带、高效率以及高功率容量的矩形波导径向功率合成器。本发明通过下述技术方案予以实现：模式转换器以S形双弯曲管体形态的S管双弯圆波导，从底部固定端的波导端口4连通圆盘中的功率合成腔，自由端固接锥体形状波导的方形窗口波导腔体；在圆盘的中空平台上制有按圆周角等分指向功率合成腔并围绕中心匹配圆台径向均等圆阵分布的矩形波导输入端口；模式转换器将矩形波导中的主模TE10模转换为S管双弯圆波导中电场具有径向旋转特性的TM01模，通过相连功率合成腔与各径向分布的矩形波导输入端口通道中的主模TE10模耦合，最终完成各输入端口等幅同相合成。

Description

矩形波导径向功率合成器
技术领域
本发明涉及微波/毫米波电路领域，具体涉及包含模式变换器的微波/毫米波模块与组件，主要应用于矩形波导多路高效率功率合成。
背景技术
微波/毫米波功率合成技术通常分为芯片级与电路级合成，其中芯片级合成将多个放大器管芯并联在一起实现输出功率叠加,其物理尺寸一般远小于波长，因而限制了合成规模。电路级功率合成按实现原理又可分为谐振与非谐振式两种。典型的谐振型功率合成器基于矩形或者圆柱形腔体,被广泛应用于窄带功率放大器及振荡器,缺点是相位噪声与频率稳定度差,工作频带窄。非谐振型功率合成器基于各种射频传输线，具有工作频带宽，射频性能稳定，电路形式灵活多样等优点，为目前行业主流技术。其中，以矩形波导作为射频传输线的功率合成器具有合成效率高的优点，近年来获得了广泛研究与应用。传统的矩形波导多路合成一般采用波导2路合成器级联实现，在微波/毫米波频率的低端可以获得满足工程应用的合成效率。当频率提升至3mm波段(95GHz)，级联扩展多路合成器会带来合成效率的急剧下降。究其原因主要是矩形波导插损随着频率的升高变大，级联扩展多路带来的矩形波导传输距离延长将呈现很高的损耗。
为了降低损耗提升合成效率，最直接的做法是采用一次性多路合成，缩短波导传输长度。其中，报道较多的方法包括过模波导内合成，准光功率合成，径向功率合成等。受限于波导尺寸，过模波导内合成通常只用于微波或毫米波低频段。准光功率合成借助光学原理，在封闭腔/开放空间内对多个衍射波进行叠加实现，通常的电路结构十分复杂，且带宽很窄。
径向功率合成将输出端作为中心线，各输入端口按中心线旋转，呈等角度径向分布，合成路数的多少可根据需要设计。径向功率合成在电路结构上具有轴向对称特性，可广泛适用于各种频段。位于各端口交接处功率合成腔的电磁波模式转换器以及匹配电路设计是径向功率合成可实现带宽与合成效率的关键。传统的径向功率合成多采用同轴端口，由于同轴线主模TEM模式的电磁场具有轴向对称特性，因而容易实现等幅同相合成，该技术在微波频段(18GHz以下)得到了较多应用。在毫米波频段，为了降低损耗往往采用矩形波导，由于矩形波导主模TE10模式的电磁场为非轴向对称分布，因而矩形波导端口的径向功率合成器需要用到模式转换电路。径向功率合成中适用的模式有同轴TEM模，圆波导TE01模，圆波导TM01模等，它们的共同特点是具有轴向对称的电磁场，容易通过功率合成腔与径向分布的各端口实现偶合。矩形波导TE10模与这些适用模式的转换电路多种多样，在国内外文献中均有报道。同轴TEM模式的转换借助波导—同轴过渡实现，技术成熟工作频带宽，但同轴线在功率容量上的缺陷导致无法用于高功率场合。圆波导为金属空腔结构，功率容量大，适合高功率应用。圆波导中传输模式众多，其中的TE01与TM01模电磁场呈轴向对称分布，适合径向功率合成应用。但由于不是圆波导主模，如何宽带高效率地激励它们并抑制其它模式成为径向功率合成器的关键。此外，径向功率合成器端口交接处的功率合成腔中需要加入额外匹配结构来满足各端口等幅同相合成的同时实现匹配。目前常用的匹配装置包括单圆台，多阶圆台以及圆锥台等，能够实现的端口匹配带宽有限。
发明内容
本发明目的是针对目前毫米波高频段级联型多路波导功率合成器效率低的问题，提出一种多路一次性合成，具有宽频带、高效率以及高功率容量的矩形波导径向功率合成器，以达到提升毫米波高频段合成功放输出功率的目的。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种矩形波导径向功率合成器，具有一个多边形等分的圆盘和固定在所述圆盘中心的模式转换器2及其矩形波导1，其特征在于：模式转换器2以S形双弯曲管体形态的S管双弯圆波导9，从底部固定端的波导端口4连通圆盘中的功率合成腔5，自由端固接锥体形状波导的方形窗口波导腔体3；在圆盘的中空平台上制有按圆周角等分指向功率合成腔5并围绕中心匹配圆台7径向均等圆阵分布的矩形波导输入端口6；模式转换器2将矩形波导1中的主模TE10模转换为S管双弯圆波导9中电场具有径向旋转特性的TM01模，通过相连功率合成腔5与各径向分布的矩形波导输入端口6通道中的主模TE10模耦合，最终完成各输入端口等幅同相合成。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
本发明中的模式转换器为2次转换方式，首先将矩形波导中的主模TE10模转换为与之电磁场分布类似的圆波导主模TE11模，然后再通过圆波导双弯结构转换为需要的TM01模式。其中，矩形波导TE10模与圆波导TE11模转换结构采用矩形波导宽边尺寸不变，将窄边渐变拉伸为与宽边相同尺寸后与圆波导直连的方式实现，相比传统的矩圆渐变拉伸，本发明在功能性能一致的前提下极大地简化了加工制造难度。此外，圆波导双弯结构具有缓变特性，相比传统的矩圆波导90°交接转换，可以在更宽的频带内实现圆波导TE11与TM01模式的高效率转换。因而本发明中的模式转换器具有插入损耗小，工作频带宽，模式转换效率高，加工制造难度低等优点。
本发明中位于功率合成腔中心处的中心匹配圆台侧面采用指数型曲面，使矩形波导径向功率合成器具有了更好的频率响应特性。通过优化中心匹配圆台上下直径尺寸，高度，以及侧曲面指数参数在更宽的频带范围内实现了端口匹配。相比普通圆柱台，本发明可以在更宽的频带内实现等幅同相的高效率功率合成以及端口匹配。应用于功率合成时，矩形波导径向功率合成器的每个输入波导端口对应一组功放输出，通过端口交接处的功率合成腔实现各路功率的叠加。最终经由模式转换电路将功率合成腔中的合成信号转换为矩形波导主模后输出。
附图说明
图1是本发明矩形波导径向功率合成器三维外形图。
图2是图1按输出矩形波导宽边中心线的剖面示意图。
图3是图1中模式转换器的内部结构图。
图4是图1中功率合成腔内部结构图。
图中：1矩形波导，2模式转换器，3方形窗口波导腔体，4波导端口，5功率合成腔，6矩形波导输入端口，7中心匹配圆台，8锲形切面，9S管双弯圆波导。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
参阅图1、图2。在以下描述的实施例中，一种矩形波导径向功率合成器，具有一个多边形等分的圆盘和固定在所述圆盘中心的模式转换器2及其矩形波导1，其特征在于：模式转换器2以S形双弯曲管体形态的S管双弯圆波导9，从底部固定端的波导端口4连通圆盘中的功率合成腔5，自由端固接锥体形状波导的方形窗口波导腔体3；在圆盘的中空平台上制有按圆周角等分指向功率合成腔5并围绕中心匹配圆台7径向均等圆阵分布的矩形波导输入端口6；模式转换器2将矩形波导1中的主模TE10模转换为S管双弯圆波导9中电场具有径向旋转特性的TM01模，通过相连功率合成腔5与各径向分布的矩形波导输入端口6通道中的主模TE10模耦合，最终完成各输入端口等幅同相合成。功率合成中的端口阻抗匹配通过位于功率合成腔5中心处的中心匹配圆台7与圆盘上顶面形成的耦合缝隙，以及各矩形波导输入端口6通道径向交接形成梯形块的锲形切面8围绕中心匹配圆台7构成的功率合成腔5共同实现。
参阅图3。模式转换器2为两段式结构，第一段将矩形波导1的窄边进行渐变拉伸，形成长宽边尺寸相同的锥形大端到小端渐变的方形窗口波导腔体3。第二段对圆波导连续进行正反向两次弯曲构成S管双弯圆波导9。S管双弯圆波导9与方形窗口波导腔体3相连构成完整的模式转换器2。
参阅图4。功率合成腔5通过圆盘中心平滑圆弧过渡曲面圆台而形成，中心匹配圆台7径向的构成曲面与S管双弯圆波导9底端的波导端口4耦合形成了具有指数型的波导缝隙，各矩形波导输入端口6通道径向交接形成梯形块的锲形切面8围绕中心匹配圆台7构成了功率合成腔5。
以上结合附图对本发明进行了详细描述，但需要指出的是，上述实例所描述的是仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种矩形波导径向功率合成器，具有一个多边形等分的圆盘和固定在所述圆盘中心的模式转换器(2)及其矩形波导(1)，其特征在于：模式转换器(2)以S形双弯曲管体形态的S管双弯圆波导(9)，从底部固定端的波导端口(4)连通圆盘中的功率合成腔(5)，自由端固接锥体形状波导的方形窗口波导腔体(3)，在圆盘的中空平台上制有按圆周角等分指向功率合成腔5并围绕中心匹配圆台(7)径向均等圆阵分布的矩形波导输入端口(6)；并且在圆盘的中空平台上制有按圆周角等分，以梯形块状指向功率合成腔(5)并围绕中心匹配圆台(7)径向等分均布圆阵的矩形波导输入端口(6)；模式转换器(2)将矩形波导(1)产生的主模TE10模转换为S管双弯圆波导(9)中电场具有径向旋转特性的TM01模，通过相连功率合成腔(5)与各径向分布的矩形波导输入端口(6)通道中的主模TE10模耦合，最终完成各输入端口等幅同相合成。
2.如权利要求1所述的矩形波导径向功率合成器，其特征在于：功率合成中的端口阻抗匹配通过位于功率合成腔(5)中心处的中心匹配圆台(7)形成的辐射缝隙，以及各矩形波导输入端口(6)通道径向形成的扼流槽，梯形块的锲形切面(8)围绕中心匹配圆台(7)形成的功率合成腔(5)共同实现。
3.如权利要求1所述的矩形波导径向功率合成器，其特征在于：模式转换器(2)为两段式结构，第一段将矩形波导(1)的窄边进行渐变拉伸，形成长宽边尺寸相同的锥形大端到小端渐变的方形窗口波导腔体(3)，第二段对圆波导连续进行正反向两次弯曲构成S管双弯圆波导(9)。
4.如权利要求1所述的矩形波导径向功率合成器，其特征在于：S管双弯圆波导(9)与方形窗口波导腔体(3)相连构成完整的模式转换器(2)。
5.如权利要求1所述的矩形波导径向功率合成器，其特征在于：功率合成腔(5)通过圆盘中心平滑圆弧过渡曲面圆台而形成，中心匹配圆台(7)径向构成的曲面圆台与S管双弯圆波导(9)底端的波导端口(4)耦合形成了具有指数型的波导缝隙。
6.如权利要求1所述的矩形波导径向功率合成器，其特征在于：各径向的矩形波导输入端口(6)通道指向中心匹配圆台(7)的圆阵均布的锲形切面(8)构成了功率合成腔(5)的圆缝宽边。
7.如权利要求1所述的矩形波导径向功率合成器，其特征在于：中心匹配圆台(7)在圆缝宽边中心，与波导端口(4)阻抗匹配产生口面场分布和匹配，电导为0，无辐射，并且在远离中心的电导变大，辐向变大。
8.如权利要求1所述的矩形波导径向功率合成器，其特征在于：电磁波通过中心匹配圆台(7)平面上窄缝向方形窗口波导腔体(3)辐射导纳，实现窄波束、低副瓣乃至超低副瓣同相激励进入系统。
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