CN110492212A - 一种基于脊间隙波导技术的超宽带功率分配合成器 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种基于脊间隙波导技术的超宽带功率分配器,涉及微波/毫米波无源器件领域，具体为一种基于新型脊间隙波导技术实现的超宽带功率分配/合成器。为了克服现有技术中的缺点，提高固态功率放大器的工作带宽，使其能在几个频段内都能有效工作从而节省设计成本。本发明提出了一种超宽带脊间隙波导功率分配/合成器，具有功率容量大、超宽带(3个倍频程)、结构紧凑、低损耗、幅相一致性好、易于加工与装配等优点。

Description

一种基于脊间隙波导技术的超宽带功率分配合成器

技术领域

本发明涉及微波/毫米波无源器件领域，具体为一种基于新型脊间隙波导技术实现的超宽带功率分配/合成器。

背景技术

近年来，微波/毫米波高功率、高效率固态功率放大器作为不可或缺的射频模块已广泛应用至各种无线通信系统中。然而，限于当前半导体工艺水平，单个功放芯片的输出功率十分有限，通常难以实现系统的大功率输出需求。为了解决此问题，有必要研究功率合成技术。

基于微带线、基片集成波导功率分配器在低频段具有频带宽、易加工等特点，具有较高的实用价值。然而，随着频率升高，微带线这种半开放式介质平面传输线的功率合成技术存在严重的介质损耗和较强的辐射损耗，会大大降低功率合成器的合成效率。同样的，基片集成波导也具有较高的介质损耗。基于矩形波导功率分配器有着低损耗，高功率容量的优点。但是，矩形波导的工作模式为TE模，受模式截止频率的限制，其只能在某个波段具有较高的传输效率，无法进行多个波段的超宽带合成。基于同轴径向波导实现的功率分配/合成器是一种单级的功率合成结构，理论上能在宽频带内实现任意路数的功率分配和合成。然而，同轴功率分配器的功率容量偏低，且加工困难，容差性能较低。

新型毫米波传输线脊间隙波导可以很好的弥补传统矩形波导与微带线的缺点，由于其本身结构的特点，脊间隙波导具有频带宽，功率容量高，加工装配简单等诸多优势。从结构上看，脊间隙波导仅由上下两块独立且平行放置的金属板构成，其上盖板为金属材质，表现为PEC特性，下盖板表面由金属脊与其周围的周期性结构组成。当上下盖板之间的空气间隙小于四分之一波长时，周期性结构可表现为PMC特性，在一定的频率范围内的电磁波将在此区域被完全截止，从而使电磁波以准TEM模的形式沿着金属脊的方向传播。此外，电磁波在金属平板之间的空气间隙中传播，这保证了模式的纯净，避免了电磁波在不同介质中传播产生的扭曲现象，并且没有电介质损耗。因此，相比于微带线与基片集成波导，脊间隙波导的损耗将大大降低。在装配方面，脊间隙波导上下盖板之间无需直接电接触，这使得脊间隙波导制成的功率分配器在毫米波或者太赫兹频段具有比矩形波导更广的应用前景(同等加工精度条件下，脊间隙波导的容差性能更高，损耗更小)。

文章“A power divider/combiner realized by ridge gap waveguidetechnology for millimeter wave applications,”MMWaTT,Tehran,Iran,Dec.2016,pp.20-22.”作者B.Ahmadi，A.Banai提出了一种脊间隙波导3dB功率分配器，该结构利用了相邻金属脊之间的耦合效应，在Ka波段实现了两路等功率分配。然而，该结构输出端为标准矩形波导，无法在多波段同时工作，这限制了脊间隙波导的宽频带优势。文章“Design of3-dB hybrid coupler based on RGW technology,”IEEE Transactions on MicrowaveTheory and Techniques,vol.65,no.10,pp.3849-3855,Oct.2017.”作者S.I.Shams，A.A.Kishk报道了一种混合耦合器，利用四端口耦合器原理结合脊间隙波导特性实现了等功率分配。然而，此结构虽然利用了单脊波导到同轴的过渡结构进行功率输出，但缺少对功率分支处阻抗匹配段的设计，只获得了14％的相对带宽。因此，该结构也很难应用至对带宽需求较高的无线通信系统中。

发明内容

为了克服上述困难，本发明提出了一种超宽带脊间隙波导功率分配/合成器，具有超宽带(3个倍频程)、低损耗、幅相一致性好、功率容量大、结构紧凑、易于加工与装配等优点。

为了实现上述设计目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于脊间隙波导技术的超宽带功率分配器，该功率分配器包括：下腔体、上盖板、输入标准同轴波导、输入过渡结构、输入脊间隙波导、脊间隙波导T型结、两个输出脊间隙波导、两个输出过渡结构、两个输出标准同轴波导；所述输入标准同轴波导通过输入过渡结构连接输入脊间隙波导，然后连接脊间隙波导T型结，所述脊间隙波导T型结分出的两个分支分别依次连接输出脊间隙波导、输出过渡结构、输出标准同轴波导；所述输入脊间隙波导与输出脊间隙波导内的波传播方向相同；所述输入过渡结构或输出过渡结构包括：同轴波导探针段和终端短路的脊间隙波导探针段；所述脊探针与伸出的同轴探针直接接触；所述输入标准同轴波导、输入过渡结构、输入脊间隙波导、脊间隙波导T型结、两个输出脊间隙波导、两个输出过渡结构、两个输出标准同轴波导都位于下腔体内；所述上盖板位于下腔体上方，用于盖住输入标准同轴波导、输入过渡结构、输入脊间隙波导、脊间隙波导T型结、两个输出脊间隙波导、两个输出过渡结构、两个输出标准同轴波导。

进一步的，所述脊间隙波导T型结与输出脊间隙波导通过多级阶梯过渡结构连接，所述多级阶梯过渡结构两侧都呈阶梯状，从脊间隙波导T型结端两侧阶梯宽度依次放大。进一步的，所述脊间隙波导T型结的分支点顶部凹陷，在下腔体对应于凹陷处的位置设置一与凹陷形状啮合的T型结匹配膜片；所述多级阶梯过渡结构与输出脊间隙波导呈90°连接，在弯角顶点处的两边都向内呈一个台阶的阶梯变化，变化后弯角顶点外侧呈每个角都为90°的“W”形，在下腔体内对应于该“W”形的位置设置一与该“W”形状啮合的脊间隙波导直角弯头匹配膜片；所述T型结匹配膜片和脊间隙波导直角弯头匹配膜片都为金属材质的实心结构。

进一步的，所述金属脊周围设置有周期阵列分布的圆柱形电磁带隙结构，所述圆柱形结构的顶部不与上盖板接触，该圆柱形结构也是材质为金属的实心结构。

进一步的，所述同轴到脊间隙波导过渡结构内的脊探针长度约为λ4，λ为工作波长。

进一步的，所述脊间隙波导中g≤λ4，其中λ为中心频率对应的工作波长，g为阵列分布的圆柱形结构上顶面至上盖板的空气间隙高度；根据间隙为零的极端情况下脊边缘的电纳B满足：

式中

可计算出脊间隙波导的截止频率；其中w1为主脊的脊宽，h₁为脊高，w为环绕脊周围第一列圆柱形结构之间的距离，h为脊间隙波导的高度，ε₀为真空介电常数，μ₀为真空磁导率，η₀为波阻抗；设计时需保证工作频带落在截止频率范围内。

一种基于脊间隙波导技术的超宽带功率合成器，与上述功率分配器结构完全相同，只是上述功率分配器的输入端为本功率合成器的输出端，上述功率分配器的输出端为本功率合成器的输入端。

本发明的优点在于：

(1)采用新型脊间隙波导作为基本传输线，电磁波以准TEM模作为工作模式并以空气为介质沿着主脊传输；工作带宽可达到数个倍频程，能同时在多个波段稳定工作。

(2)输入输出均采用标准同轴波导，可直接与外部微波毫米波系统互连。保证了脊间隙波导功率分配器的工作带宽不受限于输入输出过渡结构。

(3)所述功率分配器为全金属结构，其在传输过程中只具有极低的欧姆损耗，无介质损耗与辐射损耗，故合成效率高、功率容量大。

(4)输入输出的同轴探针直接与脊探针物理接触，此种电流耦合方式相比于传统的电磁耦合方式不仅降低了装配的复杂度，同时保证了较强的容差性能。

(5)所述脊间隙波导功率分配/合成器整体结构完全集成在两块独立的金属板之间，并且上下盖板无直接电接触。这种特殊的结构将有望解决在毫米波甚至太赫兹频段传统波导功率分配结构由于装配误差引起的损耗过大的问题。

(6)功率合成完全在脊间隙波导腔体内部完成，可以同时级联多个功率分配器实现多路宽带大功率合成。

附图说明

图1是本发明所述的脊间隙波导功率分配/合成器的实施例结构三维示意图；

图2是实施例下腔体俯视图；

图3是所述功率分配/合成器S参数回波损耗仿真结果；

图4是所述功率分配/合成器S参数传输系数仿真结果；

图5是所述功率分配/合成器S参数相位特性仿真结果；

具体实施方式

本发明包括：标准同轴波导、同轴波导-脊间隙波导过渡结构、脊间隙波导T型结与感性匹配膜片、包含多级阶梯阻抗匹配的脊间隙波导过渡段与含匹配膜片的直角弯头；

所述超宽带脊间隙波导功率分配/合成器，作为功率分配器时，微波信号以TEM模的形式由标准50欧姆同轴波导输入，经同轴波导-脊间隙波导过渡结构向前传播，转化为脊间隙波导中的准TEM模；产生的准TEM模经由特殊设计的T型结将输入信号分为幅相一致的两路信号经阶梯阻抗过渡段传输至输出端，最后再将准TEM模式过渡到标准的同轴波导TEM模式。

所述同轴波导采用标准尺寸，可直接与外部毫米波系统连接。

所述同轴波导-脊间隙波导过渡结构包括：伸入脊间隙波导内部的同轴探针结构和终端短路的脊间隙波导，其中脊间隙波导含有长度约为λ4的脊探针，脊探针与同轴探针直接接触，λ为工作波长。

所述脊间隙波导T型结由多级阶梯实现宽带阻抗匹配。同时，为了抵消掉在三端口分支不连续处由电磁储能引起的寄生电抗，并抑制掉其中产生的高阶模式，设计了一个阶梯形感性匹配膜片。膜片的表面轮廓与主脊上阻抗匹配的阶梯部分呈对应关系，与主脊之间形成了一个等距过渡段。

所述脊间隙波导阶梯阻抗渐变段将实现脊间隙波导高阻抗向标准50欧姆阻抗之间的过渡，以便于实现与输出同轴线的匹配。

下面以一个工作频率范围在6-18GHz的脊间隙波导功率分配/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。6-18GHz脊间隙波导功率分配/合成器整体结构如图1、2所示。该脊间隙波导功率分配/合成器包括：下腔体1、上盖板2、输入标准同轴波导3、输入过渡结构4、输入脊间隙波导5、周期阵列分布的圆柱形电磁带隙结构6、脊间隙波导T型结7、T型结匹配膜片8、输出脊间隙波导9、脊间隙波导直角弯头匹配膜片10、输出过渡结构11、输出标准同轴波导12。

该实施例作为分配器工作时，电磁波由标准同轴波导3输入，经同轴波导-脊间隙波导过渡结构4进入脊间隙波导后形成准TEM模式；加入膜片的T型结具有良好的匹配特性，脊间隙波导中的准TEM模式能有效的以单模分配至两个输出端。最后，T型结的输出端以多级阶梯匹配段实现脊间隙波导的阻抗变换，将其变为50欧姆，再经过含有匹配膜片的直角弯头以两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。

根据带宽需求，要求功率分配器能同时工作于C、X、Ku三个波段，首先需确定单路脊间隙波导的尺寸，其中主脊的脊宽为5mm，脊高为5.75mm，环绕脊周围第一列销钉表面的间距为16mm，脊间隙波导的高度为6.75mm，圆柱销钉的直径为4.5mm，周期为8mm，圆柱销钉与上盖板的空气间隙为0.3mm。

根据公式(1)-(4)结合上述数据可求出当空气间隙为零时的理想情况下脊间隙波导的截止波长满足如下方程：

利用MATLAB求解上述方程，所求得截止波长约为64.5mm,即零间隙时的截止频率约为4.65GHz。再利用高频仿真软件HFSS建模仿真即可确定其工作带宽。

为了保证在6-18GHz全频带内信号都能等幅同相的分配至输出端口，脊间隙波导T型结的输出端口阻抗应为输入端的倍，因此输出脊的宽度应为输入脊的一半，即为2.5mm。为了保证信号的反射足够小，在T型分支处设计了三级阶梯匹配切角。此外，设计了一款感性膜片以抵消三端口器件在分支处产生的并联电抗，以提高传输性能。其中第一级阶梯长度为3.45mm，第二级为7.84mm，第三级为11.82mm，第一级高度为0.65mm，第二级为2.11mm，第三级为4mm。

经T型结将信号一分为二后，因输出脊间隙波导的特性阻抗升高难以实现与标准同轴线的匹配，为此设计了多级阶梯阻抗过渡段。此外，设计了脊间隙波导直角弯头以便于功率分配再合成的实际应用。同样，在弯头的不连续处设计了感性膜片以抑制掉高次模式储能引起的寄生电抗。其中三级过渡段的长度分别为7.6mm，6.7mm，5.7mm，对应的宽度为2.9mm，3.6mm，4.3mm。弯头切角长度为4.65mm，1.05mm，对应的宽度为2.8mm，3.7mm。

图3为所述脊间隙波导功率分配合成器输入端口的回波损耗。在6GHz-18GHz范围内，输入端口的回波损耗小于-20dB，表明该功率合成器具有超宽带特性以及良好的驻波特性。

图4为所述脊间隙波导功率分配合成器的传输特性，在6GHz-18GHz范围内，传输系数的幅度不一致性小于0.05dB，表明输出信号具有很好的幅度一致性。

图5为所述脊间隙波导功率分配合成器的相位特性。在6GHz-18GHz范围内，各输出端口相位不一致性小于±0.3°，表明输出信号具有很好的相位一致性。

综上所述，该实例作为功率分配器时，可在C、X、Ku频段同时稳定工作并实现等幅、同相的两路信号输出。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。

以上所述仅为本发明较佳实施例而已，并不足以作为本发明的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的修改、替换、改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于脊间隙波导技术的超宽带功率分配器，该功率分配器包括：下腔体、上盖板、输入标准同轴波导、输入过渡结构、输入脊间隙波导、脊间隙波导T型结、两个输出脊间隙波导、两个输出过渡结构、两个输出标准同轴波导；所述输入标准同轴波导通过输入过渡结构连接输入脊间隙波导，然后连接脊间隙波导T型结，所述脊间隙波导T型结分出的两个分支分别依次连接输出脊间隙波导、输出过渡结构、输出标准同轴波导；所述输入脊间隙波导与输出脊间隙波导内的波传播方向相同；所述输入过渡结构或输出过渡结构包括：同轴波导探针段和终端短路的脊探针段；所述脊间隙波导探针与伸出的同轴探针直接接触；所述输入标准同轴波导、输入过渡结构、输入脊间隙波导、脊间隙波导T型结、两个输出脊间隙波导、两个输出过渡结构、两个输出标准同轴波导都位于下腔体内，所述上盖板位于下腔体上方，用于盖住输入标准同轴波导、输入过渡结构、输入脊间隙波导、脊间隙波导T型结、两个输出脊间隙波导、两个输出过渡结构、两个输出标准同轴波导。

2.如权利要求1所述的一种基于脊间隙波导技术的超宽带功率分配器,其特征在于所述脊间隙波导T型结与输出脊间隙波导通过多级阶梯过渡结构连接，所述多级阶梯过渡结构两侧都呈阶梯状，从脊间隙波导T型结端两侧阶梯距离依次放大。

3.如权利要求1所述的一种基于脊间隙波导技术的超宽带功率分配器,其特征在于所述下腔体内部的空腔位置上设置有周期阵列分布的圆柱形电磁带隙结构，所述圆柱形结构的顶部不与上盖板接触，该圆柱形结构为金属材质。

4.如权利要求1所述的一种基于脊间隙波导技术的超宽带功率分配器,其特征在于所述同轴到脊间隙波导过渡结构内的脊探针长度为λ/4，λ为工作波长。

5.如权利要求1所述的一种基于脊间隙波导技术的超宽带功率分配器,其特征在于所述脊间隙波导中g≤λ/4，其中λ为中心频率对应的工作波长，g为阵列分布的圆柱形结构上顶面至上盖板的空气间隙高度；根据间隙为零的极端情况下脊边缘的电纳B满足：

式中

可计算出脊间隙波导的截止频率；其中w1为主脊的脊宽，h₁为脊高，w为环绕脊周围第一列圆柱形结构之间表面的间距，h为脊间隙波导的高度，ε₀为真空介电常数，μ₀为真空磁导率，η₀为波阻抗；设计时需保证工作频带落在截止频率范围内。

6.如权利要求2所述的一种基于脊间隙波导技术的超宽带功率分配器,其特征在于所述脊间隙波导T型结的分支点顶部凹陷，在下腔体对应于凹陷处的位置设置一与凹陷形状啮合的T型结匹配膜片；所述多级阶梯过渡结构与输出脊间隙波导呈90°连接，在弯角顶点处的两边都向内呈一个台阶的阶梯变化，变化后弯角顶点外侧呈每个角都为90°的“W”形，在下腔体对应于该“W”形的位置处设置一与该“W”形状啮合的脊间隙波导直角弯头匹配膜片；所述T型结匹配膜片和脊间隙波导直角弯头匹配膜片都为金属材质的实心结构。

7.一种基于脊间隙波导技术的超宽带功率合成器，与权利要求1到5中任意一个权利要求所述的功率分配器结构完全相同，只是所述功率分配器的输入端为所述功率合成器的输出端，所述功率分配器的输出端为所述功率合成器的输入端。