CN112701435A - 基于角向周期匹配的同轴te01模功率合成/分配器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于角向周期匹配的同轴TE₀₁模功率合成/分配器，属于毫米波功率合成/分配技术领域。该器件包括同轴输入波导、同轴输入波导外侧壁设置有N个过渡波导结构、过渡波导结构的另一端连接有标准矩形波导；同轴波导内导体外壁挖空有N个扇形槽，且同轴输入波导内导体外壁还设置有N个扇形块，扇形块设置于相邻两扇形槽的中心位置。本发明通过采用新的匹配结构，进一步减小了插入损耗，提高了各支路之间的隔离度，最大的特点是在大尺寸同轴波导中提高了模式的稳定度，有利于任意多路同轴功率分配/合成器性能的稳定；同时，整体器件采用全金属结构，能实现高功率的合成/分配。

Description

基于角向周期匹配的同轴TE01模功率合成/分配器

技术领域

本发明属于毫米波功率合成/分配技术领域，特别涉及一种同轴径向功率合成/分配器。

背景技术

相比于传统的电真空器件，半导体器件具有尺寸小、重量轻、供电电压低、可靠性高等优点，因此，近年来研究人员对半导体器件从材料、工艺、和结构等方面进行了大量深入研究，为提高单个固态器件的输出功率。但是到目前为止，在毫米波频段，单个固态器件的输出功率仍然十分有限，还远远达不到高功率系统的要求。为了获得所需的高功率输出，需要将多个输出功率进行合成，因此，功率分配/合成器是高功率系统中的重要器件，而实现功率分配/合成器的传输线有很多种，包括微带线、共面波导、同轴线、波导等。在Ka波段及更高频段，波导相比于其他传输线，没有介质损耗，只有较低的导体损耗，且具有高功率容量特性，从而也得到了广泛的研究。

波导空间功率合成有多种形式，包括二进制树形多级功率合成、波导链式功率合成和波导径向功率合成。而对于传统的二进制功率合成或链式合成在功率合成路数较多时具有路径损耗迅速增加、功率分配/合成网络庞大复杂等缺点。径向功率合成结构一般通过均匀馈电结构在轴向对称的传输线里激励器所需的均匀模式，功率信号通过传输线输入到各个端口，常见的对称传输线结构由径向波导、锥形波导、圆波导和同轴波导。这种结果的突出优点是功率合成/分配一次性完成，理论上路径损耗与功率合成路数无关。同时，轴对称的结构和均匀的工作模式可以保证输出端口信号优良的幅度和相位一致性。

功率分配/合成器作为馈电网络中的重要器件，随着天线阵列单元的不断增加，任意多路功率分配/合成器在满足不断增加的阵列单元对馈电路数的需求的同时，实现了系统的紧凑性。发明专利“一种基于同轴波导TE₀₁模的任意多路功率分配/合成器”(申请号为202010563409.X)中公开了一种功率分配/合成器，该器件的截止频率由同轴波导的内、外半径之差决定，因此，同时增大同轴波导的内、外半径可实现基于同轴TE₀₁模的任意多路径向功率分配器。然而TE₀₁模不是同轴波导的主模，需要有效的激励所需的模式并抑制其他模式，且随着内、外半径的增加，同轴波导内模式稳定度会越来越差，从而影响功率分配/合成器的性能。

发明内容

本发明针对同轴功率分配/合成器在大尺寸情况下模式稳定度不足的问题，提出了一种大尺寸同轴TE₀₁模功率分配/合成器，通过设计的匹配结构达到减小任意多路功率分配/合成器的插入损耗的同时，在一定程度上提升各支路之间的隔离度以及解决在大尺寸下同轴中模式稳定度的目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于角向周期匹配的同轴TE₀₁模功率分配/合成器，包括同轴输入波导、N个过渡波导结构、N个标准矩形波导，N≥2；所述同轴输入波导的一端作为输入/输出端口，另一端沿侧壁等间距设置N个过渡波导结构；所述N个过渡波导结构尺寸相同，每个过渡波导结构的另一端均连接一个标准矩形波导；所述N个标准矩形波导作为N个输出/输入端口；其特征在于，所述同轴波导内导体外壁挖空有N个尺寸相同的扇形槽，所述N个扇形槽与N个过渡波导结构一一对应，且每个扇形槽的对称面与对应过渡波导结构的对称面重合。

进一步地，所述同轴输入波导内导体外壁设置有N个扇形块，扇形块设置于相邻两扇形槽的中心位置。

进一步地，所述扇形块靠近同轴输入波导输入/输出端口的一底面连接有过渡结构，用于将扇形块的底面光滑过渡到同轴输入波导内导体，所述过渡结构沿径向的截面为直角三角形。

进一步地，所述扇形槽对应的圆心角θ₁的取值范围为160°/N±2°，θ₁的取值随路数的增多而减小，扇形槽的高为0.85λ～0.96λ，厚度为0.45λ～0.55λ，λ为工作波长。

进一步地，所述扇形块对应的圆心角θ₃取值范围为80°/N±2°，θ₂的取值也随路数的增多而减小，扇形块的高度为0.85λ～0.96λ，厚度为0.2λ～0.25λ。

进一步地，所述过渡结构的高度为0.2λ～0.3λ。

进一步地，所述同轴输入波导的波导轴向长度大于1λ，同轴输入波导的内半径比外半径小0.5λ～0.55λ。

进一步的，所述过渡波导结构与同轴输入波导连接端口的弧长为0.86λ～0.96λ，相邻两过渡波导结构的轴向间距为1.19λ～1.59λ。

进一步的，所述矩形波导长度至少为2λ。

进一步的，所述过渡波导结构采用直边梯形波导、曲边梯形波导或阶梯波导。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明根据阻抗变换原理，采用扇形槽作为匹配结构，减小了波的反射；通过设置扇形块进一步地改善了阻抗匹配，降低了器件的插入损耗，提高了模式的稳定度；同时过渡结构的加入，更进一步降低了由结构不连续性引起的损耗。

本发明通过采用新的匹配结构，相比于常用的圆台结构进一步减小了插入损耗，提高了各支路之间的隔离度，最大的特点是在大尺寸同轴波导中提高了模式的稳定度，有利于任意多路同轴功率分配/合成器性能的稳定；同时，整体器件采用全金属结构，能实现高功率的合成/分配。

附图说明

图1为本发明的N路功率分配/合成器的腔体结构示意图。

图2为本发明的一个匹配单元的腔体结构示意图。

图3为本实施实例中位于匹配结构处的截面电场分布图，其中(a)为整体电场分布图，(b)为局部电场分布图。

图4为本实施实例的功率分配/合成器的S参数仿真图。

附图标号说明：1.同轴输入波导，2.标准矩形波导，3.扇形槽，4.扇形块，5.过渡结构，6.过渡波导结构。

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，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

本实施例中以工作频率为35GHz(对应的工作波长λ约为8.6mm)的12路同轴TE₀₁功率分配器为例，如图1所示，该功率分配器包括同轴输入波导、12个过渡波导结构、12个标准矩形波导；同轴输入波导的一端作为输入端口，另一端沿侧壁等间距设置12个尺寸相同的过渡波导结构，每个过渡波导结构的另一端连接一个标准矩形波导；12个标准矩形波导作为输出端口；同轴波导内导体外壁还挖空有12个尺寸相同沿角向呈周期性分布的扇形槽，扇形槽与过渡波导结构一一对应。

由同轴端口P0输入TE₀₁模，经匹配结构后变换为TE₁₀模，等幅分配到12个标准矩形波导输出端口(标准矩形波导采用BJ320)。

具体地，同轴输入波导外导体内半径b＝30.8mm，内导体外半径a＝26.1mm；扇形槽对应的圆心角θ₁＝12°，扇形槽的厚d1＝4mm；扇形块对应的圆心角θ₃＝7°，扇形块的厚d2＝2mm，扇形槽的高H1＝扇形块的高H2＝7.6mm，过渡结构的高为Ht＝2.1mm；该器件采用全金属结构，材质为无氧铜。

采用CST进行仿真，加入匹配结构后距同轴波导底部(同轴与矩形波导连接端)3.556mm处的电场分布如图3所示，其S参数如图4所示。当工作频率为35GHz，由同轴输入的TE₀₁模经匹配后的12路功率分配器从BJ320输出后，在34.16-36.83GHz内，插入损耗小于0.3dB，同时各输出口之间的隔离度也有一定的提升。该器件具有高功率、低插损、模式稳定度好的特点，在大尺寸同轴结构中具有更显著的优势。

Claims (10)

1.一种基于角向周期匹配的同轴TE₀₁模功率分配/合成器，包括同轴输入波导、N个过渡波导结构、N个标准矩形波导，N≥2；所述同轴输入波导的一端作为输入/输出端口，另一端沿侧壁等间距设置N个过渡波导结构；所述N个过渡波导结构尺寸相同，每个过渡波导结构的另一端均连接一个标准矩形波导；所述N个标准矩形波导作为N个输出/输入端口；其特征在于，所述同轴波导内导体外壁挖空有N个尺寸相同的扇形槽，所述N个扇形槽与N个过渡波导结构一一对应，且每个扇形槽的对称面与对应过渡波导结构的对称面重合。

2.如权利要求1所述的一种基于角向周期匹配的同轴TE₀₁模功率分配/合成器，其特征在于，所述同轴输入波导内导体外壁设置有N个扇形块，扇形块设置于相邻两扇形槽的中心位置。

3.如权利要求2所述的一种基于角向周期匹配的同轴TE₀₁模功率分配/合成器，其特征在于，所述扇形块靠近同轴输入波导输入/输出端口的一底面连接有过渡结构，用于将扇形块的底面光滑过渡到同轴输入波导内导体，所述过渡结构沿径向的截面为直角三角形。

4.如权利要求1所述的一种基于角向周期匹配的同轴TE₀₁模功率分配/合成器，其特征在于，所述扇形槽对应的圆心角θ₁的取值范围为160°/N±2°，扇形槽的厚度为0.45λ～0.55λ，高为0.85λ～0.96λ，λ为工作波长。

5.如权利要求2或3所述的一种基于角向周期匹配的同轴TE₀₁模功率分配/合成器，其特征在于，所述扇形块对应的圆心角θ₃取值范围为80°/N±2°，扇形块的厚度为0.2λ～0.25λ，高度为0.85λ～0.96λ，λ为工作波长。

6.如权利要求5所述的一种基于角向周期匹配的同轴TE₀₁模功率分配/合成器，其特征在于，所述过渡结构的高度为0.2λ～0.3λ。

7.如权利要求1或2所述的一种基于角向周期匹配的同轴TE₀₁模功率分配/合成器，其特征在于，所述同轴输入波导的波导轴向长度大于1λ，同轴输入波导的内半径比外半径小0.5λ～0.55λ，λ为工作波长。

8.如权利要求1或2所述的一种基于角向周期匹配的同轴TE₀₁模功率分配/合成器，其特征在于，所述过渡波导结构与同轴输入波导连接端口的弧长为0.86λ～0.96λ，相邻两过渡波导结构的轴向间距为1.19λ～1.59λ，λ为工作波长。

9.如权利要求1或2所述的一种基于角向周期匹配的同轴TE₀₁模功率分配/合成器，其特征在于，所述矩形波导长度至少为2λ。

10.如权利要求1或2所述的一种基于角向周期匹配的同轴TE₀₁模功率分配/合成器，其特征在于，所述过渡波导结构采用直边梯形波导、曲边梯形波导或阶梯波导。

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