CN112928421A - 一种多路径向功率分配/合成器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路径向功率分配/合成器的设计方法，涉及毫米波功率分配/合成技术领域。本发明通过仿真以及数值分析得到基于同轴波导的径向功率分配/合成器中的同轴波导的外半径长度b与路数N之间的函数关系表达式，因此可以直接通过工作波长λ以及器件路数N来计算得出器件的初始尺寸信息，从而快速简单地设计出满足要求的径向功率分配/合成器，减少了器件设计时所需优化的参数，高效地节省了设计和优化时间。

Description

一种多路径向功率分配/合成器的设计方法

技术领域

本发明主要涉及毫米波功率分配/合成技术领域，具体涉及一种基于同轴波导TE₀₁模的多路功率分配/合成器的快速设计方法。

背景技术

在毫米波段，单个功率放大器芯片输出的功率非常有限，而在工程实践中，往往需要几十瓦特甚至更高的功率输出，通常需要采用功率合成的技术来完成。相反的，在一些实际工程应用系统中不需要太大的功率输入，此时就需要功率分配器将大功率源按比分配输入系统，因此将功率合成和分配功能集中在一个器件上成为了热门研究。而在设计这类器件时，基于波导的空间功率合成技术由于其合成效率较高，带宽较宽，能有效的防止辐射损耗，具有良好的散热性能，结构简单易实现等优点常被采用，并因此出现了很多新型的波导功率分配/合成器，在这其中有很多基于圆波导或同轴波导TE₀₁模的径向多路功率分配/合成器的研究。因为基于圆波导或同轴波导形式的功率分配/合成器在满足幅相一致性和隔离度等相关指标的同时还具有抗干扰、损耗低、工作频带宽等特点，对比其他功率分配器件具有无可比拟的优势。

然而在设计这一类径向功率分配/合成器时，器件的尺寸信息难以通过计算或等效电路模型给出。在优化设计的过程中，也常会出现各种模式竞争导致器件损耗变大的情况。例如申请号为202010563409.X的发明专利公开了一种基于同轴波导TE₀₁模的任意多路功率分配/合成器；申请号为202011389829.7的发明专利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，如图1所示，该器件包括同轴波导(1)，同轴波导(1)的一端作为输入/输出端口，另一端沿侧壁等间距设置有N个尺寸相同的过渡波导结构(2)，每个过渡波导结构(2)的另一端均连接一个标准矩形波导(3)；N个标准矩形波导(3)作为输出/输入端口；同轴波导内导体外壁挖空有N个尺寸相同的扇形槽(4_1)，N个扇形槽与N个过渡波导结构一一对应，且每个扇形槽的中轴线与对应的过渡波导结构的中轴线重合；同轴波导内导体外壁还设置有N个扇形块(4_2)，扇形块设置于相邻两扇形槽的中心位置，扇形槽和扇形块作为匹配结构用于抑制低次模从而减小模式竞争带来的损耗。上述两种合成/分配器通过改变同轴波导的内外半径来实现任意N路功率分配/合成，在设计这类器件时，因为同轴波导的尺寸与路数N之间没有明确的函数关系，设计人员需要根据指标以及个人经验通过不断地优化器件的尺寸从而得到一个较好的结果。但是较多的尺寸参数使得优化过程具有很大难度，导致仿真优化时间较长或不能得到满足设计要求的结果。若要同时设计多个不同N值的器件时，更是添加了设计和优化的难度，给想要实现任意N路功率分配/合成带来了困难。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的困难，提供一种能够快速确定基于同轴波导TE₀₁模的多路功率分配/合成器尺寸信息的方法，从而方便快捷地设计出低插入损耗的多路径向功率分配/合成器。

为实现上述目的，本发明通过仿真以及数值分析得到此类基于同轴波导的径向功率分配/合成器中的同轴波导的外半径长度b(mm)与路数N之间的函数关系表达式为：

基于此函数关系，本发明采用的技术方案如下：

一种多路径向功率分配/合成器的设计方法，包括以下步骤：

步骤1、确定基于同轴波导TE₀₁模的功率分配/合成器的路数N，通过函数式(1)计算出同轴波导外半径长度b的取值。

步骤2、计算同轴波导的内半径a：a＝b-(0.45～0.55)λ，其中λ为工作波长。

步骤3、计算匹配结构的尺寸：扇形槽对应的圆心角

满足

其沿径向的厚度L_mi≤b-a；扇形块的圆心角

满足

其沿径向的厚度L_mo≥0.4(b-a)，且L_mo＝0.5L_mi。

步骤4、根据工作波长λ确定标准矩形波导的窄边尺寸为L_b，宽边尺寸为L_a，使得标准矩形波导工作在基模模式下。

步骤5、计算过渡波导结构的尺寸：过渡波导结构的厚度与标准矩形波导的窄边尺寸相同，过渡波导结构的短边W₁满足W₁＝L_b，过渡波导结构的长边W₂满足2W₁≤W₂≤2.5W₁；过渡波导结构的长度Lt满足0.8λ≤L_t≤λ；过渡波导结构插入同轴波导的深度L_in满足0.1λ≤L_in≤0.2λ。

步骤6、按照步骤1-5得到的结构参数建立基于同轴波导TE₀₁模的功率分配/合成器的初始模型，对初始模型进行仿真优化，得到满足设计要求的功率分配/合成器。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明中给定了同轴波导外半径b关于路数N的函数关系，器件结构尺寸信息可以直接通过工作波长λ以及器件路数N来计算得出，可以快速简单地设计出满足要求的径向功率分配/合成器，减少了器件设计时所需优化的参数，高效地节省了设计和优化时间。

(2)本发明中给定的函数关系在上述此类N路径向功率分配/合成器的设计中用于计算波导尺寸均适用，通过此函数表达式可以快速确定同轴波导的尺寸，实现同轴波导TE₀₁模与矩形波导TE₁₀模之间的转换，只需通过优化匹配结构参数即可高效迅速地得到插入损耗低于0.2dB的高性能器件。

附图说明

图1为本发明基于同轴波导TE₀₁模的多路功率分配/合成器相邻两路的腔体结构示意图；

图2为本发明实施例中N＝20时的腔体结构示意图；

图3为本发明实施例中N＝40时的腔体结构示意图；

图4为本发明实施例中通过仿真得到的20路功率分配/合成器的插入损耗与频率的关系图；

图5为本发明实施例中通过仿真得到的40路功率分配/合成器的插入损耗与频率的关系图；

附图标号说明：1.标准矩形波导，2.直边梯形过渡波导，3.同轴波导，4.匹配结构，4_1.扇形槽，4_2.扇形块。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本设计方法的特征优点以及设计步骤，下面结合附图和具体实施方式对本方法进行进一步的详细描述。本实施方式中详细讲解两个实施例，器件相邻单元的腔体结构如图1所示，工作频率为35GHz，工作波长约为8.6mm。

实施例一：

设置N＝20，根据步骤1计算得到同轴波导(1)外半径b＝51.46mm；根据步骤2，取b-a＝0.55λ＝4.7mm，计算得到同轴波导(1)内半径a＝46.76mm；根据步骤3计算得到匹配结构的尺寸为：扇形槽(4_1)对应圆心角

厚度L_mi＝4mm，扇形块(4_2)对应圆心角

L_mo＝0.5L_mi＝2mm；根据步骤4选择标准矩形波导的型号为BJ320(7.112mm×3.556mm)；根据步骤5计算得到直边梯形过渡波导结构(2)的尺寸为：W₁＝3.556mm，W₂＝8.65mm，L_t＝7mm，L_in＝1.5mm；根据上述步骤计算得到的器件结构尺寸进行仿真建模，结构图如图2所示，其中标准矩形波导与同轴波导的长度均大于两个工作波长，取20mm。通过仿真计算得到此结构的S参数如图4所示，该器件在35GHz的插入损耗为0.12dB，在34.42GHz～35.64GHz频带内的插入损耗小于0.2dB。

实施例二：

设置N＝40，其余步骤与实施例一相同，通过设计步骤计算得到器件的尺寸分别为：b＝99.57mm，a＝94.87mm，

L_mo＝0.5L_mi＝2mm，W₁＝3.556mm，W₂＝8.65mm，L_t＝7mm，L_in＝1.5mm，标准矩形波导选择BJ320(7.112mm×3.556mm)，波导长度取20mm。通过仿真建模得到如图3所示的结构，标准矩形波导与同轴波导的长度均取20mm。通过仿真计算得到此结构的S参数如图5所示，该器件在35GHz处的插入损耗为0.11dB，在34.51GHz～35.68GHz频带内的插入损耗小于0.2dB。

Claims (1)

1.一种多路径向功率分配/合成器的设计方法，其他特征在于，包括以下步骤：

步骤1、确定基于同轴波导的多路径向功率分配/合成器的路数N，通过函数式(1)计算出同轴波导外半径长度b的取值；

步骤2、计算同轴波导的内半径a：a＝b-(0.45～0.55)λ，其中λ为工作波长；

步骤3、计算匹配结构的尺寸：扇形槽对应的圆心角

满足

其沿径向的厚度L_mi≤b-a；扇形块对应的圆心角

满足

其沿径向的厚度L_mo≥0.4(b-a)，且L_mo＝0.5L_mi；

步骤4、根据工作波长λ确定标准矩形波导的窄边尺寸为L_b，宽边尺寸为L_a，使得标准矩形波导工作在基模模式下；

步骤5、计算过渡波导结构的尺寸：过渡波导结构的厚度与标准矩形波导的窄边尺寸相同，过渡波导结构的短边W₁满足W₁＝L_b，过渡波导结构的长边W₂满足2W₁≤W₂≤2.5W₁；过渡波导结构的长度Lt满足0.8λ≤L_t≤λ；过渡波导结构插入同轴波导的深度L_in满足0.1λ≤L_in≤0.2λ；

步骤6、按照步骤1-5得到的结构参数建立基于同轴波导的多路径向功率分配/合成器的初始模型，对初始模型进行仿真优化，得到满足设计要求的功率分配/合成器。

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