CN113067114B - 一种毫米波宽带功率合成/分配器及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效率毫米波宽带功率合成/分配器及其实现方法。本发明采用了径向波导功率合成技术，具有损耗小、频带宽、功率容量大以及散热性能好的优点；在径向波导—同轴线过渡结构和同轴线—波导过渡结构中引入了多阶阻抗匹配结构，实现了较高的回波损耗，从而提高了合成效率；只需要对每一层金属板进行相应的加工，最终每层堆叠在一起即可实现装配，降低了加工难度和加工成本；能够最大限度减小因加工或者装配误差产生的高次谐波的影响，从而提高了合成效率；每路径向波导端口处于同一平面，并且与过渡波导端口所在平面平行；本发明引入了滑动孔阵列结构，克服了加工装配误差导致的信号泄露问题，拓展了带宽，增加了合成效率。
Description
技术领域
本发明涉及微波毫米波技术，具体涉及一种高效率毫米波宽带径向波导功率合成/分配器及其实现方法。
背景技术
毫米波具有频段丰富的频谱资源，工作在毫米波频段的通信、雷达系统能获得更高的通信容量、更好的分辨率、和更强的抗干扰能力。然而，随着频率的不断升高，固态电子器件的输出功率下降的很快，不能满足系统需求，需要采用各种各样的合成技术来提升发射功率，所以高效率、低损耗的宽带功率合成器是一个很有意义的研究方向。
到现在为止，功率合成器的研究已经非常深入，形成了一个体系：(1)平面型功率合成器具有体积小、成本低、易于集成的优点，但是在高频段的情况下的损耗很大，无法实现较高的合成效率，此外，它的功率容量十分有限，因此无法应用于高频率和高功率场景(2)波导型功率合成器具有损耗小、频带宽、功率容量大以及散热性能好的优点，目前广泛应用于高频率的功率合成中，但是它的体积大，且需要较高的加工精度(3)准光功率合成器具有合成路数多、合成效率高的优点，但是需要较大的空间来放置准光元件。
径向波导功率合成器是目前比较成熟的功率合成方案。它包含N路径向波导输入结构、径向波导—同轴线过渡结构、同轴线—波导过渡结构和输出波导，可以实现N路信号功率的合成/分配，并且保证每一路信号的相位是一致的。但是，高频段功率合成器对器件加工装配精度的要求很高，比如在W波段，几微米的误差产生的微小缝隙会导致信号泄露，在腔体内产生局部谐振，严重影响合成带宽和合成效率。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种毫米波宽带径向波导功率合成/分配器，在获得全频带合成特性的基础上，克服加工装配误差引起信号泄露而导致的一系列问题。
本发明的一个目的在于提出一种毫米波宽带径向波导功率合成/分配器。
本发明的毫米波宽带径向波导功率合成/分配器，用作功率合成器，或者用作功率分配器，包括：N路径向波导输入/输出结构、径向波导—同轴线过渡结构、同轴线、同轴线—波导过渡结构、波导输出/输入结构以及滑动孔阵列结构；其中，呈中心对称的N路径向波导输入/输出结构为在基底内开设的空腔结构，各路径向波导输入/输出结构的末端汇聚至一中心点，相邻的径向波导输入/输出结构之间的夹角为360°/N；在N路径向波导输入/输出结构的末端汇聚中心设置径向波导—同轴线过渡结构；径向波导—同轴线过渡结构连接同轴线的一端；同轴线的另一端经同轴线—波导过渡结构连接至波导输出/输入结构；波导输出/输入结构为在基底内开设的空腔结构；N路径向波导输入/输出结构的端口边缘设置滑动孔阵列结构；
每一路径向波导输入/输出结构包括径向波导端口、输入/输出90°波导弯头和径向波导，径向波导为矩形波导，径向波导端口通过输入/输出90°波导弯头连接至矩形的径向波导；N路径向波导的底部位于同一平面，N个径向波导端口位于同一平面，N个径向波导端口所在的平面平行于N路径向波导的底部所在的平面；
径向波导—同轴线过渡结构包括多阶从下至上直径逐渐减小且共轴的圆柱状台阶，圆柱状台阶的中心轴位于N路径向波导输入/输出结构汇聚的中心点且垂直于N路矩形径向波导所在的平面；圆柱状台阶的材料为金属；
同轴线包括同轴内芯和同轴外导体，同轴外导体为基底内的柱状的空腔，同轴外导体连通N路径向波导输入/输出结构与同轴线—波导过渡结构的过渡波导，在同轴外导体内设置同轴的同轴内芯，N路径向波导输入/输出结构的末端汇聚中心点位于同轴内芯的中心轴上；同轴内芯的直径小于径向波导—同轴线过渡结构的最上层柱状台阶的直径；同轴内芯的材料为金属；同轴内芯的下表面连接径向波导—同轴线过渡结构的最上层柱状台阶的上表面；
同轴线—波导过渡结构包括过渡波导和多层阻抗匹配阶梯，过渡波导为矩形波导，过渡波导所在的平面平行于N路径向波导的底部所在的平面，多层阻抗匹配阶梯位于过渡波导的始端，多层阻抗匹配阶梯的每一层为长方体形状的阶梯，阶梯的长度从下至上逐渐增大，长度定义为沿过渡波导的始端至末端的方向，各层阻抗匹配阶梯的宽度一致，多层阻抗匹配阶梯的始端对齐即位于同一平面，多层阻抗匹配阶梯的始端表面紧贴过渡波导的始端表面，多层阻抗匹配阶梯的上表面紧贴过渡波导的上表面，同轴线的同轴内芯的顶端伸入至过渡波导的始端，且沿过渡波导的始端至末端的方向同轴内芯的顶端距离过渡波导的始端端面有距离，多层阻抗匹配阶梯的下表面与同轴内芯的上表面之间有距离；多层阻抗匹配阶梯的材料为金属；
波导输出/输入结构包括输出/输入90°波导弯头和过渡波导端口，过渡波导端口通过输出/输入90°波导弯头连通至过渡波导，过渡波导端口平行于N个径向波导端口所在的平面；输出/输入90°波导弯头的外侧壁具有台阶结构，台阶结构的上表面与同轴线—波导过渡结构的阻抗匹配阶梯的下表面齐平；
滑动孔阵列结构上层部分和下层部分；上层部分包括多个沿直线周期排列的单元，每个单元包括多个引导结构以及谐振结构，多个引导结构呈中心对称分布，各个引导结构的末端汇聚至一个中心点，每个引导结构为柱体孔洞，截面为规则图形，在多个引导结构的末端汇聚中心设置谐振结构，谐振结构为柱体孔洞，截面是规则图形，谐振结构的下表面与多个引导结构的下表面位于同一个平面，相邻的两个单元之间有距离，单元的周期大于两个谐振结构的长度小于四个谐振长度的结构；下层部分同样包括多个周期排列的单元，下层部分的上表面与上层部分的下表面连接，从而上层部分和下层部分形成连通的空腔整体，下层部分与下层部分之间为滑动对称；滑动孔阵列结构位于N路径向波导输入/输出结构的每一个径向波导的输入端的外边缘，并且与波导径向波导之间不连接；
用作功率合成器时，径向波导端口作为输入端口，TE10模式微波信号分别从N路径向波导输入/输出结构的径向波导端口进入，各自经过输入/输出90°波导弯头后，沿着径向波导汇聚至末端的中心点，N路微波信号经过的路径相等，并且关于中心呈旋转对称，实现功率合成；经径向波导—同轴线过渡结构的多阶柱状台阶，微波信号从TE10模式转换为TEM模式，通过调整柱状台阶的层数和各阶高度，实现最佳转换效果；TEM模式微波信号通过同轴线传输至同轴线—波导过渡结构，从TEM模式转换为TE10模式，经多层阻抗匹配阶梯增大回波损耗从而提高合成效率，传输至波导输出/输入结构；TE10模式微波信号经波导输出/输入结构的输出/输入90°波导弯头至过渡波导端口输出；滑动孔阵列结构通过规则的周期排列的单元，形成电磁波在设定频段的禁带，在禁带内电磁波无法传播，或者传播衰减很大，从而达到防止电磁波泄露的目的，通过调整滑动孔阵列单元结构的引导结构和谐振结构的尺寸以及周期，从而改变禁带的范围，实现不同频段的应用，微波信号在基底的空气缝隙中泄露产生的高次谐波，通过滑动孔阵列结构的引导结构，导引至谐振结构，从而抵消掉高次谐波，防止装配过程中产生的泄露；
用作功率分配器时，传输过程与用作功率合成器时反向，N个径向波导端口作为输出端口，各个径向波导端口输出的信号是等幅同相的，N为整数且满足4≤N≤16。
同轴内芯的最上端与多层阻抗匹配阶梯的下表面之间有空隙，并未接触，在不影响微波能量传输的前提下，能够最大限度减小因加工或者装配误差产生的高次谐波的影响，从而提高了合成效率；多层阻抗匹配阶梯的下表面与同轴内芯的上表面之间的距离为0.1～0.3mm，同轴内芯距离过渡波导始端的距离为0.4～1.5mm。
滑动孔阵列结构与径向波导之间的距离为0.01～0.2mm。滑动孔阵列结构上层部分和下层部分的交界面位于同一个平面，这个平面为N路径向波导的底部所在的平面。滑动孔阵列结构中的单元，只要空间允许，单元数量越多越好。
基底采用金属。
泄露的高次谐波能量以表面波的形式沿着装配时产生的缝隙表面分布，当电磁波的频率在滑动对称单元结构的谐振频率附近时，此时TE模式和TM模式都无法传输，即形成泄露的高次谐波能量的禁带；通过时域有限差分法FDTD算法求解麦克斯韦方程组，得到滑动对称单元结构的禁带范围，改变滑动对称单元结构的尺寸，使禁带的范围包含功率合成器的工作频带，从而在功率合成器工作时，泄露的高次谐波处于滑动对称单元结构的禁带范围内，实现滑动对称单元结构抑制高次谐波的传输的作用。滑动对称单元结构的周期变长或者尺寸变大，禁带范围往低频偏移，反之，禁带范围往高频偏移。
本发明的另一个目的在于提出一种毫米波宽带径向波导功率合成/分配器的实现方法。
本发明的毫米波宽带径向波导功率合成/分配器的实现方法，用作功率合成器，或者用作功率分配器，包括以下步骤：
一、用作功率合成器
1)径向波导端口作为输入端口，TE10模式微波信号分别从N路径向波导输入/输出结构的径向波导端口进入，各自经过输入/输出90°波导弯头后，沿着径向波导汇聚至末端的中心点，N路微波信号经过的路径相等，并且关于中心呈旋转对称，实现功率合成；
2)经径向波导—同轴线过渡结构的多阶柱状台阶，微波信号从TE10模式转换为TEM模式，通过调整柱状台阶的层数和各阶高度，实现最佳转换效果；
3)TEM模式微波信号通过同轴线传输至同轴线—波导过渡结构，从TEM模式转换为TE10模式，经多层阻抗匹配阶梯增大回波损耗从而提高合成效率，传输至波导输出/输入结构；
4)TE10模式微波信号经波导输出/输入结构的输出/输入90°波导弯头至过渡波导端口输出；
5)滑动孔阵列结构通过规则的周期排列的单元，形成电磁波在设定频段的禁带，在禁带内电磁波无法传播，或者传播衰减很大，从而达到防止电磁波泄露的目的，通过调整滑动孔阵列单元结构的引导结构和谐振结构的尺寸以及周期，从而改变禁带的范围，实现不同频段的应用，微波在基底的空气缝隙中泄露产生的高次谐波，通过滑动孔阵列结构的引导结构，导引至谐振结构，从而抵消掉高次谐波，防止装配过程中产生的泄露；
二、用作功率分配器：
用作功率分配器时，传输过程与用作功率合成器时反向，N个径向波导端口作为输出端口，各个径向波导端口输出的信号是等幅同相的。
其中，在步骤2)中，柱状台阶的层数越多，转换的效果越好，但是柱状台阶的总高度不能大于柱状台阶所在的径向波导的高度。
根据阻抗公式分别计算得到径向波导的阻抗和同轴线的阻抗，再根据径向波导的阻抗和同轴线的阻抗得到反射系数，反射系数较大，导致相当一部分能量沿原路径反射回去，影响合成效率，设定期望反射系数，由切比雪夫多节匹配公式得到满足反射系数需要的柱状台阶的最小阶数，在阶数范围内取一个阶数值，根据设定的期望的反射系数得到设置了多层柱状台阶的径向波导对应柱状台阶处的阻抗，根据这个阻抗带回阻抗公式，反推得到每层柱状台阶的高度。
在步骤3)中，多层阻抗匹配阶梯中，每层匹配阶梯的高度相互独立，但是匹配阶梯的总高度不能大于过渡波导的高度，也不能与同轴内芯接触。
根据阻抗公式分别计算得到同轴线的阻抗和过渡波导的阻抗，再根据同轴线的阻抗和过渡波导的阻抗得到反射系数，反射系数过大影响信号传输，降低反射系数以提高传输效率，设定期望反射系数，由切比雪夫多节匹配公式得到满足反射系数需要的阻抗匹配阶梯的最小阶数，在阶数范围内取一个阶数值，根据设定的期望的反射系数得到设置了阻抗匹配阶梯的过渡波导的阻抗，根据这个阻抗带回阻抗公式，反推得到每层阻抗匹配阶梯的高度。
在步骤5)中，通过时域有限差分法FDTD算法求解麦克斯韦方程组，得到滑动对称单元结构的禁带范围，改变滑动对称单元结构的尺寸，使禁带的范围包含功率合成器的工作频带，从而在功率合成器工作时，泄露的高次谐波处于滑动对称单元结构的禁带范围内，实现滑动对称单元结构抑制高次谐波的传输的作用。
本发明的优点：
(1)本发明采用了径向波导功率合成技术，具有损耗小、频带宽、功率容量大以及散热性能好的优点，在作为功率分配器时，N个径向波导端口成为输出端口，各个径向波导端口输出的信号是等幅同相的；(2)本发明在径向波导—同轴线过渡结构和同轴线—波导过渡结构中引入了多阶阻抗匹配结构，实现了较高的回波损耗，从而提高了合成效率；(3)本发明的设计能够通过分层金属板的方式加工，只需要对每一层金属板进行相应的加工，最终每层堆叠在一起即可实现装配，降低了加工难度和加工成本；(4)本发明的同轴内芯最上端与多层阻抗匹配阶梯并未接触，在不影响微波能量传输的前提下，能够最大限度减小因加工或者装配误差产生的高次谐波的影响，从而提高了合成效率；(5)本发明的每个径向波导端口处于同一平面，并且与过渡波导端口所在平面平行，便于装配和测试；(6)本发明引入了滑动孔阵列结构，克服了加工装配误差导致的信号泄露问题，拓展了带宽，增加了合成效率。
附图说明
图1为本发明的毫米波宽带径向波导功率合成/分配器的一个实施例的示意图；
图2为本发明的毫米波宽带径向波导功率合成/分配器的一个实施例的径向波导—同轴线的示意图；
图3为本发明的毫米波宽带径向波导功率合成/分配器的一个实施例的波导输出/输入结构的示意图；
图4为本发明的毫米波宽带径向波导功率合成/分配器的一个实施例的滑动孔阵列结构的示意图；
图5为根据本发明的毫米波宽带径向波导功率合成/分配器的一个实施例得到的各径向波导端口传输系数的仿真结果图；
图6为根据本发明的毫米波宽带径向波导功率合成/分配器的一个实施例得到的过渡波导端口反射系数仿真结果图；
图7为根据本发明的毫米波宽带径向波导功率合成/分配器的一个实施例去掉滑动孔阵列结构之后得到的过渡波导端口反射系数仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的毫米波宽带径向波导功率合成/分配器包括：八路径向波导输入/输出结构1、径向波导—同轴线过渡结构2、同轴线3、同轴线—波导过渡结构4、波导输出/输入结构5以及滑动孔阵列结构6；其中，呈中心对称的八路径向波导输入/输出结构1为在基底内开设的空腔结构，各路径向波导输入/输出结构1的末端汇聚至一中心点，相邻的径向波导输入/输出结构1之间的夹角为360°/8；在八路径向波导输入/输出结构1的末端汇聚中心设置径向波导—同轴线过渡结构2；径向波导—同轴线过渡结构2连接同轴线3的一端；同轴线3的另一端经同轴线—波导过渡结构4连接至波导输出/输入结构5；波导输出/输入结构5为在基底内开设的空腔结构；八路径向波导输入/输出结构1的端口边缘设置滑动孔阵列结构6。
每一路径向波导输入/输出结构1包括径向波导端口11、输入/输出90°波导弯头12和径向波导13，径向波导为矩形波导，径向波导端口通过输入/输出90°波导弯头连接至矩形的径向波导；八个径向波导位于同一平面，八个径向波导端口位于同一平面，八个径向波导端口所在的平面平行于八个径向波导的底面所在的平面；径向波导为WR-10标准波导。
如图2所示，径向波导—同轴线过渡结构2包括三阶从下至上直径逐渐减小且共轴的圆柱状台阶，圆柱状台阶的中心轴位于八路径向波导输入/输出结构1汇聚的中心点且垂直于八个矩形的径向波导的底面所在的平面；圆柱状台阶的材料为金属。
如图3所示，同轴线3包括同轴内芯31和同轴外导体32，同轴外导体为基底内的柱状的空腔，同轴外导体连通八路径向波导输入/输出结构1与波导输出/输入结构5，在同轴外导体内设置同轴的同轴内芯，八路径向波导输入/输出结构1的末端汇聚中心点位于同轴内芯的中心轴上；同轴内芯的直径小于径向波导—同轴线过渡结构2的最上层柱状台阶的直径；同轴内芯的材料为金属；同轴内芯的下表面连接径向波导—同轴线过渡结构2的最上层柱状台阶的上表面。同轴外导体的直径为同轴内芯直径的两倍。
如图3所示，同轴线—波导过渡结构4包括过渡波导41和三层阻抗匹配阶梯42，过渡波导为矩形波导，过渡波导所在的平面平行于八个径向波导所在的平面，三层阻抗匹配阶梯位于过渡波导的始端，三层阻抗匹配阶梯的每一层为长方体形状的阶梯，阶梯的长度从下至上逐渐增大，长度定义为沿过渡波导的始端至末端的方向，各层阻抗匹配阶梯的宽度一致，三层阻抗匹配阶梯的始端对齐即位于同一平面，三层阻抗匹配阶梯的始端表面紧贴过渡波导的始端表面，三层阻抗匹配阶梯的上表面紧贴过渡波导的上表面，同轴线3的同轴内芯的顶端伸入至过渡波导的始端，三层阻抗匹配阶梯的下表面与同轴内芯的上表面之间有距离，便于装配；多层阻抗匹配阶梯的材料为金属；
如图3所示，波导输出/输入结构5包括输出/输入90°波导弯头51和过渡波导端口52，过渡波导端口通过输出/输入90°波导弯头连通至过渡波导，过渡波导端口平行于八个径向波导端口所在的平面；输出/输入90°波导弯头的外侧壁具有台阶结构，台阶结构的上表面与同轴线—波导过渡结构4的阻抗匹配阶梯的下表面齐平；
如图4所示，滑动孔阵列结构6上层部分和下层部分；上层部分包括多个沿直线周期排列的单元，每个单元包括四个引导结构62以及谐振结构61，四个引导结构呈中心对称分布，各个引导结构的末端汇聚至一个中心点，每个引导结构为柱体孔洞，截面为方形，在多个引导结构的末端汇聚中心设置谐振结构，谐振结构为柱体孔洞，截面是圆形，谐振结构的下表面与多个引导结构的下表面位于同一个平面，相邻的两个单元之间有距离，单元的周期大于两个谐振结构的长度小于四个谐振长度的结构；下层部分同样包括多个周期排列的单元，下层部分的上表面与上层部分的下表面连接，从而上层部分和下层部分形成连通的空腔整体，下层部分与下层部分之间为滑动对称，滑动的距离为半个周期；滑动孔阵列结构6位于每一个径向波导的输入端的外边缘，并且与波导径向波导之间不连接，距离为0.1mm。
同轴内芯的最上端与多层阻抗匹配阶梯的下表面之间有空隙，并未接触，在不影响微波能量传输的前提下，能够最大限度减小因加工或者装配误差产生的高次谐波的影响，从而提高合成效率。
八路径向波导输入/输出结构11、同轴外导体32、过渡波导41、波导输出/输入结构55以及十字交叉滑动孔阵列结构66均为刻蚀基底形成的腔体，腔体内，三阶圆柱状台阶、同轴内芯31、三层圆柱台阶和三层阻抗匹配阶梯42为金属，在腔体外的全部都是紫铜的基底。
滑动对称单元结构的作用机理是抑制表面波的传输，泄露的电磁能量以表面波的形式沿着缝隙表面分布，并且以e-αx指数形式衰减，表面波分为TE模式和TM模式两种，其表达式推导如下：
根据麦克斯韦方程组：
E为电场强度，H为磁场强度，ε为介电常数，μ为磁导率。
假设表面波沿着Z轴正方向传输，则电场在该方向的分量为：
Ez＝Ae-jkz-αx
上式中A为振幅，k为传播常数，α为衰减指数；
对于TM模式，下式成立
Hx＝Hz＝Ey＝0
进而可得
TM模式的表面阻抗ZTM为
同理，TE模式表面阻抗ZTE为
从以上分析可以看出，滑动对称单元结构的表面阻抗为容性时，可支持TE模式传输，而当滑动对称单元结构的表面阻抗为感性时，可支持TM模式传输；当电磁波的频率在滑动对称单元结构的谐振频率附近时，此时TE模式和TM模式都无法传输，即形成泄露的电磁能量的禁带。
采用CST STUDIO SUITE电磁仿真软件中的本征求解器对滑动对称单元结构进行分析，通过时域有限差分法FDTD算法求解麦克斯韦方程组，可以得到滑动对称单元结构的谐振范围，即泄露的电磁能量的禁带范围。
在本实施例中，中心频率f对应的波长为λ，导引结构的长为0.36λ，宽为0.1λ，高度为0.1λ，谐振结构的直径为0.3λ，高度为0.3λ，单元结构的周期为0.85λ，对应的禁带范围为0.75f～1.3f。三层阻抗匹配阶梯中，每层阶梯的长度由小到大依次为：0.5λ～0.7λ，0.9λ～1.1λ，1.2λ-1.5λ，对应每层阶梯的高度分别为0.02λ～0.05λ，0.05λ～0.07λ，0.02λ～0.05λ；每层柱状台阶的直径由小到大依次为0.3λ～0.6λ，0.7λ～1.1λ，1.2λ-1.4λ，对应每层柱状台阶的高度分别为0.1λ～0.15λ，0.04λ～0.08λ，0.09λ～0.18λ。
同轴内芯31的直径d为0.5mm，同轴外导体32的直径D为1mm；径向波导和过渡波导的截面的形状相同，长度a为2.54mm，宽度b为1.27mm。
根据阻抗公式分别计算得到径向波导的阻抗为497Ω和同轴线3的阻抗为42Ω，再根据径向波导的阻抗和同轴线3的阻抗得到反射系数，反射系数过大影响信号传输，降低反射系数以提高传输效率，设定期望反射系数为-25dB，由切比雪夫多节匹配公式得到满足反射系数需要的柱状台阶的阶数≥3，在阶数范围内选定台阶数为3，根据设定的期望的反射系数得到设置了多层柱状台阶的径向波导的每层阻抗分别为150Ω、260Ω和370Ω，根据这个阻抗带回阻抗公式，反推得到每层的柱状台阶的高度。
在步骤3)中，多层阻抗匹配阶梯中，每层匹配阶梯的高度相互独立，但是匹配阶梯的总高度不能大于过渡波导的高度，也不能与同轴内芯接触。
根据阻抗公式分别计算得到同轴线3的阻抗为42Ω和过渡波导的阻抗为497Ω，再根据同轴线3的阻抗和过渡波导的阻抗得到反射系数，反射系数过大影响信号传输，降低反射系数以提高传输效率，设定期望反射系数-25dB，由切比雪夫多节匹配公式得到满足反射系数需要的阻抗匹配阶梯的阶数≥3，在阶数范围内选定台阶数为3，根据设定的期望的反射系数得到设置了阻抗匹配阶梯的过渡波导的每层阻抗分别为150Ω、260Ω和370Ω，根据这个阻抗带回阻抗公式，反推得到每层的阻抗匹配阶梯的高度。
本实施例的毫米波宽带径向波导功率合成/分配器的实现方法，用作功率合成器，包括以下步骤：
1)TE10模式微波信号分别从八路径向波导输入/输出结构1的径向波导端口进入，各自经过输入/输出90°波导弯头后，沿着径向波导汇聚至末端的中心点，八路微波信号经过的路径相等，并且关于中心呈旋转对称，实现功率合成；
2)经径向波导—同轴线过渡结构2的三阶柱状台阶，微波信号从TE10模式转换为TEM模式，通过调整柱状台阶的层数和各阶高度，实现最佳转换效果；
3)TEM模式微波信号通过同轴线3传输至同轴线—波导过渡结构4，从TEM模式转换为TE10模式，经三层阻抗匹配阶梯增大回波损耗从而提高合成效率，传输至波导输出/输入结构5；
4)TE10模式微波信号经波导输出/输入结构5的输出/输入90°波导弯头至过渡波导端口输出；
5)滑动孔阵列结构6通过规则的周期排列的单元，形成电磁波在设定频段的禁带，在禁带内电磁波无法传播，或者传播衰减很大，从而达到防止电磁波泄露的目的，通过调整滑动孔阵列单元结构的引导结构和谐振结构的尺寸以及周期，从而改变禁带的范围，实现不同频段的应用，微波在基底的空气缝隙中泄露产生的高次谐波，通过滑动孔阵列结构6的引导结构，导引至谐振结构，从而抵消掉高次谐波，防止装配过程中产生的泄露。
图5和图6为仿真结果图。其中，图5为本实施例各端口传输系数仿真结果图，从图中可以看出在80-105GHz频带范围内各端口传输系数介于-8.98dB和-9.13dB之间，绝对不平衡度为0.15dB，幅度一致性好。图6为本实施例过渡波导端口反射系数仿真结果图，从图中可以看出在80-105GHz频带范围内反射系数小于-21dB，端口反射较小。图7为去掉滑动孔阵列结构6之后得到的过渡波导端口反射系数仿真结果图，从图中可以看出在80-105GHz频带范围内如果没有滑动孔阵列单元结构，会因为信号泄露导致腔体内产生局部谐振，体现在结果图中多处尖峰，严重影响了频带宽度和合成效率。
本发明的高效率宽带功率合成器还可以用作功率分配器，当工作为功率分配器时，信号从输出波导进入，经过同轴线—波导过渡结构，信号由TE10模式转换为TEM模式，再经过径向波导—同轴线过渡结构4，信号由TEM模式转化为TE10模式，在径向波导中传输，最后经过90°弯头各自从输入波导输出，输出的信号理论上是等幅同相的，且幅度比输入信号低9dB；当工作为合成器时传输路径和模式变换过程相反。
从仿真结果可知，本发明具有损耗小、频带宽、功率容量大、合成效率高及散热性能好的优点，通过引入十字交叉滑动孔阵列结构还克服了加工装配误差导致的信号泄露问题，并且还有一些独特的设计降低了加工装配的难度，在工程上具有不错的应用价值。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明采用了径向波导功率合成技术，具有损耗小、频带宽、功率容量大、合成效率高以及散热性能好的优点，在作为功率分配器时，各个输出端口是等幅同相的；本发明在径向波导—同轴线过渡结构和同轴线—波导过渡结构中引入了多阶阻抗匹配结构，实现了较高的回波损耗，从而提高了合成效率；本发明的设计可以通过分层金属板的方式加工，只需要对每一层金属板进行相应的加工，最终每层堆叠在一起即可实现装配，降低了加工难度和加工成本；本发明同轴内芯最上端与三层阻抗匹配阶梯并未接触，降低了因加工误差造成的装配难度；本发明每路径向波导的输入端口处于同一平面，并且与输出端口所在平面平行，便于装配和测试；本发明引入了十字交叉滑动孔阵列结构，克服了加工装配误差导致的信号泄露问题，拓展了带宽，增加了合成效率。该发明可用于阵列天线的馈电网络、微波、毫米波超宽带功率合成放大器以及其他微波电路与系统中。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种毫米波宽带径向波导功率合成/分配器，用作功率合成器，或者用作功率分配器，其特征在于，所述功率合成/分配器包括：N路径向波导输入/输出结构、径向波导—同轴线过渡结构、同轴线、同轴线—波导过渡结构、波导输出/输入结构以及滑动孔阵列结构；其中，呈中心对称的N路径向波导输入/输出结构为在基底内开设的空腔结构，各路径向波导输入/输出结构的末端汇聚至一中心点，相邻的径向波导输入/输出结构之间的夹角为360°/N；在N路径向波导输入/输出结构的末端汇聚中心设置径向波导—同轴线过渡结构；径向波导—同轴线过渡结构连接同轴线的一端；同轴线的另一端经同轴线—波导过渡结构连接至波导输出/输入结构；波导输出/输入结构为在基底内开设的空腔结构；
每一路径向波导输入/输出结构包括径向波导端口、输入/输出90°波导弯头和径向波导，径向波导为矩形波导，径向波导端口通过输入/输出90°波导弯头连接至矩形的径向波导；N路径向波导的底部位于同一平面，N个径向波导端口位于同一平面，N个径向波导端口所在的平面平行于N路径向波导的底部所在的平面；
径向波导—同轴线过渡结构包括多阶从下至上直径逐渐减小且共轴的圆柱状台阶，圆柱状台阶的中心轴位于N路径向波导输入/输出结构汇聚的中心点且垂直于N路径向波导所在的平面；圆柱状台阶的材料为金属；
同轴线包括同轴内芯和同轴外导体，同轴外导体为基底内的柱状的空腔，同轴外导体连通N路径向波导输入/输出结构与同轴线—波导过渡结构的过渡波导，在同轴外导体内设置同轴的同轴内芯，N路径向波导输入/输出结构的末端汇聚中心点位于同轴内芯的中心轴上；同轴内芯的直径小于径向波导—同轴线过渡结构的最上层圆柱状台阶的直径；同轴内芯的材料为金属；同轴内芯的下表面连接径向波导—同轴线过渡结构的最上层圆柱状台阶的上表面；
同轴线—波导过渡结构包括过渡波导和多层阻抗匹配阶梯，过渡波导为矩形波导，过渡波导所在的平面平行于N路径向波导的底部所在的平面，多层阻抗匹配阶梯位于过渡波导的始端，多层阻抗匹配阶梯的每一层为长方体形状的阶梯，阶梯的长度从下至上逐渐增大，长度定义为沿过渡波导的始端至末端的方向，各层阻抗匹配阶梯的宽度一致，多层阻抗匹配阶梯的始端对齐即位于同一平面，多层阻抗匹配阶梯的始端表面紧贴过渡波导的始端表面，多层阻抗匹配阶梯的上表面紧贴过渡波导的上表面，同轴线的同轴内芯的顶端伸入至过渡波导的始端，且沿过渡波导的始端至末端的方向同轴内芯的顶端距离过渡波导的始端端面有距离，多层阻抗匹配阶梯的下表面与同轴内芯的上表面之间有距离；多层阻抗匹配阶梯的材料为金属；
波导输出/输入结构包括输出/输入90°波导弯头和过渡波导端口，过渡波导端口通过输出/输入90°波导弯头连通至过渡波导，过渡波导端口平行于N个径向波导端口所在的平面；输出/输入90°波导弯头的外侧壁具有台阶结构，台阶结构的上表面与同轴线—波导过渡结构的阻抗匹配阶梯的下表面齐平；
滑动孔阵列结构包括上层部分和下层部分；上层部分包括多个沿直线周期排列的单元，每个单元包括多个引导结构以及谐振结构，多个引导结构呈中心对称分布，各个引导结构的末端汇聚至一个中心点，每个引导结构为在基底内开设的柱体孔洞，截面为规则图形，在多个引导结构的末端汇聚中心设置谐振结构，谐振结构为在基底内开设的柱体孔洞，截面是规则图形，谐振结构的下表面与多个引导结构的下表面位于同一个平面，相邻的两个单元之间有距离；下层部分与上层部分的结构相同，下层部分的上表面与上层部分的下表面连接，从而上层部分和下层部分形成连通的空腔整体，下层部分与下层部分之间为滑动对称；滑动孔阵列结构位于N路径向波导输入/输出结构的每一个径向波导的外边缘，并且与径向波导之间不连接；
用作功率合成器时，径向波导端口作为输入端口，TE10模式微波信号分别从N路径向波导输入/输出结构的径向波导端口进入，各自经过输入/输出90°波导弯头后，沿着径向波导汇聚至末端的中心点，N路微波信号经过的路径相等，并且关于中心呈旋转对称，实现功率合成；经径向波导—同轴线过渡结构的多阶柱状台阶，微波信号从TE10模式转换为TEM模式，通过调整柱状台阶的层数和各阶高度，实现最佳转换效果；TEM模式微波信号通过同轴线传输至同轴线—波导过渡结构，从TEM模式转换为TE10模式，经多层阻抗匹配阶梯增大回波损耗从而提高合成效率，传输至波导输出/输入结构；TE10模式微波信号经波导输出/输入结构的输出/输入90°波导弯头至过渡波导端口输出；滑动孔阵列结构通过规则的周期排列的单元，形成电磁波在设定频段的禁带，在禁带内电磁波无法传播，或者传播衰减很大，从而达到防止电磁波泄露的目的，通过调整滑动孔阵列结构的引导结构和谐振结构的尺寸以及周期，从而改变禁带的范围，实现不同频段的应用，微波信号在基底的空气缝隙中泄露产生的高次谐波，通过滑动孔阵列结构的引导结构，导引至谐振结构，从而抵消掉高次谐波，防止装配过程中产生的泄露；
用作功率分配器时，传输过程与用作功率合成器时反向，N个径向波导端口作为输出端口，各个径向波导端口输出的信号是等幅同相的。
2.如权利要求1所述的功率合成/分配器，其特征在于，所述多层阻抗匹配阶梯的下表面与同轴内芯的上表面之间的距离为0.1~0.3mm；所述同轴内芯距离过渡波导始端的距离为0.4~1.5mm。
3.如权利要求1所述的功率合成/分配器，其特征在于，所述滑动孔阵列结构与径向波导之间的距离为0.01~0.2mm。
4.如权利要求1所述的功率合成/分配器，其特征在于，所述滑动孔阵列结构上层部分和下层部分的交界面位于同一个平面，这个平面为N路径向波导的底部所在的平面。
5.如权利要求1所述的功率合成/分配器，其特征在于，所述滑动孔阵列结构中，单元的周期大于两个谐振结构的长度小于四个谐振结构的长度。
6.如权利要求1所述的功率合成/分配器，其特征在于，所述滑动孔阵列结构 的周期变长或者尺寸变大，禁带范围往低频偏移，或者，所述滑动孔阵列结构 的周期变短或者尺寸变小，禁带范围往高频偏移。
7.一种如权利要求1所述的毫米波宽带径向波导功率合成/分配器的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括用作功率合成器的步骤：
步骤1）径向波导端口作为输入端口，TE10模式微波信号分别从N路径向波导输入/输出结构的径向波导端口进入，各自经过输入/输出90°波导弯头后，沿着径向波导汇聚至末端的中心点，N路微波信号经过的路径相等，并且关于中心呈旋转对称，实现功率合成；
步骤2）经径向波导—同轴线过渡结构的多阶柱状台阶，微波信号从TE10模式转换为TEM模式，通过调整柱状台阶的层数和各阶高度，实现最佳转换效果；
步骤3）TEM模式微波信号通过同轴线传输至同轴线—波导过渡结构，从TEM模式转换为TE10模式，经多层阻抗匹配阶梯增大回波损耗从而提高合成效率，传输至波导输出/输入结构；
步骤4）TE10模式微波信号经波导输出/输入结构的输出/输入90°波导弯头至过渡波导端口输出；
步骤5）滑动孔阵列结构通过规则的周期排列的单元，形成电磁波在设定频段的禁带，在禁带内电磁波无法传播，或者传播衰减很大，从而达到防止电磁波泄露的目的，通过调整滑动孔阵列结构的引导结构和谐振结构的尺寸以及周期，从而改变禁带的范围，实现不同频段的应用，微波在基底的空气缝隙中泄露产生的高次谐波，通过滑动孔阵列结构的引导结构，导引至谐振结构，从而抵消掉高次谐波，防止装配过程中产生的泄露；
所述实现方法包括用作功率分配器的步骤：
用作功率分配器时，传输过程与用作功率合成器时反向，N个径向波导端口作为输出端口，各个径向波导端口输出的信号是等幅同相的。
8.如权利要求7所述的实现方法，其特征在于，在步骤2）中，圆柱状台阶的层数越多，转换的效果越好，总的圆柱状台阶的总高度不大于圆柱状台阶所在的径向波导的高度。
9.如权利要求7所述的实现方法，其特征在于，在步骤3）中，多层阻抗匹配阶梯中，每层匹配阶梯的高度相互独立，匹配阶梯的总高度不大于过渡波导的高度，也不与同轴内芯接触。
10.如权利要求7所述的实现方法，其特征在于，在步骤5）中，通过时域有限差分法FDTD算法求解麦克斯韦方程组，得到滑动孔阵列结构的禁带范围，改变滑动孔阵列结构的尺寸，使禁带的范围包含功率合成器的工作频带，从而在功率合成器工作时，泄露的高次谐波处于滑动对称单元结构的禁带范围内，实现滑动对称单元结构抑制高次谐波的传输的作用。
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