CN113224493B - 基于同轴TE01模式的n路波导空间径向功率分配合成器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于同轴TE01模式的n路波导空间径向功率分配合成器，包括同轴线，n个大小形状相同的辐射状排列的矩形波导，n个矩形波导沿径向均匀分布，同轴线底部设置三级同轴匹配短路面。由于采用同轴圆对称TE01模式，可有效降低非圆对称模式干扰，得到优于传统的基于圆波导TE01模式径向功率分配合成器工作频率带宽，并克服了传统的基于同轴线径向波导空间功率分配合成器在高频应用时的尺寸限制和功率容量限制，具有工作频带宽、合成支路数目多、功率容量高、适用于高频率工作以及便于加工实现的技术特点，突破了传统波导空间径向功率合成器所面临的诸多限制，可用于实现微波、毫米波、太赫兹频段的宽带多路高功率合成系统。

Description

基于同轴TE01模式的n路波导空间径向功率分配合成器

技术领域

本发明涉及微波毫米波太赫兹技术领域，特别涉及微波毫米波太赫兹功率合成技术领域。

背景技术

在波导空间径向功率合成技术中，多个单模支路(多为矩形波导)以径向构架的方式组合为圆对称模式合成输出，具有合成支路多、合成效率高的技术特点，备受业内关注。当前，波导空间径向功率合成器根据合成输出的圆对称模式不同，分为基于圆波导TE01模式的径向功率合成器和基于同轴TEM模式的径向功率合成器。

在基于圆波导TE01模式的径向功率合成中，多个TE10模式矩形波导支路以两两宽边相邻的方式沿圆波导周界径向排列，在圆波导内组合成圆对称TE01模式输出。在这类合成技术中，合成输出的圆波导圆对称TE01模式为高阶模式，其他非圆对称模式(特别是低阶模式)干扰严重地损坏了径向功率合成器中的支路幅度、相位一致性，降低了功率合成的效率，限制了工作带宽。因此，这类合成技术难以实现微波毫米波宽带高效率合成。

在基于同轴TEM波模式的径向功率合成器中，多个TE10模式矩形波导支路以两两窄边相邻的方式沿同轴周界径向排列，在同轴线内组合成圆对称TEM模式输出。在这类合成技术中，各支路矩形波导两两窄边相邻，宽边尺寸保持确定值，要增加合成网络支路数目，势必增大同轴线直径，这必将带来高次模式的干扰；另外，合成输出的同轴TEM模式其单模工作特性须由较小横截面尺寸保证，这在高频率(比如毫米波、THz)应用时带来更大的加工实现难度，同时也会降低系统的功率容量。因此，这类合成技术在合成支路数目不会太多、工作频率不会太高、且功率容量也不会太高，高频率下加工实现难度大，不便于毫米波多路高功率合成应用。

为此，针对以上传统的波导空间径向功率合成技术缺陷，本发明提出了一种基于同轴TE01模式的新型n路波导空间径向功率合成器，将多个TE10模式矩形波导支路以两两宽边相邻的方式沿同轴线周界径向排列，组合成同轴圆对称TE01模式输出。在这种新型波导空间径向功率合成器中，所合成输出的圆对称模式为同轴圆对称TE01模式，可有效降低非圆对称模式干扰，得到优于传统的基于圆波导TE01模式径向功率合成器工作频率带宽；并且，这种新型径向功率合成器中，同轴线工作于高阶模式，可采用较大尺寸横截面的同轴线实现；还有，径向排列的各支路矩形波导可采用窄边尺寸较小的低阻抗波导，可在不增加同轴线尺寸的情况下实现合成网络支路数目的增多。可见这种新型波导空间径向功率合成器具有工作频带宽、合成支路数目多、功率容量高、适应于高频率工作以及便于加工实现的技术特点，突破了传统波导空间径向功率合成器在高频率、宽频带、多支路、高功率以及加工实现等方面所面临的诸多限制，可用以满足日益增长的微波、毫米波、太赫兹宽带高功率合成需求。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供一种基于同轴TE01模式的n路波导空间径向功率分配合成器，可有效解决传统波导空间径向功率分配合成器在高频率、宽频带、多支路、高功率以及加工实现等方面所面临的诸多问题。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种基于同轴TE01模式的n路波导空间径向功率分配合成器，包括同轴线1，同轴线1上连接n个大小形状相同的辐射状排列的矩形波导2，同轴线1包括同心设置的外部的同轴线外导体1-2以及中心的同轴线内导体1-1，所述n个矩形波导2沿同轴线外导体1-2圆周径向均匀分布，在矩形波导2与同轴线1的连接处，相邻矩形波导2的宽度边之间紧邻接触，同轴线内导体1-1内的底部同心设置至少一个圆台：第一圆台41；当设置2个以上圆台时，从下至上各圆台的直径依次减小，各圆台的台阶面形成多级同轴匹配短路面3，其中：第一圆台41的底面为第一级短路面3-1，第一圆台41的顶面为第二级短路面3-2，同轴线内导体1-1底部垂直连接于最上方的圆台的上表面。

作为优选方式，同轴线内导体1-1的底部同心设置至少两个圆台：第一圆台41、第二圆台42；第一圆台41位于第二圆台42的下方，同轴线外导体1-2的直径大于第一圆台41的直径，第一圆台41的直径大于第二圆台42的直径，第一圆台41和第二圆台42的台阶面形成多级同轴匹配短路面3，其中：第一圆台41的底面为第一级圆环短路面3-1，第一圆台41的顶面为第二级圆环短路面3-2，第二圆台42的上表面为第三级圆环短路面3-3。

作为优选方式，同轴线内导体1-1的底部同心设置m个圆台，m≥3，形成m+1级同轴匹配短路面3，第二圆台42的上表面为第三级圆环短路面3-3，第m圆台的上表面为第m+1级圆环短路面。

作为优选方式，同轴线1一端为所述n路波导空间径向功率分配合成器输出端口(P₁)，另一端连接第三级短路面3-3；n路矩形波导2为所述n路波导空间径向功率分配合成器的n个支路；各支路矩形波导2一端为所述n路波导空间径向功率分配合成器的输入端口(P₂，P₃，…，P_n，P_n+1)，另一端与同轴线1相连接，连接位置设置于同轴线1的同轴匹配短路面3所在端；n路矩形波导2位于同一平面，并与同轴线1垂直。

作为优选方式，同轴线1工作于同轴TE01圆对称模式，矩形波导2工作于矩形波导TE10模式；置于同轴线1底端的圆环短路面3用以调节端口匹配；当用作功率合成时，分别由n个矩形波导端口(P₂，P₃，…，P_n，P_n+1)输入n路幅度相等、相位相同的矩形波导TE10模式信号，将功率合成为一路同轴圆对称TE01模式信号并由同轴线1端口P₁输出；当用作功率分配时，由同轴线1的P₁端口输入同轴TE01圆对称模式信号，并在同轴线1的另一端对称地分配为n路幅度相等、相位相同的矩形波导TE10模式信号并由n个矩形波导端口(P₂，P₃，…，P_n，P_n+1)输出。

作为优选方式，n大于等于8。

作为优选方式，n为16。

作为优选方式，在Ka波段下，工作频率为31-43GHz，支路数n＝16，同轴线内导体1-1外径d＝1mm，同轴线外导体1-2内径D＝12.4mm；矩形波导2宽度边尺寸a为7.112mm，在矩形波导2端口处最外侧的宽度边尺寸b为3.556mm，矩形波导2与同轴线外导体1-2连接处的宽度边尺寸b₀为2.42mm；第一级圆环短路面3-1与n路矩形波导宽边中心线的垂直距离H₁＝3.556mm；第一级圆环短路面3-1外径D₁＝12.4mm，第二级圆环短路面3-2外径D₂＝9.68mm，第三级圆环短路面3-3外径D₃＝4.52mm，第一、二级圆环短路面之间的垂直间距H₂＝2.3mm，第二、三级圆环短路面之间的垂直间距H₃＝2.3mm。

作为优选方式，在端口P₁馈入同轴TE01圆对称模式时，在31-43GHz、相对带宽32.43％频率范围内端口反射系数S11小于-15dB，在31.6-40.2GHz、相对带宽24％频率范围内端口反射系数S11小于-20dB，并在43.2GHz达到最小为-42dB；16路矩形波导端口(P₂，P₃，…，P_n，P_n+1)TE10模式与同轴端口P₁圆对称模式TE01模式间的传输系数幅度在31-43GHz，频率范围内为-12.20～12.06dB，扣除16路功率合成比12.04dB，该16路功率分配合成器路径损耗小于0.2dB；16路矩形波导端口(P₂，P₃，…，P_n，P_n+1)TE10模式与同轴端口P₁圆对称模式TE01模式间的传输系数相位在31-43GHz频率范围内相同，实现了Ka波段16路波导空间径向功率合成，工作带宽为32.43％，合成损耗小于0.2dB。

本发明的有益效果为：本发明所述基于同轴TE01模式的新型n路波导空间径向功率分配合成器，克服了传统的波导空间径向功率合成器的技术缺陷，具有显著的技术优势。在本发明所述n路功率合成器中，将多个TE10模式矩形波导支路以两两宽边相邻的方式沿同轴外导体周围边界径向排列，在同轴线内组合成圆对称TE01模式输出。首先，所述n路功率合成器中所合成输出的圆对称模式为同轴圆对称TE01模式，可有效降低非圆对称模式干扰，得到优于传统的基于圆波导TE01模式径向功率合成器工作频率带宽；其次，所述n路功率合成器中同轴线工作于高阶模式，可采用较大尺寸横截面的同轴线实现；所述n路功率合成器中径向排列的各支路矩形波导可采用窄边尺寸较小的低阻抗波导，可在不增加同轴线尺寸的情况下实现合成网络支路数目的增多。可见本发明所述基于同轴圆对称TE01模式的新型n路波导空间径向功率合成器具有工作频带宽、合成支路数目多、功率容量高、适应于高频率工作以及便于加工实现的技术特点，突破了传统波导空间径向功率分配合成器在高频率、宽频带、多支路、高功率以及加工实现等方面所面临的诸多限制，便于高频率特别是毫米波、太赫兹频段的宽带多路高功率合成应用，可用以满足日益增长的微波、毫米波、太赫兹宽带高功率信号获取需求。

附图说明

图1(a)是本发明实施例2所述n路波导空间径向功率合成器总体外形结构示意图；

图1(b)是本发明实施例2所述n路波导空间径向功率合成器内部剖面结构示意图。

图2是本发明实施例2所述n路波导空间径向功率合成器的主视图。

图3是本发明实施例2的电场分布图。

图4是本发明实施例2所述n路波导空间径向功率合成器立体结构关键尺寸示意图：其中(a)总体外形结构关键尺寸标识示意图；(b)内部剖面结构关键尺寸标识示意图。

图5是本发明实施例2中同轴匹配短路面的示意图，其中(a)为同轴匹配短路面的俯视图，(b)为(a)的A-A剖视图。

图6是本发明实施例2中n＝16时同轴端口(P₁)反射系数S11幅度和各矩形波导支路端口-同轴端口传输系数幅度S1i(i＝2，3，……，17)，单位为dB。

图7是本发明实施例2中n＝16时各矩形波导支路端口-同轴端口传输系数相位ang_S1i(i＝2，3，……，17)，单位为度；

1为同轴线，1-1为同轴线内导体，1-2为同轴线外导体；2为矩形波导；3为同轴匹配短路面，3-1为第一级圆环短路面，3-2为第二级圆环短路面，3-3为第三级圆环短路面，41为第一圆台，42为第二圆台。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

实施例1

一种基于同轴TE01模式的n路波导空间径向功率分配合成器，包括同轴线1，同轴线1上连接n个大小形状相同的辐射状排列的矩形波导2，同轴线1包括同心设置的外部的同轴线外导体1-2以及中心的同轴线内导体1-1，所述n个矩形波导2沿同轴线外导体1-2圆周径向均匀分布，在矩形波导2与同轴线1的连接处，相邻矩形波导2的宽度边之间紧邻接触，同轴线内导体1-1内的底部同心设置一个圆台：第一圆台41；第一圆台41的底面为第一级短路面3-1，第一圆台41的顶面为第二级短路面3-2，同轴线内导体1-1底部垂直连接于最上方的圆台42的上表面。通过调节同轴匹配短路面3可以实现更好的端口匹配，减小信号反射。

实施例2

本实施例和实施例1的区别在于：同轴线内导体1-1的底部同心设置两个圆台：第一圆台41、第二圆台42；第一圆台41位于第二圆台42的下方，同轴线外导体1-2的直径大于第一圆台41的直径，第一圆台41的直径大于第二圆台42的直径，第一圆台41和第二圆台42的台阶面形成多级同轴匹配短路面3，其中：第一圆台41的底面为第一级圆环短路面3-1，第一圆台41的顶面为第二级圆环短路面3-2，第二圆台42的上表面为第三级圆环短路面3-3。

同轴线1一端为所述n路波导空间径向功率分配合成器输出端口(P₁)，另一端连接第三级短路面3-3；n路矩形波导2为所述n路波导空间径向功率分配合成器的n个支路；各支路矩形波导2一端为所述n路波导空间径向功率分配合成器的输入端口(P₂，P₃，…，P_n，P_n+1)，另一端与同轴线1相连接，连接位置设置于同轴线1的同轴匹配短路面3所在端；n路矩形波导2位于同一平面，并与同轴线1垂直。

同轴线1工作于同轴TE01圆对称模式，矩形波导2工作于矩形波导TE10模式；置于同轴线1底端的圆环短路面3用以调节端口匹配；当用作功率合成时，分别由n个矩形波导端口(P₂，P₃，…，P_n，P_n+1)输入n路幅度相等、相位相同的矩形波导TE10模式信号，将功率合成为一路同轴圆对称TE01模式信号并由同轴线1端口P₁输出；当用作功率分配时，由同轴线1端口P₁输入的同轴TE01圆对称模式信号，将对称地分配为n路幅度相等、相位相同的矩形波导TE10模式信号并由n个矩形波导端口(P₂，P₃，…，P_n，P_n+1)输出。

n大于等于8。本实施例中，n为16。

同轴线内导体1-1外直径设置为d，同轴线外导体1-2内直径设置D，并且d<D；当支路数目较多是可选用较大的d和D尺寸，其具体数值根据功率合成器支路数目n和工作频带匹配要求优化选取。

各支路矩形波导2尺寸相同。其中，矩形波导2宽度边尺寸a根据工作频带优化确定，并在整个合成器中保持确定值不变。矩形波导2窄边尺寸设置规则为：在输出/入端口(P₂，P₃，…，P_n，P_n+1)处，矩形波导2窄边尺寸b根据系统应用需求确定；在与同轴线1连接处，矩形波导2窄边尺寸b₀可根据所述功率合成器支路数目n的大小进行适当调整(一般：b₀≤b)，支路数目n较大时，可选用较小的b₀。

同轴匹配短路面3设置为与同轴线1同心的圆环短路面，同轴匹配短路面3与n路矩形波导宽边中心线的距离设置为H₁，其具体数值可根据功率合成器工作频带匹配要求优化选取。

短路面的具体级数选取根据工作频率带宽要求优化确定(工作频带较宽时要求级数较多)；构成同轴匹配短路面3的各级圆环短路面外径尺寸(D₁，D₂，D₃，…)和各级圆环短路面间距尺寸(H₂，H₃，……)可根据功率合成器支路数目n和工作频带匹配要求优化选取。

在Ka波段下，工作频率为31-43GHz，支路数n＝16，同轴线内导体1-1外径d＝1mm，同轴线外导体1-2内径D＝12.4mm；矩形波导2宽度边尺寸a为7.112mm，在矩形波导2端口处最外侧的宽度边尺寸b为3.556mm，矩形波导2与同轴线外导体1-2连接处的宽度边尺寸b₀为2.42mm；第一级圆环短路面3-1与n路矩形波导宽边中心线的垂直距离H₁＝3.556mm；第一级圆环短路面3-1外径D₁＝12.4mm，第二级圆环短路面3-2外径D₂＝9.68mm，第三级圆环短路面3-3外径D₃＝4.52mm，第一、二级圆环短路面之间的垂直间距H₂＝2.3mm，第二、三级圆环短路面之间的垂直间距H₃＝2.3mm。

根据以上结构参数对实施例进行三维电磁场模拟仿真，得到图6和图7所示的仿真计算结果：在端口P₁馈入同轴对于圆对称模式TE01模信号时，在31-43GHz、相对带宽32.43％频率范围内端口反射系数S11小于-15dB，在31.6-40.2GHz、相对带宽24％频率范围内端口反射系数S11小于-20dB，并在43.2GHz达到最小为-42dB；16路矩形波导端口(P₂，P₃，…，P_n，P_n+1)TE10模式与同轴端口P₁圆对称模式TE01模式间的传输系数幅度在31-43GHz，频率范围内为-12.20～12.06dB，扣除16路功率合成比12.04dB，该16路功率合成器路径损耗小于0.2dB；16路矩形波导端口(P₂，P₃，…，P_n，P_n+1)TE10模式与同轴端口P₁圆对称模式TE01模式间的传输系数相位在31-43GHz频率范围内相同，可见，在本实施例实现了Ka波段16路波导空间径向功率合成，工作带宽为32.43％，合成损耗小于0.2dB，具有良好的支路幅度和相位一致性，可用以实现Ka波段宽带高功率高效率功率合成。

由实施例可以看出，本发明所述基于同轴TE01模式的新型n路波导空间径向功率分配合成器中，可采用较大横截面尺寸的同轴线，并便于增加更多合成支路，突破了传统的基于同轴线的径向功率分配/合成网络所面临的合成支路数目少、加工难度大和功率容量低的限制；同时，本发明所述新型n路波导空间径向功率分配合成器具有优于传统的基于圆波导的径向功率分配合成器工作频率带宽，可用以实现微波、毫米波及太赫兹频段宽带多路高功率高效率合成，具有广泛的应用前景。

实施例3

本实施例和实施例1的区别在于：同轴线内导体1-1的底部同心设置m个圆台，m≥3，形成m+1级同轴匹配短路面3，第一圆台41的底面为第一级短路面3-1，第一圆台41的顶面为第二级短路面3-2，第二圆台42的上表面为第三级圆环短路面3-3，第m圆台的上表面为第m+1级圆环短路面。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (1)

1.一种基于同轴TE01模式的n路波导空间径向功率分配/合成器，其特征在于：包括同轴线(1)，同轴线(1)上连接n个大小形状相同的辐射状排列的矩形波导(2)；同轴线(1)包括同心设置的外部的同轴线外导体(1-2)以及中心的同轴线内导体(1-1)；同轴线内导体(1-1)外直径设置为d，同轴线外导体(1-2)内直径设置D，并且d<D；d和D的尺寸具体数值根据功率合成器支路数目n和工作频带匹配要求优化选取；同轴线内导体(1-1)内的底部同心设置至少一个圆台；当设置2个以上圆台时，从下至上各圆台的直径依次减小，各圆台的台阶面形成多级同轴匹配短路面(3)；同轴线内导体(1-1)底部垂直连接于最上方的圆台的上表面，同轴匹配短路面(3)设置为与同轴线(1)同心的圆环短路面；n路矩形波导(2)为所述n路波导空间径向功率分配合成器的n个支路；各支路矩形波导(2)尺寸相同，位于同一平面，与同轴线(1)垂直并沿同轴线外导体(1-2)圆周径向均匀分布；在矩形波导(2)与同轴线(1)的连接位置设置于同轴线(1)的同轴匹配短路面(3)所在端；在矩形波导(2)与同轴线(1)的连接处，相邻矩形波导(2)的宽度边之间紧邻接触；矩形波导(2)宽边尺寸a根据工作频带优化确定，并在整个合成器中保持确定值不变；矩形波导(2)窄边尺寸设置规则为：在输出/入端口P₂，P₃，…，P_n和P_n+1处，矩形波导(2)窄边尺寸b根据系统应用需求确定；在与同轴线(1)连接处，矩形波导(2)窄边尺寸b₀根据所述功率合成器支路数目n的大小进行适当调整，b₀≤b，同轴匹配短路面(3)与n路矩形波导(2)宽边中心线的距离设置为H₁，其具体数值根据功率合成器工作频带匹配要求优化选取；构成同轴匹配短路面(3)的各级圆环短路面外径尺寸D₁，D₂，D₃，…和各级圆环短路面间距尺寸H₂，H₃，……，根据功率合成器支路数目n和工作频带匹配要求优化选取；同轴线(1)工作于同轴TE01圆对称模式，矩形波导(2)工作于矩形波导TE10模式；置于同轴线(1)底端的圆环短路面用以调节端口匹配；当用作功率合成时，分别由n个矩形波导端口P₂，P₃，…，P_n和P_n+1输入n路幅度相等、相位相同的矩形波导TE10模式信号，合成为一路同轴圆对称TE01模式信号并由同轴线(1)端口P₁输出；当用作功率分配时，由同轴线(1)端口P₁输入的同轴TE01圆对称模式信号，对称地分配为n路幅度相等、相位相同的矩形波导TE10模式信号并由n个矩形波导端口P₂，P₃，…，P_n和P_n+1输出。

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