CN113517527B - 单面双脊双探针波导功率分配器、功率合成器及合成方法 - Google Patents

Abstract

本公开公开的单面双脊双探针波导功率分配器、功率合成器及合成方法，包括：第一级脊波导功分器、第二级脊波导功分器和波导‑微带探针功分器；第一级脊波导功分器包括一个输入端口和两个输出端口；第二级脊波导功分器包括一个输入端口和两个输出端口；波导‑微带探针功分器包括脊波导输入端口和微带探针的输出端口；第一级脊波导功分器的两个输出端口分别与第二级脊波导功分器的输入端口连接；第二级脊波导功分器的两个输出端口分别与波导‑微带探针功分器的脊波导输入端口连接。可以在毫米波频段内实现宽带频率覆盖，具有宽频带、大功率、高效率及低损耗等优点。

Description

单面双脊双探针波导功率分配器、功率合成器及合成方法

技术领域

本发明涉及功率合成技术领域，尤其涉及单面双脊双探针波导功率分配器、功率合成器及合成方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着毫米波通信和雷达系统的发展,对毫米波固态功率放大器的需求变得越来越迫切，但是,单个MMIC(单片微波集成电路)输出功率的能力有限，难以满足工程应用的要求，功率合成是得到大功率固态毫米波源的重要的有效途径，因此，必须采用单路功率放大与多路功率分配/合成技术相结合的方法来提高系统的输出功率。

现有功率分配/合成技术主要包括传统的平面电路功率分配/合成技术和基于径向波导的空间功率分配/合成技术，传统的平面电路功率分配/合成技术多采用多级威尔金森功分器级联的结构形式，随着功率分配/合成路数的增多，功分器的级数随之增加，微带电路损耗也随之增大，从而造成了合成效率的下降，且此种方案的功率容量有限、散热效率低，在毫米波频段己不再适用；基于径向波导的空间功率分配/合成技术，如图5所示，采用同轴-径向波导、同心圆台-阶梯过渡和脊波导-微带过渡结构相结合，电磁波首先经过图中位于上侧的同轴端口进入12路径向波导，完成功率分配；在进入脊波导后，由微带探针将电磁波能量转换到平面微带电路，随后在平面微带电路上完成功率放大，最终通过对称的12路径向脊波导-同轴结构输出信号，但该技术存在如下几方面的问题，一是采用了同轴传输线，随着工作频率升高，损耗增大，降低了合成效率；二是采用了径向波导，且随着路数增加，结构直径随着增加，降低了实用性；三是装配要求高，实际经验证明，加工与装配误差导致了低频谐振，指标严重下降。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了单面双脊双探针波导功率分配器、功率合成器及合成方法，可以在毫米波频段内实现宽带频率覆盖，具有宽频带、大功率、高效率及低损耗等优点。

为实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

第一方面，提出了单面双脊双探针波导功率分配器，包括：第一级脊波导功分器、第二级脊波导功分器和波导-微带探针功分器；

第一级脊波导功分器包括一个输入端口和两个输出端口；第二级脊波导功分器包括一个输入端口和两个输出端口；波导-微带探针功分器包括脊波导输入端口和微带探针的输出端口；

第一级脊波导功分器的两个输出端口分别与第二级脊波导功分器的输入端口连接；第二级脊波导功分器的两个输出端口分别与波导-微带探针功分器的脊波导输入端口连接。

第二方面，提出了功率合成器，包括传输腔体和位于传输腔体顶部和底部的端盖，传输腔体内设置一种单面双脊双探针波导功率分配器、放大器芯片和波导功率合成器；一种单面双脊双探针波导功率分配器的微带探针的输出端口分别连接放大器芯片，放大器芯片还与波导功率合成器连接。

第三方面，提出了功率合成方法，包括：

输入信号经第一级脊波导功分器功分为两路信号；

两路信号经第二级脊波导功分器功分为四路信号；

四路信号经波导-微带探针功分器共分为八路信号；

八路信号分别通过放大器芯片放大后获得放大信号；

放大信号经波导功率合成器合成为合成信号。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

1、本公开功率分配和合成过程均在低损耗的矩形波导内完成，且功率分配/合成器本身尺寸较小，其内部的波导和微带线路径较短，因此，大大降低了毫米波能量的传输损耗。

2、本公开的功率分配段和功率合成段采用了对称结构，从而有效避免了幅相不一致所带来的能量损耗，大大提高了功率合成的效率。

3、本公开采用标准脊波导口作为输入输出接口，功率的分配、放大和合成均集成于一体，整个结构小巧轻便，具有很强的工程实用性。

4、本公开将分配器、波导功率合成器、放大器芯片放置于两个端盖之间的传输腔体中，热源可均匀分布于上下两个端盖中，故能够通过在两个端盖中均添加散热装置，提高散热效果，同时，由于每路波导之间均有一定的空间间隔，进一步提高了整体的散热效率。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本公开实施例1公开的分配器整体结构图；

图2为本公开实施例1公开的第一级脊波导功分器结构图；

图3为本公开实施例1公开的第二级脊波导功分器结构图；

图4为本公开实施例1公开的波导-微带探针功分器结构图；

图5为背景技术中提及的基于径向波导的空间功率分配/合成技术结构图；

图6为本公开实施例2公开的功率合成器结构图。

其中：1、微带探针，2、高阻抗线，3、微带线，4、单面双脊波导，5、输入端口，6、介质片，7、输入端口，8、功分处突起，9、台阶变换波导，10、单脊-双脊变换结构，11、输出端口，12、输出端口，13、输入端口，14、功放器渐变脊线，15、功分处突起，16、输出端口，17、输出端口，18、传输腔体，19、端盖，20、放大器芯片。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

实施例1

在该实施例中，公开了单面双脊双探针波导功率分配器，包括：第一级脊波导功分器、第二级脊波导功分器和波导-微带探针功分器；

第一级脊波导功分器包括一个输入端口和两个输出端口；第二级脊波导功分器包括一个输入端口和两个输出端口；波导-微带探针功分器包括脊波导输入端口和微带探针的输出端口；

第一级脊波导功分器的两个输出端口分别与第二级脊波导功分器的输入端口连接；第二级脊波导功分器的两个输出端口分别与波导-微带探针功分器的脊波导输入端口连接。

进一步的，第一级脊波导功分器为两路标准脊波导功分器，包括第一脊波导、第二脊波导和第三脊波导，第一脊波导的第一端、第二脊波导的第一端和第三脊波导的第一端相交于一处；第一脊波导的第二端设置第一级脊波导功分器的输入端口，第二脊波导的第二端和第三脊波导的第二端分别设置第一级脊波导功分器的输出端口。

进一步的，第一脊波导、第二脊波导和第三脊波导的相交处设置功分处突起，第二脊波导和第三脊波导内分别设置功放器渐变脊线，功放器渐变脊线连接功分处突起与第一级脊波导功分器的输出端口。

进一步的，第二脊波导功分器包括两个第四脊波导和一个第五脊波导，两个第四脊波导的第一端和第五脊波导的第一端连接于一处，第五脊波导的第二端设置第二脊波导功分器的输入端口，两个第四脊波导的第一端分别设置第二脊波导功分器的输出端口。

进一步的，第五脊波导为台阶渐变波导。

进一步的，波导-微带探针功分器包括第六脊波导，第六脊波导的第一端面设置波导-微带探针功分器的脊波导输入端口，第六脊波导的第二端面连接介质片，介质片上设置微带探针，微带探针通过传输线与微带线连接，微带线与微带探针的输出端口连接。

进一步的，介质片的两侧均设置微带探针，每个微带探针均通过传输线与微带线连接。

对本实施例公开的单面双脊双探针波导功率分配器进行详细说明。

现有功率分配/合成技术主要包括传统的平面电路功率分配/合成技术和基于径向波导的空间功率分配/合成技术。

传统的平面电路功率分配/合成技术多采用多级威尔金森功分器级联的结构形式，随着功率分配/合成路数的增多，功分器的级数随之增加，微带电路损耗也随之增大，从而造成了合成效率的下降。且此种方案的功率容量有限、散热效率低，在毫米波频段己不再适用。

基于径向波导的空间功率分配/合成技术，其缺点是加工难度大，装配复杂，生产成本高，且由于采用了同轴传输线作为传输媒介，很难进一步有效地提高功率分配/合成效率、降低损耗、增大工作带宽及提高功率容量等，同时由于无法加入隔离电阻，进行功率合成的各单元支路之间的隔离度较差，这将大大降低功率分配/合成器的稳定性和可靠性。

故本实施例提出了一种单面双脊双探针波导功率分配器，具有宽频带、高效率、低损耗、结构紧凑，散热好等优点。

本实施例公开的单面双脊双探针波导功率分配器，如图1所示，包括第一级脊波导功分器A、第二级脊波导功分器B和波导-微带探针功分器C。

其中，第一级脊波导功分器A为两路标准脊波导功分器，结构如图2所示，包括：第一脊波导、第二脊波导和第三脊波导，第一脊波导的第一端、第二脊波导的第一端和第三脊波导的第一端相交于一处，并在相交处设置功分处突起15；第一脊波导的第二端设置第一级脊波导功分器的输入端口13，第二脊波导的第二端和第三脊波导的第二端分别设置第一级脊波导功分器的输出端口12、16。

第一级脊波导功分器的输入端口13和输出端口12、16均为标准脊波导口，在第二脊波导和第三脊波导内分别设置功放器渐变脊线14，功放器渐变脊线14连接功分处突起15与第一级脊波导功分器的输出端口12、16。

第二级脊波导功分器B为双面双脊-单面双脊两路波导功分器，为T型功分器，结构如图3所示，包括两个第四脊波导和一个第五脊波导，两个第四脊波导的第一端和第五脊波导的第一端连接于一处，第五脊波导的第二端设置第二脊波导功分器的输入端口7，两个第四脊波导的第一端分别设置第二脊波导功分器的输出端口11。

其中，第四脊波导为单面双脊波导，输出端口11为单面双脊波导口，第五脊波导为双面双脊波导，输入端口7为标准的双面双脊波导口。

在具体实施时，第五脊波导采用台阶变换波导9，第五脊波导的第一端设置功分处突起8和单脊-双脊变换结构10，单脊-双脊变换结构10的一端与功分处突起8连接，另一端与第四脊波导的双脊连接。

波导-微带探针功分器C，结构如图4所示，包括第六脊波导，第六脊波导的第一端面设置波导-微带探针功分器的脊波导输入端口5，第六脊波导的第二端面连接介质片6，介质片6上设置微带探针1，微带探针1通过传输线与微带线3连接，微带线3与微带探针的输出端口17连接。

在具体实施时，介质片6的两侧均设置微带探针1，每个微带探针1均通过传输线与微带线3连接。

传输线采用与微带探针1对应的高阻抗线2，第六脊波导为单面双脊波导，输入端口5为双脊-单面双脊转换面，微带线3为50Ω微带线，介质片6为厚度0.254的5880介质片。

微带探针是目前应用最为广泛的波导微带过渡形式,它是从同轴探针发展而来的。介质片6沿第六脊波导宽边中心垂直伸入第六脊波导，微带探针1所在的平面与第六脊波导横截面相垂直。伸入第六脊波导部分微带底面金属被腐蚀掉，正面金属由一段低阻抗、微带探针1、一端高阻抗细线和高阻抗线2组成。低阻抗线相当于电容,高阻抗线相当于电感,它们之间形成一个谐振回路,将波导场耦合到平面微带电路。从原理上看，在波导内探针位置处且沿探针方向的任何模式交变电场，都将在探针上激励起交变电流，根据互易定理，微带线上准TEM模向波导入射时产生的探针电流也将在探针位置处激励起具有沿探针方向的任何模式电场，包括传播模式和截止频率，所以本实施例采用平行于脊平面的探针形式。另外，本实施例对应波段频率高，波长短，微小的尺寸对结果有影响，经过大量实验，最终选定合适尺寸，即微带线3为50Ω微带线，介质片6为厚度0.254的5880介质片，使得该结构具有了带宽高，插损小等特点。

将第一级脊波导功分器A的两个输出端口12、16分别与第二级脊波导功分器的输入端口7连接；第二级脊波导功分器B的两个输出端口11分别与波导-微带探针功分器C的脊波导输入端口5连接，使得输入的电磁波信号由第一级脊波导功分器的输入端口13进入第一脊波导，通过功分处突起15和功放器渐变脊线14将输入信号分成两路信号，两路信号分别从输出端口12、16输出，两路信号通过输入端口7进入台阶渐变波导9，在功分处突起8和单脊-双脊变换结构10的调配作用下，将两路信号功分为四路信号，四路信号再通过输入端口5进入波导-微带探针功分器C，完成电磁波信号由波导到微带平面电路再进入到波导的转换，并由输出端口17输出八路信号。

本实施例公开的单面双脊双探针波导功率分配器，采用了多路波导空间功率分配合成技术，因此，该结构具有较大的输出功率，可根据不同的频段要求和具体的功率器件，达到不同的输出功率。

采用了基于脊波导的空间功率分配技术，能量集中在两脊之间，因此该功率分配的适用频率范围得到有效拓宽，由于采用了空气介质波导的结构，因此可以有效地降低合成损耗，而且波导结构相比微带合成结构具有更高的耐功率能力，输出功率可根据带宽要求结合具体的功率器件灵活调整。

通过合理设计台阶渐变波导的尺寸、功分处突起8的尺寸与位置，可覆盖毫米波的多个频段，在毫米波频段内实现宽带功率分配与合成，这种功率分配与合成的实现方式由于采用了金属波导结构，因而大大降低了功率分配与合成过程中的能量损耗，有效提高了合成效率。

波导-微带探针功分器根据最小反射理论对探针结构的尺寸进行了优化；通过对双脊的尺寸和间距调整，可以实现传导所需频段，且在双脊脊峰处，电磁场场强最强，及探针所需安放位置——探针即可导出电磁场能量，最终实现各端口的匹配以及电磁场能量在波导与微带电路之间的高效转换，具有结构简单、易于实现、损耗小及输入端口驻波比低等优点。

单面脊波导，有利于实现波导功率分配，阻抗匹配易于实现宽频段工作；双脊在同一侧，有利于制成双层有源电路，且该双层电路均在波导的同一侧，相比于单脊波导双探针结构的有源电路分布在波导两侧的结构方案来说，对提高集成度有很大的帮助；由于集成传输线置于波导空间外，集成电路以及固态器件不受波导截面尺寸限制，能够为固态高功率器件集成提供良好散热通道。

实施例2

在该实施例中，公开了一种功率合成器，包括传输腔体和位于传输腔体顶部和底部的端盖，传输腔体内设置实施例1公开的一种单面双脊双探针波导功率分配器、放大器芯片和波导功率合成器；一种单面双脊双探针波导功率分配器的微带探针的输出端口分别连接放大器芯片，放大器芯片还与波导功率合成器连接。

进一步的，两个端盖上均设置散热装置。

对本实施例公开的一种功率合成器进行详细说明，一种功率合成器的结构如图6所示，包括传输腔体18和位于传输腔体18顶部和底部的端盖19。

传输腔体内设置实施例1公开的一种单面双脊双探针波导功率分配器、放大器芯片20和波导功率合成器。

其中，波导功率合成器与实施例1公开的一种单面双脊双探针波导功率分配器具有相同的结构，且空间对称。

一种单面双脊双探针波导功率分配器的微带探针的输出端口均连接功率放大芯片，从而使得一种单面双脊双探针波导功率分配器输出的八路信号均能通过功率放大芯片进行单路信号的功率放大，最终功率放大后的八路信号经与一种单面双脊双探针波导功率分配器具有陈队结构的波导功率合成器完成电磁波信号的多路功率合成。

由于放大器芯片及波导功率放大器、波导功率合成器均位于上下盖板间的传输腔体18内，热源可均匀分布在上下盖板中，通过再上下盖板19中同时加装散热装置，有效提高了功率合成器整体的散热效率。

此外，将放大器芯片及波导功率放大器、波导功率合成器均位于上下盖板间的传输腔体18内，实现了电路结构形式的平面化，易于加工，装配简单，可以有效降低加工成本，减小传输路径，提高了合成效率，且利于结构小型化。

本实施例在电磁波传输时，八条信号传输路径的长度一致，从而实现了相位的一致性，保证了功分合成过程中没有能量损失，提高了合成的效率。

由于采用了多路波导空间功率合成技术，因此，该结构具有较大的输出功率，可根据不同的频段要求和具体的功率器件，达到不同的输出功率。

由于功率分配和合成过程均在低损耗的矩形波导内完成，且功率分配/合成器本身尺寸较小，其内部的波导和微带线路径较短，因此，大大降低了毫米波能量的传输损耗。

采用上中下三层空间对称结构，通过合理均匀分布放大器芯片再传输腔体中的装配位置，热源可均匀分布在传输腔体中，还由于每路波导之间均有一定的空间间隔，且在波导功率分配/合成器外部可以安装大面积散热片，从而提高了整体散热效率。

采用标准脊波导口作为输入输出接口，功率的分配、放大和合成均集成于一体，整个结构小巧轻便，具有很强的工程实用性。

本实施例的信号从第一级脊波导功分器进入，通过功分处突起和功放器渐变脊线功分两路，随后每一路再经过第二级脊波导功分器再一次分两路，最后经波导-微带探针功分器将能量传入微带片上，进而连接放大器芯片上，对信号进行放大；该结构多次功分，有利于多路合成，功率合成与分配采用相同的方案，呈对称结构，从而具有互易性和幅相一致性，从而有效避免了幅相不一致所带来的能量损耗，大大提高了功率合成的效率。

实施例3

在该实施例中，公开了功率合成方法，包括：

输入信号经第一级脊波导功分器功分为两路信号；

两路信号经第二级脊波导功分器功分为四路信号；

四路信号经波导-微带探针功分器共分为八路信号；

八路信号分别通过放大器芯片放大后获得放大信号；

放大信号经波导功率合成器合成为合成信号。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.单面双脊双探针波导功率分配器，其特征在于，包括：第一级脊波导功分器、第二级脊波导功分器和波导-微带探针功分器；

第一级脊波导功分器包括一个输入端口和两个输出端口；第二级脊波导功分器包括一个输入端口和两个输出端口；波导-微带探针功分器包括脊波导输入端口和微带探针的输出端口；

第一级脊波导功分器的两个输出端口分别与第二级脊波导功分器的输入端口连接；第二级脊波导功分器的两个输出端口分别与波导-微带探针功分器的脊波导输入端口连接；所述波导-微带探针功分器的脊波导为单面双脊波导；

第二级脊波导功分器包括第五脊波导，所述第五脊波导的一端设置功分处突起和单脊-双脊变化结构；

第二级脊波导功分器为双面双脊-单面双脊两路波导功分器，为T型功分器，第二级脊波导功分器的输入端口为双面双脊波导，第二级脊波导功分器的两个输出端口为单面双脊波导。

2.如权利要求1所述的单面双脊双探针波导功率分配器，其特征在于，第一级脊波导功分器为两路标准脊波导功分器，包括第一脊波导、第二脊波导和第三脊波导，第一脊波导的第一端、第二脊波导的第一端和第三脊波导的第一端相交于一处；第一脊波导的第二端设置第一级脊波导功分器的输入端口，第二脊波导的第二端和第三脊波导的第二端分别设置第一级脊波导功分器的输出端口。

3.如权利要求2所述的单面双脊双探针波导功率分配器，其特征在于，第一脊波导、第二脊波导和第三脊波导的相交处设置功分处突起，第二脊波导和第三脊波导内分别设置功放器渐变脊线，功放器渐变脊线连接功分处突起与第一级脊波导功分器的输出端口。

4.如权利要求1所述的单面双脊双探针波导功率分配器，其特征在于，第二脊波导功分器包括两个第四脊波导和一个第五脊波导，两个第四脊波导的第一端和第五脊波导的第一端连接于一处，第五脊波导的第二端设置第二脊波导功分器的输入端口，两个第四脊波导的第一端分别设置第二脊波导功分器的输出端口。

5.如权利要求4所述的单面双脊双探针波导功率分配器，其特征在于，第五脊波导为台阶渐变波导。

6.如权利要求1所述的单面双脊双探针波导功率分配器，其特征在于，波导-微带探针功分器包括第六脊波导，第六脊波导的第一端面设置波导-微带探针功分器的脊波导输入端口，第六脊波导的第二端面连接介质片，介质片上设置微带探针，微带探针通过传输线与微带线连接，微带线与微带探针的输出端口连接。

7.如权利要求6所述的单面双脊双探针波导功率分配器，其特征在于，介质片的两侧均设置微带探针，每个微带探针均通过传输线与微带线连接。

8.功率合成器，其特征在于，包括传输腔体和位于传输腔体顶部和底部的端盖，传输腔体内设置如权利要求1-7任一项所述的单面双脊双探针波导功率分配器、放大器芯片和波导功率合成器；单面双脊双探针波导功率分配器的微带探针的输出端口分别连接放大器芯片，放大器芯片还与波导功率合成器连接。

9.如权利要求8所述的功率合成器，其特征在于，两个端盖上均设置散热装置。

10.功率合成方法，用于如权利要求8-9任一项所述的功率合成器，其特征在于，包括：

输入信号经第一级脊波导功分器功分为两路信号；

两路信号经第二级脊波导功分器功分为四路信号；

四路信号经波导-微带探针功分器共分为八路信号；

八路信号分别通过放大器芯片放大后获得放大信号；

放大信号经波导功率合成器合成为合成信号。

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