一種新型的毫米波波導徑向功率合成電路的製作方法

2023-04-23 21:16:36

本發明涉及微波毫米波技術領域，特別涉及毫米波功率合成技術領域。

背景技術：

隨著微波毫米波微電子技術在系統應用的深入開展，微波毫米波全固態高功率發射系統已成為現代先進微波毫米波通信和雷達的標誌。通常，微波毫米波高功率獲取主要有兩個途徑：真空電子功率器件和固態功率器件。電真空器件包括傳統的調速管和行波管功率放大器，它們雖然可以提供高功率的輸出，但工藝上實現難度較大，不能批量生產，而且工作電壓很高(數十千伏)，體積大，可靠性低，壽命短，線性度低。以上缺點限制了電真空器件在微波毫米波領域的應用。固態器件供電電壓低，可靠性高，體積小，重量輕，使用方便，所以固態器件的應用日益廣泛。但相對於電真空器件，雖然工藝，材料和設計水平在不斷發展，單個固態器件的輸出功率依然有限，而且散熱問題，阻抗匹配問題的限制，使其單獨應用常常達不到指標要求，因而通常採用多個器件，利用功率合成技術，從而達到大功率輸出的目的。

近年來，微波毫米波的功率合成技術得到了迅猛的發展，各種功率分配合成電路相繼被提出並應用。傳統的功率合成電路有wilkinson功分器、lange耦合器和分支線耦合器等，這些傳統的合成/分配電路由於屬於多級合成電路，且隨著合成路數增加合成效率迅速降低，在高合成效率的場合已經不能滿足實際需要。為了解決合成效率低的問題，各種新型的功率合成技術不斷湧現，其中自由空間波的功率合成以及準光空間功率合成得到了廣泛的研究與發展。自由空間功率合成技術僅適合於在空間功率需求點獲取高功率，這類技術不便於實現標準接口的固態高功率輸出，不利於系統應用推廣；可實現具有標準輸出口的準光空間功率合成技術也面臨合成能量收集效率低下，合成網絡中高次模式影響，合成網絡頻率帶寬窄，輻射損耗等問題。因此，在九十年代基于波導的空間功率合成技術應運而生。基于波導的空間功率合成技術合成效率較高，帶寬比較寬，能有效的防止輻射損耗，具有良好的散熱性能，結構簡單易實現等優點，較好地彌補了準光功率合成技術和自由空間功率合成技術的不足。同時，它可以不受工作頻率及波導尺寸的限制，工作於微波、毫米波以及更高的亞毫米波頻段，有效地解決了在更高頻段實現高功率輸出的難題。

波導結構具有低損耗和大功率容量的特點，所以在高功率微波系統和毫米波系統中，波導的功分/合成電路有著無可替代的作用。波導結構與傳統的功分/合成電路(例如wilkinson功分器、分支線耦合器等)相比，有著無可比擬的優點。徑向波導合成器採用多路波導徑向構架，可在一級波導電路中實現多路合成，具有低損耗、多支路特點，並可具有高功率容量特性，是一種微波毫米波多路高效率高功率合成網。徑向波導功率合成中最常見的是基於圓波導徑向功率合成，它利用圓波導te01模的圓周對稱性實現功率的均勻分配，但是圓波導te01模式是圓波導內的第五高次模式，需要通過低次模式抑制結構來獲得。在實際應用中，圓波導內te01模式的純淨度難以得到保證，不純淨的te01模式會惡化圓波導徑向架構的功率合成分支路幅相一致性能。

本發明提出了一種新型的毫米波波導徑向構架功率合成器，該合成器由八個扇形波導功率合成器配合八路矩形波導y分支構成，保留徑向結構優勢的同時又能保證分支路埠的幅相一致性，因此可用於實現穩定可靠的微波毫米波多路高效率高功率合成。

技術實現要素：

鑑於現有技術上的缺陷，本發明所要解決的技術問題是實現一種基於徑向構架的多路波導功率合成網絡，並避免圓波導徑向架構功率合成分支路埠幅相不一致的問題。

圖1為本發明整體模型圖，圖2為單個基於扇形波導功率合成器，圖3為八路矩形波導e面y分支。如圖2所示，本發明所述的基於扇形波導的功率合成器主要包括：一段45°波導徑向傳輸線，電磁場在徑向波導內沿徑向傳輸；位於45°波導徑向線底端向上凸起的扇形階梯短路面；靠近45°波導徑向線底端，徑向排列的多路矩形波導；與徑向傳輸線頂端相連的45°扇形波導，電磁場在扇形波導內沿軸向傳輸；扇形波導到矩形波導過渡結構。由分支路矩形波導口饋入的n路幅度相等、相位相同的矩形波導te10模式信號經過45°徑向線饋入到扇形波導，並在扇形波導內合成扇形波導te01模，再通過扇形到矩形波導過渡結構轉變成矩形波導te10模式輸出。

如圖1、3所示，本發明所述的合成器通過八路矩形波導y分支將徑向排列的八個基於扇形波導的功率合成器合為一路。

本發明所述的基於扇形波導功率合成器，多路徑向排列的矩形波導一端伸向45°徑向波導，兩兩相鄰的矩形波導在連接處寬邊共用；矩形波導另一端向四周延伸，且窄邊逐漸增加並達到標準矩形波導高度b，並與標準矩形波導相連，形成多個標準矩形波導支路；當分支路數大於2時，排列在45°徑向波導兩旁的矩形波導窄邊尺寸應略大於排列在中間部分的矩形波導。

在本發明所述的功率合成器中，45°徑向波導底端的階梯短路面用以實現45°徑向波導波導口的良好匹配，該階梯短路面結構和形狀可通過電磁場仿真優化得到。

本發明所述的功率合成器特點在於：(1)合成支路數目多，理論上可通過增加45°徑向波導半徑r以及減小連接處矩形波導高度b實現更多支路數的功率合成器；(2)多路功率合成由一級金屬波導電路網絡實現，具有損耗低的特點(3)高功率容量，通常金屬波導的功率容量高於其他集成傳輸線。(4)良好的支路埠的幅相一致性。相較於圓波導te01模式，扇形波導的te01模式是扇形波導內較低次模式，當扇形波導夾角小於45°時，扇形波導te01模是扇形波導主模。這就避免了基於圓波導徑向架構的功率合成因圓波導te01模式不純淨導致的分支路幅度相位不一致的問題。

以下將結合附圖和實施實例對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特徵和效果。

附圖說明

圖1是本發明所述功率合成器及實施例的總體結構圖。

圖2是本發明所述功基於扇形波導多路合成器及實施例結構圖。

圖3是本發明所述八路矩形波導e面y分支結構圖。

圖4是本發明實施例的總埠反射係數以及各矩形波導支路埠-總埠傳輸係數幅度。

圖5是本發明實施例的各矩形波導支路埠-總埠傳輸係數相位。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明：本實施例在以本發明技術方案前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。

如圖1所示，本具體實施例為一個八毫米波段基於徑向架構的16路功率合成器。在實施例中，矩形波導e面y分支將徑向排列的八個基於扇形波導的功率合成器合為一路，記為埠1。扇形波導半徑r＝6.8mm，16路漸變矩形波導寬邊尺寸a不變，為7.112mm；窄邊尺寸在連接處為＝2.3mm，並漸變到b＝3.556mm。這樣16路矩形波導埠和標準矩形波導bj320尺寸(7.112mm×3.556mm)相同，這裡依次記為埠2-17。45°徑向波導底端階梯短路面由一級階梯構成，階梯高度h1＝2.5mm，直徑d1＝3mm。

圖4、5為本發明實施例的電特性效果圖，圖4為總埠的反射係數圖以及各矩形波導支路埠-總埠傳輸係數幅度，可以看出在31.5ghz-38.5gh頻段內，總埠的反射係數優於-20db。16路分支路埠的傳輸係數幅度在31-38ghz的頻段內幅度不平衡性小於0.2db，插入損耗小於0.2db。圖5為總埠到16路分支路埠的傳輸係數相位，在31-38ghz頻率範圍內各矩形波導支路埠-總埠傳輸係數幾乎具有相同的相位關係。

由以上結果可以看出，本發明所述功率合成器在八毫米波頻段實現了多路功率合成功能，並且合成器支路埠具有良好的幅相一致性。由實施例可以看出，本發明所述功率合成器可用於實現穩定可靠的毫米波頻段多路高效率高功率。

以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護範圍。