一種多路Ka波段徑向波導功率分配/合成網絡及方法與應用與流程

2024-02-19 18:35:15 2

本發明涉及一種多路Ka波段徑向波導功率分配/合成網絡及方法與應用。

背景技術：

隨著微波毫米波技術在各個領域的廣泛應用，相應的微波固態功放的需求也在逐漸增加長,並且固態功放的輸出功率的需求也越來越大。但是由於單只功率器件的輸出功率有限，因此難以獲得較大的輸出功率,為了在在毫米波頻段獲得較大的功率，須通過合成使得固態器件產生較高的功率。

在毫米波領域，已研究出多種結構的功率合成方案：如常規的一分二3dB波導合成網絡方案、一分多波導分配/合成方案、空間功率合成方案等。一分二3dB波導合成網絡技術是較早發展的技術，但這一技術隨著合成路數增多，存在著合成網絡損耗較大的缺點。一分多和空間功率合成方案嘗試克服一分二波導合成網絡的不足，並已取得了相應的進展。近年來，徑向波導被用於功率分配和功率合成網絡並有大量的報導。徑向波導結構緊湊並且徑向對稱，在功率分配和合成時具有各路光程相同，易於同相合成的特點，非常適用於高功率的合成。

目前的Ka波段徑向波導功率分配/合成器多採用同軸波導作為輸入/輸出埠，不便於與其他毫米波部件進行連接，工作帶寬相對較窄且插入損耗大。

技術實現要素：

本發明為了解決上述問題，提出了一種多路Ka波段徑向波導功率分配/合成網絡及方法與應用，本發明通過在輸入/輸出矩形波導中加入一級臺階、在探針中加入圓盤和錐形接口，形成同軸波導到矩形波導以及同軸波導到徑向波導的匹配，從而擴展整個徑向波導功率分配/合成網絡的帶寬。

為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：

一種多路Ka波段徑向波導功率分配/合成網絡，包括輸入/輸出階梯形波導、圓波導、多路徑向波導腔體以及同軸探針，其中，所述多路徑向波導通過圓波導與輸入/輸出階梯形波導相連，同軸探針插入徑向波導的中間部分，通過若干次漸變伸至輸入/輸出階梯形矩形波導中，形成同軸波導到階梯形波導以及同軸波導到徑向波導的匹配。

所述輸入/輸出階梯形波導為具有一級臺階的矩形波導，一級臺階與矩形波導短路面相交。

所述多路徑向波導腔體中間是徑向波導腔，在其外圍圓周處每隔一段連接有一個標準矩形波導。

所述同軸探針包括錐形結構、圓盤以及同軸線，所述錐形結構設置於徑向波導腔體底部的中心，所述圓盤設置於階梯形波導的臺階中，錐形結構和圓盤通過同軸線連接。

所述多路徑向波導的腔體由兩個ka波段標準矩形波導垂直相交而形成。

所述多路徑向波導為四路。

基於上述波導功率分配/合成網絡的工作方法，射頻信號從輸入矩形波導進入，經過一級階梯矩形波導以及同軸探針，實現輸入矩形波導到圓波導的轉換，上述一級階梯和同軸探針的圓盤擴展該部分轉換的工作帶寬；射頻信號到達圓波導後經過同軸探針從多路徑向波導中心位置伸入，經過探針的錐形結構，由TEM模為徑向腔中的E模，經由徑向腔外圍平均排列的標準矩形波導口輸出，實現功率信號的分配。

一種功率放大器，包括兩個上述波導功率分配/合成網絡，且兩個波導功率分配/合成網絡相背向連接，在徑向波導腔體內設置有微帶探針，兩個微帶探針通過高阻抗線連接，實現波導到微帶的過渡。

所述微帶探針與平面電路相連。

所述微帶探針放置於距離各路波導的短路面1/4波長處。

本發明的有益效果為：

(1)本發明輸入/輸出埠採用標準矩形波導埠便於與其他毫米波部件連接；

(2)本發明在輸入/輸出矩形波導中加入一級臺階、在探針中加入圓盤和錐形接口，形成同軸波導到矩形波導以及同軸波導到徑向波導的匹配，從而擴展整個徑向波導功率分配/合成網絡的帶寬。

附圖說明

圖1為本發明一種多路Ka波段徑向波導功率分配/合成網絡截面示意圖。

圖2為兩個多路Ka波段徑向波導功率分配/合成網絡通過背靠背結構構成的功率合成放大器截面示意圖。

圖3為本發明一種多路Ka波段徑向波導功率分配/合成網絡回波損耗仿真曲線。

圖4為本發明一種多路Ka波段徑向波導功率分配/合成網絡各路幅度不平衡度仿真曲線。

圖5為本發明一種多路Ka波段徑向波導功率分配/合成網絡各路相位不平衡度仿真曲線。

圖6為兩個多路Ka波段徑向波導功率分配/合成網絡通過背靠背結構構成的功率合成放大器回波損耗以及插入損耗的仿真曲線。

其中：1、標準矩形波導，2、一級臺階，3、一級臺階，4、徑向波導腔體，5、金屬圓盤，6、同軸線，7、錐形結構，8、微帶探針，9、高阻抗線。

具體實施方式：

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。

如圖1所示，本發明一種多路Ka波段徑向波導功率分配/合成網絡的結構，包括輸入/輸出階梯形矩形波導、圓波導、多路徑向波導腔體以及同軸探針。輸入/輸出階梯形矩形波導由標準矩形波導1和一級臺階2構成，一級臺階與矩形波導短路面相交。多路徑向波導腔體4中間是徑向波導腔，在其外圍圓周處每隔φ度連接了一個標準矩形波導(對於N路功分合成器而言，角度等於360°/N)。輸入/輸出階梯形矩形波導通過圓波導3與多路徑向波導腔體4連接。同軸探針包括錐形結構7、圓盤5以及連接錐形結構與圓盤的一段同軸線6；同軸探針錐形結構7的底部位於徑向波導腔體4底部的中心，錐形結構頂部通過一段同軸線6經由圓波導伸入輸入/輸出階梯形矩形波導中，同軸線6底部連接金屬圓盤5。

本發明一種多路Ka波段徑向波導功率分配/合成網絡可作為單獨的功率分配或合成器使用，假設作為功率分配器使用，其工作過程如下：射頻信號從輸入標準矩形波導進入，經過一級階梯矩形波導以及帶金屬圓盤的金屬探針，實現輸入矩形波導到圓波導的轉換，上述一級階梯和金屬圓盤用於擴展該部分轉換的工作帶寬；射頻信號到達圓波導後經過同同軸探針從多路徑向波導中心位置伸入，經過探針的錐形結構，由TEM模為徑向腔中的E模，經由徑向腔外圍平均排列的標準矩形波導口輸出，從而實現功率信號的分配，上述錐形結構可提高該部分過渡的工作帶寬。

如圖2所示，將兩個徑向線功率分配/合成器通過背靠背的形式連接，可以構成完整的功率放大器，其工作過程如下：通過一個功率/合成分配器完成功率分配後，在距離各路徑向波導腔體的短路面四分之一波長處插入微帶探針8，使之處於矩形波導電場最強的地方，實現波導一微帶的過渡，經平面電路的功率放大晶片陣列放大後，採取同樣的結構過渡到徑向波導內進行功率合成，最後由階梯形矩形波導輸出。

下面結合實際實施例對本發明進行進一步詳細說明：

本發明所多路Ka波段徑向波導功率分配/合成網絡為4路。輸入/輸出階梯形矩形波導均為ka波段標準矩形波導WR-28，加入的一級臺階長度為5mm，高度為0.6mm，寬度與標準矩形波導寬邊相同，為7.12mm。

所述多路徑向波導的腔體由兩個ka波段標準矩形波導WR-28垂直相交而成，同軸探針錐形結構的底部放置於多路徑向波導的腔體底部的中心位置，該錐形結構底部半徑為2.5mm，頂部半徑為0.6mm，高度為2.86mm；錐形結構的頂部與一段半徑為0.6mm的同軸線相連，經由一段半徑為1.4mm的圓波導伸入距離輸入/輸出階梯形矩形波導段路面中，同軸線處於距離階梯矩形波導短路面2mm(約四分之一波長)處，伸入階梯矩形波導中的長度為0.7mm；在該同軸線底部連接一個圓盤，圓盤的半徑為1mm，長度為1mm。

結合圖3所示，利用電磁仿真軟體HFSS進行仿真的結果可看出：在30GHz～40GHz頻段內，回波損耗S11均小於20dB，幾乎覆蓋整個Ka頻段，具有較寬的工作帶寬。結合圖4以及圖5，對各輸出埠的幅度和相位進行分析，在30GHz～40GHz頻段內，該徑向波導功率分配/合成網絡四個埠的幅度不平衡度小於0.1dB，相位不平衡度小於0.5°，因此具有良好的幅度和相位一致性。

結合圖2，利用一個Ka波段徑向波導功率分配進行功率分配後，在距離輸出波導短路面四分之一波長的位置插入微帶探針8，再經由一段高阻抗線9實現波導到微帶的過渡。選擇插入損耗小，韌性好，易加工製造的RT/Duroid 5880，板子相對介電常數為2.2，厚度為0.2mm。對波導到微帶過渡結構的進行仿真優化，經過優化微帶探針8的寬度為0.5mm，長度為1.2mm，高阻抗線的寬度為0.4mm，長度為1mm，後接線寬為0.6mm的標準50Ω微帶線。將固態功率放大器與該50Ω微帶線相連，功率信號經過放大後，由微帶到波導的過渡轉換到Ka波段徑向波導功率合成網絡中，經過功率合成後，通過標準階梯矩形波導輸出。

整個Ka波段功率合成器在30GHz～40GHz頻帶內，插入損耗小於0.45dB，回波損耗大於16dB，在30GHz～38GHz頻帶內，回波損耗均由於20dB，因此本發明所述濾波器具有插入損耗低，工作帶寬寬的特點，可作為毫米波功率合成器件。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。