專利名稱：毫米波太赫茲準(zhǔn)光波束功率合成網(wǎng)絡(luò)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用準(zhǔn)光波束方法的毫米波太赫茲多路功率合成技術(shù)，用于把N路待合成的(高)功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成準(zhǔn)光波束，再用準(zhǔn)光技術(shù)合成一個(gè)波導(dǎo)模式或者一個(gè)波束，得到更高功率的電磁信號(hào)，具體涉及一種毫米波太赫茲準(zhǔn)光波束功率合成網(wǎng)絡(luò)。
背景技術(shù)：
在近年來廣受關(guān)注的太赫茲技術(shù)研究中，太赫茲源輸出功率小是嚴(yán)重限制太赫茲技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸，迄今為止研究的各種太赫茲源，不管是固態(tài)倍頻源、電真空源還是光電源等，輸出的功率都很小，且10年之內(nèi)預(yù)料也不會(huì)有什么突破。因此，提高太赫茲源輸出功率的現(xiàn)實(shí)可行的技術(shù)途徑就是功率合成。在微波毫米波頻段，功率合成技術(shù)已有廣泛深入的研究，這些技術(shù)盡管各有差別，但都有一個(gè)共同點(diǎn)，就是用波導(dǎo)等傳輸線結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。在太赫茲頻段，波導(dǎo)損耗大，合成的功率大部分都被損耗掉了 ；微帶等傳輸線損耗更大，更不能用于功率合成電路中。準(zhǔn)光技術(shù)利用聚束波束在空中的傳播，具有比常規(guī)傳輸線損耗小很多的優(yōu)點(diǎn)，用于太赫茲功率合成顯然有優(yōu)越性。在太赫茲頻段，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)很短，準(zhǔn)光功率合成結(jié)構(gòu)尺寸也不大。在毫米波頻段，盡管功率合成技術(shù)已有大量研究，但其目標(biāo)都是將很小的功率如毫瓦級(jí)的功率合成到瓦級(jí)，或把百毫瓦級(jí)的功率合成到百瓦級(jí)，最終輸出的功率僅到百瓦級(jí)。因此，可以采用常規(guī)波導(dǎo)或者傳輸線結(jié)構(gòu)。但是，如果要合成的功率單路就在百千瓦級(jí)，合成后的功率將達(dá)幾百千瓦甚至達(dá)兆瓦級(jí)，則基于常規(guī)波導(dǎo)和傳輸線的功率合成網(wǎng)絡(luò)不能承受這么高的功率，一方面是傳輸線尺寸小，功率容量也小；另一方面這些功率合成網(wǎng)絡(luò)里有很多不連續(xù)性，在這些不連續(xù)處極易發(fā)生擊穿打火。準(zhǔn)光技術(shù)中電磁功率通過聚束波束在空間傳播，通過聚焦反射鏡控制波束的傳播，沒有波導(dǎo)的邊壁，也沒有微帶等傳輸線的導(dǎo)帶，不存在易引起打火的不連續(xù)性從而限制功率容量的問題。因此，利用準(zhǔn)光技術(shù)來把多個(gè)波束合成一個(gè)波束，即把多路功率合成一路功率，具有承受功率高的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。我們已經(jīng)提出過利用準(zhǔn)光技術(shù)把2個(gè)波束合成I個(gè)波束的技術(shù)[楊春、竇文斌，毫米波準(zhǔn)光功率合成技術(shù)研究，《2009年全國(guó)天線年會(huì)論文集(下)》]。這個(gè)技術(shù)要實(shí)現(xiàn)多路合成I路，就要經(jīng)過幾個(gè)2合I過程，需占用很大空間，不方便應(yīng)用。目前，功率合成技術(shù)有不同的實(shí)現(xiàn)途徑和稱呼，如芯片級(jí)合成、電路合成、空間合成和準(zhǔn)光合成等。這些稱呼是從功率合成的技術(shù)途徑來命名的。為了更清晰地說明功率合成的技術(shù)特征，我們從功率合成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪矸诸悾劣趯?shí)現(xiàn)特定網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)可以是芯片級(jí)合成、電路級(jí)合成、空間合成或準(zhǔn)光合成。這里我們把功率合成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞譃?-1型和N-1型，定義如下:2-1型:這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞奶卣魇?2合為1，4合為2，8合為4，16合為8，其余類推；示意如

圖1。這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是物理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有現(xiàn)成的平面功率分配合成結(jié)構(gòu)可用，且已發(fā)展得相當(dāng)成熟。其缺點(diǎn)是合成很多路時(shí)需要多級(jí)2合1，因此傳輸損耗大，當(dāng)達(dá)到一定路數(shù)時(shí)，再增加合成的路數(shù)也不會(huì)增加輸出功率；同時(shí)多級(jí)2合I實(shí)現(xiàn)時(shí)占用空間也大。另一缺點(diǎn)是它合成的路數(shù)須是2的整數(shù)倍，對(duì)于調(diào)控輸出功率的大小不方便，增加I級(jí)輸出功率過大，不增加又不夠。N-1型:這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞奶卣魇?只須一級(jí)就把N路合成I路。對(duì)于用準(zhǔn)光技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，N選為2的倍數(shù)，如4，6，8等；若用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，則N不必是2的倍數(shù)。這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，損耗小，示意如圖2。本發(fā)明的獨(dú)特之處就在于只須一級(jí)就把N個(gè)波束合成I個(gè)波束(即N路合成I路)。用準(zhǔn)光技術(shù)實(shí)現(xiàn)這種功率合成網(wǎng)絡(luò)無疑將是毫米波太赫茲(高)功率合成技術(shù)的一大突破。目前，已報(bào)道的能實(shí)現(xiàn)這種N-1型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞挠锌臻g功率合成和準(zhǔn)光功率合成技術(shù)。如1983年W.Lothar等人提出的注入式準(zhǔn)光功率合成方法[Millimeter wavepower combining quasi—optical techniques.1EEE.Trans.0n Microwave TheoryTech, 1983，Vol.MTT-31:189-193]，該方法采用兩路或多路彼此獨(dú)立振蕩器的輸出功率，通過介質(zhì)天線注入到準(zhǔn)光腔中進(jìn)行功率合成。由于注入信號(hào)間相位不統(tǒng)一，合成效率不夠理想。2001年由Xin Jiang, Li Liu等人提出的開槽波導(dǎo)空間功率合成結(jié)構(gòu)是一種八路功率合成網(wǎng)絡(luò)[Anovel Ka-band I to 8power divider/combiner.1EEE MTT-S MicrowaveSymposium Digest, 2001, 35 -38],波導(dǎo)到微帶的良好過渡減小了回波損耗,利用銷釘作并聯(lián)電感電納，調(diào)節(jié)阻抗匹配；這種結(jié)構(gòu)易于加工，外形小并且具有較高的合成效率，不足的是不易調(diào)節(jié)且很難拓展應(yīng)用。東南大學(xué)陳明勇，竇文斌在Ka波段設(shè)計(jì)了一種徑向功率合成網(wǎng)絡(luò)[Ka波段徑向波導(dǎo)功率合成網(wǎng)絡(luò)，電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2010,25(4):745-748]，這種結(jié)構(gòu)需要被合成的各通道與合成網(wǎng)絡(luò)連接后統(tǒng)一調(diào)試，各通道不能單獨(dú)調(diào)試。在這個(gè)技術(shù)基礎(chǔ)之上，又發(fā)展出星形功率合成網(wǎng)絡(luò)[Xiang Bo, Dou Wenbin, A Ka Band SpatialSix-way Power Divider/Combiner, 201IChina-Japan Joint Microwave ConferenceProceedings, 2011，440-442]，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)將徑向波導(dǎo)轉(zhuǎn)換到多個(gè)矩形波導(dǎo)，解決了徑向波導(dǎo)合成網(wǎng)絡(luò)各通道單獨(dú)調(diào)試不方便的困難。這些功率合成結(jié)構(gòu)都不能承受百千瓦級(jí)以上的功率。利用高斯波束傳播高功率微波能量主要有兩種形式，一是利用單天線，將高斯波束束腰的位置放置在發(fā)射天線口面，以最大功率來發(fā)射；二是利用大面積聚焦陣列天線合成技術(shù)，將高斯束腰置于目標(biāo)區(qū)發(fā)射功率。一般高斯波束傳輸?shù)哪芰慷己芨?，在傳輸路徑上需要注意避免發(fā)生大氣擊穿。設(shè)在高斯波束束腰處的主模電場(chǎng)為:
權(quán)利要求
1.一種毫米波太赫茲準(zhǔn)光波束功率合成網(wǎng)絡(luò)，其特征在于包括N個(gè)高斯束變換模塊(I)、雙曲面反射鏡(2)、拋物面反射鏡(3)、接收喇叭(4)，N=2，4，6，8...#個(gè)高斯束變換模塊位于一圓周Cl上且均勻分布，雙曲面反射鏡(2)放置在N個(gè)高斯束變換模塊所在圓周Cl的中央的下方，拋物面反射鏡(3)放置在雙曲面反射鏡(2)的下方，中央留一孔，拋物面反射鏡(3)與雙曲面反射鏡(2)共軸，接收喇叭(4)置于拋物面反射鏡(3)中央孔的下方，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)呈旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種毫米波太赫茲準(zhǔn)光波束功率合成網(wǎng)絡(luò)，其特征在于頻率信號(hào)源經(jīng)高斯束變換模塊(I)輻射出匯聚的高斯束，由高斯束攜帶的功率信號(hào)傳至拋物面反射鏡陣(3)后反射到雙曲面反射鏡(2)上，最終反射至接收喇叭(4)內(nèi)，在接收喇叭(4)內(nèi)完成N路功率信號(hào)的合成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種毫米波太赫茲準(zhǔn)光波束功率合成網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述的高斯束變換模塊(I)由波紋喇叭和介質(zhì)透鏡組成，波紋喇叭口朝向透鏡且位于透鏡正上方。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種毫米波太赫茲準(zhǔn)光波束功率合成網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述的高斯束變換模塊(I)由波紋喇叭和橢球面反射鏡組成，波紋喇叭口朝向反射鏡面且位于所述圓周Cl的外側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種毫米波太赫茲準(zhǔn)光波束功率合成網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述的接收喇叭(4)是圓形波紋喇叭形式或普通圓錐喇叭形式。
全文摘要
一種毫米波太赫茲準(zhǔn)光波束功率合成網(wǎng)絡(luò)，包括高斯束變換模塊、中央帶孔的拋物面反射鏡、雙曲面反射鏡及接收喇叭天線。高斯束變換模塊、橢球面反射鏡、拋物面反射鏡和雙曲面反射鏡在空中擺放的位置按公式計(jì)算得到。待合成的功率經(jīng)高斯束變換模塊成高斯束以波束匯聚的形式傳播至拋物面反射鏡，反射到雙曲面反射鏡最后反射進(jìn)入接收喇叭天線中，在接收喇叭天線中直接合成大功率信號(hào)。利用該波束功率合成結(jié)構(gòu)可輸出高功率的微波毫米波信號(hào)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便調(diào)試、以反射面鏡組合實(shí)現(xiàn)任意路數(shù)的合成，克服了目前毫米波功率合成網(wǎng)絡(luò)承受功率小、太赫茲功率合成網(wǎng)絡(luò)損耗大的缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01P5/12GK103078162SQ20131001080
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月11日
發(fā)明者竇文斌, 王龍, 玄倩倩 申請(qǐng)人:東南大學(xué)