本發(fā)明涉及毫米波功率合成技術(shù)領(lǐng)域，具體地講，是涉及一種基于圓波導(dǎo)TM₀₁模的徑向波導(dǎo)功率分配器和功率合成器。

背景技術(shù)：

毫米波功率放大器是毫米波系統(tǒng)的核心部件，是毫米波領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，毫米波功率放大器被廣泛運(yùn)用于軍事雷達(dá)系統(tǒng)、射電天文學(xué)和太空以及短距離無(wú)線高速傳輸?shù)阮I(lǐng)域，有著巨大的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。隨著三五族半導(dǎo)體技術(shù)的成熟，單個(gè)固態(tài)功率放大器MMIC的輸出能力不斷提升，采用組合多個(gè)相干放大器的功率合成技術(shù)可以將放大器的功率輸出能力成倍提升，從而達(dá)到取代中小型行波管的目的，可實(shí)現(xiàn)體積小、重量輕、成本低、可靠性高、壽命長(zhǎng)、電壓低、失效率低等性能。

對(duì)于多功率合成技術(shù)而言，最為重要的是實(shí)現(xiàn)多路、寬度、低損耗的功率分配器，將一路信號(hào)分為若干路分別放大后，再將功率分配器用作功率合成器完成多路信號(hào)的合成，最終系統(tǒng)的輸出功率等于每個(gè)固態(tài)器件輸出功率之和，從而實(shí)現(xiàn)輸出功率的倍增。

美國(guó)QuinStar公司的James Schellenberg等人研制了一種工作于W-Band的多路合成式功率放大器模塊[“W-Band, 5W Solid-State Power Amplifier/ Combiner”，作者：James Schellenberg, Edward Watkins, Miroslav Micovic, Bumjin Kim, and Kyu Han; International Microwave Symposium Digest. IEEE, 2010, 240 - 243.]，該W波段多路功率合成放大器的核心電路是一個(gè)基于TEM模的同軸徑向功率分配器，先將矩形波導(dǎo)過(guò)渡為同軸線，實(shí)現(xiàn)TE₁₀到TEM模式的轉(zhuǎn)換，在利用同軸線TEM模激勵(lì)徑向功率分配器，每個(gè)輸出端口可以獲得等幅同相的信號(hào)，經(jīng)固態(tài)器件放大后，再合為一路。該電路中，同軸線的尺寸非常小，需要非常嚴(yán)苛的加工和裝配要求，制造成本高且成品率低，當(dāng)工作頻段更高時(shí)，尺寸更小，這種結(jié)構(gòu)就更加難以實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明采用圓波導(dǎo)代替同軸線結(jié)構(gòu)，利用圓波導(dǎo)中的第一高次模TM₀₁模，作為主要模式，具有損耗隨頻率呈反比，電路尺寸大等優(yōu)勢(shì)，尤其使用與毫米波高端頻率的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種能夠適用于毫米波高端頻率的基于圓波導(dǎo)TM₀₁模的徑向波導(dǎo)功率分配器，利用模式轉(zhuǎn)換在圓波導(dǎo)中激勵(lì)起TM₀₁模，TM₀₁模不僅是時(shí)間對(duì)稱模，也是空間對(duì)稱模，因此在各個(gè)分配端口可以得到等幅同相的信號(hào)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種基于圓波導(dǎo)TM₀₁模的徑向波導(dǎo)功率分配器，包括用于輸入矩形波導(dǎo)信號(hào)的輸入端口，與輸入端口連接的將輸入信號(hào)分為兩路等幅同相信號(hào)的一級(jí)魔T中和臂，兩條均與一級(jí)魔T中和臂連接的用于傳遞其輸出的各一路等幅同相信號(hào)的C型彎波導(dǎo)，連接于每個(gè)C型彎波導(dǎo)末端的二級(jí)魔T中和臂，經(jīng)過(guò)一級(jí)魔T中和臂和二級(jí)魔T中和臂后所述輸入端口的輸入信號(hào)被分為四路等幅同相的信號(hào)，四個(gè)分別連接于二級(jí)魔T中和臂的每一路輸出信號(hào)的弧形彎波導(dǎo)，與所有弧形彎波導(dǎo)末端均連接的圓形激勵(lì)口，安置于圓形激勵(lì)口內(nèi)的匹配結(jié)構(gòu)，同軸地垂直于圓形激勵(lì)口安置的圓波導(dǎo)，以及同軸地安置于圓波導(dǎo)末端并具有N個(gè)功率等幅同相分配的輸出端口的分配結(jié)構(gòu)，其中N為不小于2的整數(shù)，所有所述弧形彎波導(dǎo)的末端傳輸方向軸線穿過(guò)所述圓形激勵(lì)口的軸心。

進(jìn)一步地，所述一級(jí)魔T中和臂內(nèi)設(shè)有用于信號(hào)分流導(dǎo)向的導(dǎo)向凸部。

進(jìn)一步地，所述二級(jí)魔T中和臂內(nèi)還設(shè)有用于信號(hào)分流導(dǎo)向的導(dǎo)向凸部。

具體地，所述安置于圓形激勵(lì)口內(nèi)的匹配結(jié)構(gòu)為與圓波導(dǎo)同軸并由其一端向另一端凸起的圓臺(tái)。

具體地，所述由二級(jí)魔T中和臂分成的四路等幅同相信號(hào)經(jīng)過(guò)所述圓形激勵(lì)口在所述圓波導(dǎo)內(nèi)激勵(lì)起TM₀₁模。

更具體地，所述分配結(jié)構(gòu)包括同軸地設(shè)置于圓波導(dǎo)末端的薄臺(tái)，以及N個(gè)在圓波導(dǎo)末端呈圓周均布排列的用于輸出矩形波導(dǎo)信號(hào)的輸出端口。

本發(fā)明還提供一種功率合成器，包括一對(duì)如上所述的基于圓波導(dǎo)TM₀₁模的徑向波導(dǎo)功率分配器，以及將該對(duì)基于圓波導(dǎo)TM₀₁模的徑向波導(dǎo)功率分配器的每個(gè)輸出端口均分別連接的對(duì)接部，其中，信號(hào)由一個(gè)輸入端口輸入，由另一個(gè)輸入端口輸出。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

（1）本發(fā)明利用模式轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)輸入矩形波導(dǎo)TE₁₀模得到圓波導(dǎo)TM₀₁模的轉(zhuǎn)換，雖然TM₀₁模是第一高次模，但由于本發(fā)明中特殊設(shè)計(jì)的模式轉(zhuǎn)換以及其饋電方式可以有效地抑制其他模式，實(shí)現(xiàn)單模傳輸，同時(shí)圓波導(dǎo)內(nèi)TM₀₁模的場(chǎng)結(jié)構(gòu)關(guān)于圓心呈時(shí)空對(duì)稱性，能夠用于徑向功率分配，得到n路信號(hào)的等幅功分，而且本發(fā)明與使用同軸線的TEM模相比，其電路尺寸更大，有效地降低了加工要求，尤其適用于毫米波頻率高端。

（2）本發(fā)明在兩級(jí)魔T中和臂上設(shè)置導(dǎo)向凸部，更有利于傳輸信號(hào)的分流導(dǎo)向。

（3）本發(fā)明在圓波導(dǎo)的始末端分別設(shè)置圓臺(tái)和薄臺(tái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換的更好匹配。

（4）本發(fā)明還能夠通過(guò)一對(duì)相同的徑向波導(dǎo)功率分配器實(shí)現(xiàn)功率合成的功能，使之廣泛地應(yīng)用于毫米波功率合成放大器中，擴(kuò)展應(yīng)用范圍。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明中上部模式轉(zhuǎn)換部分的俯視示意圖。

圖3為本發(fā)明中下部分配部分的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明中下部分配部分的側(cè)視示意圖。

圖5為本發(fā)明一種實(shí)施方式的功率分配S參數(shù)圖。

圖6為本發(fā)明用作功率合成器的結(jié)構(gòu)仿真示意圖。

圖7為本發(fā)明一種實(shí)施方式用作功率合成器的S參數(shù)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，本發(fā)明的實(shí)施方式包括但不限于下列實(shí)施例。

實(shí)施例

如圖1至圖4所示，該基于圓波導(dǎo)TM₀₁模的徑向波導(dǎo)功率分配器，包括用于輸入矩形波導(dǎo)信號(hào)的輸入端口1，與輸入端口連接的將輸入信號(hào)分為兩路等幅同相信號(hào)的一級(jí)魔T中和臂2，兩條均與一級(jí)魔T中和臂連接的用于傳遞其輸出的各一路等幅同相信號(hào)的C型彎波導(dǎo)3，連接于每個(gè)C型彎波導(dǎo)末端的二級(jí)魔T中和臂4，經(jīng)過(guò)一級(jí)魔T中和臂和二級(jí)魔T中和臂后所述輸入端口的輸入信號(hào)被分為四路等幅同相的信號(hào)，四個(gè)分別連接于二級(jí)魔T中和臂的每一路輸出信號(hào)的弧形彎波導(dǎo)5，與所有弧形彎波導(dǎo)末端均連接的圓形激勵(lì)口6，安置于圓形激勵(lì)口內(nèi)的匹配結(jié)構(gòu)7，同軸地垂直于圓形激勵(lì)口安置的圓波導(dǎo)8，以及同軸地安置于圓波導(dǎo)末端并具有N個(gè)功率等幅同相分配的輸出端口的分配結(jié)構(gòu)9，其中N為不小于2的整數(shù)，所有所述弧形彎波導(dǎo)的末端傳輸方向軸線穿過(guò)所述圓形激勵(lì)口的軸心。

進(jìn)一步地，所述一級(jí)魔T中和臂內(nèi)設(shè)有用于信號(hào)分流導(dǎo)向的導(dǎo)向凸部11。所述二級(jí)魔T中和臂內(nèi)還設(shè)有用于信號(hào)分流導(dǎo)向的導(dǎo)向凸部11。

具體地，所述安置于圓形激勵(lì)口內(nèi)的匹配結(jié)構(gòu)為與圓波導(dǎo)同軸并由其一端向另一端凸起的圓臺(tái)。具體地，所述由二級(jí)魔T中和臂分成的四路等幅同相信號(hào)經(jīng)過(guò)所述圓形激勵(lì)口在所述圓波導(dǎo)內(nèi)激勵(lì)起TM₀₁模。

更具體地，所述分配結(jié)構(gòu)包括同軸地設(shè)置于圓波導(dǎo)末端的薄臺(tái)10，以及N個(gè)在圓波導(dǎo)末端呈圓周均布排列的用于輸出矩形波導(dǎo)信號(hào)的輸出端口P1/P2…/Pn。

使用時(shí)，由輸入端口輸入矩形波導(dǎo)TE₁₀模，經(jīng)一級(jí)魔T中和臂分為兩路等幅同相的信號(hào)，這兩路信號(hào)分別通過(guò)C型彎波導(dǎo)仍然保持等幅同相，然后再分別經(jīng)過(guò)兩個(gè)二級(jí)魔T中和臂，分為四路等幅同相的信號(hào)，這四路信號(hào)再分別經(jīng)弧形彎波導(dǎo)導(dǎo)向至圓形激勵(lì)口處，通過(guò)圓形激勵(lì)口處的匹配結(jié)構(gòu)在圓波導(dǎo)內(nèi)激勵(lì)起TM₀₁模；圓波導(dǎo)內(nèi)的TM₀₁模再通過(guò)分配結(jié)構(gòu)分為N路信號(hào)，其中薄臺(tái)的設(shè)置使得輸入端口的反射系數(shù)最小，圓周均布排列的輸出端口實(shí)現(xiàn)了圓波導(dǎo)內(nèi)TM₀₁模到矩形波導(dǎo)輸出端口的TE₀₁模的功率等幅同相分配。

具體地，將該徑向波導(dǎo)功率分配器工作于W頻段，工作頻率92～96GHz，輸入端口1和N=12個(gè)輸出端口P1,P2,…,Pn為BJ100標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)，尺寸2.54mm × 1.27mm，圓波導(dǎo)的直徑為2.39mm。信號(hào)由輸入端口1輸入，經(jīng)過(guò)模式轉(zhuǎn)換為圓波導(dǎo)內(nèi)的TM₀₁模，再等幅分配到各個(gè)輸出端口，每個(gè)輸出端口幅相福項(xiàng)平衡性，各端口的S參數(shù)如圖5所示，輸入端口的回波損耗小于-14dB，各輸出端口的插入損耗幾乎相等，均在10.88dB左右。

如圖6所示，本發(fā)明還提供一種功率合成器，包括一對(duì)如上所述的基于圓波導(dǎo)TM₀₁模的徑向波導(dǎo)功率分配器，以及將該對(duì)基于圓波導(dǎo)TM₀₁模的徑向波導(dǎo)功率分配器的每個(gè)輸出端口均分別連接的對(duì)接部20，其中，信號(hào)由一個(gè)輸入端口輸入，由另一個(gè)輸入端口輸出。具體地，該對(duì)接部由依次連接的微帶探針、放大器、微帶線、微帶探針組成。

該對(duì)徑向波導(dǎo)功率分配器的每個(gè)輸出端口分別通過(guò)對(duì)接部連接，將一個(gè)徑向波導(dǎo)功率分配器的輸出端口用微帶探針耦合到微帶線上，接入放大器將分配出的信號(hào)放大后，再通過(guò)微帶探針耦合到另一個(gè)鏡像波導(dǎo)功率分配器的對(duì)應(yīng)輸出端口上，實(shí)現(xiàn)從一個(gè)輸入端口輸入信號(hào)并從另一個(gè)輸入端口輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)功率合成。

例如采用前述相同參數(shù)的兩個(gè)徑向波導(dǎo)功率分配器，其S參數(shù)如圖7所示，在92-96GHz范圍內(nèi)，端口回波損耗小于-18dB，插入損耗小于0.5dB。

本發(fā)明在毫米波，尤其是在毫米波頻率高端的功率合成電路中具有極大的應(yīng)用價(jià)值。

上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，但凡采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理，以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行非創(chuàng)造性勞動(dòng)而作出的變化，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。