IPC分类号 : H01P5/22,H01P3/00,H01P3/02,H01P3/06,H01P3/123,H01P1/02,H01P11/00
专利摘要
本发明公开了一种毫米波宽带脊探针径向波导功率分配/合成器，属于毫米波技术领域。该结构包括：同轴输入波导、过渡结构、径向波导和N路脊探针耦合输出阵列。本发明功率分配/合成器采用了宽带低反射的同轴波导到径向波导过渡结构、匹配圆环结构和脊探针的功率分配方式，大大提高了功率分配/合成器的工作带宽；径向波导功率分配器一次性完成功率分配，减小了功率分配的路径损耗；同时，由于结构和径向波导工作模式的圆周对称性，保证了分配后的各路信号良好的幅相一致性。从而，作为功率合成器时能实现较高功率合成效率。
权利要求
1.一种毫米波宽带脊探针径向波导功率分配/合成器，包括同轴输入波导、过渡结构、径向波导和N路脊探针耦合输出阵列；
所述过渡结构为将同轴波导过渡到径向波导的光滑阻抗渐变结构；
所述径向波导包括径向波导圆盘结构和匹配圆环结构，其中径向波导圆盘结构输入端同过渡结构输出端连接，且最外侧为短路壁的封闭结构；径向波导圆盘结构的高度与过渡结构内外导体末端的垂直高度差相同；匹配圆环与径向波导外侧短路壁相接，匹配圆环高度小于径向波导高度；
所述N路脊探针耦合输出阵列位于径向波导下方，包括呈圆对称均匀分布的N路脊探针耦合输出结构；所述脊探针耦合输出结构包括脊探针结构1、脊波导弯头结构和脊波导到矩形波导探针过渡结构；
所述脊探针结构1包括依次连接的脊探针、λ/4阻抗变化段和脊波导；其中脊探针由脊波导内脊延伸插入径向波导圆盘结构内部；λ/4阻抗变换段为高阻抗段，以实现脊探针到脊波导之间的阻抗匹配；脊波导则与下方的脊波导弯头结构连接；
所述脊波导弯头结构实现电磁波由垂直方向到水平方向的变换；
所述脊波导到矩形波导探针过渡结构包括脊探针结构2、阶梯矩形过渡波导和输出矩形波导；脊波导到矩形波导探针过渡结构用以实现脊波导到标准输出矩形波导的过渡转换；脊探针结构2由脊波导内脊延伸出来插入阶梯矩形过渡波导；
阶梯矩形过渡波导为多级阶梯矩形波导结构，将脊探针结构2匹配到矩形波导，实现信号的低反射传输；输出矩形波导采用标准矩形波导，以方便同其他毫米波系统进行连接。
2.如权利要求1所述的一种毫米波宽带脊探针径向波导功率分配/合成器，其特征在于：所述过渡结构外导体轮廓曲线是半径为R的1/4圆弧，内导体轮廓曲线为M段圆弧连接的光滑曲线；过渡结构具有渐变阻抗，实现同轴波导阻抗到径向波导输入端阻抗之间的宽带匹配。
3.如权利要求2所述的一种毫米波宽带脊探针径向波导功率分配/合成器，其特征在于：所述过渡结构阻抗渐变关系可以是指数渐变、三角渐变、Klopfenstein渐变或任意其他渐变关系。
4.如权利要求2所述的一种毫米波宽带脊探针径向波导功率分配/合成器，其特征在于：所述过渡结构内导体轮廓曲线的设计要点和步骤如下：
设标准同轴波导内外导体半径分别为a、b，过渡结构的长度以外导体曲线长度计，则过渡段长度s为πR/2；过渡结构阻抗随长度z变化关系为Z(z)，其中0≤z≤s；
1.将外导体轮廓曲线1/4圆弧等分成M段圆弧，M段圆弧可以得到M+1个坐标点，得到等分圆弧段连接处任意点k的坐标 0≤k≤M，其中坐标上角标代表内外导体曲线，1代表外导体曲线，2代表内导体曲线，下角标k代表第k个点；
2.过上面等分圆弧连接点做M条与外导体圆弧相切的直线 除k＝0的点即与同轴波导相接的点，并且这些切线与y轴相交得到M个点；其中，任意第k条切线 的方程为：
任意第k条切线 与y轴的夹角 为：
切线 与y轴相交点坐标为(0，Ck):
3.因为过渡结构的长度以外导体曲线长度计，则点 阻抗为 结合锥形波导特性阻抗，由Ck引内导体曲线的切线 时， 与y轴的夹角 为：
从而，可以得到内导体除k＝0点外，第M段圆弧的第M条切线的方程，结合点Ck坐标，第k条切线 方程为：
4.因为过渡结构内导体是通过M段圆弧连接而成的光滑曲线，设其中第k段圆弧的圆心坐标为(pk,qk)，半径为rk；从几何关系上可以得到，内导体第k段圆弧的圆心位于直线 上，结合公式(7)，得到pk和qk满足关系：
再由第k段圆弧的圆心(pk,qk)到直线 和直线 距离相等得到pk和qk满足的另一个关系：
由公式(8)和(9)结合前面的公式求出内导体各段圆弧的圆心和半径，最后将各段圆弧连接得到内导体轮廓的光滑曲线。
5.如权利要求1所述的一种毫米波宽带脊探针径向波导功率分配/合成器，其特征在于：所述同轴输入波导采用标准同轴波导，其端口阻抗为50欧姆，内外导体半径满足同轴波导单模传输条件：λ＞3.456(a+b)，其中a、b分别为同轴波导内导体半径和外导体半径，λ为波导工作波长。
6.如权利要求1所述的一种毫米波宽带脊探针径向波导功率分配/合成器，其特征在于：所述脊探针结构1的形状是长方体结构或圆柱结构。
说明书
技术领域
本发明属于毫米波技术领域，具体涉及一种径向波导功率分配/合成器。
背景技术
近些年来，毫米波技术的快速发展对毫米波通信系统的功率水平和工作带宽提出了越来越高的要求。因此，具有输出功率高、工作频带宽的性能毫米波功率放大器越来越受到青睐。固态功率放大器具有体积小、重量轻、供电电压低和可靠性好等优势，成为毫米波功率放大器的理想选择。但随着频率上升到毫米波频段，固态芯片尺寸变小。受半导体物理特性、加工工艺、阻抗匹配和芯片散热等因素的影响，单芯片输出功率有限，不能满足高功率系统的要求。为了弥补这一不足，可以对多个功率放大模块的输出功率进行合成，实现大功率输出。
功率合成技术的关键在低插入损耗、宽频带和大功率容量的功率分配/合成网络的实现。通常功率合成技术包括：(1)平面电路功率合成技术(2)准光和自由空间功率合成技术(3)基于金属波导的功率合成技术。基于微带结构的平面电路功率合成技术具有宽频带和结构简单等优点，但随着工作频率上升到毫米波频段，微带损耗明显，大量的损耗给结构的散热带来很大问题。此外，当合成路数增加时，该功率分配结构的路径损耗也随之增加。因此，基于微带结构的平面电路功率分配合成技术一般适用于微波频段且分配/合成路数少的情况。上世纪八十年代提出的准光和自由空间功率合成技术具有合成效率不受合成路数影响的优势，受到广泛关注和研究。但是在毫米波段，器件体积较大，存在结构复杂，加工实现困难等问题需要解决。基于金属波导的功率合成技术具有功率容量高、插入损耗低和工作频带较宽的特点，是毫米波频段常用的一种合成技术。
径向波导功率分配/合成器是一种常用的基于金属波导的功率合成技术。通过利用同轴波导将信号馈入径向波导内部，并在径向波导内激励起工作的TEM模式。随后，位于径向波导外围的输出矩形波导或输出同轴波导将TEM模式实现等功率分配并对外输出。因此，径向波导功率分配/合成器可以一次性实现功率的分配与合成，最大限度地降低路径损耗。同时，由于其结构的圆周对称性，可以保证信号在功率分配端口良好的幅相一致性，从而提高功率合成效率。目前报道的大多数径向波导功率分配结构在毫米波频段的应用中仍有以下问题。功率分配/合成路数较多时，如果采用矩形波导输出，难以实现宽工作频带。虽然同轴波导的功率分配结构可以实现较宽的工作频带。但是，毫米波频段同轴探针和同轴波导尺寸结构较小，给同轴内导体探针的加工和装配带来很大的困难。
发明内容
为了克服现有技术方案的不足，本发明提出一种毫米波宽带脊探针径向波导功率分配/合成器。该功率分配/合成器具有工作频带宽、功率分配/合成幅相一致好、结构紧凑体积小、加工装配方便等优点，非常适合毫米波宽带功率合成放大器的应用。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种毫米波脊探针径向波导功率分配/合成器，包括：同轴输入波导、过渡结构、径向波导和N路脊探针耦合输出阵列。
所述同轴输入波导采用标准同轴波导，其端口阻抗为50欧姆，内外导体半径满足同轴波导单模传输条件：λ＞3.456(a+b)，其中a、b分别为同轴波导内导体半径和外导体半径，λ为波导工作波长。
所述过渡结构为将同轴波导过渡到径向波导的光滑阻抗渐变结构。其中，外导体轮廓曲线是半径为R的1/4圆弧，内导体轮廓曲线为M段圆弧连接的光滑曲线。过渡结构具有渐变阻抗，可以实现同轴波导阻抗到径向波导输入端阻抗之间的宽带匹配。可选地，过渡结构阻抗渐变关系可以是指数渐变、三角渐变、Klopfenstein渐变或任意其他渐变关系。
其中过渡结构内导体轮廓曲线的设计要点和步骤如下：
设标准同轴波导内外导体半径分别为a、b，过渡结构的长度以外导体曲线长度计，则过渡段长度s为πR/2；过渡结构阻抗随长度z变化关系为Z(z)，其中0≤z≤s。
1.将外导体轮廓曲线1/4圆弧等分成M段圆弧(图2示意图中M＝3)，M段圆弧可以得到M+1个坐标点，得到等分圆弧段连接处任意点k(0≤k≤M)的坐标 其中坐标上角标代表内外导体曲线，1代表外导体曲线，2代表内导体曲线，下角标k代表第k个点。
2.过上面等分圆弧连接点做M条(除k＝0的点即与同轴波导相接的点)与外导体圆弧相切的直线 并且这些切线与y轴相交得到M个点。其中，任意第k条切线 的方程为：
任意第k条切线 与y轴的夹角 为：
切线 与y轴相交点坐标为(0，Ck):
3.因为过渡结构的长度以外导体曲线长度计，则点 阻抗为 结合锥形波导特性阻抗，由Ck引内导体曲线的切线 时， 与y轴的夹角 为：
从而，可以得到内导体第M段圆弧的第M条切线(除k＝0点外)的方程，结合点Ck坐标，第k条切线 方程为：
4.因为过渡结构内导体是通过M段圆弧连接而成的光滑曲线，设其中第k段圆弧的圆心坐标为(pk,qk)，半径为rk。从几何关系上可以得到，内导体第k段圆弧的圆心位于直线 上，结合公式(7)，得到pk和qk满足关系：
再由第k段圆弧的圆心(pk,qk)到直线 和直线 距离相等得到pk和qk满足的另一个关系：
由公式(8)和(9)结合前面的公式求出内导体各段圆弧的圆心和半径，最后将各段圆弧连接得到内导体轮廓的光滑曲线。
所述径向波导包括径向波导圆盘结构和匹配圆环结构，其中波导圆盘结构输入端同过渡结构输出端连接，且最外侧为短路壁的封闭结构。径向波导圆盘结构的半径可以根据功率分配/合成的路数确定，以容纳足够路数耦合输出结构。径向波导圆盘结构的高度与过渡结构内外导体末端的垂直高度差相同。匹配圆环用以实现N路脊探针的宽带耦合输出，且与径向波导外侧短路壁相接，匹配圆环高度小于径向波导高度。
N路脊探针耦合输出阵列位于径向波导下方，呈圆对称均匀分布，以实现各端口等功率耦合。所述脊探针耦合输出结构包括脊探针结构1、脊波导弯头结构和脊波导到矩形波导探针过渡结构。
所述脊探针结构1包括依次连接的脊探针、λ/4阻抗变化段和脊波导。其中脊探针由脊波导内脊延伸插入径向波导圆盘结构内部。可选地，脊探针结构1的形状可以是长方体结构或圆柱结构。λ/4阻抗变换段为高阻抗段，以实现脊探针到脊波导之间的阻抗匹配。脊波导则与下方的脊波导弯头结构连接。
所述脊波导弯头结构实现电磁波由垂直方向到水平方向的变换。
所述脊波导到矩形波导探针过渡结构包括脊探针结构2、阶梯矩形过渡波导和输出矩形波导。脊波导到矩形波导探针过渡结构用以实现脊波导到标准输出矩形波导的过渡转换。脊探针结构2由脊波导内脊延伸出来插入阶梯矩形过渡波导。
所述阶梯矩形过渡波导是多级阶梯矩形波导结构，可以将脊探针结构2匹配到矩形波导，实现信号的低反射传输。输出矩形波导采用标准矩形波导，以方便同其他毫米波系统进行连接。
本发明作为功率分配器时，工作过程如下：
电磁信号通过同轴波导输入到过渡结构，电磁波经过过渡结构时，逐渐由同轴波导中的TEM模式变换到径向波导中的TEM模式，且电场方向发生了90度变化。接着过渡结构中的电磁信号输入到径向波导结构，并在径向波导内向前传输来到N路脊探针结构1处。由于径向波导内的电磁信号具有圆周对称性，各路脊探针感受到相同的电磁场，所以N路脊探针结构1将待分配信号等功率耦合输入到脊波导内部，并在脊波导内形成准TEM模式向前传输。脊波导中的电磁信号通过脊探针结构2在矩形波导内激励起TE01模式，并且通过阶梯矩形波导实现了低反射过渡。最后信号由标准矩形波导等幅同相输出。
本发明作为功率合成器时，电磁信号由所述标准矩形波导输入，经过与上述功率合成器工作的逆过程实现N路电磁信号的功率合成，最后从标准同轴波导输出。
本发明具有以下几点优势：
1.工作频带宽：本发明功率分配/合成器采用了宽带低反射的同轴波导到径向波导过渡结构、匹配圆环结构和脊探针的功率分配方式，大大提高了功率分配/合成器的工作带宽。
2.功率分配/合成效率高：本发明径向波导功率分配器一次性完成功率分配，减小了功率分配的路径损耗；同时，由于结构和径向波导工作模式的圆周对称性，保证了分配后的各路信号良好的幅相一致性。从而，作为功率合成器时能实现较高功率合成效率。
3.插入损耗低、功率容量大：本发明径向波导功率分配/合成器均采用金属波导的结构，具有较低的插入损耗和较高的功率容量。
4.易于加工和装配：本发明功率分配/合成器各部分均为波导结构，易于进行机械加工。与同轴探针结构相比，脊探针的结构避免了安装需要较高同心度的问题，降低了装配的难度。
附图说明
图1为本发明实施例的一种毫米波宽带脊探针径向波导功率分配/合成器结构示意图；
图2为本发明实施例一种毫米波宽带脊探针径向波导功率分配/合成器过渡结构设计示意图；
图3为本发明实施例功率分配/合成器局部透明化后径向波导内部结构示意图；
图4为实施例10路脊探针耦合输出阵列其中一支路的结构示意图；
图5为图4脊探针耦合输出结构中脊探针结构1的结构示意图；
图6为图4脊探针耦合输出结构中脊波导弯头结构的侧面剖视图；
图7为图4脊探针耦合输出结构中脊波导到矩形波导探针过渡结构侧面剖视图和俯视图；
图8为本发明实施例的同轴输入波导端口的反射系数和同轴输入波导到各矩形输出波导的传输系数；
图9为本发明实施例的同轴输入波导到各矩形输出波导传输系数的相位。
附图标号说明：1为同轴输入波导、2为过渡结构、3为径向波导、4为N路脊探针耦合输出阵列、3-1为径向波导内的匹配圆环结构、4-1为脊探针结构1、4-2为脊波导弯头结构、4-3为脊波导到矩形波导探针过渡结构、4-1-1为脊探针结构1中脊探针、4-1-2为脊探针结构中λ/4阻抗变换段、4-1-3为脊波导、4-3-1为脊波导到矩形波导探针过渡结构中的脊探针结构2、4-3-2为阶梯矩形过渡波导、4-3-3为矩形波导。
具体实施方式
下面结合附图，以Q波段10路功率分配/合成器的实施例为例，对本发明所述一种毫米波宽带脊探针径向波导功率分配/合成器进一步说明，但本发明并不局限于该实施例。
如图1所示是本发明实施例Q波段10路功率分配/合成器，同轴输入波导1馈入功率信号或将合成后信号对外输出。其内外导体半径a、b分别为0.478mm和1.1mm。
在本实施例中，过渡结构2外导体1/4圆弧半径为5mm，则过渡结构长度L为2.5π。内导体曲线由20段圆弧线构成，即M＝20。过渡结构2输入端阻抗Z0与同轴输入波导阻抗相同为50Ω，输出端阻抗ZL取为15Ω。过渡结构2的阻抗渐变关系为指数渐变，即：
Z(z)＝ZoeTz 0≤z≤s (10)
其中，T满足：
如图3所示，径向波导圆盘结构3半径为12.5mm，高度为1.524mm。匹配圆环外圆半径为12.5mm，内圆半径为9.04mm，圆环高度为1.41mm。
图4为10路脊探针耦合输出阵列其中一支路结构，其他支路与该支路结构完全相同。其中脊波导传输从脊探针耦合过来的信号，波导宽度为2.44mm，高度为1.2mm，内导体脊宽度为1.22mm，高度为0.84mm。该实施例中，脊探针结构1为长方体结构，由脊波导内导体脊延伸出来插入径向波导内部，其宽度与脊波导内导体脊宽度相同为1.22mm，厚度为0.41mm，高度为0.7mm。
图6所示为脊波导弯头结构，其在转折处相对内脊突出的金属块宽度与脊波导内脊宽度相同为1.22mm，而截面尺寸分别为0.39mm×0.39mm，并如图所示在两侧倒圆角，半径为0.13mm。
图7所示为脊波导到矩形波导探针过渡结构，脊探针结构2是由脊波导内脊延伸出来的矩形导体块，并且插入阶梯矩形波导内部。本实施例中阶梯矩形波导为2级阶梯结构，其宽度与WR-22波导宽度相同为7.112mm。第一级高度为2.02mm，长度为1.64mm，第二级高度为2.28mm长度为2.49mm。矩形波导4-3-3为WR-22矩形波导。
图8、9为本发明实施例仿真结果，该实施例中，同轴输入波导端口的反射系数在36-50GHz范围内基本小于-15dB，在38-49GHz范围内基本小于-20dB，带宽上基本覆盖了整个Q频段。如图8所示，在36-50GHz范围内，同轴输入波导各矩形输出波导传输系数幅度不一致性小于±0.2dB,幅度一致性良好。与理论的传输系数-10dB相比，该实施例径向波导功分器的传输损耗小于-0.5dB。如图9所示，同轴输入波导到矩形输出波导传输系数的相位基本相同，相位一致性较好。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，并不足以限制本发明的实施方式，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
一种毫米波宽带脊探针径向波导功率分配/合成器专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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