一种高隔离度多路径向功率分配/合成器的制作方法

本发明涉及微波与毫米波频段的空间功率合成技术领域，尤其是指一种高隔离度多路径向功率分配/合成器。

背景技术：

毫米波指的是频率在30GHz-300GHz范围内的电磁波，其对应的波长范围为1mm-10mm。近年来，无线通信快速发展，宽带、高速的需求越发强烈，但频谱资源异常稀缺，为了解决这一问题无限通信系统正向高频率发展，微波、毫米波通信逐步进入实际应用阶段。在毫米波段，随着频率的升高，由于单个半导体固态器件尺寸减小、功率容量下降，其输出功率已经难以满足无线通信电子系统的需求，因此人们采用功率合成网络的方法获得大功率的信号输出。

功率合成技术的关键是实现多路数、低损耗、宽频带、高隔离度、高平衡性的功率分配/合成网络。径向功率分配/合成器由于其能一次实现多路功率等幅同相分配，因而一直是人们研究的热点。另外，在相同的合成路数下，径向合成放大器相对于二进制结构损耗更少，效率更高。径向功率分配/合成器结构一般是通过圆对称传输线在一个圆盘结构中心馈入输入信号，然后在圆盘结构四周引出多个输出端口从而实现一次分配多路的目标。

2008年，Dirk I.L.de Villiers等人在TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES上发表了题为“Design of Conical Transmission Line Power Combiners Using Tapered Line Matching Sections”的文章，该结构采用同轴SMA连接头进行信号的输入和输出，其径向波导呈圆锥形状，能有效大大增加工作带宽。该结构在X波段能达到47％相对带宽，但输出端口的匹配和隔离较差，且该结构存在加工的复杂性，若要将该结构应用于毫米波段讲存在较大困难。

在2009年，宋开军等人在TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES上发表了题为“Planar Probe Coaxial-Waveguide Power Combiner/Divider”的文章，其使用同轴SMA连接头输入信号，信号经过扩展同轴波导传输准TEM模，最后经波导-微带线转换输出。该结构优点在于设计简单，整体紧凑；其缺点是该结构属于谐振型结构，输出端口没有加入隔离电阻，端口的隔离和匹配比较差，另外，随着频段变高，微带结构损耗会越来越大。

在2015年，褚庆昕等人在TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES上发表了题为“An Isolated Radial Power Divider via Circular Waveguide TE₀₁-Mode Transducer”的文章，该结构特点为采用全波导结构，信号从矩形波导输入经模式转换器转换到圆波导再馈入径向功率合成/分配器。另外，该径向功率合成/分配器采用电阻膜片改善端口间隔离度和匹配。但该结构合成/分配路数较少，且电阻膜片的装配存在困难其装配精准度影响着功率合成/分配器的性能。

在现有的毫米波径向功率合成技术的设计难点在于难以实现输出端口的匹配和隔离。输出端口隔离的功率分配/合成器能有效避免放大器单元的自激，同时当某一路放大器单元损毁时，其余放大器依然能正常工作，输出功率衰落程度可以通过理论计算预测。因此，高隔离度的径向功率合成技术是实现稳定可靠功率合成放大器的重要技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于现有技术的不足与缺点，提出了一种高隔离度多路径向功率分配/合成器。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种高隔离度多路径向功率分配/合成器，所述径向功率分配/合成器包含有电阻性隔离槽以及按顺序依次相连的输入圆波导端口、具有阶梯阻抗匹配结构的径向波导、一个以上输出矩形波导，并配置有一个矩形波导‐圆波导TM₀₁模模式转换器，所述矩形波导‐圆波导TM₀₁模模式转换器包括按顺序相连的输入矩形波导、基于H‐T分支功率分配器的一分四路功率分配网络、匹配圆波导、耦合圆波导、输出圆波导。

所述电阻性隔离槽位于输出矩形波导之间的径向波导上下金属壁，电阻性隔离槽从径向波导一端贯穿金属壁至另一端，并在另一端用电阻性膜片覆盖电阻性隔离槽之上。

所述具有阶梯阻抗匹配结构的径向波导，从减半径向波导开始分四级阶梯阻抗匹配结构至全高径向波导。

所述输入圆波导底部用二级圆台结构调节端口匹配，减半径向波导与输入圆波导相连接，减半径向波导经过四级阶梯阻抗匹配结构与全高径向波导相连接，所述输出矩形波导呈放射状与全高径向波导相连接。

所述一分四路功率分配网络包括两级H‐T分支功率分配器，在每一级的H‐T分支功率分配器的垂直拐弯位置采用消除拐弯处不连续性的圆弧拐角，圆弧拐角半径由仿真优化选择。

所述耦合圆波导初始半径为高频耦合模式的一个波长长度，耦合圆波导半径能影响模式转换器的使用带宽，实际尺寸需要通过仿真优化进行确定。

所述的输出圆波导的内径初始值有以下公式确定：R＝λ/2.61，其中λ为导波波长。确定初始值后，圆波导的内径初始值的实际尺寸需要通过仿真优化进行确定。

所示矩形波导‐圆波导TM₀₁模模式转换器的设计要求圆波导内能对于除TM₀₁模以外的其他模式，如TE₀₁、TE₁₁、TE₂₁、TE₃₁等模式及其极化简并模式实现高抑制度。

所述的输入圆波导的内径初始值有以下公式确定：R＝λ/2.61，其中λ为导波波长。确定初始值后，圆波导的内径初始值的实际尺寸需要通过仿真优化进行确定。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明主要是通过设计一种新型矩形波导‐圆波导TM₀₁模模式转换器来实现小型化，所述模式转换指的是将标准矩形波导中传输的TE₁₀模转换为圆波导中传输的TM₀₁模。其通过两级H‐T分支功率分配器把矩形波导输入的信号转化为四路等幅同相的信号馈入圆波导中，激励出TM₀₁模。

2、本发明设计了一种基于H‐T分支功率分配器的新型矩形波导‐圆波导TM₀₁模模式转换器来实现TE₁₀模到TM₀₁模的转换，同时体积减少、结构紧凑、模式抑制度高。

3、与传统使用同轴或同轴探针过渡结构进行信号输入的径向功率分配器，本发明使用了矩形波导‐圆波导转换结构作为信号输入方式，由于是全波导结构，功率容量得到提高，同时损耗更加低。

4、与专利CN204375898U相比，本发明利用圆波导TM01模的场结构特点激励出径向波导准TEM模，在半径较大的径向波导中可分配出更多路数，不用受到矩形波导的尺寸限制。

5、本发明在采用电阻膜片径向覆盖在开槽上，能够改善功率分配/合成器端口匹配和隔离。

附图说明

图1为本发明所述高隔离度多路径向功率分配/合成器的结构示意图。

图2为矩形波导‐圆波导TM₀₁模模式转换器的结构图。

图3为图2所述结构图下半部分的横面剖视图。

图4为图2所述结构图上半部分的横面剖视图。

图5为矩形波导‐圆波导TM₀₁模模式转换器的H‐T分支功率分配器结构图。

图6为本发明所述高隔离度多路径向功率分配/合成器的分离结构图。

图7为本发明所述高隔离度多路径向功率分配/合成器径向腔体上半部分的表面结构图。

图8为本发明所述高隔离度多路径向功率分配/合成器径向腔体上半部分的内部结构图。

图9为本发明所述高隔离度多路径向功率分配/合成器径向腔体下半部分的内部结构图。

图10为本发明所述高隔离度多路径向功率分配/合成器径向腔体下半部分的表面结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。

本实施例所述的高隔离度多路径向功率分配/合成器，包含有电阻性隔离槽以及按顺序依次相连的输入圆波导端口、具有阶梯阻抗匹配结构的径向波导、一个以上输出矩形波导，并配置有一个矩形波导‐圆波导TM₀₁模模式转换器，所述矩形波导‐圆波导TM₀₁模模式转换器包括按顺序相连的输入矩形波导、基于H‐T分支功率分配器的一分四路功率分配网络、匹配圆波导、耦合圆波导、输出圆波导。

所述一分四路功率分配网络包括两级H‐T分支功率分配器，在每一级的H‐T分支功率分配器的垂直拐弯位置采用消除拐弯处不连续性的圆弧拐角，圆弧拐角半径由仿真优化选择。

所述耦合圆波导初始半径为高频耦合模式的一个波长长度，耦合圆波导半径能影响模式转换器的使用带宽，实际尺寸需要通过仿真优化进行确定。

所述的输出圆波导的内径初始值有以下公式确定：R＝λ/2.61，其中λ为导波波长。确定初始值后，圆波导的内径初始值的实际尺寸需要通过仿真优化进行确定。

该矩形波导‐圆波导TM₀₁模模式转换器的设计要求圆波导内能对于除TM₀₁模以外的其他模式，如TE₀₁、TE₁₁、TE₂₁、TE₃₁等模式及其极化简并模式实现高抑制度。

所述的输入圆波导的内径初始值有以下公式确定：R＝λ/2.61，其中λ为导波波长。确定初始值后，圆波导的内径初始值的实际尺寸需要通过仿真优化进行确定。

所述具有阶梯阻抗匹配结构的径向波导，从减半径向波导开始分四级阶梯阻抗匹配结构至全高径向波导。

所述的输入圆波导底部用二级圆台结构调节端口匹配；减半径向波导与输入圆波导相连接；减半径向波导经过四级阶梯阻抗匹配结构与全高径向波导相连接；一个以上的输出矩形波导呈放射状与全高径向波导相连接。

所述电阻性隔离槽位于输出矩形波导之间的径向波导上下金属壁，电阻性隔离槽从径向波导一端贯穿金属壁至另一端，并在另一端用电阻性膜片覆盖电阻性隔离槽之上。

该高隔离度多路径向功率分配/合成器为全波导结构，输出端口均为标准矩形波导端口。

下面以一个高隔离度36路径向功率分配/合成器为例，整体结构如图1所示。该结构包括一个矩形波导‐圆波导TM₀₁模模式转换器1，一个高隔离度36路径向功率分配/合成器2。矩形波导‐圆波导TM₀₁模模式转换器1的输出圆波导12连接高隔离度36路径向功率分配/合成器的输入圆波导21。矩形波导‐圆波导TM₀₁模模式转换器的输入口11连接外部的信号源，高隔离度36路径向功率分配/合成器的输出端口为矩形波导输出端22。

图2所示的是图1中的矩形波导‐圆波导TM₀₁模模式转换器，参见图2至图4所示，该模式转换器由底层结构3和顶层结构4构成。底层结构3和顶层结构4紧密结合，共同形成输入矩形波导端口11、第一级H‐T分支功率分配器15、第二级H‐T分支功率分配器16、耦合圆波导13、倒角过渡段14、19和输出圆波导12、匹配圆波导18。源信号从输入矩形波导端口11输入后，经过第一、第二级H‐T支功率分配器分成相位相等的四路信号，这四路信号先在耦合圆波导13内耦合激励，然后进入输出圆波导12实现TE₁₀‐TM₀₁模式转换并输出。由于阻抗匹配需要，要设计匹配圆波导18进行匹配。而为了抑制高次模需要设计倒角过渡段14、19连接输出圆波导与耦合圆波导、耦合圆波导与匹配圆波导。在波导传输线折弯处需要设计波导弧角17以消除不连续性。

图5所示的是图3中H‐T分支功率分配器15的局部图，其中，锥形阻抗变换段152实现阻抗匹配的作用，圆弧切角151可以抑制波导不连续段存在的高次模式。

图6所示的是图1中的高隔离度36路径向功率分配/合成器2的分离结构图，该径向功率分配/合成器由转接器5、膜片盖6、电阻性膜片7、径向腔体上半部分8、径向腔体下半部分9、电阻性膜片72和膜片盖62依次拼接构成。电阻性膜片7、72分别覆盖在径向腔体上半部分8、径向腔体下半部分9上，再用膜片盖6、62分别盖上。径向腔体上半部分8、径向腔体下半部分9紧密相接，组成径向波导腔体和36路输出矩形波导。转接器5的作用是连接矩形波导‐圆波导TM₀₁模模式转换结构1和高隔离度36路径向功率分配/合成器2。

图7所示的是图6中径向腔体上半部分8的表面结构图。其中，21为输入圆波导，接受来自矩形波导‐圆波导TM₀₁模模式转换器1的输出圆波导12的信号，22为输出矩形波导，电阻性隔离槽23改善输出矩形波导22之间的隔离度，电阻性膜片7覆盖于开槽23之上，再把膜片盖6盖上构成封闭空间。

图8所示的是图6中径向腔体上半部分8的内部结构图。其中，21为输入圆波导，22为输出矩形波导，四级阻抗匹配段24实现阻抗匹配作用，电阻性隔离槽23改善输出矩形波导22之间的隔离度。

图9所示的是图6中径向腔体下半部分9的内部结构图。其中，25为二级圆台结构是实现阻抗匹配的一部分，电阻性隔离槽26与图8中的电阻性隔离槽23共同改善输出矩形波导22之间的隔离度。

图10所示的是图6中径向腔体下半部分9的表面结构图。其中，电阻性隔离槽26与图8中的电阻性隔离槽23共同输出矩形波导22之间的隔离度，电阻性膜片72覆盖于开槽26之上，再把膜片盖62盖上构成封闭空间。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。