CN110311202A - 基于渐变脊的宽带脊波导功率合成器和功率合成器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于渐变脊的宽带脊波导功率合成器和功率合成器装置，该合成器结构紧凑，带宽大，插损低，承载功率高，可实现更大功率合成输出。该宽带波导功率合成器，包括：由上腔体、脊腔体和下腔体组成的脊波导、设置在脊波导一端的第一端口、设置在脊波导另一端的第二端口、设置在脊波导前端的第三端口以及设置在脊腔体内的渐变脊、探入脊和倒角脊。
Description
技术领域
本公开涉及功率合成技术领域，具体涉及一种基于渐变脊的宽带脊波导功率合成器和功率合成器装置。
背景技术
传统的功率合成技术有平面功率合成技术和空间功率合成技术。平面功率合成技术主要是基于微带平面电路；空间功率合成技术又可分为基于波导结构和同轴结构两种。同轴传输结构由于其基模电磁场的径向对称分布的不均匀性，使得内导体附近的场强较大，同时，由于其内外导体之间电磁波传输的空间狭窄，以及考虑到内外导体之间存在的介质损耗，导致其承载功率较小，而波导结构所传输的基模电磁场模式对应的场强分布的集中程度较弱，且波导腔内部没有介质，所有损耗均为金属的导体损耗，因此，波导传输结构具有更大的功率承载能力。但矩形波导结构难以满足超宽带的需求，而脊波导的带宽要比矩形波导的带宽大，可以满足超宽带的需求，常见的如双脊波导。
在现代微波毫米波固态功率放大器中，由于功放芯片受自身半导体物理特性的限制，以及散热、制造工艺和阻抗匹配等问题的影响，单芯片放大器往往达不到实际工程中大功率的应用要求。因此，为了满足大功率通信、测试等系统的需要，要采用多路功率放大再进行功率合成的方法。
常用的功率合成技术有平面功率合成技术和空间功率合成技术。平面功率合成技术主要指的是基于威尔金森结构的微带技术；空间功率合成技术又可分为波导传输和同轴传输两种。平面微带功率合成技术可以实现较宽频带功率合成，但插入损耗很大，合成效率低，而且合成路数少、空间利用率低，很难满足高效率大功率的需求。采用标准矩形波导的功率合成技术能够实现较小的插入损耗及较高的合成效率，可以有效地防止辐射损耗，具有散热效率高、幅相一致性高及功率容量大等优点，但其工作频带较窄。采用同轴传输的功率合成技术插入损耗小、合成效率高、满足超宽工作频带和较小物理尺寸的实际应用要求，但其承载功率较小。
发明人在研发过程中发现，同轴结构的功率合成器功率承载能力低，矩形波导结构的功率合成器难以满足超宽带的需求。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种基于渐变脊的宽带脊波导功率合成器和功率合成器装置，该合成器结构紧凑，带宽大，插损低，承载功率高，可实现更大功率合成输出。
本公开一方面提供的一种基于渐变脊的宽带脊波导功率合成器的技术方案是：
一种基于渐变脊的宽带脊波导功率合成器，包括：由上腔体、脊腔体和下腔体组成的脊波导、设置在脊波导一端的第一端口、设置在脊波导另一端的第二端口、设置在脊波导前端的第三端口以及设置在脊腔体内的渐变脊、探入脊和倒角脊。
进一步的，所述第一端口、第二端口和第三端口分别为标准双脊波导口。
进一步的，所述渐变脊、倒角脊和探入脊分别为单脊波导结构或多脊波导结构。
进一步的，所述渐变脊和探入脊分别与倒角脊正对设置。
进一步的，所述渐变脊和探入脊分别与倒角脊相交叠。
进一步的，所述探入脊的厚度分别大于渐变脊和倒角脊的厚度。
进一步的，所述第一端口和第二端口分别为输入端口，第三端口为输出端口；
或者，所述第三端口为输入端口，第一端口和第二端口分别为输出端口。
进一步的，所述上腔体、脊腔体和下腔体采用分层加工方式进行加工。
本公开另一方面提供的一种功率合成器装置的技术方案是：
一种功率合成器装置，具有如上所述的宽带脊波导功率合成器，所述装置还具有连接到第一端口处的第一信号源以及连接到第二端口处的第二信号源。
通过上述技术方案，本公开的有益效果是：
(1)本公开优化脊波导内部脊的渐变形状，提高功率合成器的功率承载能力，拓宽功率合成器的工作频带，减小插入损耗提高合成效率，解决同轴结构的功率合成器功率承载能力低的技术问题，同时克服标准矩形波导结构的功率合成器难以实现超宽带的不足，该合成器结构紧凑，带宽大，插损低，承载功率高，可实现更大功率合成输出。
(2)本公开增大了渐变脊的高度，导致波导的等效长边尺寸增加，使得截止频率降低，增加了带宽；同时，渐变脊包括但不限于线性渐变、复变函数渐变等渐变形式，降低了反射信号，改善了宽带匹配。
(3)本公开采用新型交叠减厚脊，相对于正对脊，新型交叠减厚脊可以进一步增大脊的高度，等效的加长了波导结构的长边，改善了低频的特性，增加了带宽，可以减小结构尺寸；相对标准厚度脊波导结构，交叠减厚脊并没有减小波导结构的等效长边，进一步的，还留出了更多的空间，有利于其他结构的布局。
(4)本公开对上腔体、脊腔体、下腔体三部分分别加工，提高加工效率和可靠性，大大降低了加工难度。
(5)本公开采用新型渐变脊波导结构，工作带宽相对于标准矩形波导结构合成器大大增加，同时，该结构合成器的功率容量大于同轴结构合成器。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本公开的不当限定。
图1是现有的矩形波导结构的功率合成器的结构图；
图2是实施例一宽带脊波导功率合成器的三维示意图；
图3是实施例一宽带脊波导功率合成器的二维示意图；
图4是实施例一正对双脊波导结构功率合成器的端口截面图；
图5是实施例一交叠双脊波导结构功率合成器的端口截面图；
图6是实施例一普通交叠双脊波导结构功率合成器的端口截面图；
图7是实施例一减厚交叠双脊波导结构功率合成器的端口截面图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本公开使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
基于矩形波导的功率合成技术是常见的大功率合成技术，其结构如图1所示，输入信号从端口Ⅰ8和端口Ⅱ9通过矩形波导合成输出到端口Ⅲ10，该功率合成技术的结构优点在于功率容量大、散热效率高、合成效率高，但是矩形波导结构决定了其难以满足超宽带需求。
实施例一
本实施例提供一种基于渐变脊的宽带脊波导功率合成器，请参阅附图2和图3，所述宽带脊波导功率合成器包括脊波导7、设置在脊波导一端的第一端口1、设置在脊波导另一端的第二端口2和设置在脊波导前端的第三端口3，所述脊波导7包括上腔体、脊腔体和下腔体，所述脊腔体内设置有渐变脊6、探入脊5和倒角脊4。
输入信号从第一端口1和第二端口2通过双脊波导合成输出到第三端口3，第一端口1和第二端口2的信号在传输过程中，经过渐变脊6、探入脊5以及倒角脊4渐变变换，实现了超宽带匹配，优于矩形波导结构，同时由其本身特性决定了其功率容量大，满足了超宽带、大功率的需求。
在本实施例中，所述第一端口1、第二端口2和第三端口3分别为标准双脊波导口，内部通过脊的宽度、厚度和空间位置等多个参数的变换，实现了超宽带匹配，优于矩形波导结构，同时由其本身特性决定了其功率容量大，满足了超宽带、大功率的需求。
在本实施例中，所述渐变脊6从第一端口处渐变到功率合成处，相对于非渐变脊，避免了几何结构的突变，降低了信号反射，改善了其宽带特性。本实施例提出的渐变脊6增大了渐变脊的高度，导致波导的等效长边尺寸增加，使得截止频率降低，增加了带宽。同时，渐变脊结构包括但不限于线性渐变、复变函数渐变等渐变形式，降低了反射信号，改善了宽带匹配。
在本实施例中，所述探入脊5相对于无探入脊结构，增大了渐变脊的高度，导致波导的等效长边尺寸增加，使得截止频率降低，增加了带宽。
本实施例由渐变脊6和探入脊5组成高度渐变探入脊，增大了渐变脊的高度，导致波导的等效长边尺寸增加，使得截止频率降低，增加了带宽；同时，渐变脊包括但不限于线性渐变、复变函数渐变等渐变形式，降低了反射信号，改善了宽带匹配。
在本实施例中，所述倒角脊4相对于非倒角脊结构，避免了几何结构的突变，改善了其驻波特性，提高了阻抗匹配的带宽。
请参阅附图4，所述渐变脊6和探入脊5可分别与倒角脊4正对设置。
请参阅附图5，所述渐变脊6和探入脊5可与倒角脊4交叠设置，组成新型交叠减厚脊，相对于正对脊，新型交叠减厚脊可以进一步增大脊的高度，等效的加长了波导结构的长边，改善了低频的特性，增加了带宽，可以减小结构尺寸；相对标准厚度脊波导结构，交叠减厚脊并没有减小波导结构的等效长边，进一步的，还留出了更多的空间，有利于其他结构的布局。
在本实施例中，所述探入脊5的厚度大于渐变脊6和倒角脊4的厚度。图6是普通交叠脊波导结构功率合成器的端口截面图，图7是减厚交叠脊结构的功率合成器的端口截面图，相对普通交叠脊波导结构，减厚交叠脊并没有减小波导结构的等效长边，进一步的，还留出了更多的空间，有利于其他结构的布局。
在本实施例中，所述第一端口1和第二端口2可作为输入端口，第三端口可作为输出端口，即合成端口。
或者，所述第一端口1和第二端口2也可作为输出端口(分配端口)，上述输出端口(合成端口)也可作为输入端口，可成为功率分配器。
在本实施例中，所述宽带波导功率合成器的渐变脊6、倒角脊4和探入脊5的脊数为双脊波导结构，也可根据实际应用需要优化选择。本实施例提出的渐变脊6、倒角脊4和探入脊5的脊数也不限于双脊，单脊波导、三脊波导、四脊波导结构以及其他脊数的波导结构，只要是符合该技术方案的其他脊数结构，以及交叠脊、减厚脊等变形结构也在本实施例保护范围之内。
宽带波导功率合成器的渐变脊6、倒角脊4与探入脊5的交叠脊的距离，可根据实际应用需要优化选择。
宽带波导功率合成器的交叠脊的探入脊的厚度，可根据实际应用需要优化选择。
本实施例提出的宽带波导功率合成器，具有较小的插入损耗及较高的合成效率，大大降低了反射损耗和插入损耗，具有散热效率高、幅相一致性高、超宽带及功率容量大等优点。该方案结构简单，加工装配难度小，便于生产和调试。该技术解决了超宽频带的大功率合成的难题，可实现微波射频功率放大器的高效率的功率合成，也为将来实现更宽频带更大功率的功率合成提供了研究方向。
实施例二
本实施例提供一种功率合成器装置，该装置包括实施例一所述的宽带波导功率合成器，所述装置还具有连接到第一端口处的第一信号源以及连接到第二端口处的第二信号源。
其中，本实施例的宽带波导功率合成器的具体结构请参阅前面实施例的相关描述，在此不做赘述。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种基于渐变脊的宽带脊波导功率合成器，其特征是，包括：由上腔体、脊腔体和下腔体组成的脊波导、设置在脊波导一端的第一端口、设置在脊波导另一端的第二端口、设置在脊波导前端的第三端口以及设置在脊腔体内的渐变脊、探入脊和倒角脊。
2.根据权利要求1所述的基于渐变脊的宽带脊波导功率合成器，其特征是，所述第一端口、第二端口和第三端口分别为标准双脊波导口。
3.根据权利要求1所述的基于渐变脊的宽带脊波导功率合成器，其特征是，所述渐变脊、倒角脊和探入脊分别为单脊波导结构或多脊波导结构。
4.根据权利要求1所述的基于渐变脊的宽带脊波导功率合成器，其特征是，所述渐变脊和探入脊分别与倒角脊正对设置。
5.根据权利要求1所述的基于渐变脊的宽带脊波导功率合成器，其特征是，所述渐变脊和探入脊分别与倒角脊相交叠。
6.根据权利要求5所述的基于渐变脊的宽带脊波导功率合成器，其特征是，所述探入脊的厚度分别大于渐变脊和倒角脊的厚度。
7.根据权利要求1所述的基于渐变脊的宽带脊波导功率合成器，其特征是，所述第一端口和第二端口分别为输入端口，第三端口为输出端口；
或者，所述第三端口为输入端口，第一端口和第二端口分别为输出端口。
8.根据权利要求1所述的基于渐变脊的宽带脊波导功率合成器，其特征是，所述上腔体、脊腔体和下腔体采用分层加工方式进行加工。
9.一种功率合成器装置，其特征是，具有权利要求1至8中任一项所述的宽带脊波导功率合成器，所述装置还具有连接到第一端口处的第一信号源以及连接到第二端口处的第二信号源。
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