基于E面多孔扩展耦合结构的多路波导功率合成器

技术领域

本发明公开基于E面多孔扩展耦合结构的多路波导功率合成器，涉及微波技术，该波导功率合成器具有结构简单、易于加工、通带特性良好且具有可扩展性的特点，适用于需要功率合成放大结构的微波组件，属于基本电气元件的技术领域。

背景技术

伴随着微波技术的发展，微波技术已广泛用于导航、雷达、点对点通信系统和其它许多领域，因此需要大功率微波和毫米波设备。功率合成器是大功率微波和毫米波设备必不可少的电路器件，通过对微波功率放大器等设备的输出进行相干合成，从而获得更高的输出功率。波导功分器作为可以分配以及合成功率的微波组件，常用于大功率微波和毫米波设备，波导功分器的性能直接关系到整个大功率微波和毫米波设备的最大输出功率，影响整个设备的功率合成效果。

在众多功率分配合成方式中，有如下三种获得较大输出功率的合成方式：第一种为通过多级级联的功分器进行功率的多级放大合成，但通过传统的波导功分器进行多级级联以满足需求的功率要求时，通常会有结构较为冗长、损耗较大、加工成本较高等缺点；第二种为使用径向波导合路器的方法，各输出端口之间没有隔离，导致任意一路功放的损坏都会影响整个功率合成网络工作的安全性；第三种为基于T型枝节或Y型枝节波导功分器的功率合成方法，在实现多数合路端口时，需要级联较多阶合路器，结构较大，损耗增加，合路效率降低。

本发明旨在提出基于E面多孔扩展耦合结构的多路波导功率合成器，通过简单的耦合结构实现多路功率合成。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供基于E面多孔扩展耦合结构的多路波导功率合成器，易于加工，更适于级联组成的二维波导功率合成网络，解决传统波导合成器结构尺寸大、损耗大、各输出端口隔离度低的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

基于E面多孔扩展耦合结构的多路波导功率合成器，包括多路并行的矩形波导以及波导间的多孔耦合结构。其中，一路矩形波导作为主路波导，其余各路与主路波导平行的矩形波导为耦合波导，各耦合波导以关于主路波导中心面对称的方式排列。主路波导的一侧端口为输入端口，与输入端口同侧的耦合波导端口接入尖劈负载，所有波导的另一侧端口为输出端口。各矩形波导间通过多孔耦合结构相连，从而进行功率分配。

以孔径的高（即各波导的间距）和宽以及孔径的间距作为三个优化变量，在设定各多孔耦合结构中的孔径高度与矩形波导宽度相同的前提下，调节孔径的宽度及孔径的间距以优化耦合结构的耦合效果和工作带宽。每个多孔耦合结构包含奇数个（至少三个）孔径且所有孔径关于主路波导中心对称。在沿着主路波导E面向外侧逐渐扩展耦合波导的过程中，多孔耦合结构中孔径的宽度逐渐增大，相应地，多孔耦合结构中的孔径间距逐渐缩小。

进一步地，基于E面多孔扩展耦合结构的多路波导功率合成器的各输出端口添加有用于相位补偿的膜片。

再进一步地，将至少两个基于E面多孔扩展耦合结构的多路波导功率合成器沿着E面堆叠形成二维波导功率合成网络，将一个一维功率合成器的输出端分别与堆叠形成二维波导功率合成网络的每个多路波导功率合成器的输入端连接，一维功率合成器的输出端通过扭波导与每个多路波导功率合成器的输入端连接。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

（1）本发明的多路波导功率合成器，仅通过多路平行波导间数个孔径的直接耦合形成以主波导为中心的对称结构，实现多路端口输出的波导功率分配。

（2）本发明的多路波导功率合成器，可在已有多路波导功率合成器结构上，通过同样的矩形波导及耦合结构向外扩展，实现功率分配端口的扩展，拥有可扩展性。

（3）本发明的多路波导功率合成器，在实现多个功率合成端口的基础上，可以通过对耦合孔径宽度及孔径间距的优化实现较好的宽带特性和端口隔离。

（4）本发明的多路波导功率合成器，结构简单，易于加工，具有良好的通带特性，反射特性以及传输特性，适用于功率合成放大结构。

（5）通过多级级联本发明的多路波导功率合成器实现更大规模的二维波导功率合成网络，采用通过N个耦合波导形成2N+1个功率合成端口的多路波导功率合成器作为级联的基本单位，级联后形成的二维波导功率合成网络具有（2N+1）

附图说明

图1（a）、图1（b）是本发明基于E面多孔扩展耦合结构的多路波导功率合成器的结构示意图、E面结构图。

图2是本发明基于E面多孔扩展耦合结构的多路波导功率合成器的拆分结构图。

图3、图4和图5是本发明基于E面多孔扩展耦合结构的多路波导功率合成器在9-11GHz的S参数曲线图。

图6是本发明基于E面多孔扩展耦合结构的多路波导功率合成器通过添加膜片进行相位补偿的示意图。

图7是本发明基于E面多孔扩展耦合结构的多路波导功率合成器的二级级联结构的结构示意图。

图中标号说明：1、主路波导，2、第一耦合波导，3、第二耦合波导，4、尖劈负载，5、法兰盘，6、盖板，7、扭波导。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，基于E面多孔扩展耦合结构的多路波导功率合成器，由多路并行的矩形波导以及矩形波导间的多孔耦合结构组成。其中，位于中心的一路矩形波导作为主路波导，其余多路矩形波导为耦合波导，耦合波导的长边与主波导长边平行，且多路耦合波导关于主路波导中心面对称排列。各路矩形波导间通过多个耦合孔径相连，进行功率分配。在本实施例中，相邻矩形波导间通过五个耦合孔径相连接，其中，从输入端口port1看向输出端口，主路波导1和第一耦合波导2间五个孔径的宽度分别为b1、b2、b2、b2、b1，沿波导中心对称排布，孔径间距为L1、L2、L2、L1。向外扩展的第二耦合波导3和第一耦合波导2之间同样通过五个耦合孔径相连接，保持耦合结构总宽度不变，扩大孔径宽度至b3、b4、b4、b4、b3，各孔径也沿波导中心对称排布。

如图1、2所示的基于E面多孔扩展耦合结构的多路波导功率合成器，作为功率分配器使用时，能量通过主路波导1一侧端口输入功分器，同侧的其它波导端口接入用于输入功率匹配的尖劈负载4，能量通过位于E面的多孔耦合结构后被分配到各个耦合波导的另一侧端口输出，可通过对图1中多路波导功率合成器的结构参数的优化来实现不同的功率分配要求。在本实施例中，以主路波导的port1作为输入端口，并以主路波导的端口port2、第一耦合波导的端口port3和端口port4、第二耦合波导的端口port5和端口port6作为输出端口，实现功率一分五等分的功率分配器。各端口通过法兰盘5与外部连接，并在整个多路波导功率合成器的E面加盖板6形成封闭的传输结构。

在本实施例中，设计了一款工作频带为9.5-10.5GHz，实现功率一分五等分的多路波导功率分配器。根据图1中的标记来说明，波导的尺寸为22.86mm*10.16mm，端口长度LS=22mm，耦合孔径间距L1=7.02mm、L2=4.90mm，耦合孔径宽度b1=2.78mm、b2=3.56mm、b3=3.88mm、b4=6.02mm，各个耦合孔径沿中线对称分布，且同列孔径排布也沿中线对称。

波导功率分配器的S参数曲线如图3、图4、图5所示，由于功分器的对称结构，端口3和端口5的参数性能与端口4和端口6相同，故在图中略去。其中，图3所示为各端口的反射系数，在工作频带内均在-20dB之下。图4为输入端口到各输出端口间的耦合度，在5个输出端口的频感度在±0.5dB以下。图5为各输出端口间的隔离度，在工作频带内均在-20dB之下，各输出端口间存在较大隔离。综上可见该波导功分器在工作频带内具有良好的通带特性，反射特性以及传输特性，适用于功率合成放大结构的使用。

在本实施例中，由于输入端口到各输出端口的路径差，各输出端口的输出信号间存在相位差。对此，可以通过后接相位补偿结构或者通过对部分通路在输出端口前添加膜片进行相位补偿，从而实现相位一致。如图6所示，在主路波导的输出端口添加较多的膜片，使其相位路径实现较大的延长；在第一耦合波导的输出端口添加较少的膜片，使其相位路径实现较小的延长，从而使各输出端口输出信号的相位与第二耦合波导输出端口的输出信号保持一致，以实现相位补偿。

如图7所示，本发明所述的基于E面多孔扩展耦合结构的多路波导功率合成器，也可以通过多级级联实现较大规模的多路波导功率合成网络。图7是本发明的波导功率合成器的二级级联结构的示意图，在本实施例中，将5个波导功率合成器堆叠成一个具有25个输出端口的二维波导功率合成网络，并由一个一维的5路功率合成器给与功率馈电，五个输出端口后各自接入一个相同的5路功率合成器的输入端口，多级波导功分器间通过扭波导7连接满足空间要求。通过二级级联构成的25路输出波导功分结构，其二级功分结构如图7所示。

以上所述的实例仅是本发明的优选实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视本发明的保护范围。