一种组合式毫米波窄边功分器及功率合成方法与流程
本公开涉及功率合成技术领域，具体涉及一种组合式微波毫米波窄边功分器及功率合成方法。
背景技术：
随着微波毫米波技术的发展，对功率放大器输出功率提出了更高要求，在现有功率放大芯片输出功率有限的情况下，利用功率合成技术进行多路功率合成是提高系统输出功率能力的一种有效手段。在国内外高效率的功率分配合成技术一直是急需攻克的技术难题，其所遇到的普遍问题是如何进一步有效地提高功率分配/合成效率、降低损耗、增大工作带宽及提高功率容量等。
目前，功率合成技术主要分为平面功率合成与空间功率合成两种，平面功率合成技术虽然结构形式简单，而其合成效率和承受功率能力并不理想。而空间功率合成技术相对与平面功率合成技术，具有通路损耗低与功率容量大等优点，但是其所遇到的普遍问题是如何进一步有效地提高功率合成效率、降低损耗、增大工作带宽、提高功率容量、提高散热效率与降低加工、装配误差等。基于径向波导的空间功率合成技术是一种常用的空间合成技术手段，整体结构为空间辐射状，但是其加工与装配误差很难得到保证，并且每一路放大单元的有效散热面积较小，散热效率低，很难适用于更大功率容量的合成系统中；另外，波导与波导分叉处容易激起高次模，恶化输入端口的回波反射，从而大大影响了其插入损耗与功率合成的效率，同样具有一定的局限性。现有的功率合成器存在以下不足：
在工作频宽方面，传统平面功率合成器与常见的基于径向波导空间功率合成器都有一定局限，无法工作在完全宽频带范围内；
在散热效率方面，传统平面功率合成器由于其功率分配与合成均在介质材料中完成，其散热与功率容量问题一直是无法解决的难题，而基于径向波导的空间功率合成器，其整体结构为辐射圆盘状，每一路放大单元的有效散热面积有限，散热效率也无法得到有效的提高；
在合成效率方面，传统平面合成器通路损耗大、相位一致性差，很难保证其具有很高的合成效率，而基于径向波导的功率合成器工作时，波导与波导分岔处容易激起高次模，恶化输入端口的回波反射，从而大大影响了其插入损耗与功率合成的效率；
在可生产性方面，传统的径向波导空间功率合成器其整体结构为空间辐射状，但其最大的缺点是对加工与装配公差的要求高。
综上所述，如何解决上述的现有功率合成器存在的技术问题，尚缺乏有效的解决方案。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种组合式毫米波窄边功分器及功率合成方法，采用新型波导传输结构，功率合成效率高，工作频带宽，散热效率高，可生产性强，抗干扰能力强，易于扩展集成。
本公开所采用的技术方案是：
一种组合式毫米波窄边功分器，包括用于在标准波导全频段合成并输出宽带功率的传输腔体、设置在传输腔体顶部的盖板和设置在传输腔体底部的散热器。
进一步的，所述传输腔体为矩形结构，所述传输腔体的两侧设置有标准矩形波导输入端口和标准矩形波导输出端口，且标准矩形波导输入端口与标准矩形波导输出端口位于同一水平线上。
进一步的，所述标准矩形波导输入端口和标准矩形波导输出端口的外侧沿壁上固定设置有密封凸条。
进一步的，所述传输腔体内靠近标准矩形波导输入端口的一侧设置有用于将通过标准矩形波导输入端口输入的输入信号分为两路等幅反相的第一信号的第一e面波导功分器，所述第一e面波导功分器的两端分别连接有用于将第一信号分为两路等幅反相的第二信号的第二e面波导功分器。
进一步的，所述传输腔体内设置有四个按平面阵列方式均匀分布的放大传输腔体，四个放大传输腔体位于两个第二e面波导功分器之间，每个放大传输腔体上设置有螺装式钼铜垫片，在螺装式钼铜垫片上焊接有放大芯片，所述放大芯片，用于将第二e面波导功分器输出的第二信号功率放大成第三信号。
进一步的，两个位于同一水平线上的放大传输腔体上还固定设置有e面波导-微带双探针转换结构，所述e面波导-微带双探针转换结构，用于将两个放大芯片产生的两路等幅反相的第三信号合成一路信号。
进一步的，所述传输腔体内还设置有e面波导合成器，所述e面波导合成器位于两个e面波导-微带双探针转换结构之间，两个e面波导-微带双探针转换结构分别通过e面波导双探针将合成的信号送入e面波导合成器，所述e面波导合成器将接收到的两路信号合成一路信号，合成后的信号由标准矩形波导输出端口输出。
进一步的，所述盖板朝向传输腔体的一面为平板化结构，另一面设置有用于放置正压线的正压偏置走线槽、用于放置负压线的负压偏置走线槽和立体偏置线传输孔。
一种基于如上所述的组合式毫米波窄边功分器的功率合成方法，该方法包括以下步骤：
输入信号通过传输腔体的标准矩形波导输入端口进入腔体内，经过e面波导功分器被分为两路等幅反相的第一信号；
两路第一信号分别经过第二个e面波导功分器后，被进一步分为四路第二信号，其中两路第二信号等幅同相，两路第二信号等幅反相；
四路第二信号分别通过放大芯片进行功率放大后，形成的四路第三信号，其中两路第三信号相位相同，两路第三信号相位相反；
四路第三信号中，每两路相位相反的第三信号通过e面波导-微带双探针转换结构，将等幅反相的两路第三信号进行第一次功率合成，通过e面波导双探针将第一次功率合成后的信号送入e面波导合成器；
通过e面波导合成器将两路第一次功率合成后的信号合成为一路信号，合成后的信号通过标准矩形波导输出端口输出，实现四路信号的等幅反相功率分配与合成。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
(1)本公开采用了e面波导功分器与e面波导双探针作为功率分配与合成单元，优于传统的h面功率分配与合成器，工作频段可直接覆盖标准波导对应的全工作频率范围；
(2)本公开的传输腔体设计为规则矩形结构，采用了平面阵列分布方式布置放大传输腔体，热源分布均匀，腔体内部的放大单元皆置于腔体底部，腔体底部设置有高效散热器，热量可直接传输到与下腔体紧密连接的散热器中，大大提高了合成器的散热效率，同时利用共晶焊工艺将放大芯片焊接在钼铜垫板上，然后螺装在下传输腔体中，提高了装配和维修效率，并增大了热传导效率；
(3)本公开的传输腔体的输入端与输出端波导置于同一条水平线上，利用了e面波导功分器与波导e面双探针作为功率分配与合成单元，优化布局将信号合成输出通路进行了最短化处理，同时，传输通路中除了微带探针外，再无其它介质材料，大大降低了通路损耗，提高了信号的合成与传输效率。
(4)本公开采用了一体化切割与加工技术生产传输腔体和盖板，整个功率合成器仅分为下传输腔体和上盖板两层结构，结构紧凑，易于加工，减小了装配公差，整个结构的组装装配面均为平面式结构，装配过程简单，技术要求低，大大提高了其可生产性。
(5)本公开的直流偏置网络采用了与微波电路共面的形式，正压与负压偏置线分置于不同的走线槽中，有效避免了正负压电流之间的干扰，大大提高了模块自身的电磁兼容性，并采用了对插式连接器与外界互联，便于模块的更换与维修，大大降低了结构的加工与装配难度，可满足宽频带、大功率、小尺寸与高可靠性的技术要求，为微波毫米波空间功率合成提供了一种有效的技术手段。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是现有的8路基于径向波导的空间功率合成器的结构图；
图2是本公开的毫米波窄边功分器整体结构图；
图3是传输腔体内部结构图；
图4是盖板结构及嵌入式偏置线走线槽分布图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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。
目前，功率合成技术主要分为平面功率合成与空间功率合成两种。平面功率合成技术虽然结构形式简单，而其合成效率和承受功率能力并不理想。相比于平面功率合成技术，空间功率合成技术具有插入损耗低、合成效率高等优点，在空间功率合成技术中基于径向波导的合成技术是一种常用的技术手段，如图1所示为一种8路基于径向波导的功率合成器，输入信号由标准同轴1-1进入，标准同轴传递的信号经过阶梯渐变圆盘1-2进入矩形脊波导组成的圆盘1-3中，然后经由渐变脊波导1-4平均分配为8路，分配后的信号利用波导微带探针1-5进入到每一路放大通路1-6中进行放大，放大后的信号再利用与分配器万全对称的结构进行功率合成输出，最终实现8路信号的功率合成。
图1所示的空间功率合成的技术方案，可以将输入信号等幅同相位的进行分配与合成，但很难在全波导频段内实现宽带匹配，而波导与波导分岔处容易激起高次模，恶化输入端口的回波反射，从而大大影响了其插入损耗与功率合成的效率；同时，该技术方案整体结构为空间辐射状，对其加工与装配工艺要求较高，其加工与装配误差很难得到保证，并且每一路放大单元的有效散热面积较小，散热效率低，很难适用于更大功率容量的合成系统中，因此，技术方案具有一定的局限性。
为了解决目前功率合成技术所存在的不足，本公开提出了基于一体化设计加工的一种组合式毫米波窄边功分器及功率合成方法。
本实施例提供一种组合式毫米波窄边功分器，如图2所示，该组合式毫米波窄边功分器的整体结构分为上下两层，主要包括传输腔体2-1、设置在传输腔体2-1上的盖板2-2和设置在传输腔体底部的散热器2-3。
图3是传输腔体2-1的内部结构示意图。如图3所示，所述传输腔体的两侧设置有标准矩形波导输入端口3-1和标准矩形波导输出端口3-8，并且标准矩形波导输入端口3-1与标准矩形波导输出端口3-8位于同一水平线上，更易于与外部微波模块的装配与集成，提高了功率合成后的传输效率；所述标准矩形波导输入端口和标准矩形波导输出端口的外侧沿壁上固定设置有密封凸条，通过密集装配螺钉将密封凸条固定在传输腔体上，进一步提高了屏蔽性能；所述传输腔体内设置有两组对称设置的放大存储装置、第一e面波导功分器3-2、第二e面波导功分器3-11、e面波导微带探针转换结构3-3、e面波导双探针3-6和e面波导合成器3-7。
具体地，每组放大存储装置包括两个对称设置放大传输腔体3-4；四个的放大传输腔体3-4按平面阵列方式均匀分布在传输腔体中；在每个放大传输腔体行设置有螺装式钼铜垫片3-5，在螺装式钼铜垫片3-5上焊接有放大芯片；两组放大存储装置的一侧设置有第一e面波导功分器3-2，所述第一e面波导功分器3-2的中部与标准矩形波导输入端口3-1连通，所述第一e面波导功分器3-2的两端分别连接有第二e面波导功分器3-11，放大芯片存储装置位于第二e面波导功分器3-11内，第一e面波导功分器3-2件输入信号分为两路等幅反向的第一信号，一路第一信号的相位角为θ，另一路第一信号的相位角为θ+π，相位角为θ的第一信号通过一第二e面波导功分器3-11后，将第一信号分为相位角为
工作时，输入信号首先由标准矩形波导输入端口3-1输入传输腔体内，利用e面波导功分器3-2将输入信号分为等幅反相两路信号，两路信号的相位角分别为θ与θ+π，两路信号分别通过第二个e面波导功分器3-11后，将该两路信号进一步分为四路信号，其中两路信号的相位角为
在本实施例中，所述放大传输腔体3-4上还设置有偏置电容组件3-9。
采用本实施例提出的传输腔体结构，最大程度上缩短了e面波导合成器3-7的输出路径长度，将标准矩形波导输入端口3-1与标准矩形波导输出端口3-8置于同一水平线上，更易于与外部微波模块的装配与集成，提高了功率合成后的传输效率；整体结构为规则长方体，各个放大传输腔体3-4为平面阵列均匀分布在下传输腔体中，有效提高了散热面积，配合传输腔体下面的散热器提高了散热效率，保证了在大功率容量下的高可靠性，同时降低了装配与调试难度，提高了生产效率；功率分配与合成采用了e面波导功分与波导e面双探针相结合的技术方案，优于传统的h面功率分配与合成器，并可实现在标准波导全频段的宽带功率合成与输出；整个传输通路中除了微带探针再无其它介质材料，大大降低了通路的插入损耗，提高了传输与合成效率；同时，输入与输出端口皆为标准矩形波导，外部可直接利用波导功分器与合成器进行三维多倍数扩展，易于集成。
本实施例采用一体化切割与加工工艺生产传输腔体2-1，大大提高了传输腔体2-1与盖板2-2的贴合性与密封性，并在波导两侧沿壁设计了密封凸条，结合波导沿壁两侧的密集装配螺钉3-10，进一步提高了模块的屏蔽性能；同时，整个传输腔体2-1的组装装配面均为平面式结构，装配过程简单，技术要求低。
本实施例采用传输腔体2-1作为空间功率合成器，具有功率容量大、传输损耗小、散热性能好、合成效率高、结构紧凑、装配简单，易加工、尺寸小等优点，为多路空间功率合成提供了一种有效的技术手段。
图4是盖板2-2的结构及嵌入式偏置线走线槽分布图，所述盖板2-2与传输腔体2-1采用了一体化切割与加工技术，保证了其密合度与密封性，整个功率合成器仅分为传输腔体和盖板两层结构，波导腔全部置于传输腔体中，盖板为平板设计，结构紧凑，易于加工，减小了装配公差，提高了可生产性，同时，由于腔体与盖板具有高度紧密的贴合，因此大大增强了模块的电磁泄漏屏蔽效能；同时所述盖板2-2朝向传输腔体2-1的一面为平板化结构，加工制作简单，所述盖板外侧面针对放大芯片的直流偏置器走线进行了嵌入式的设计。如图4所示，在盖板外侧面上设置有正压偏置走线槽4-1、负压偏置走线槽4-2和立体偏置线传输孔4-3，将正压偏置线置于正压偏置走线槽4-1内，将负压偏置线置于负压偏置走线槽4-2内，屏蔽效果好，提高了加电线路的抗扰性能，并将正压与负压偏置线分置于不同的走线槽中，有效避免了正负压电流之间的干扰，大大提高了模块自身的电磁兼容性。
本实施例公开的毫米波窄边功分器，采用新型波导传输结构，合成效率高，工作频带宽，散热效率高，可生产性强，抗干扰能力强，易于扩展集成。
本实施例还提供一种功率合成方法，该方法是基于如上所述的毫米波窄边功分器实现的，该方法包括以下步骤：
输入信号通过传输腔体的标准矩形波导输入端口3-1进入腔体内，经过e面波导功分器3-2被分为两路等幅反相的第一信号，其相位角分别为θ与θ+π；
两路第一信号分别经过第二个e面波导功分器3-11后，被进一步分为四路第二信号，其中两路第二信号的相位角为
四路第二信号分别通过各路的放大芯片进行功率放大后，形成的四路第三信号仍旧是两路同相，两路反相，其中两路第三信号的相位角为ω，另外两路第三信号的相位角为ω+π；
四路第三信号中，每两路相位相反的第三信号(相位角分别为ω和ω+π的两路信号)再通过e面波导-微带双探针转换结构3-3，将等幅反相的两路第三信号进行第一次功率合成，通过e面波导双探针将第一次功率合成后的信号送入e面波导合成器；
完成两路第一功率合成后的信号，再通过e面波导合成器3-7将四路信号最终合成为一路信号，合成后的信号由标准矩形波导输出端口3-8输出，进而实现四路信号的等幅反相功率分配与合成。
从以上的描述中，可以看出，本公开上述的实施例实现了如下技术效果：
第一，在工作频宽方面，本公开提出的合成器采用了e面波导功分器与e面波导双探针作为功率分配与合成单元，优于传统的h面功率分配与合成器，工作频段可直接覆盖标准波导对应的全工作频率范围。
第二，在散热效率方面，本公开的传输腔体设计为规则长方体结构，采用了平面阵列分布方式布置放大传输腔体，热源分布均匀，腔体内部的放大单元皆置于腔体底部，腔体底部设置有高效散热器，热量可直接传输到与下腔体紧密连接的散热器中，大大提高了合成器的散热效率，同时利用共晶焊工艺将放大芯片焊接在钼铜垫板上，然后螺装在下传输腔体中，提高了装配和维修效率，并增大了热传导效率。
第三，在合成效率方面，本公开的传输腔体的输入端与输出端波导置于同一条水平线上，利用了e面波导功分器与波导e面双探针作为功率分配与合成单元，优化布局将信号合成输出通路进行了最短化处理，同时，传输通路中除了微带探针外，再无其它介质材料，大大降低了通路损耗，提高了信号的合成与传输效率。
第四，在可生产性方面，本公开采用了一体化切割与加工技术生产传输腔体和盖板，整个功率合成器仅分为下传输腔体和上盖板两层结构，结构紧凑，易于加工，减小了装配公差，整个结构的组装装配面均为平面式结构，装配过程简单，技术要求低，大大提高了其可生产性。
第五，针对功率合成器偏置电路设计的难题，本公开的直流偏置器采用了与微波电路共面的形式，正压与负压偏置线分置于不同的走线槽中，有效避免了正负压电流之间的干扰，大大提高了模块自身的电磁兼容性，并采用了对插式连接器与外界互联，便于模块的更换与维修，大大降低了结构的加工与装配难度，可满足宽频带、大功率、小尺寸与高可靠性的技术要求，为微波毫米波空间功率合成提供了一种有效的技术手段。
第六，本公开提出的攻分器为规则矩形结构，输入与输出端口皆为标准矩形波导，外部可直接利用波导功分器与合成器进行立体倍数扩展，直接扩展为8路、16路甚至更多，形式简单，易于集成。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明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发明的保护范围以内。
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