基于圆极化模的径向波导功率分配器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及毫米波功率合成技术领域，具体涉及一种基于圆极化模的径向波导功率分配器。
【背景技术】
[0002]毫米波具有宽频带、高精度、高分辨率和大信息容量等优点，在军事雷达系统、射电天文学和太空以及短距离无线高速传输等领域有着巨大的应用价值和市场前景。毫米波功率放大器是毫米波系统的核心部件，是毫米波领域的研究热点。随着三五族半导体技术的成熟，单个固态功率放大器MMIC的输出能力不断提升，采用组合多个相干放大器的功率合成技术可以将放大器的功率输出能力成倍提升，从而达到取代中小型行波管的目的。
[0003]对于多功率合成技术而言，最为重要的是实现多路、宽带、低损耗的功率分配器，将一路信号分为若干路分别放大后，再将功率分配器用作功率合成器完成多路信号的合成，最终系统的输出功率等于每个固态器件输出功率之和，从而实现输出功率的倍增。
[0004]美国QuinStar公司的James Schellenberg等人研制了一种工作于W-Band的多路合成式功率放大器模块[“W-Band, 5W Solid-State Power Amplifier/Combiner”，作者:James Schellenberg, Edward Watkins, Miroslav Micovic, Bumjin Kim, and Kyu Han ；Internat1nal Microwave Symposium Digest.1EEE, 2010, 240-243.]，该 W 波段多路功率合成放大器的核心电路是一个基于TEM模的同轴径向功率分配器，先将矩形波导过渡为同轴线，实现TEi。到TEM模式的转换，在利用同轴线TEM模激励径向功率分配器，每个输出端口可以获得等幅同相的信号，经固态器件放大后，再合为一路，非常适用于毫米波频段的多路功率合成与分配电路中，但缺点是随着工作频率的升高，同轴线的尺寸非常小，需要非常严苛的加工和装配要求，制造难度非常大且成本高昂。
[0005]由于工作于主模的圆波导尺寸比同轴线要大很多，本发明采用圆波导取代同轴线结构解决了径向功率分配器中同轴线在高端频率的加工和制作困难问题，降低了电路对加工和装配的精度与难度，本发明尤其适用于毫米波高端频率。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种能够适用于毫米波频率高端的波导多路功率分配器，利用模式转换器在圆波导中激励起圆极化TEn模。圆极化TEn模为时间对称模而非空间对称模，因此在各个分配端口可以得到幅度相等但相位依次滞后的信号。
[0007]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:该波导功率分配器，包括模式转换器和分配器。所述模式转换器包括一个矩形波导输入端口、一个矩形波导匹配端口以及一个圆波导输出端口，矩形波导中的TEi。模经90°电桥分为两路幅度相等，相位相差90°的信号，这两路信号分别经过两个180°功分器得到幅度相等，相位依次滞后90°的四路信号，这四路信号经由四段电长度相等的空间扭波导实现两个振幅相等，相位相差90°的线极化TE11模，二者合成为一个圆极化的TE ^莫，从而实现圆波导内电磁场分布的时间对称性；所述分配器，包括一个圆波导输入口、匹配结构以及若干个(n>2)矩形波导输出端口，实现圆极化TEn模到η个矩形波导TE i。模的转换和功率分配。
[0008]进一步的是，所述模式转换器中的90°电桥为波导90°分支线电桥，使用时匹配端口需要接负载，分支线电桥的两个输出口分别通过波导弧形拐弯馈入到两个180°功分器。
[0009]进一步的是，所述180°功分器为波导180° T型波导功分器。
[0010]进一步的是，所述180°功分器后接四个波导空间扭波导。扭波导包含两种结构，其中一种为先在波导Η面实现90°拐弯，然后在波导Ε面实现90°拐弯，另外一种为先在波导Ε面实现90°拐弯，然后在波导Η面实现90°拐弯，两种结构虽然不同，但是具有相同的电长度，对四路信号产生相同相移，并且将四路信号的输出位置调整到圆波导激励口，用于激励圆极化ΤΕη模。
[0011]进一步的是，所述径向功率分配器的输入信号为圆极化ΤΕη模，分为η多2路矩形波导的TEi。模，每个输出端口的幅度相等，相位依次滞后360° /η。其中匹配结构由一个薄的大圆台和一个较小的锥型台组成。
[0012]本发明的有益效果:该径向波导功率分配器利用模式转换器实现输入矩形波导TEi。模到圆波导主模ΤΕ ^模的转换，但由于TE η模是线极化模，无法用于圆对称的径向功率分配器，该模式转换器巧妙地利用两个相位相差90°的线极化ΤΕη模合成了一个圆极化的TE11模，实现圆波导内场结构关于圆心的时间对称性；场结构具有时间对称性的模式就能够用于径向功率分配器，得到η路信号的等幅功分。该发明避开了使用同轴线的ΤΕΜ模、圆波导的ΤΕΜ模等具有空间对称性的传播模式，其好处主要有三点:1、用模式的时间对称性取代空间对称性来进行径向功率分配，场结构即模式的选择更灵活；2、ΤΕη模为圆波导的主模，在功率分配结构设计时可以不考虑高次模的传播效应，模式更纯，功分器的损耗更小，带宽更宽；3、采用圆波导结构而不是同轴线结构，电路的尺寸更大，降低了加工要求，该结构尤其适用于毫米波频率高端。
【附图说明】
[0013]图1是本发明基于圆极化模的径向波导功率分配器的结构示意图(基于圆极化模的径向波导功率分配器1的结构示意图)；
[0014]图2是本发明基于圆极化模的径向波导功率分配器中的模式转换器示意图(模式转换器4的示意图)；
[0015]图3是本发明基于圆极化模的径向波导功率分配器中的分配器示意图(分配器7及其剖面的示意图)；
[0016]图4是本发明基于圆极化模的径向波导功率分配器的曲线图(基于圆极化模的径向波导功率分配器的S参数图；
[0017]图5是本发明基于圆极化模的径向波导功率分配器应用于功率合成电路示意图(本发明应用于功率合成电路示意图)；
[0018]图6是本发明基于圆极化模的径向波导功率分配器应用于功率合成电路的曲线图(本发明应用于功率合成电路的无源网络S参数图)；
[0019]图1中标记说明:输入端口 101、匹配端口 102、90°电桥2、180°电桥201和202、扭波导301、302、303和304、模式转换器匹配601、圆波导602、输出端口 P1，P2，…，Pn。图2中标记说明:圆波导的四个激励口位置501、502、503和504。图3中标记说明:分配器7，其剖面显示了其匹配结构701，701包含薄台702和锥台703两部分。图4中标记说明:ml为每个输出口的耦合量，以η = 12为例，ml = -10.log (η) = -10.73dB，红线和紫线代表端口 101和102的回波损耗。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的说明。
[0021]如图1所示，该径向波导功率分配器1，包括图2所示的模式转换器4和图3所示的分配器7，通过圆波导602将模式转换器4和分配器7直接相连构成径向波导功率分配器1，所述径向波导功率分配器1输入口为101，匹配口为102，输出口为Ρ1，Ρ2，-,Ρη(η彡2)，输入口 101和匹配口 102可以互换。图2所示，该模式转换器4，包括输入端口 101、匹配端口 102、90°波导分支线电桥2、两端S型拐弯波导203和204、两个180°波导Τ型功分器201和202、四个扭波导301、302、303和304、圆波导602的激励接口 501、502、503和504、模式转换器4完成从矩形波导输入口 101的TEi。到圆波导输出口 602的圆极化TE n模的转换;如图3所示，该分配器7，包括圆波导602、输出口 P1，P2，…，Pn(n彡2)、匹配结构701，所述匹配结构701，包含薄台结构702和锥台结构703。
[0022]在上述实施方式中，输入信号模式为TEi。模，从矩形波导端口 101输入，端口 102需加匹配负载，信号经过90°波导分支节电桥，后分为两路幅度相等相位相差90°的信号，两路信号分别通过S型弯波导303和304