专利名称：空间功率分配/合成器的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率分配/合成器，尤其涉及一种空间功率分配/合成器。
背景技术：
近几十年来在微波和毫米波频率范围，提出了多种功率合成技术。准光(空间)功 率合成技术是20世纪80年代初提出的一种功率合成方法。在这种准光或空间功率合成中， 功率由有源器件耦合为大直径的导波波束，再通过波束聚焦到空间功率需求处或转换为波 导模式输出。大直径的波束横截面使得可以采用的合成单元数目更多，从而可提供更大的 输出功率。而所有的合成单元都处于并联工作状态，故损耗基本上与合成单元数量无关，这 使得空间功率合成在合成单元数目较多(>32)时具有十分明显的优势[1]，可以满足高功 率的需求。其能量的分配与合成通过低损耗的波导或Gaussian波束完成，合成系统中的欧 姆损耗很小。合成损耗主要由有源器件耦合输出为传播波束以及传播波束耦合到功率接收 端口时引起，而这类损耗可以通过优化设计做到很小，所以空间功率合成总传输损耗很小。在各种合成技术中，准光(空间)功率合成技术可以说是最适合实现大功率和高效 率的一种技术，尤其在高频应用(例如在毫米波和亚毫米波段)的时候，这种优势就更为明 显。在可靠性方面，由于空间功率合成器各合成单元为并联关系，相互间的影响很小，当部 分单元失效时系统仍能正常可靠的工作，而不会出现毁灭性的结果。可以说，空间合成是进 一步提高输出功率的最有效的方法，也是当前最热门的功率合成技术之一 [1]。在准光功率合成中一般都采用功放阵列来进行功率合成，这是因为每一个功放产 生的噪声是非相干的，所以合成信号的宽带噪声指数跟单个功放产生的噪声指数相当[2]， 同时，合成信号的相位噪声功率跟功放的数目成反比[3]，这样合成单元数目越多，越可以 提高系统的动态范围，这对于毫米波系统的应用是非常有现实意义。大功率准光功率合成中常用的结构可以分两种“托盘式”和“贴片式”[1]。“托盘 式”中功放阵列所在的平面与波的传输方向平行，由于整个功放阵列类似于托盘式排列而 得名；而在“贴片式”结构中，功放阵列所在的平面则垂直于波的传输方向，整个功放阵列类 似于贴片式排列。一般而言，托盘式结构由于采用行波放大结构，因而频带宽，易散热，缺点 是结构大，集成有些复杂；而“贴片式”通常采用谐振形式，结构紧凑，更适合单片集成，缺点 是频带比较窄。最有代表性的“托盘式”功率合成结构是美国洛克希德一马丁公司下的Sanders 分公司报道的60GHz准光功率合成器[4]，该合成器采用272个单片功放同时工作，在 60GHz得到了 35W连续波功率输出。该系统首先用渐变波导的方式将输入信号耦合分配到 17路偶极子天线阵列，每一路信号再经过4X4路微带Wilkinson功率分配器平均分配成 16路，这样共有17X 16 = 272路信号，每一路信号再经过一个3级单片功率放大器，放大后 的信号经由一个喇叭波导收集输出，整个合成器3dB带宽为4GHz，合成效率为45% — 50%, 这是目前在文献报道中输出功率最大的V波段固态功率源。“贴片式”功率合成结构中最具有代表性的是由美国洛克希德一马丁公司和北卡州立大学联合研制的八毫米功率合成器[5]，该合成器采用了 45个微带天线有源阵列在波 导喇叭中合成输出了 25W的功率，工作频率为34GHz，3dB带宽为800MHz。另一种结构更为 紧凑的是所谓的“节点式”功率合成，美国加州工学院采用PHEMT技术集成了一种单片“节 点式”功放阵列W]，该功放阵列在Icm2的面积上集成了 512个晶体管，然后用透镜聚焦合 成，在37GHz上得到了 5W的功率输出，功率附加效率17%，3dB带宽1. 3GHz。由于采用了特 别的散热技术，整个芯片的表面温度被有效的控制在60°以内。这种结构的缺点是输出功 率较小。目前，国内一些高校和研究院所在毫米波功率合成技术方面也有广泛深入的研 究，如电子科技大学谢小强在八毫米功率合成电路方面也做了研究，采用Agilent公司的 HMMC5040作为放大单元，制作出的波导接口的两路合成放大电路，在频率为33 35GHz实 测饱和输出功率达170mW，合成效率大于70%。中电集团电子十所管玉静等人研制的八路开 槽波导空间功率合成放大器在34GHz - 35GHz达到了 83%以上的合成效率和IW的输出功 率。
参考文献M. P. DeLisio and R. A. York, "Quasi-optical and spatial power combining, "IEEE Trans. Microwave Theory Tech. , vol. 50, pp. 929-936，Mar. 2002.M. P. DeLisio, R. M. ffeikle, II，and D. B. Rutledge, "Element efficiency and noise in grid arrays, ” IEEE Trans. Microwave Theory Tech. , vol. 46, pp. 1949 - 1955，Nov. 1998.R. A. York, “Some considerations for optimal efficiency and low noise in large power combiners,，，IEEE Trans. Microwave Theory Tech. , vol. 49, pp. 1477 - 1482，Aug. 2001.J. J. Sowers, D. J. Pritchard, A. E. White, W. Kong, 0. S. A. Tang, D. R. Tanner, and K. Jablinskey, "A 36W, V-band, solid-state source,，，IEEE MTTS Int. Microwave Symp. Dig. , Anaheim, CA, 1999, pp. 235 - 238.S. Ortiz, J. Hubert, L. Mirth, and A. Mortazawi, "A high-power Ka-band quasi-optical amplifier array,，，IEEE Trans. Microwave Theory Tech. , vol. 50, pp. 487 - 494，Feb. 2002.B. Deckman, D. S. Deakin, Jr. , E. Sovero, and D. Rutledge, "A 5-watt, 37-GHz monolithic grid amplifier, ” in IEEE MTTS Int. MicrowaveSymp. Dig., Boston, MA, 2000，pp. 805 - 808。
发明内容
本发明的目的是克服上述已有技术的不足，提供一种空间功率分配/合成器。一种空间功率分配/合成器包括标准矩形波导、过渡波导、圆盘形空气柱透镜和U 型输出阵列；圆盘形空气柱透镜是由上下两层金属圆盘构成的金属圆盘形平行板波导，金 属圆盘形平行板波导上下两内表面呈弧形面，标准矩形波导的长边垂直于圆盘形空气柱透 镜的金属圆盘，过渡波导呈喇叭口状，过渡波导的一端与标准矩形波导相连，过渡波导的另一端与圆盘形空气柱透镜相交，U型输出阵列的输出端面为矩形，U型输出阵列的输入端面 是与圆盘形空气柱透镜相配合的半圆形圆弧面，U型输出阵列内设有多片与圆盘形空气柱 透镜的金属圆盘相垂直的平行金属隔板，U型输出阵列内的金属隔板之间的距离等于标准 矩形波导的宽边尺寸，U型输出阵列内的金属隔板的高度等于标准矩形波导的长边。另一种空间功率分配/合成器包括标准矩形波导、过渡波导、圆盘形空气柱透镜、 U型输出阵列和Y型馈源；圆盘形空气柱透镜是由上下两层金属圆盘构成的金属圆盘形平 行板波导，金属圆盘形平行板波导上下两内表面呈弧形面，标准矩形波导的长边垂直于圆 盘形空气柱透镜的金属圆盘，过渡波导呈喇叭口状，过渡波导的一端与标准矩形波导相连， 过渡波导的另一端与圆盘形空气柱透镜相切，在标准矩形波导和过渡波导内设有Y型馈 源，Y型馈源是中心开槽的Y型薄金属片，Y型馈源与圆盘形空气柱透镜的金属圆盘相平行， Y型馈源的高度是标准矩形波导或过渡波导高度的一半，Y型馈源的输入端与标准矩形波 导输入端相平，Y型馈源的输出端是与圆盘形空气柱透镜相配合的薄圆弧面，U型输出阵列 的输出端面为矩形，U型输出阵列输入端面是与圆盘形空气柱透镜相配合的半圆形圆弧面， U型输出阵列内设有多片与圆盘形空气柱透镜的金属圆盘相垂直的平行金属隔板，金属隔 板之间的距离等于标准矩形波导的宽边尺寸，金属隔板的高度等于标准矩形波导的长边。所述的圆盘形空气柱透镜的中间填充介质为空气。本发明具有输出功率高，频带宽(可以达倍频程)，合成效率高等特点。由于所有的 电路都在封闭的波导腔里实现，所以这种结构具有体积小，抗干扰，低泄漏，易封装，易实现 散热等优点，便于系统的模块化应用以及系统的维护。整个电路设计简单，加工精度要求 低，制作成本低，可以直接按比例扩展到毫米波频段高端应用，例如三毫米波段，这对打破 国际上对我国在三毫米波段的禁运有着重大的现实意义。
图1是一种空间功率分配/合成器结构示意图； 图2是图1的横截面剖的立体图3是图1的横截面剖的俯视图； 图4是图1的纵截面剖的正视图； 图5是另一种空间功率分配/合成器结构示意图； 图6是图5的横截面剖的立体图； 图7是图5的横截面剖的俯视图； 图8是图5的纵截面剖的正视图。
具体实施例方式由于普通的介质龙伯透镜需要多层介质组合达成渐变介电常数的特点，这个特点 导致加工复杂，而且多层介质之间的缝隙会产生较大损耗。应用空气介质的龙伯透镜就不 存在各层之间缝隙损耗的问题，空气介质龙伯透镜不仅提供稳定的特性，而且透镜部分仅 为空气，其余部分为金属，大大提高了加工的容易程度。另一个考虑是完全的空气透镜体积 太大，对于加工实现和实际应用都有不便，于是保留需要的部分并且去掉信号达不到的部 分，便形成如图3和图6所示的形状，该透镜的上下面用曲面切割以保证所需的等效介电常
如图1、2所示，一种空间功率分配/合成器包括标准矩形波导1、过渡波导2、圆盘 形空气柱透镜3和U型输出阵列4 ；圆盘形空气柱透镜3是由上下两层金属圆盘构成的金 属圆盘形平行板波导，金属圆盘形平行板波导上下两内表面呈弧形面，标准矩形波导1的 长边垂直于圆盘形空气柱透镜3的金属圆盘，过渡波导2呈喇叭口状，过渡波导2的一端与 标准矩形波导1相连，过渡波导2的另一端与圆盘形空气柱透镜3相交，U型输出阵列4的 输出端面为矩形，U型输出阵列4的输入端面是与圆盘形空气柱透镜3相配合的半圆形圆 弧面，U型输出阵列4内设有多片与圆盘形空气柱透镜3的金属圆盘相垂直的平行金属隔 板，U型输出阵列4内的金属隔板之间的距离等于标准矩形波导1的宽边尺寸，U型输出阵 列4内的金属隔板的高度等于标准矩形波导1的长边。所述的圆盘形空气柱透镜3的中间填充介质为空气。此空间功率分配/合成器在 标准矩形波导1和U型输出阵列4处配有国家标准法兰盘，但在图中为了简便起见未标出。如图3、4所示，圆盘形空气柱透镜3中金属圆盘的中心到边缘采用连续曲线，产生 所需要的等效折射率，从而实现等效的柱透镜。由龙伯透镜的特性可知，喇叭口过渡波导2 的相位中心与圆盘形空气柱透镜3的焦点重合，而透镜焦点位于透镜边缘。U型输出阵列 4由平行的金属隔板隔开，金属隔板的长度由圆盘形空气柱透镜3的边缘所决定，金属隔板 之间的距离等于标准矩形波导1的宽边尺寸，而本身的高度等于标准矩形波导1的长边，即 每个输出端口仍旧为标准矩形波导端口，这就大为提高了本发明的可移植性。图4中所示 的圆盘形空气柱透镜3仅由上下两层金属圆盘构成，中间填充介质仅为空气，上下内表面 的平滑曲线由龙伯原理决定。本实例中所有材料均为金属，所以单一的材料就代表了加工 难度的降低和介质损耗的减少。进一步地，若信号从标准矩形波导1输入、从U型输出阵列 4输出，那么它就是一种空间功率分配器；若信号从U型输出阵列4输入、从标准矩形波导1 输出，那么它就是一种空间功率合成器。进一步地，由龙伯透镜的原理可知，若信号从标准 矩形波导1输入，则在U型输出阵列4的端口处得到等幅度等相位的多路输出信号。如图5、6所示，另一种空间功率分配/合成器包括标准矩形波导1、过渡波导2、圆 盘形空气柱透镜3、U型输出阵列4和Y型馈源5 ；圆盘形空气柱透镜3是由上下两层金属 圆盘构成的金属圆盘形平行板波导，金属圆盘形平行板波导上下两内表面呈弧形面，标准 矩形波导1的长边垂直于圆盘形空气柱透镜3的金属圆盘，过渡波导2呈喇叭口状，过渡波 导2的一端与标准矩形波导1相连，过渡波导2的另一端与圆盘形空气柱透镜3相切，在标 准矩形波导1和过渡波导2内设有Y型馈源5，Y型馈源5是中心开槽的Y型薄金属片，Y 型馈源5与圆盘形空气柱透镜3的金属圆盘相平行，Y型馈源5的高度是标准矩形波导1 或过渡波导2高度的一半，Y型馈源5的输入端与标准矩形波导1输入端相平，Y型馈源5 的输出端是与圆盘形空气柱透镜3相配合的薄圆弧面，U型输出阵列4的输出端面为矩形， U型输出阵列4输入端面是与圆盘形空气柱透镜3相配合的半圆形圆弧面，U型输出阵列4 内设有多片与圆盘形空气柱透镜3的金属圆盘相垂直的平行金属隔板，金属隔板之间的距 离等于标准矩形波导1的宽边尺寸，金属隔板的高度等于标准矩形波导1的长边。所述的圆盘形空气柱透镜3的中间填充介质为空气，Y型馈源5实际是TSA (Tapered Slotline Antenna)馈源，它可以增加功率的分配/合成效率。如图7、8所示，圆盘形空气柱透镜3由一金属圆盘形平行板波导构成，圆盘的中心到边缘采用连续曲线，产生所需要的等效折射率，从而实现等效的柱透镜。由龙伯透镜的特 性可知，Y型馈源5的相位中心与圆盘形空气柱透镜3的焦点重合，同时圆盘形空气柱透镜 3的透镜焦点位于透镜边缘。U型输出阵列4内设有多片与圆盘形空气柱透镜3的金属圆 盘相垂直的平行金属隔板，金属隔板之间的距离等于标准矩形波导1的宽边尺寸，金属隔 板的高度等于标准矩形波导1的长边，即每个输出端口仍旧为标准矩形波导端口。图8中 所示的圆盘形空气柱透镜3仅由上下两层金属圆盘构成，中间填充介质仅为空气，上下内 表面的平滑曲线由龙伯原理决定。本实例中所有材料均为金属，所以单一的材料就代表了 加工难度的降低和介质损耗的减少。进一步地，若信号从标准矩形波导1输入、从U型输出 阵列4输出，那么它就是一种空间功率分配器；若信号从U型输出阵列4输入、从标准矩形 波导1输出，那么它就是一种空间功率合成器。进一步地，由龙伯透镜的原理可知，若信号 从标准矩形波导1输入，则在U型输出阵列4的端口处得到等幅度等相位的多路输出信号。
以上是本发明的两种具体实施方式
，本领域的技术人员可以通过应用本发明公开 的方法以及发明中提到的一些替代方式制作出本空间功率分配/合成器。本发明仅是一种 10路分配的较佳实例，并非对本发明作任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可 能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发 明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何简单修改、等同变化与修 饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。本发明由于主体结构为全金属结构，因而机械强度 高，温度变化恒定，特别适用于高功率输入/输出的情况，并且输入/输出端口采用标准矩 形波导，使得兼容性、集成度大大提高。这种机械强度大、可移植性好、转换效率高的空间功 率分配/合成器设计在毫米波段的功率分配/合成中有广阔的应用前景。
权利要求
1.一种空间功率分配/合成器，其特征在于包括标准矩形波导(1)、过渡波导(2)、圆 盘形空气柱透镜(3)和U型输出阵列(4);圆盘形空气柱透镜(3)是由上下两层金属圆盘构 成的金属圆盘形平行板波导，金属圆盘形平行板波导上下两内表面呈弧形面，标准矩形波 导(1)的长边垂直于圆盘形空气柱透镜(3)的金属圆盘，过渡波导(2)呈喇叭口状，过渡波 导(2)的一端与标准矩形波导(1)相连，过渡波导(2)的另一端与圆盘形空气柱透镜(3)相 交，U型输出阵列(4)的输出端面为矩形，U型输出阵列(4)的输入端面是与圆盘形空气柱 透镜(3)相配合的半圆形圆弧面，U型输出阵列内设有多片与圆盘形空气柱透镜(3)的 金属圆盘相垂直的平行金属隔板，U型输出阵列内的金属隔板之间的距离等于标准矩 形波导(1)的宽边尺寸，U型输出阵列内的金属隔板的高度等于标准矩形波导(1)的长 边。
2.根据权利要求1所述的一种空间功率分配/合成器，其特征在于所述的圆盘形空气 柱透镜(3)的中间填充介质为空气。
3.一种空间功率分配/合成器，其特征在于包括标准矩形波导(1)、过渡波导(2)、圆 盘形空气柱透镜(3)、U型输出阵列(4)和Y型馈源(5)；圆盘形空气柱透镜(3)是由上下 两层金属圆盘构成的金属圆盘形平行板波导，金属圆盘形平行板波导上下两内表面呈弧形 面，标准矩形波导(1)的长边垂直于圆盘形空气柱透镜(3)的金属圆盘，过渡波导(2)呈喇 叭口状，过渡波导(2)的一端与标准矩形波导(1)相连，过渡波导(2)的另一端与圆盘形空 气柱透镜(3)相切，在标准矩形波导(1)和过渡波导(2)内设有Y型馈源(5)，Y型馈源(5) 是中心开槽的Y型薄金属片，Y型馈源(5)与圆盘形空气柱透镜(3)的金属圆盘相平行，Y 型馈源(5)的高度是标准矩形波导(1)或过渡波导(2)高度的一半，Y型馈源(5)的输入端 与标准矩形波导(1)输入端相平，Y型馈源(5)的输出端是与圆盘形空气柱透镜(3)相配合 的薄圆弧面，U型输出阵列(4)的输出端面为矩形，U型输出阵列(4)的输入端面是与圆盘 形空气柱透镜(3)相配合的半圆形圆弧面，U型输出阵列内设有多片与圆盘形空气柱透 镜(3)的金属圆盘相垂直的平行金属隔板，金属隔板之间的距离等于标准矩形波导(1)的 宽边尺寸，金属隔板的高度等于标准矩形波导(1)的长边。
4.根据权利要求3所述的一种空间功率分配/合成器，其特征在于所述的圆盘形空气 柱透镜(3)的中间填充介质为空气。
全文摘要
本发明公开了一种空间功率分配／合成器。圆盘形空气柱透镜是由上下两层金属圆盘构成的金属圆盘形平行板波导，金属圆盘形平行板波导上下两内表面呈弧形面，标准矩形波导的长边垂直于圆盘形空气柱透镜的金属圆盘，过渡波导呈喇叭口状，过渡波导的一端与标准矩形波导相连，过渡波导的另一端与圆盘形空气柱透镜相交，U型输出阵列的输出端面为矩形，U型输出阵列的输入端面是与圆盘形空气柱透镜相配合的半圆形圆弧面，U型输出阵列内设有多片与圆盘形空气柱透镜的金属圆盘相垂直的平行金属隔板。本发明的输出功率高，频带宽，合成效率高，并且具有设计简单，加工精度要求低，制作成本低，可扩展性强和易实现散热等优点。
文档编号H01P5/12GK102136619SQ20111002433
公开日2011年7月27日 申请日期2011年1月23日 优先权日2011年1月23日
发明者华昌洲, 吴锡东, 周金芳, 杨楠 申请人:浙江大学