本申请的各方面一般涉及功率合成器，尤其涉及用于天线阵列的射频信号功率合成器。
背景技术：
人口密集地区中的无线通信系统面临着可用射频(radio frequency，RF)无线电频谱利用紧张的问题。移动网络运营商的经济效率导致在能量效率和成本的限制内比特率吞吐量所需的RF功率电平增加。
在天线阵列中实现基本上高电平的RF功率是一项导致众多问题的技术挑战。例如，合成器的输入数量通常受到每个输入可实现的耦合量的限制，其又受到合成器的电磁特性的限制。这种情况的示例是平面(印刷)合成器，所述平面(印刷)合成器基于RF变换器的两个初级和单个次级绕组之间的磁耦合。随着初级线圈的数量(即，输入数量)增加，次级线圈的面积和/或匝数必须增加。这反过来影响合成器的自谐振频率，对初级线圈的数量提供了自然限制。硬件实现通常将输入数量限制为两个。由于合成器中有相当数量的输入，所以需要将多个2×1合成器级联到更大的网络中，从而导致相当大的插入损耗。
混合波被广泛应用于天线技术中。采用混合波的唯一已知合成器基于与最低主混合波的电耦合。这种情况下的主要技术问题是电探针的物理耦合度不足，并且将多于一对电探针放置在混合波的最大场中较为困难。这导致过长耦合探针占据多于一个周期的轴对称周期波导或准周期结构(axially symmetric periodic waveguide or quasiperiodic structure，ASPS)，因此使得合成器的轮廓尺寸过大。电探针的限制在于其需要具有反相位的源信号。
因此，期望提供一种解决上述问题中至少一些问题的RF信号功率合成器。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种改进的射频信号功率合成器。这个目的通过独立权利要求的主题来解决。在从属权利要求中可以发现进一步有利的修改。
根据本发明的第一方面，上述和其它目的以及优点通过射频(RF)信号功率合成器获得。所述合成器包括轴对称周期波导装置。所述轴对称周期波导装置包括圆筒以及同轴地设置在所述圆筒内的中心导体。所述中心导体由一对正交对称平面限定。短路壁闭合所述圆筒的端部并与所述中心导体电耦合。至少一对磁回路耦合元件相对于限定所述中心导体的所述一对正交对称平面的第一对称平面设置在所述圆筒内。多个输入端口延伸穿过所述短路壁中相应开口，所述多个输入端口中的每个将信号馈送给所述至少一对磁回路耦合元件的对应一个。输出端口设置在所述合成器远离所述短路壁的一侧，所述输出端口配置用于输出来自所述多个输入端口的信号的合成功率。所公开实施例的各个方面使得能够采用若干个相对低的电源在天线阵列中实现基本上高电平的RF功率。
在根据第一方面所述的射频信号合成器的第一种可能的实现方式中，所述圆筒包括(或者是)导电圆筒，并且所述至少一对磁回路耦合元件承载在电介质卡上。使用磁回路耦合元件能够实现比用电探针在物理上可实现的更大耦合量，并且使闭合回路完全位于其对应隔室的体积内。
在根据第一种可能的实现方式所述的射频信号合成器的第二种可能的实现方式中，所述短路壁将所述中心导体与所述导电圆筒电耦合。电耦合可以包括机械连接、电阻耦合或电容耦合。使用短路壁将短路壁与导电圆筒电耦合可以提供更紧凑的外形尺寸并使制造变容易。
在根据第一种和第二种可能的实现方式所述的射频信号合成器的第三种可能的实现方式中，所述至少一对磁回路耦合元件印刷在所述电介质卡的第一侧上。使用磁回路耦合元件能够实现比用电探针在物理上可实现的更大耦合量，并使闭合回路完全位于其对应隔室的体积内。
在根据第一种至第三种可能的实现方式所述的射频信号合成器的第四种可能的实现方式中，所述至少一对磁回路耦合元件中的一对彼此共面设置并与所述第一对称平面共面设置。电壁和磁壁的存在使得能够设置与这些表面对称的磁耦合元件，以便在不破坏预期场分布的情况下实现最大可能的耦合。
在根据第一种至第四种可能的实现方式中的任一种所述的射频信号合成器的第五种可能的实现方式中，所述共面的一对磁回路耦合元件的第一磁回路元件与所述共面的一对磁回路耦合元件的第二磁回路耦合元件相对于所述中心导体等距设置。耦合元件设置得对称于电壁和磁壁，以便在不破坏预期场分布的情况下实现最大可能的耦合。
在根据第一种至第五种可能的实现方式中的任一种所述的射频信号合成器的第六种可能实现方式中，所述射频信号合成器包括在所述电介质卡的第二侧上的导电轨道，所述导电轨道与所述多个输入端口中的每个耦合。这使得输入信号耦合到磁耦合回路。
在根据第一种至第六种可能的实现方式中的任一种所述的射频信号合成器的第七种可能的实现方式中，磁回路耦合元件与所述导电轨道电阻耦合。这使得来自输入端口的信号馈送到磁耦合回路。
在根据第一种至第七种可能的实现方式中的任一种所述的射频信号合成器的第八种可能的实现方式中，所述电介质卡设置在所述中心导体的电介质卡接收槽中。所述中心导体能够在任何数量的位置中承载所述合成器内的电介质卡，并且使得输入端口的数量增加。
在根据第一方面或前述实现方式中的任一种所述的射频信号合成器的第九种可能的实现方式中，所述至少一对磁回路耦合元件的磁回路耦合元件包括8字形的磁回路耦合元件。这种拓扑生成强度相等但方向相反的磁通量。所述回路具有前进和返回方向的磁通量，从而提供最有效的耦合。
在根据第一方面或前述实现方式中的任一种所述的射频信号合成器的第十种可能的实现方式中，限定所述中心导体的所述一对正交对称平面的至少第一正交平面穿过所述至少一对磁回路耦合元件的所有磁回路耦合元件。这使得ASPS的内部体积分隔成由磁壁分开的两个单元，并使得磁回路耦合到单元内部的磁场。
在根据第一方面所述的射频信号合成器的第十一种可能的实现方式中，所述圆筒包括(或者是)电介质圆筒，所述至少一对磁回路耦合元件的磁回路耦合元件布置在，并且优选印刷在所述电介质圆筒的表面上。所述合成器的机械组件得以简化，并且使得输入端口的数量增加，机械部件相应地减少。
在根据第十一种可能的实现方式所述的射频信号合成器的第十二种可能的实现方式中，所述射频信号合成器包括导电圆筒。所述短路壁将所述中心导体与所述导电圆筒电耦合。电耦合可以包括机械连接、电阻耦合或电容耦合。使用电介质圆筒可以增强端口间隔离和功率处理。
在根据第十二种可能的实现方式所述的射频信号合成器的第十三种可能的实现方式中，所述射频信号合成器包括布置在，优选印刷在所述电介质圆筒的内表面上的导电轨道，所述导电轨道与所述多个输入端口中的每个耦合以便将信号馈送给所述至少一对磁回路耦合元件中的对应一个。所述合成器的机械组件得以简化，并且使得输入端口的数量增加，机械部件相应地减少。
在第十一种和第十二种可能的实现方式所述的射频信号合成器的第十三种可能的实现方式中，所述至少一对磁回路耦合元件的磁回路耦合元件相对于所述中心导体彼此等距设置。耦合元件设置得对称于电壁和磁壁，以便在不破坏预期场分布的情况下实现最大可能的耦合。
在根据第一方面或前述实现方式中的任一种所述的射频信号合成器的第十四种可能的实现方式中，所述轴对称周期波导装置支持混合波信号。所公开实施例的功率合成器利用了混合的方位不均匀波的自然特性。
在根据第一方面或前述实现方式中的任一种所述的射频信号合成器的第十五种可能的实现方式中，所述轴对称周期波导装置的内部体积由所述一对正交对称平面分成至少一对隔室，其中，所述至少一对隔室的隔室具有专用磁回路耦合元件和输入端口。当采用正确的幅度和相位馈送耦合元件时，发生能量的合成，从而提供功率合成效应。
在根据第一方面或前述实现方式中的任一种所述的射频信号合成器的第十六种可能的实现方式中，所述轴对称周期混合波导装置是杆上圆盘式天线组件。所述杆上圆盘式天线组件属于支持混合模式的一类引导。这种类型的引导结构的优点是可以支持具有不仅一个而且两个截止频率的HEmn混合波，即，低截止频率和高截止频率。
根据本发明的第二方面，上述和其它目的以及优点通过射频(RF)信号功率合成器获得。所述合成器包括轴对称周期波导装置。所述轴对称周期波导装置包括电介质圆筒以及同轴地设置在所述电介质圆筒内的中心导体。所述中心导体由一对正交对称平面限定。短路壁闭合所述电介质圆筒的端部并与所述中心导体电耦合。至少一对磁回路耦合元件相对于限定所述中心导体的所述一对正交对称平面的第一对称平面设置在所述电介质圆筒的表面上。多个输入端口延伸穿过所述短路壁中相应开口，所述多个输入端口中的每个将信号馈送给所述至少一对磁回路耦合元件的对应一个。输出端口设置在所述合成器远离所述短路壁的一侧，所述输出端口配置用于输出来自所述多个输入端口的信号的合成功率。所公开实施例的各个方面使得能够采用若干个相对低的电源在天线阵列中实现基本上高电平的RF功率。
根据本发明的第三方面，上述和其它目的以及优点通过射频(RF)信号功率合成器获得。所述合成器包括外部导电圆筒、电介质圆筒和同轴地设置在所述电介质圆筒内的中心导体，所述电介质圆筒同轴地设置在所述外部导电圆筒内。所述中心导体由一对正交对称平面限定。短路壁闭合所述电介质圆筒和所述外部导电圆筒的端部，并与所述中心导体和所述外部导电圆筒电耦合。电耦合可以包括机械连接、电阻耦合或电容耦合中的一个或多个。至少一对磁回路耦合元件设置在所述电介质圆筒的表面上。多个输入端口延伸穿过所述短路壁中的相应开口，导电轨道设置在并且优选地印刷在所述电介质圆筒的外表面和内表面上，并且采用专用通孔连接。所公开实施例的各个方面使得能够使用若干个相对低的电源在天线阵列中实现基本上高电平的RF功率。
根据本发明的第四方面，上述和其它目的以及优点通过射频(RF)信号功率合成器获得。所述合成器包括轴对称周期波导装置。所述轴对称周期波导装置包括导电圆筒、同轴地设置在所述导电圆筒内的中心导体，所述中心导体由一对正交对称平面限定。短路壁闭合所述导电圆筒的端部，并将所述中心导体与所述导电圆筒电耦合。电耦合可以包括机械连接、电阻耦合或电容耦合。电介质承载构件承载导电体内的中心导体。至少一对磁回路耦合元件相对于限定所述中心导体的所述一对正交对称平面的第一对称平面设置在所述导电圆筒内。电介质构件承载所述至少一对磁回路耦合元件和所述中心导体邻近所述短路壁的端部。所述电介质构件设置在所述短路壁和所述中心导体之间。多个输入端口延伸穿过所述短路壁中的相应开口，所述多个输入端口中的每个将信号馈送给所述至少一对磁回路耦合元件的对应一个。输出端口设置在所述合成器远离所述短路壁的一侧，所述输出端口配置用于输出来自所述多个输入端口的信号的合成功率。所公开实施例的各个方面使得能够使用若干个相对低的电源在天线阵列中实现基本上高电平的RF功率。
在第四方面的第一种可能的实现方式中，所述电介质承载构件围绕所述导电圆筒内的中心导体。
在第四方面或第一种可能的实现方式的第二种可能的实现方式中，所述电介质承载构件是电介质泡沫。
在第四方面或者前述可能的实现方式中的任一种的第三种可能的实现方式中，所述电介质承载构件将所述中心导体与所述导电圆筒和所述短路壁电隔离。
根据本发明的第五方面，上述和其它目的以及优点通过射频(RF)信号功率合成器获得。所述合成器包括轴对称周期波导装置。所述轴对称周期波导装置包括电介质圆筒、同轴地设置在所述电介质圆筒内的中心导体，所述中心导体由一对正交对称平面限定。短路壁闭合所述电介质圆筒的端部，并与所述中心导体电耦合。电耦合可以包括机械连接、电阻耦合或电容耦合。电介质承载构件承载所述电介质圆筒内的中心导体。至少一对磁回路耦合元件相对于限定所述中心导体的所述一对正交对称平面的第一对称平面设置在所述电介质圆筒的表面上。电介质构件可以承载所述中心导体邻近所述短路壁的端部。所述电介质构件设置在所述短路壁和所述中心导体之间。多个输入端口延伸穿过所述短路壁中的相应开口，所述多个输入端口中的每个将信号馈送给所述至少一对磁回路耦合元件的对应一个。输出端口设置在所述合成器远离所述短路壁的一侧，所述输出端口配置用于输出来自所述多个输入端口的信号的合成功率。所公开实施例的各个方面使得能够使用若干个相对低的电源在天线阵列中实现基本上高电平的RF功率。
示例性实施例的这些以及其它方面、实现方式和优点通过本文中所描述的实施例结合附图将变得显而易见。然而，应当理解，说明书和附图仅用于说明的目的，而不应作为对本发明的限制的定义，其应当参见所附权利要求。本发明的其它方面和优点将在以下描述中进行阐述，并且通过描述部分地显而易见，或者可以通过实践本发明来了解。此外，本发明的各个方面和优点可以通过所附权利要求中特别指出的手段及组合来实现和获得。
附图说明
在本申请的以下详细部分中，将参照附图中示出的示例实施例对本发明更详细地进行解释，其中：
图1示出了结合所公开实施例各个方面的示例性RF信号功率合成器组件；
图2示出了支持纯模式波的中空波导结构；
图3示出了结合所公开实施例各个方面的功率合成器组件的波导结构；
图4示出了结合所公开实施例各个方面的功率合成器组件的支持混合波的轴对称结构的横截面图；
图5和图6示出了结合所公开实施例各个方面的功率合成器组件的最低主混合波HE11在ASPS结构的横截面中的电磁场；
图7和图8示出了结合所公开实施例各个方面的功率合成器组件的示例性耦合回路；
图9和图10示出了结合所公开实施例各个方面的功率合成器组件中的电壁和耦合回路组件的使用；
图11示出了结合所公开实施例各个方面的功率合成器组件的承载耦合回路的电介质卡的配置；
图12和图13示出了结合所公开实施例各个方面的功率合成器组件的磁壁和耦合回路组件的使用；
图14至图15示出了结合所公开实施例各个方面的功率合成器组件的透视图；和
图16至图17示出了结合所公开实施例各个方面的功率合成器组件的输出部分的透视图；
图18示出了结合所公开实施例各个方面的功率合成器组件的电介质承载构件的使用。
具体实施方式
所公开实施例的各方面涉及配置用于在多波束天线阵列中实现高功率电平的RF信号功率合成器装置。所述合成器装置是多端口合成器，其在混合的方位不均匀电磁波中利用与3D场分布相关联的电壁和/或磁壁采用这些电磁波。由轴对称周期结构(ASPS)支持的混合的方位不均匀波的电磁特性用于功率合成。术语“混合波”用于指定在轴对称周期或准周期结构中传播的特定类型的波，通常在本文中称为“ASPS”。所述术语反映了这些波的区别技术特征，即，不同于其它更常见类型的波(TEM、TE和TM波)，其具有纵向电场分量和纵向磁场分量。混合波的这种性质由混合因子限定，其是混合波中纵向电磁场的磁场部分分量和电场部分分量之间的能量比的数值指标。特别地，所公开实施例的各个方面利用ASPS中的方位不均匀波HE11的特征进行功率合成。
通过利用由可以用作天线阵列元件的专用波导结构所支持的混合波的电磁场特性，可以将功率合成功能集成在天线元件内。在一个实施例中，ASPS的内部体积被分隔成由电壁和磁壁限定的部分区域或单元。ASPS内部体积内的电磁场可以相应地分成单元，每个单元由专用耦合元件馈送。当采用正确的幅度和相位馈送耦合元件时，发生能量的合成，从而提供功率合成效果。
图1示出了结合所公开实施例各方面的RF信号功率合成器装置的一个实施例。在该示例中，合成器装置100包括基于杆上圆盘式天线结构102(也称为ASPS结构102)的2-至-1合成器。杆上圆盘式天线结构属于支持混合波的ASPS结构系列，并包括作为馈送端的波浪状介质棒天线。所公开实施例的各个方面应用于频率覆盖范围为2-6GHz的蜂窝基站和/或微基站。
在图1的示例中，功率合成器装置100通常包括中心导体106。同样参见图11，在一个实施例中，中心导体106同轴地设置在圆筒120内。在一个实施例中，圆筒120包括导电材料，这里称为导电圆筒122。在图13所示的实施例中，圆筒120包括电介质材料，这里称为电介质圆筒312。在图11的示例中，外壳20包围ASPS结构102。一个或多个圆盘104形成杆上圆盘式结构102的一部分，沿着外壳20内的中心导体106的长度设置。
中心导体106由一对正交对称平面108(也称为X和Y平面)限定。例如，参见图1和图5，对称平面固定在中心导体106的纵向轴线C处。虽然可以有无限数量的对称平面，但只有一对彼此正交。在图1和图5所示的示例中，一对正交对称平面108由穿过中心导体106的大致中心或纵向轴线C的X和Y平面限定。这对对称平面限定了中心导体106最小阶数的旋转对称性，并且限定了基本正方形的横截面。
如图1和图5所示，在一个实施例中，X平面限定穿过中心导体106的第一对称平面107或水平横截面。第一对称平面107包括中心轴并且还包括电壁，所述中心轴限定中心导体106的方位。Y平面限定穿过中心导体106的第二对称平面109或垂直横截面。第二对称平面109包括中心轴并且包括磁壁，所述中心轴限定中心导体106的方位。这组条件使所述一对平面107，109唯一且不受相对于以下图3所述的对称性阶数的限制，因为所述一对平面107，109满足所规定的最低阶数对称性的条件，并且与传播波的物理特性相关联。
同样参见图11，圆筒120的一个端部包括短路壁110。在图11的示例中，短路壁110闭合圆筒120的一个端部。图8、图11以及图13的示例中的中心导体106与短路壁110电耦合。
短路壁110配置用于与中心导体106和外部导体电耦合。在图8和图11的示例中，圆筒120包括形成外部导体的导电圆筒122。短路壁110与导电圆筒122电耦合。在图15的示例中，外部导体包括导电圆筒308。在该示例中，短路壁110与导电圆筒308电耦合。
短路壁110可以与外部导体机械性、电阻性或电容性耦合。例如，短路壁110可以与图11的导电圆筒122或图15的导电圆筒308机械耦合以形成电耦合。在另一个实施例中，短路壁110和导电圆筒122，308之间的空气间隙形成充满空气的电容器，所述电容器创建了电耦合。例如，可以去除与短路壁110相邻的中心导体106的一部分以形成空气间隙。如下所述，可以将泡沫或电介质构件引入间隙中用于承载。在替代实施例中，可以使用将短路壁110与外部导体电耦合的任一合适方式。在图13的示例中，短路壁110与电介质圆筒312机械耦合。
如图1所示，中心导体106可以包括一个或多个用于放置电介质卡114的槽112。电介质卡114通常包括印刷电路板(printed circuit board，PCB)或可以设置有导电轨道或迹线的类似电介质基底，其通常是已知的。通常，槽112设置在中心导体106的相对侧上。该示例中的槽112通常相对于一对正交对称平面108的对称平面对齐或与之对齐所述一对称平面限定了中心导体106。在图1的示例中，示出了两个槽112，每个槽具有设置在其中的电介质卡114。在替代实施例中，中心导体106可以包括任一数量用以容纳相应电介质卡114的槽112。
再次参见图1，电介质卡114包括在电介质卡114的一侧上的耦合回路元件116，也称为磁耦合回路元件。电介质卡114上的耦合回路元件116通常相对于一对正交对称平面108的对称平面对齐，所述对称平面限定中心导体106。在一个实施例中，合成器100将包括至少一对耦合回路元件116。在图1的示例中，耦合回路元件116为8字形耦合回路的形式。在替代实施例中，耦合回路元件116可以包括任一合适的回路结构。
电介质卡114的相对面或反面包括导电轨道或元件118，在本文中也称为馈电线。导电轨道或元件118配置用于将电信号从相应的输入端口P1-P4馈送给对应的耦合回路元件116。在一个实施例中，输入端口P1-P4和相应的耦合回路元件116之间的耦合是电阻耦合。在替代实施例中，导电轨道118可以以除了包括电阻耦合以外的任一合适方式耦合到耦合回路元件116。例如，在一个实施例中，导电轨道118可以经由诸如电容器的电容耦合装置耦合到耦合回路元件116。
功率合成器100还包括输出端口130。在图1和图16的示例中，输出端口130设置在所述合成器100远离或相对于短路壁110的一端。输出端口130配置用于输出来自多个输入端口P1-P4的信号的合成功率。
如图1所示的合成器装置100，所公开实施例的各个方面利用由轴对称周期结构支持的混合的方位不均匀波的特性。为了实现双极化操作，合成器装置100中的天线孔径应该具有一定程度的对称性。这可以根据晶体学中使用的轴对称阶数来表示：C4，C8，C16，...C∞。然而，这限制了合适天线结构的选择。
图2示出了基于支持纯模式波Hmn和Emn的中空波导的示例性天线孔径结构10。这些简单结构的共同优点是其均具有低频截止，从而为低于截止频率的频率提供相当大的抑制，与印刷偶极子/缝隙天线孔结构不同。不幸的是，这些简单的结构可能太大而不能包装在天线阵列中，特别是如果应用扫描要求的话，因为元件间距离变得太大。为了克服这个限制，第二导体可以与第一导体同轴地设置。
图3示出了第二导体14与第一导体12同轴设置的混合模式引导结构的示例性孔径横截面。这些类型的轴对称结构可以支持纯模式Hmn，Emn的传播，并且还包括支持混合模式HEmn和EHmn的子集。这些模式以与横截面尺寸相关联的特定波长传播。
图4示出了示例性混合模式引导或ASPS结构102的纵向截面图。图4中的ASPS结构102是通用型ASPS结构，为了简单起见，仅示出了包含波纹103的两个导体中的一个。实际工程解决方案可以基于从这种通用配置得到的更简单版本。例如，在d＝0的情况下，ASPS结构102退化为半径为e的圆形波导。在g2＝g1＝gN的情况下，ASPS结构102变成平滑壁同轴天线结构。在11＝12＝1N且e→∞的情况下，ASPS结构102变成波纹状同轴ASPS，也称为杆上圆盘式天线。这种类型的引导结构的主要优点是可以支持具有不仅一个而且两个截止频率的HEmn混合波，即，低截止频率和高截止频率。
参见图5和图6，示出了最低方位不均匀波HE11在ASPS结构102的横截面中的电磁场或场结构。在该示例中，假设纵轴Z是ASPS结构102的对称轴。在图6中，横截面与Z轴对齐。在图5的示例中，X、Y是正交轴对。
图5还示出了与Z轴正交的磁场或磁场矢量532。图5中的磁场矢量532由虚线示出。在图6中，磁场矢量532的横截面由元件531和533表示。元件533示出了穿入图像的磁场矢量532，元件531示出了穿出图像的磁场矢量532。
图6中的电场矢量522以粗实线示出。在图5中，图6的电场矢量522的横截面由元件521和523表示。元件523示出了穿入图像的电场矢量522，而元件521示出了穿出图像的电场矢量522。由于波HE11是方位不均匀波，所以存在具有最大纵向电场强度(在和处)的区域和不存在电场分量的区域(在和处)。
而且，图5和图6所示的场分布表示存在电壁524和磁壁534，其对应地是与电矢量或磁矢量正交的表面。电壁524和磁壁534的位置与结构具体是由特定的操作模式所致，所述特定的操作模式在该示例中是最低的方位不均匀波HE11。
所公开实施例的各个方面利用方位不均匀波HE11的特征进行功率合成。在一个实施例中，图1的ASPS结构102的内部体积划分成由电壁524和磁壁534限定的部分区域或单元。例如，图5中的场分布示出了对称性质。对称平面与电磁壁524，534共同定位。电场522具有位于平面(电壁)处的反对称平面。这是不存在切向电场的表面，即所有电场线与电壁524正交。整个电场分布相对于处的电壁524是反对称的，磁场分布相对于电壁524是对称的。
在一个实施例中，同样参见图7和图8，ASPS结构102的体积相对于电壁524可以分成两个隔室，这里通常称为上隔室140和下隔室150。上隔室140和下隔室150由位于平面处的电壁524隔开。如图8所示，上隔室140和下隔室150均可以采用一个或多个专用耦合元件116和对应的馈电线118馈送，这些馈电线118与图1所示的对应输入端P1，P2和P3，P4耦合。
在图5的示例中，磁场532在度的磁壁534处具有反对称平面。这是不存在切向磁场532的表面，即所有磁场线与磁壁534正交。整个磁场分布相对于度处的磁壁534是反对称的。电场分布相对于磁壁534是对称的。
参见图7，在一个实施例中，ASPS结构102的体积也可以视为两个“分离的”隔室，一个隔室220位于磁壁534的左侧，一个隔室230位于磁壁534的右侧。每个隔室220，230内的电磁场可以由合适的耦合元件激发，例如，诸如馈电线118等对应馈电线馈送的耦合回路元件116。因此，参见图5，ASPS结构102的体积视为多个隔室或单元，上隔室140和下隔室150、左隔室220和右隔室230。
上述隔室140，150，220，230并不是精确地“分离”的，而是必须包含相干场，因为必须选择其相位和幅度来重构所需模式HE11的整体场分布。当满足这个条件时，实现了功率合成效果。
当采用正确的幅度和相位馈送耦合元件116时，发生能量的合成，从而提供功率合成效应。这些原理也适用于更高的方位不均匀波HEmn。对于更高的方位不均匀波HEmn，电壁524和磁壁534的位置必须相应地适应。
如图1所示，耦合回路元件116设置在上隔室140和下隔室150的每个中。在一个实施例中，耦合回路元件116是与相应单元或隔室140，150内的磁场耦合的磁回路耦合元件。图9中示出了耦合回路元件116的一个示例。图10示出了耦合回路元件116和相关联的磁场132。图9和图10所示的耦合回路元件116具有前进和返回方向的磁通量，当在两个方向上耦合时实现最有效的耦合。这种耦合元件的一个示例是“8字形”耦合回路拓扑。在图10的示例中，“8字形”耦合回路的每个部分或回路116a，116b生成强度相等但方向相反的磁通量。在替代实施例中，除了包括磁回路耦合元件116之外，还可以使用任一合适类型的耦合元件来与单元耦合。
如图1和图8的示例所示，至少一个耦合回路元件116设置在每个隔室140，150中。图1所示的配置提供输入端口P1-P4的最小1+1差分馈送结构，形成2(差分)至1合成器，其中，两个差分输入端口将功率馈送给支持所需模式HE11的公共输出端口130。放置多于一个耦合回路元件116将进一步增加输入端口的数量，使合成器的输出端口配置为1+1(差分)，2+2(差分)，..…，4+4(差分)等。所公开实施例的合成器100提供多端口合成功能。
图7和图8示出了在结合所公开实施例各个方面的多端口功率合成器100中采用电壁524的示例性实现方式。在图8的横截面视图中，ASPS结构102示出为设置在导电圆筒122的界限内。多对耦合回路元件116设置在导电圆筒122内，在短路壁110的一侧。耦合回路元件116相对于电壁524(粗实线所示)对称设置并正交于磁场线532(虚线所示)。耦合回路元件116根据形成与电壁524对称的闭合回路的磁场线532的定相而保持正确的定相。如图7所示，该示例中的耦合回路116的数量是八个，每个承载在电介质卡114上。在一个实施例中，每个耦合回路116需要一对用于输入端的同轴连接器，例如，输入端P1和P2或输入端P3和P4。输入端P1-P4与相应的馈电线118连接。
在实践中，参见图1和图7，每对或每组耦合回路116可以印刷或设置在电介质卡114上。如图1所示，电介质卡114安装在ASPS结构102的对应承载槽112上。
图1的示例中的单端输入端口P1-P4在数量上是差分端口：2+2(单端)，4+4(单端)，…，8+8(单端)的两倍。耦合回路116的数量受指定水平的插入损耗、端口之间的交叉耦合(隔离)、击穿电压以及馈电线尺寸的设计限制以及技术复杂性的限制。在一个实施例中，功率合成器100可以转换成单端配置，其中，每个耦合回路116的中点通过专用连接与地电位连接。
图11示出了输入端口P1-P4的四输入单端馈送结构，形成具有四个单端输入端口的4(单端)至1合成器。在该示例中，四个电介质卡114相对于中心导体106而设置。电介质卡114中的槽115承载ASPS结构102的一个或多个圆盘104。耦合回路116与输入端口P1-P4连接，输入端口P1-P4的一端设置在相应开口111中，另一端与地面连接。在该示例中，耦合回路116的一端与电接地电连接，其在该示例中为导电圆筒122。在本实施例中，中心导体106示出为与短路壁110连接。在替代实施例中，短路壁110与中心导体不连接。使用导电圆筒122作为接地连接形成单端耦合配置。输入端口P1-P4馈送的能量被合成到支持所需模式HE1１的公共输出端口130中。
图12-图15示出了结合所公开实施例各个方面的功率合成器300的另一示例。在该示例中，ASPS结构302划分成由位于平面处的磁壁332隔开的隔室或单元，通常表示为左隔室320和右隔室330。
图12-图15示出了电介质圆筒312的使用。在该示例中，电介质圆筒312由碾压成圆筒的柔性PCB组成。在一个实施例中，电介质圆筒312可以采用塑料层或其它电介质层进行3D印刷，所述电介质层具有两层或多层(电化学地)沉积在塑料层之间的金属层。
磁回路316用于与相应单元320，330内的磁场耦合。磁场分布如图12所示。虚线所示的两个表示磁场的闭合回路334，336通过磁壁332分成相等的两半。
每个隔室320，330包含一对这样的“半部”，其在平面处和周围具有与电壁322共同定位的公共部分的磁通量。至少一个耦合回路316设置在相应的隔室320，330中。这将给出至少1+1(差分)，2+2(差分)，…，4+4(差分)合成器。
在图12-图15所示的示例性功率合成器300中，可以实现多个耦合回路316，其在这个示例中是磁耦合回路。如图12的示例所示，耦合回路316相对于磁壁332对称设置，并且与电壁334的平面正交。在图12所示的实施例中，磁耦合回路316印刷在电介质圆筒312的表面上。在一个实施例中，磁耦合回路印刷在电介质圆筒312的外表面上。在该实施例中，其中，电介质圆筒312可以采用塑料层或其它电介质层进行3D印刷，所述电介质层具有两层或多层(电化学地)沉积在塑料层之间的金属层，耦合回路316可以印刷在不同层上以提供多个堆叠的耦合回路316。圆筒312也可以被任一形状代替，只要其具有上述参见图3的对称性或阶数C4，C8，C16，...C∞即可。诸如图15所示的通孔313可以在适当的时候通过激光切割或钻孔而形成，然后电镀在每层中以将耦合回路彼此之间的部分连接起来和/或与对应的输入线318连接起来。
耦合回路316应当根据形成与电壁322对称的闭合回路334，336的磁线的实际定相来保持正确的定相。该示例中的耦合回路316的数量为八个，其中，一对输入连接器P1，P2与每个耦合回路316相关联。
同样参见图13，在该示例中，耦合回路316和对应的馈送导体或轨道318分别设置在电介质圆筒312的外表面和内表面上。电介质圆筒312固定在ASPS结构302内的专用位置中。图13所示的合成器300是基于杆上圆盘式天线的2至1合成器实现方式。P1-P4是合成器300的输入端口，而304是杆上圆盘式天线结构302的波纹杆或端侧。中心导体306同轴地设置在电介质圆筒312内。
电介质圆筒312的内表面上的导电轨道318配置用于将来自相应输入端口P1，P2和P3，P4的信号馈送给对应的耦合回路316。通过专用连接将每个耦合回路316的中点与地面连接，合成器300也可以转换成单端配置。与图1所示功率合成器100中不同地，将图13的配置转换成单端结构更加困难，因为耦合回路316不是“8字形”类型的耦合回路并且不具有自然接地点。
在一个实施例中，耦合回路316的数量受特定模式(通常是最低主导的方位不均匀模式HE11)和端口之间的指定隔离度、插入损耗、击穿电压和馈电线尺寸(横截面)的设计限制以及技术复杂性(生产成本)的限制。
图14和图15示出了结合所公开实施例各个方面的示例性功率合成器300，其中，输入回路316的数量减少成仅两个输入回路316。多个输入端口P1-P4延伸穿过短路壁310中的相应开口311。每个回路316的端部340通过一段同轴线(未示出)与对应的或专用输入端口P1-P4连接。导电馈送轨道318设置在电介质圆筒312的外表面和内表面中的一个或多个上。通孔313将位于电介质圆筒312相对(内和外)表面上的耦合回路316的部分连接起来。
在图15的示例中，电介质圆筒312同轴地设置在导电圆筒308内。短路壁310闭合导电圆筒308的端部。在该示例中，短路壁310与导电圆筒308和中心导体306电耦合。
在图14和图15的示例中，至少一对磁回路耦合元件316设置在电介质圆筒312的表面上。例如，磁回路耦合元件316可以印刷在电介质圆筒的表面上，诸如外表面和内表面中的一个或多个。在一个实施例中，磁耦合回路元件316也可以设置在电介质圆筒312的壁内或外表面与内表面之间，例如，上述的多层柔性设计或3D印刷设计。
图16示出了结合所公开实施例各个方面的功率合成器的输出端口130的示例。在该示例中，输出端口130是在特定实现方式中使用的ASPS的横截面。在如图1所示的杆上圆盘式结构的情况下，输出端口130是杆上圆盘式结构的横截面，输入信号的合成或输入信号的合成功率沿ASPS结构102传播。由于横截面受导电圆筒122(从外部)限制，所以那里不发生辐射，仅沿ASPS结构102传播。在一个实施例中，该横截面或输出端口130可以是随后的滤波结构、天线、移相器或其它合适组件的输入端。虽然输入端口P1-P4是提供输入信号的同轴输入端口，但是在输出端口130处，形成传播远离合成器的行波并且能量包含在ASPS结构102的横截面内。如图17所示，如果ASPS结构102正转换成更传统的传输线，例如，波导，则输出端口130包含在输出波导402的横截面内。
图17示出了转换成圆形波导部分402的四端口功率合成器400。在图17的示例中，输出端口130是圆形波导402的横截面。
图18示出了转换成圆形波导部分402的所公开实施例的功率合成器。在图18的实施例中，ASPS结构102由诸如电介质泡沫的电介质承载构件404承载。在该示例中，电介质泡沫404围绕ASPS结构102并将其与导电圆筒122隔离。由于圆形波导402的低频截止大幅度地高于ASPS结构102的截止，所以圆形波导部分402在工作频率范围的下限提供额外的带外抑制。短路壁110和ASPS结构102之间的剩余空白部分提供更多的体积来设置附加的耦合回路和/或用以增加每个耦合回路的面积。而且，这种配置具有从天线阵列的两侧组装的优点。外部导电圆筒122是天线阵列的一部分，其必须与每个元件的所有部件一起组装。在短路壁110和ASPS结构102之间不需要电连接的情况下，可以从天线阵列的前部组装ASPS结构或杆上圆盘式部分102。可以从后部组装合成器的其它部分。在一个实施例中，电介质承载件404形成电介质分隔件，所述电介质分隔件可用作密封合成器内部的塑料天线罩。
所公开实施例的各个方面涉及基于由ASPS支持的导波的属性的功率合成。所公开实施例的多端口合成器使用混合的方位不均匀电磁波，在这些电磁波中利用与3D场分布相关联的电壁和/或磁壁。使用磁耦合元件来实现耦合。偶数个耦合回路相对于平面中的磁壁或与磁壁共线的曲面对称地设置。耦合回路中的匝数和匝数的相互方向设置成根据所需传播模式的磁线的相互定相而保持正确的耦合因子和定相。由于同相信号可以与耦合回路组合，从而通过改变绕组方向来提供必要的相移，所以没有必要在反相位上具有输入信号。
所公开实施例的各个方面导致端口数量增加，隔离、插入损耗改善，并且功率合成功能集成到天线元件中。主导混合波的性质确保合成器内的额外隔离。如果合成器集成到基于混合模式设计的滤波器中，则耦合要求将由耦合矩阵的对应元素限定。这将有利地导致合成器所需的整体耦合水平降低。如果合成器集成到支持混合模式的滤波结构中，例如，基于ASPS的带通滤波器，则耦合要求将由滤波器的耦合矩阵的对应元素限定。
因此，尽管已经示出、描述并指出了应用于本发明示例性实施例的本发明基本新颖特征，但是应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对所示设备与方法的形式和细节以及其操作做出各种省略、替换和修改。此外，要明确指出的是，以基本上相同的方式执行基本上相同的功能以实现相同结果的那些元件的所有组合均在本发明范围内。此外，应当认识到，结合本发明任一公开形式或实施例示出和/或描述的结构和/或元件可以作为设计选择的一般事项并入任何其它公开或描述或建议的形式或实施例中。因此，其意图仅受所附权利要求书的范围所限定。