一种基于脊间隙波导技术的超宽带功率分配合成器制造技术

该发明专利技术公开了一种基于脊间隙波导技术的超宽带功率分配器,涉及微波/毫米波无源器件领域，具体为一种基于新型脊间隙波导技术实现的超宽带功率分配/合成器。为了克服现有技术中的缺点，提高固态功率放大器的工作带宽，使其能在几个频段内都能有效工作从而节省设计成本。本发明专利技术提出了一种超宽带脊间隙波导功率分配/合成器，具有功率容量大、超宽带(3个倍频程)、结构紧凑、低损耗、幅相一致性好、易于加工与装配等优点。

An ultra wide band power distribution synthesizer based on ridge gap waveguide technology

The invention discloses an ultra wide band power divider based on ridge gap waveguide technology, which relates to the field of microwave / millimeter wave passive devices, in particular to an ultra wide band power distribution / synthesizer based on a new ridge gap waveguide technology. In order to overcome the shortcomings of the existing technology, improve the working bandwidth of the solid-state power amplifier, so that it can work effectively in several frequency bands and save the design cost. The invention provides an ultra wide band ridge gap waveguide power distribution / synthesizer, which has the advantages of large power capacity, ultra wide band (3 octaves), compact structure, low loss, good amplitude phase consistency, easy processing and assembly, etc.

【技术实现步骤摘要】
一种基于脊间隙波导技术的超宽带功率分配合成器
本专利技术涉及微波/毫米波无源器件领域，具体为一种基于新型脊间隙波导技术实现的超宽带功率分配/合成器。
技术介绍
近年来，微波/毫米波高功率、高效率固态功率放大器作为不可或缺的射频模块已广泛应用至各种无线通信系统中。然而，限于当前半导体工艺水平，单个功放芯片的输出功率十分有限，通常难以实现系统的大功率输出需求。为了解决此问题，有必要研究功率合成技术。基于微带线、基片集成波导功率分配器在低频段具有频带宽、易加工等特点，具有较高的实用价值。然而，随着频率升高，微带线这种半开放式介质平面传输线的功率合成技术存在严重的介质损耗和较强的辐射损耗，会大大降低功率合成器的合成效率。同样的，基片集成波导也具有较高的介质损耗。基于矩形波导功率分配器有着低损耗，高功率容量的优点。但是，矩形波导的工作模式为TE模，受模式截止频率的限制，其只能在某个波段具有较高的传输效率，无法进行多个波段的超宽带合成。基于同轴径向波导实现的功率分配/合成器是一种单级的功率合成结构，理论上能在宽频带内实现任意路数的功率分配和合成。然而，同轴功率分配器的功率容量偏低，且加工困难，容差性能较低。新型毫米波传输线脊间隙波导可以很好的弥补传统矩形波导与微带线的缺点，由于其本身结构的特点，脊间隙波导具有频带宽，功率容量高，加工装配简单等诸多优势。从结构上看，脊间隙波导仅由上下两块独立且平行放置的金属板构成，其上盖板为金属材质，表现为PEC特性，下盖板表面由金属脊与其周围的周期性结构组成。当上下盖板之间的空气间隙小于四分之一波长时，周期性结构可表现为PMC特性，在一定的频率范围内的电磁波将在此区域被完全截止，从而使电磁波以准TEM模的形式沿着金属脊的方向传播。此外，电磁波在金属平板之间的空气间隙中传播，这保证了模式的纯净，避免了电磁波在不同介质中传播产生的扭曲现象，并且没有电介质损耗。因此，相比于微带线与基片集成波导，脊间隙波导的损耗将大大降低。在装配方面，脊间隙波导上下盖板之间无需直接电接触，这使得脊间隙波导制成的功率分配器在毫米波或者太赫兹频段具有比矩形波导更广的应用前景(同等加工精度条件下，脊间隙波导的容差性能更高，损耗更小)。文章“Apowerdivider/combinerrealizedbyridgegapwaveguidetechnologyformillimeterwaveapplications,”MMWaTT,Tehran,Iran,Dec.2016,pp.20-22.”作者B.Ahmadi，A.Banai提出了一种脊间隙波导3dB功率分配器，该结构利用了相邻金属脊之间的耦合效应，在Ka波段实现了两路等功率分配。然而，该结构输出端为标准矩形波导，无法在多波段同时工作，这限制了脊间隙波导的宽频带优势。文章“Designof3-dBhybridcouplerbasedonRGWtechnology,”IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,vol.65,no.10,pp.3849-3855,Oct.2017.”作者S.I.Shams，A.A.Kishk报道了一种混合耦合器，利用四端口耦合器原理结合脊间隙波导特性实现了等功率分配。然而，此结构虽然利用了单脊波导到同轴的过渡结构进行功率输出，但缺少对功率分支处阻抗匹配段的设计，只获得了14％的相对带宽。因此，该结构也很难应用至对带宽需求较高的无线通信系统中。
技术实现思路
为了克服上述困难，本专利技术提出了一种超宽带脊间隙波导功率分配/合成器，具有超宽带(3个倍频程)、低损耗、幅相一致性好、功率容量大、结构紧凑、易于加工与装配等优点。为了实现上述设计目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种基于脊间隙波导技术的超宽带功率分配器，该功率分配器包括：下腔体、上盖板、输入标准同轴波导、输入过渡结构、输入脊间隙波导、脊间隙波导T型结、两个输出脊间隙波导、两个输出过渡结构、两个输出标准同轴波导；所述输入标准同轴波导通过输入过渡结构连接输入脊间隙波导，然后连接脊间隙波导T型结，所述脊间隙波导T型结分出的两个分支分别依次连接输出脊间隙波导、输出过渡结构、输出标准同轴波导；所述输入脊间隙波导与输出脊间隙波导内的波传播方向相同；所述输入过渡结构或输出过渡结构包括：同轴波导探针段和终端短路的脊间隙波导探针段；所述脊探针与伸出的同轴探针直接接触；所述输入标准同轴波导、输入过渡结构、输入脊间隙波导、脊间隙波导T型结、两个输出脊间隙波导、两个输出过渡结构、两个输出标准同轴波导都位于下腔体内；所述上盖板位于下腔体上方，用于盖住输入标准同轴波导、输入过渡结构、输入脊间隙波导、脊间隙波导T型结、两个输出脊间隙波导、两个输出过渡结构、两个输出标准同轴波导。进一步的，所述脊间隙波导T型结与输出脊间隙波导通过多级阶梯过渡结构连接，所述多级阶梯过渡结构两侧都呈阶梯状，从脊间隙波导T型结端两侧阶梯宽度依次放大。进一步的，所述脊间隙波导T型结的分支点顶部凹陷，在下腔体对应于凹陷处的位置设置一与凹陷形状啮合的T型结匹配膜片；所述多级阶梯过渡结构与输出脊间隙波导呈90°连接，在弯角顶点处的两边都向内呈一个台阶的阶梯变化，变化后弯角顶点外侧呈每个角都为90°的“W”形，在下腔体内对应于该“W”形的位置设置一与该“W”形状啮合的脊间隙波导直角弯头匹配膜片；所述T型结匹配膜片和脊间隙波导直角弯头匹配膜片都为金属材质的实心结构。进一步的，所述金属脊周围设置有周期阵列分布的圆柱形电磁带隙结构，所述圆柱形结构的顶部不与上盖板接触，该圆柱形结构也是材质为金属的实心结构。进一步的，所述同轴到脊间隙波导过渡结构内的脊探针长度约为λ4，λ为工作波长。进一步的，所述脊间隙波导中g≤λ4，其中λ为中心频率对应的工作波长，g为阵列分布的圆柱形结构上顶面至上盖板的空气间隙高度；根据间隙为零的极端情况下脊边缘的电纳B满足：式中可计算出脊间隙波导的截止频率；其中w1为主脊的脊宽，h1为脊高，w为环绕脊周围第一列圆柱形结构之间的距离，h为脊间隙波导的高度，ε0为真空介电常数，μ0为真空磁导率，η0为波阻抗；设计时需保证工作频带落在截止频率范围内。一种基于脊间隙波导技术的超宽带功率合成器，与上述功率分配器结构完全相同，只是上述功率分配器的输入端为本功率合成器的输出端，上述功率分配器的输出端为本功率合成器的输入端。本专利技术的优点在于：(1)采用新型脊间隙波导作为基本传输线，电磁波以准TEM模作为工作模式并以空气为介质沿着主脊传输；工作带宽可达到数个倍频程，能同时在多个波段稳定工作。(2)输入输出均采用标准同轴波导，可直接与外部微波毫米波系统互连。保证了脊间隙波导功率分配器的工作带宽不受限于输入输出过渡结构。(3)所述功率分配器为全金属结构，其在传输过程中只具有极低的欧姆损耗，无介质损耗与辐射损耗，故合成效率高、功率容量大。(4)输入输出的同轴探针直接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于脊间隙波导技术的超宽带功率分配器，该功率分配器包括：下腔体、上盖板、输入标准同轴波导、输入过渡结构、输入脊间隙波导、脊间隙波导T型结、两个输出脊间隙波导、两个输出过渡结构、两个输出标准同轴波导；所述输入标准同轴波导通过输入过渡结构连接输入脊间隙波导，然后连接脊间隙波导T型结，所述脊间隙波导T型结分出的两个分支分别依次连接输出脊间隙波导、输出过渡结构、输出标准同轴波导；所述输入脊间隙波导与输出脊间隙波导内的波传播方向相同；所述输入过渡结构或输出过渡结构包括：同轴波导探针段和终端短路的脊探针段；所述脊间隙波导探针与伸出的同轴探针直接接触；所述输入标准同轴波导、输入过渡结构、输入脊间隙波导、脊间隙波导T型结、两个输出脊间隙波导、两个输出过渡结构、两个输出标准同轴波导都位于下腔体内，所述上盖板位于下腔体上方，用于盖住输入标准同轴波导、输入过渡结构、输入脊间隙波导、脊间隙波导T型结、两个输出脊间隙波导、两个输出过渡结构、两个输出标准同轴波导。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于脊间隙波导技术的超宽带功率分配器，该功率分配器包括：下腔体、上盖板、输入标准同轴波导、输入过渡结构、输入脊间隙波导、脊间隙波导T型结、两个输出脊间隙波导、两个输出过渡结构、两个输出标准同轴波导；所述输入标准同轴波导通过输入过渡结构连接输入脊间隙波导，然后连接脊间隙波导T型结，所述脊间隙波导T型结分出的两个分支分别依次连接输出脊间隙波导、输出过渡结构、输出标准同轴波导；所述输入脊间隙波导与输出脊间隙波导内的波传播方向相同；所述输入过渡结构或输出过渡结构包括：同轴波导探针段和终端短路的脊探针段；所述脊间隙波导探针与伸出的同轴探针直接接触；所述输入标准同轴波导、输入过渡结构、输入脊间隙波导、脊间隙波导T型结、两个输出脊间隙波导、两个输出过渡结构、两个输出标准同轴波导都位于下腔体内，所述上盖板位于下腔体上方，用于盖住输入标准同轴波导、输入过渡结构、输入脊间隙波导、脊间隙波导T型结、两个输出脊间隙波导、两个输出过渡结构、两个输出标准同轴波导。


2.如权利要求1所述的一种基于脊间隙波导技术的超宽带功率分配器,其特征在于所述脊间隙波导T型结与输出脊间隙波导通过多级阶梯过渡结构连接，所述多级阶梯过渡结构两侧都呈阶梯状，从脊间隙波导T型结端两侧阶梯距离依次放大。


3.如权利要求1所述的一种基于脊间隙波导技术的超宽带功率分配器,其特征在于所述下腔体内部的空腔位置上设置有周期阵列分布的圆柱形电磁带隙结构，所述圆柱形结构的顶部不与上盖板接触，该圆柱形结构为金属材质。


4.如权利要求1所述的一种基于脊间隙波导技术的超宽带功率分配器,...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒲友雷，彭松涛，吴泽威，蒋伟，王建勋，罗勇，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51