應用于三路高效高隔離度功率合成的緊湊五端口結構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種應用于三路高效高隔離度功率合成的緊湊五端口結構，三個相同的矩形波導以120°夾角相交；圓波導的E面耦合于三個矩形波導相交區(qū)域的頂部平面；三個矩形波導相交區(qū)域的底面設置有向相交區(qū)域延伸的薄壁圓臺型凸起；圓臺型凸起的頂部平板向圓波導的方向延伸出依次連接的第一金屬探針和第二金屬探針，圓臺型凸起的頂部平板反向延伸出依次連接的第一介質(zhì)同軸波導和第二介質(zhì)同軸波導；所述第一金屬探針和第一介質(zhì)同軸波導連接。在保持較緊湊體積的基礎上，利用三個矩形波導中的TE10模式、同軸波導中的TEM模式和圓波導中的TE11模式組成六模式網(wǎng)絡，實現(xiàn)了三路等幅同相矩形TE10模式至同軸TEM模式的高效功率合成。
【專利說明】
應用于H路高效高隔離度功率合成的緊湊五端口結構
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及微波無源器件技術領域，特別是一種用于=路高隔離度低回波損耗高 效功率合成的緊湊五端口結構。
【背景技術】
[0002] 傳統(tǒng)的高功率微波一般是通過電真空器件來產(chǎn)生，但隨著有源器件輸出功率的不 斷提高，通過大量的有源器件進行組陣，后再通過大規(guī)模天線陣列進行福射進而產(chǎn)生與傳 統(tǒng)電真空器件福射相比擬的等效福射功率。為了在等效福射功率不變的情況下盡量減少有 源相控陣天線的單元數(shù)量，需要在有限截面尺寸內(nèi)對多個有源器件進行功率合成，為了保 證有源器件的失效性能，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性同時保證合成效率，需要合成器輸入端口間具 有高隔離度，各端口需要具有良好的駐波性能，同時需要有較高的合成效率，所有功能需要 在有限截面內(nèi)實現(xiàn)。目前微波領域主要合成器包括二進制功率合成器、波導行波功率合成 器、波導徑向功率分配合成器和波導空間功率合成器等。其中基于電阻隔膜的二進制功率 合成器不滿足kW級功率容量要求，基于現(xiàn)有的常規(guī)波導魔T結構的合成器大都不滿足橫截 面尺寸要求，波導行波功率合成器合成端口間隔離度與回波損耗也無法滿足要求，波導徑 向功率分配合成器無法滿足其超緊湊的體積要求和高隔離度低反射要求，空間功率合成技 術用于微波頻段尺寸較高。常規(guī)的依托于介質(zhì)的平面?zhèn)鬏斁€對于實現(xiàn)kW級功率容量有較大 難度，因此現(xiàn)有的微波功率合成技術大都不滿足kW級功率容量和低插損高隔離度W及尺寸 體積要求。本身對于滿足功率容量W及截面積要求的雙路功分器就比較難設計，對于高隔 離度高效率低回波損耗的緊湊kW級功率容量合成器更加少見。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明目的是提供一種應用于=路高效高隔離度功率合成的緊湊五端口結構及 相應的功率合成方法，可實現(xiàn)有限截面內(nèi)=路矩形TEio模式至同軸TEM模式的功率合成。
[0004] 本發(fā)明的技術解決方案是：
[0005] -種應用于=路高效高隔離度功率合成的緊湊五端口結構，其特別之處在于：
[0006] S個相同的矩形波導夾角相交；
[0007] 圓波導5的E面禪合于=個矩形波導相交區(qū)域的頂部平面；
[000引=個矩形波導相交區(qū)域的底面設置有向相交區(qū)域延伸的薄壁圓臺型凸起8;
[0009] 圓臺型凸起8的頂部平板向圓波導5的方向延伸出依次連接的第一金屬探針7和第 二金屬探針6,圓臺型凸起8的頂部平板反向延伸出依次連接的第一介質(zhì)同軸波導9和第二 介質(zhì)同軸波導4;
[0010] 上述第一金屬探針7和第一介質(zhì)同軸波導9連接。
[0011] 當圓波導中只存在基模，不存在高次模式時，圓波導5的半徑按下式計算：
[0012]
[0013] 其中；
[0014] R為圓波導半徑；
[001引 C為光速；
[0016] f為應用頻率范圍的上限。
[0017] 上述基模為TEii模式，上述高次模式包括TMoi模式。
[0018] 上述第一金屬探針7、第二金屬探針6、第一介質(zhì)同軸波導9和第二介質(zhì)同軸波導4 的半徑和長度用于調(diào)整第二介質(zhì)同軸波導4中輸入的TEM模式時的回波損耗。
[0019] 上述圓波導的端口連接一個圓極化TEii模式小型負載。
[0020] -種應用于=路高效高隔離度功率合成的緊湊五端口結構，其特別之處在于：該 五端口結構通過如下矩陣表示：
[0021]
[0022] 應用于=路高效高隔離度功率合成的緊湊五端口結構的微波功率合成方法，包括 W下模式：
[0023] 1)當TOM模式從第二介質(zhì)同軸波導4輸入時，S個矩形波導中輸出等幅同相TEio模 式，第二介質(zhì)同軸波導4無反射，對面圓波導5的端口被隔離；
[0024] 2)當圓波導5中輸入某極化方向的TEii模式時，上有能量全部在=個矩形波導中W TEio模式輸出，輸入圓波導無反射，對面第一介質(zhì)同軸波導9和第二介質(zhì)同軸波導4的端口被 隔離，=個矩形波導中TEio模式的幅度和相位取決于TEii模式的極化方向；
[0025] 3)當其中一個矩形波導注入TEio模式，另外兩個矩形波導的端口被隔離，注入能量 的矩形波導無發(fā)射，注入的能量全部轉化為圓波導中的TEii模式和第二介質(zhì)同軸波導4中的 TEM模式。
[00%]本發(fā)明有益效果：
[0027] 1、本發(fā)明在保持較緊湊體積的基礎上，利用=個矩形波導中的TEio模式、同軸波導 中的TEM模式和圓波導中的TEii模式組成六模式網(wǎng)絡，利用結構的TEM模式與結構整體的 120°圓周對稱特性實現(xiàn)了 =路等幅同相矩形TEio模式至同軸TEM模式的高效功率合成。
[0028] 2、本發(fā)明利用圓波導中極化簡并的兩個TEii模式，通過與S個矩形波導相交區(qū)域 底面凸起圓臺W及禪合探針的配合實現(xiàn)了=個矩形波導的高隔離度和低回波損耗。當圓波 導中輸入某極化方向的TEii模式時，所有能量全部在=個矩形波導中WTEio模式輸出，輸入 圓波導無反射，對面同軸波導端口被隔離，S個矩形波導中TEiO模式的幅度和相位取決于 TEii模式的極化方向。此五端口結構可在8-9.4GHz范圍內(nèi)實現(xiàn)矩形波導小于-20地的回波損 耗，波導間大于20地的隔離度，圓波導中極化簡并的TEii模式W及同軸波導TEM模式回波損 耗小于-20地，=種模式間隔離度大于70地。
[0029] 3、與第一介質(zhì)同軸波導9和第二介質(zhì)同軸波導4相連的級聯(lián)第一金屬探針7和第二 金屬探針6能夠充分的將同軸波導中的能量禪合到=矩形波導的相交區(qū)域，進而平均分配 至=個矩形波導。
[0030] 4、圓臺型凸起8對保證=個矩形波導端口實現(xiàn)較小的回波損耗和較大的隔離度有 著重要作用。
[0031] 5、圓波導和權利要求3中的第二同軸波導共軸連接，都在=個矩形波導相交區(qū)域 實現(xiàn)模式禪合，通過TEM模式和TEii模式的模式隔離特性實現(xiàn)兩個端口的高隔離度。
[0032] 6、整個結構沿同軸波導和圓波導的中屯、軸120°旋轉對稱，運保證了第二同軸波導 中輸入TEM模式后，各端口能量的等幅分配。
[0033] 7、圓波導選取合適的半徑，可使圓波導中只存在基模即TEii模式，不存在TMoi等高 次模式。
[0034] 8、與同軸波導段四和九相連的級聯(lián)第一金屬探針7和第二金屬探針6能夠充分的 將同軸波導中的能量禪合到=矩形波導的相交區(qū)域，進而分配至=個矩形波導。
[0035] 9、第一金屬探針和第二金屬探針W及第一介質(zhì)同軸波導和第二介質(zhì)同軸波導有 著不同的半徑和長度W確保第二同軸波導中輸入的TEM模式時在一定帶寬內(nèi)有較小的回波 損耗。
【附圖說明】
[0036] 圖1是本發(fā)明五端口結構的主視圖；
[0037] 圖2是本發(fā)明五端口結構的俯視圖；
[0038] 圖3是本發(fā)明五端口結構的側視圖；
[0039] 圖4是矩形端口 1注入TEio模式五端口結構頂面場分布；
[0040] 圖5是矩形端口 1注入TEio模式五端口結構底面場分布；
[0041] 圖6是同軸端口 4注入TEM模式底面場分布；
[0042] 圖7同軸端口 4注入TEM模式頂面場分布；
[0043] 圖8是圓波導端口 5注入沿X方向極化TEii模式頂面場分布；
[0044] 圖9是圓波導端口 5注入沿X方向極化TEii模式底面場分布；
[0045] 圖10是圓波導端口 5注入沿y方向極化TEii模式頂面場分布；
[0046] 圖11是圓波導端口 5注入沿y方向極化TEii模式底面場分布；
[0047] 圖12是各端口回波損耗W及矩形波導端口間隔離度；
[0048] 圖13是同軸端口 4和圓波導端口 5各模式間的隔離度；
[0049] 圖14圓波導端口 5注入沿X方向極化TEii模式各矩形端口 S參數(shù)分布；
[0050] 圖15圓波導端口 5注入沿y方向極化TEii模式各矩形端口 S參數(shù)分布；
[0化1 ] 圖16同軸端口 4注入TEM模式各矩形端口 S參數(shù)分布。
[0052]圖中附圖標記為：1-第一矩形波導；2-第二矩形波導；3-第S矩形波導；4-第二介 質(zhì)同軸波導;5-圓波導;6-第二金屬探針;7-第一金屬探針;8-圓臺型凸起;9-第一介質(zhì)同軸 波導；10-插入波導脊。
【具體實施方式】
[0053] 本發(fā)明應用于=路高效高隔離度功率合成的緊湊五端口結構，其結構組成為:第 一、第二、第=矩形波導夾角相交，圓波導E面禪合于=個矩形波導相交區(qū)域的頂部 平面，=個矩形波導相交區(qū)域的底面有圓臺型凸起8與之相連，圓臺型凸起8的頂部平面向 圓波導方向依次連接金屬第一金屬探針7和第二金屬探針6,頂部平面向圓波導反方向依次 連接介質(zhì)第一介質(zhì)同軸波導和第二介質(zhì)同軸波導，=個插入波導脊10位于=個矩形波導相 交處。
[0054] 圓波導應當選取合適的半徑，使得圓波導中只存在基模即TEii模式，不存在TMoi等 高次模式。
[0055] 與同軸波導段4和9相連的級聯(lián)第一金屬探針7和第二金屬探針6能夠充分的將同 軸波導中的能量禪合到=矩形波導的相交區(qū)域，進而平均分配至=個矩形波導。
[0056] 級聯(lián)第一金屬探針和第二金屬探針W及第一介質(zhì)同軸波導和第二介質(zhì)同軸波導 有著不同的半徑和長度W確保第二同軸波導中輸入的TEM模式時在一定帶寬內(nèi)有較小的回 波損耗。
[0057] 圓臺型凸起8對保證=個矩形波導端口實現(xiàn)較小的回波損耗和較大的隔離度有著 重要作用。
[0058] 圓波導和第二同軸波導共軸連接，都在=個矩形波導相交區(qū)域實現(xiàn)模式禪合，通 過TEM模式和TEii模式的模式隔離特性實現(xiàn)兩個端口的高隔離度。
[0化9] 本發(fā)明工作原理：
[0060] 五端口結構實際上是六模式網(wǎng)絡，其包括:=個TEio模式，一個TEM模式和兩個極化 簡并的TEii模式，當TCM模式輸入時，=個矩形波導中輸出等幅同相TEio模式，輸入同軸端口 無反射，對面圓波導端口被隔離。當圓波導中輸入某極化方向的TEii模式時，所有能量全部 在S個矩形波導中WTEio模式輸出，輸入圓波導無反射，對面同軸波導端口被隔離，S個矩 形波導中TEio模式的幅度和相位取決于TEii模式的極化方向。當某個矩形波導注入TEio模 式，另外兩個矩形波導端口被隔離，注入能量的矩形波導無發(fā)射，注入的能量全部轉化為圓 波導中的TEii模式和同軸波導中的TEM模式。
[0061] 本發(fā)明五端口結構的相關模式定義為：
[0062] 模式1:1,2:1和3:1代表矩形波導1-3中的TEio模式、模式4:1代表同軸波導中的TEM 模式、模式5:1和模式5:2代表圓波導中沿X方向和沿y方向極化的TEii模式。
[0063] 圓波導端口是保證S個矩形波導能夠高效高隔離度低回波損耗后合成同軸TEM模 式的關鍵，當此五端口結構用于=路等幅同相功率合成或分配時，圓波導中的TEii模式會充 當負載模式的角色。
[0064] W7.5-9.75G化為例，本發(fā)明中的五端口結構構成為：
[00化]第一二S矩形波導W 120°夾角相交，S個矩形波導截面尺寸為22.86mm X 10.16mm，矩形波導長度大于30mm，=個矩形波導交點連接后的等邊=角形的外接圓半徑為 13mm；
[0066] 圓波導E面禪合于=個矩形波導相交區(qū)域的頂部平面，其波導半徑為11.8mm，長度 為20mm，此波導半徑能夠保證在7.5-9.75G化頻率范圍內(nèi)，圓波導中TMoi模式W及其它高次 模式被截止；
[0067] S個矩形波導相交區(qū)域的底面有圓臺型凸起8與之相連，圓臺型凸起8的底面半徑 為8.65mm，頂面半徑為8.65mm，高度為5.76mm;
[0068] 圓臺型凸起8的頂部平面向圓波導方向依次連接金屬第一金屬探針7和第二金屬 探針6，其半徑和長度分別為：1.52mm、4. Imm和1.33mm、5.85mm;
[0069] 圓臺型凸起8的頂部平面向第四圓波導反方向依次連接介質(zhì)第一介質(zhì)同軸波導和 第二介質(zhì)同軸波導，插入波導脊10位于=個矩形波導相交處，其中第一介質(zhì)同軸波導和第 二介質(zhì)同軸波導的內(nèi)外半徑分別為：1.52mm、2.82mm和2.34mm、5.92mm，其長度分別為 7.94mm和10臟。^個插入波導脊的尺寸分別為1.58mm X 0.41mm X 10.16mm;
[0070] =個矩形波導相交區(qū)域W及凸起圓臺和插入圓柱探針、同軸波導、圓波導共軸線。
[0071] 如圖4-16所示，在8-9.4G化頻率范圍內(nèi)：
[0072] 矩形波導端口一注入TEio模式，矩形波導一和矩形波導二S間隔離度大于20地，矩 形波導端口一回波損耗小于-20dB，-4.8地的能量轉化為了同軸波導中的TEM模式，-1. SdB 的能量轉換為了圓波導中的沿X方向極化的TEii模式;矩形波導一與圓波導中的沿y方向極 化的TEii模式隔離(能量轉化小于-70dB);其場分布情況如圖4和圖5所示。
[0073] 當矩形波導端口二注入TEio模式，矩形波導一和=間隔離度大于20地，矩形波導端 口二回波損耗小于-20dB，-4.8地的能量轉化為了同軸波導中的TEM模式，-7.8地能量轉化 為了圓波導中沿X方向極化的TEii模式，-3dB的能量轉化為了圓波導中沿y方向極化的TEn 模式，矩形波導=注入能量時，能量禪合情況與之類似，其場分布情況與端口 一注入TEio模 式類似；
[0074] 當同軸波導端口四注入TOM模式時，注入能量被全部均勻分配至S個矩形波導端 口中，每個矩形波導中禪合的能量為-4.8地。矩形波導端口四與圓波導端口五中的兩個極 化的TEii模式隔離度大于70地，同軸波導端口能量反射小于-20地，場分布情況如圖6和圖7 所示。
[0075] 當圓波導五中注入沿X方向極化的TEii模式，注入的能量全部被分配至=個矩形波 導中，其中矩形波導一中的能量為-1.8dB，矩形波導二和S中的能量為-7.8dB，沿X方向極 化的TEii模式反射小于-20dB，其與沿y方向極化的TEii模式W及同軸波導中TEM模式隔離度 大于70地，場分布如圖8和圖9所示；
[0076] 當圓波導五中注入沿y方向極化的TEii模式，注入的能量全部被分配至矩形波導二 和S中，矩形波導一被隔離，隔離度大于70地，矩形波導二和S中的能量為-3.02dB，沿y方 向極化的TEii模式反射小于-20dB，其與沿X方向極化的TEii模式W及同軸波導中TEM模式隔 離度大于70地，場分布如圖10和圖11所示；
[0077] 上面所述幾種情況中的場分布均與圖12-16中的S參數(shù)分布相對應。
[0078] 通過本發(fā)明技術方案，在五端口結構的圓波導端口接一個圓極化TEii模式小型負 載，可實現(xiàn)=路矩形波導TEio模式至同軸TEM模式的低回波損耗高隔離度高效率功率合成。
【主權項】
1. 一種應用于Ξ路高效高隔離度功率合成的緊湊五端口結構，其特征在于： Ξ個相同的矩形波導夾角相交； 圓波導巧)的E面禪合于Ξ個矩形波導相交區(qū)域的頂部平面； Ξ個矩形波導相交區(qū)域的底面設置有向相交區(qū)域延伸的薄壁圓臺型凸起(8); 圓臺型凸起(8)的頂部平板向圓波導(5)的方向延伸出依次連接的第一金屬探針(7)和 第二金屬探針(6)，圓臺型凸起(8)的頂部平板反向延伸出依次連接的第一介質(zhì)同軸波導 (9)和第二介質(zhì)同軸波導(4); 所述第一金屬探針(7)和第一介質(zhì)同軸波導(9)連接。2. 根據(jù)權利要求1所述的應用于Ξ路高效高隔離度功率合成的緊湊五端口結構，其特 征在于:當圓波導中只存在基模，不存在高次模式時，圓波導(5)的半徑按下式計算：其中： R為圓波導半徑； C為光速； f為應用頻率范圍的上限。3. 根據(jù)權利要求2所述的應用于Ξ路高效高隔離度功率合成的緊湊五端口結構，其特 征在于:所述基模為TEii模式，所述高次模式包括TMoi模式。4. 根據(jù)權利要求1或2或3所述的應用于Ξ路高效高隔離度功率合成的緊湊五端口結 構，其特征在于:所述第一金屬探針(7)、第二金屬探針(6)、第一介質(zhì)同軸波導(9)和第二介 質(zhì)同軸波導(4)的半徑和長度用于調(diào)整第二介質(zhì)同軸波導(4)中輸入的TEM模式時的回波損 耗。5. 根據(jù)權利要求1或2或3所述的應用于Ξ路高效高隔離度功率合成的緊湊五端口結 構，其特征在于:所述圓波導的端口連接一個圓極化TEii模式小型負載。6. -種應用于Ξ路高效高隔離度功率合成的緊湊五端口結構，其特征在于:該五端口 結構通過如下矩陣表示：7. 應用權利要求1至5所述應用于Ξ路高效高隔離度功率合成的緊湊五端口結構的微 波功率合成方法，其特征在于:包括w下模式： 1) 當TEM模式從第二介質(zhì)同軸波導(4)輸入時，Ξ個矩形波導中輸出等幅同相TEio模式， 第二介質(zhì)同軸波導(4)無反射，對面圓波導(5)的端口被隔離； 2) 當圓波導（5)中輸入某極化方向的TEii模式時，所有能量全部在Ξ個矩形波導中W TEio模式輸出，輸入圓波導無反射，對面第一介質(zhì)同軸波導(9)和第二介質(zhì)同軸波導(4)的端 口被隔離，Ξ個矩形波導中TEio模式的幅度和相位取決于TEii模式的極化方向； 3) 當其中一個矩形波導注入TEio模式，另外兩個矩形波導的端口被隔離，注入能量的矩 形波導無發(fā)射，注入的能量全部轉化為圓波導中的TEii模式和第二介質(zhì)同軸波導（4)中的 TEM模式。
【文檔編號】H01P1/36GK106099288SQ201610551498
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月13日
【發(fā)明人】郭樂田, 黃文華, 邵浩, 巴濤, 李佳偉
【申請人】西北核技術研究所