[发明专利]毫米波太赫兹准光波束功率合成网络

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种利用准光波束方法的毫米波太赫兹多路功率合成技术，用于把N路待合成的(高)功率信号转换成准光波束，再用准光技术合成一个波导模式或者一个波束，得到更高功率的电磁信号，具体涉及一种毫米波太赫兹准光波束功率合成网络。

二、背景技术

在近年来广受关注的太赫兹技术研究中，太赫兹源输出功率小是严重限制太赫兹技术推广应用的关键瓶颈，迄今为止研究的各种太赫兹源，不管是固态倍频源、电真空源还是光电源等，输出的功率都很小，且10年之内预料也不会有什么突破。因此，提高太赫兹源输出功率的现实可行的技术途径就是功率合成。在微波毫米波频段，功率合成技术已有广泛深入的研究，这些技术尽管各有差别，但都有一个共同点，就是用波导等传输线结构来实现。在太赫兹频段，波导损耗大，合成的功率大部分都被损耗掉了；微带等传输线损耗更大，更不能用于功率合成电路中。准光技术利用聚束波束在空中的传播，具有比常规传输线损耗小很多的优点，用于太赫兹功率合成显然有优越性。在太赫兹频段，因为波长很短，准光功率合成结构尺寸也不大。

在毫米波频段，尽管功率合成技术已有大量研究，但其目标都是将很小的功率如毫瓦级的功率合成到瓦级，或把百毫瓦级的功率合成到百瓦级，最终输出的功率仅到百瓦级。因此，可以采用常规波导或者传输线结构。但是，如果要合成的功率单路就在百千瓦级，合成后的功率将达几百千瓦甚至达兆瓦级，则基于常规波导和传输线的功率合成网络不能承受这么高的功率，一方面是传输线尺寸小，功率容量也小；另一方面这些功率合成网络里有很多不连续性，在这些不连续处极易发生击穿打火。准光技术中电磁功率通过聚束波束在空间传播，通过聚焦反射镜控制波束的传播，没有波导的边壁，也没有微带等传输线的导带，不存在易引起打火的不连续性从而限制功率容量的问题。因此，利用准光技术来把多个波束合成一个波束，即把多路功率合成一路功率，具有承受功率高的独特优点。我们已经提出过利用准光技术把2个波束合成1个波束的技术[杨春、窦文斌，毫米波准光功率合成技术研究，《2009年全国天线年会论文集(下)》]。这个技术要实现多路合成1路，就要经过几个2合1过程，需占用很大空间，不方便应用。

目前，功率合成技术有不同的实现途径和称呼，如芯片级合成、电路合成、空间合成和准光合成等。这些称呼是从功率合成的技术途径来命名的。为了更清晰地说明功率合成的技术特征，我们从功率合成的网络拓扑来分类，至于实现特定网络的物理结构可以是芯片级合成、电路级合成、空间合成或准光合成。这里我们把功率合成的网络拓扑分为2-1型和N-1型，定义如下：

2-1型：这种网络拓扑的特征是：2合为1，4合为2，8合为4，16合为8，其余类推；示意如图1。

这种网络拓扑的优点是物理结构简单，有现成的平面功率分配合成结构可用，且已发展得相当成熟。其缺点是合成很多路时需要多级2合1，因此传输损耗大，当达到一定路数时，再增加合成的路数也不会增加输出功率；同时多级2合1实现时占用空间也大。另一缺点是它合成的路数须是2的整数倍，对于调控输出功率的大小不方便，增加1级输出功率过大，不增加又不够。

N-1型：这种网络拓扑的特征是：只须一级就把N路合成1路。对于用准光技术来实现这种网络拓扑，N选为2的倍数，如4，6，8等；若用波导结构，则N不必是2的倍数。这种网络拓扑的优点是结构紧凑，损耗小,示意如图2。

本发明的独特之处就在于只须一级就把Ｎ个波束合成1个波束（即Ｎ路合成1路）。用准光技术实现这种功率合成网络无疑将是毫米波太赫兹(高)功率合成技术的一大突破。