[发明专利]基于径向线和基片集成波导的宽带功率合成器

说明书

技术领域

本发明涉及微波/毫米波器件技术领域，尤其涉及一种基于径向线和基片集成波导的宽频带的射频功率合成器。本发明应用于微波通信系统，可有效提高发射机输出功率，增加无线信号覆盖范围。

背景技术

在无线通信系统、雷达系统、通信干扰系统、遥感遥测系统等诸多领域中，功率放大器作为发射机中的末级输出器件，其输出功率电平直接决定了发射机信号的覆盖范围甚至系统容量。随着应用的频率范围向微波和毫米波频段扩展，单个固态器件的输出功率往往不能满足要求。因此，有必要对多个器件的输出功率进行合成，从而得到所需的功率电平。

学术界已经对功率合成器进行了广泛的研究。其中，基于金属矩形波导的功率合成器具有损耗小，功率容量大的优点。但是该电路成本较高且难以和平面有源器件进行集成。另一方面，基于微带类平面传输线的功率合成电路虽然易于与有源功率器件衔接且制作成本低，但由于其是一种半开放型的导波结构，传输损耗较大、辐射较强，合成效率低，从而限制了这类合成电路在微波高频段中的应用。近年来，基片集成波导(SIW)和半模基片集成波导(HMSIW)作为新型微波毫米波平面传输线被相继提出，由于其结合了金属波导和平面传输线的诸多优点，越来越多的国内外学者将此项技术用于微波毫米波功率合成研究中。但是，在多路功分器/合路器的应用场合，树状结构的SIW/HMSIW合路器合成效率仍然较低，而梳状结构和谐振结构的SIW/HMSIW合路器带宽较窄。带宽受限的根本原因在于SIW/HMSIW输出的各端口之间的相位差与频率有关。实际上，该问题在基于普通传输线的合路器中都存在。为了解决这一问题，有学者提出了基于径向结构传输线的合路器，由于该电路结构具有旋转对称的特点，所以输出各端口幅度相位的平衡度与频率无关，可以有效提高功率合成器的带宽。

在设计功率合成器时，还要考虑如何充分利用金属散热结构的空间、功放管的位置等诸多重要问题。例如，在合成功率很大时，过于紧凑的合路器结构反而会造成散热不畅和有源器件的空间耦合，严重影响合成效果。因此，设计宽带、低损耗且具有良好散热结构的功率分配器/合路器，仍然具有十分重要的意义。

发明内容

为了提高微波通信系统的输出功率，扩大发射信号覆盖范围，本发明提供了一种基于径向线和基片集成波导的宽带功率合成器，且具有频带宽、插入损耗低、制造简单、易于和平面电路集成及散热性能好等优点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于径向线和基片集成波导的宽带功率合成器，包括两个背靠背设置的功分结构和至少一个连接功分结构的垂直连接器；

功分结构包括同轴-径向线转换结构、全模-半模基片集成波导功分器、渐变型微带过渡段和输出微带线；同轴-径向线转换结构中同轴线包括内导体和外导体墙，外导体墙固定在介质基片上；介质基片设有中心通孔，内导体和中心通孔之间设有匹配贴片，中心通孔向下连接介质基片的底层覆铜；外导体墙底部设有与中心通孔处于同一中心线上的圆柱空气腔体，内导体延伸至圆柱空气腔体内，圆柱空气腔体和位于其下方的介质基片、底层覆铜，以及位于其上方的外导体墙构成径向线；全模-半模基片集成波导功分器包括渐变型基片集成波导、基片集成波导和对称分布的两路半模基片集成波导，基片集成波导的一端通过渐变型基片集成波导与径向线相连，另一端截断为两路对称分布的半模基片集成波导，且每一路半模基片集成波导的输出信号经渐变型微带线段输出至一条输出微带线上；

垂直连接器包括两条垂直微带线，且每条垂直微带线一端与其中一个功分结构的输出微带线相连，另一端与另一个功分结构的输出微带线相连；垂直微带线设有放大器。

更进一步的，每个功分结构可作为功分器单独使用，每个功分结构全模-半模基片集成波导功分器的数目为四个，每个功分结构输出微带线的数目为八个，垂直连接器的数目为四个。

输入信号送到同轴-径向线转换结构后，由横电磁波（以下简称TEM）传输模式通过同轴线内导体和中心通孔组成的阶跃阻抗变换器转换为径向线模式，向四周径向传播。由于同轴线的内外径大小为标准值，故通过调节中心通孔和匹配贴片的直径，以及圆柱空气腔体的高度和直径，可以在输入的同轴线和径向线之间获得宽带匹配。径向线模式信号通过渐变型基片集成波导段宽带匹配至TE10模式，并等幅同相的传输至四个全模-半模基片集成波导功分器，进一步分成等幅同相的八路信号，八路信号在垂直微带线上通过各自放大器放大后经反向安装的功分结构合成为一路信号，最终在反向安装的功分结构的同轴线还原为TEM传输模式输出。