[发明专利]一种高隔离的小型化径向功率分配/合成器

说明书

技术领域

本发明涉及微波毫米波频段的空间功率合成技术领域，特别涉及一种高隔离的小型化径向功率分配/合成器。

背景技术

如今毫米波、亚毫米波通信技术正在由研究步入实际应用。随着工作频率的升高，半导体固态器件的功率容量下降，单个器件的输出功率难以满足通信电子系统需求，人们一般采用功率合成网络的方法来实现大功率固态功率器件。功率合成技术的研究重心是探索哪种合成网络拓扑结构可以实现最大效率的宽带大数目的功率合成。

在各种功率合成网络拓扑结构中，径向功率分配/合成器是研究的热点之一。该结构通常是通过圆对称传输线在一个圆盘结构的中心馈入输入信号，然后在圆盘结构的周围引出多个输出端口实现一次分配多路信号。相对于常见的二进制树形结构，径向功率分配/合成器具有可以一次性完成大数目的功率分配/合成，插入损耗基本不受合成路数影响的优点，特别适合于大数目的功率合成。同时径向功率分配/合成器在结构上的对称性保证了其功率分配在幅度和相位上的一致。

径向功率分配/合成器的实现形式有很多种，目前主流方案是采用同轴SMA接头直接输入或者矩形波导-同轴波导的馈电方式，在径向波导腔体中传输的是准TEM模。此种径向结构的功率容量被同轴波导的功率容量所限制，也有学者提出一种使用Marie型矩形波导-圆波导转换器进行输入的馈电方式，相对于使用同轴输入而言，将有更高的功率容量。但是该模式转换器在垂直径向圆盘的方向尺寸比较大，而且没有专门提供端口隔离的措施。

径向功率分配/合成器的另一设计难点在于难以实现输出端口匹配且隔离。而对于功率分配/合成器，其输出端口的隔离性是一个重要的指标。应用端口隔离的功率分配/合成器，合成放大器的放大器单元相互独立，也可以有效避免自激等问题。另一方面，高隔离合成器也会使得合成放大器的失效特性良好，即当存在放大器单元损毁时，其余放大器仍可以正常工作，输出功率只会按一个可预测的比例掉落。

为了提高径向功率分配/合成器的性能，人们提出了多种实现手段和改良方法，下面介绍一下这些结构。

1984年，Ting-Ih Hsu等人在IEEE MTT-S International上的报告“A WIDEBAND 60GHz 16-WAY POWER DIVIDER COMBINER NETWORK”中，提出了一种使用在60GHz频段，使用矩形波导输入，采用矩形波导-径向波导转换结构实现16路功率分配，其结构如图7所示，该结构通过矩形波导(“RECTANGULAR WAVEGUIDE”)进行信号输入，并通过匹配结构(“WAVEGUIDE-TO-COAX MATCHING BEAD”)进行输入矩形波导到同轴波导的阻抗匹配，而“COAX-TO-RADIAL LINE MATCHING BEAD”则是完成从同轴波导到径向波导的匹配结构，最后再通过径向波导(“RADIAL WAVEGUIDE”)端口输出。该结构没有完全解决输出端口如何隔离的问题，尤其是两个相对的端口。此外，其功率容量也受到同轴波导过渡结构的限制。

2009年，Kaijun song等人在TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES上发表了题为“Planar Probe Coaxial-Waveguide Power Combiner/Divider”的文章，使用同轴SMA接头输入信号，采用微带探针伸入腔体中得到了10路端口输出，其结构如图8所示。该结构通过一个SMA连接头(SMA Connector)进行信号输入，在由Inner Conductor和Outer Conductor形成的波导腔体中传输准TEM模，最后完成波导-微带线转换输出。该结构适用于微波频段或毫米波频段低端，而随着频段变高，微带结构损耗大的缺点将会显现出来。

2008年，Larry W.Epp等人在专利号为US7385462中提出一种新的结构“WIDEBAND RADIAL POWER COMBINER/DIVIDER FED BY A MODE TRANSDUCER”，该结构使用Marie型矩形波导-圆波导转换器作为输入馈电方式，结构如图9所示，该结构通过矩形波导端口16输入信号，并通过Marie型矩形波导-圆波导模式转换器10进行模式转换，在径向功率分配结构20中完成功率分配后从矩形波导端口22输出，标号30代表波导匹配负载。但是这种Marie型模式转换器在垂直径向圆盘的方向尺寸比较大，而且未提供端口隔离的有效解决方式。