[发明专利]一种基于脊间隙波导技术的超宽带功率分配合成器

说明书

该发明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。

技术领域

本发明涉及微波/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。

背景技术

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“A power divider/combiner realized by ridge gap waveguidetechnology for millimeter wave applications,”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“Design of3-dB hybrid coupler based on RGW technology,”IEEE Transactions on MicrowaveTheory and Techniques,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。

发明内容

为了克服上述困难，本发明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。