一种大功率等功率等相位多路功率合成/分配方法及器件

1.本发明属于功率合成器、分配器领域，特别涉及一种等功率等相位多路功率合成/分配 技术。


背景技术：

2.在雷达、通信和电子对抗等设备当中，经常会有功率合成和分配的问题，通过功率合 成不仅可以提高发射功率、增大探测和作用距离，还可以实现多路信号的归一传输(共用 天线)以及分集接收中的信号合并等。功率合成器主要分为波导腔体型和微带型两大类， 其中波导腔体型的合成器具有较低的损耗，较高的功率容量及较宽的工作带宽等优点，广 泛用于雷达，卫星等大功率系统。但是该类功率合成器往往体积较大，加工成本较高。而 微带型合成器相对而言，具有较小的体积，较低的加工成本，从而广泛应用在微波系统集 成和小型化等领域，但传输功率的不足和插入损耗过大也影响着它的使用范围。所以，在 大功率合成系统中一般选择波导型合成器，再根据合成的路数及插入耗等指标要求，选择 合适的合成方式。由于功率合成器为无源器件，将其输入输出端口互换，也可作为功率分 配器使用。
3.当合成路数上升(一般大于5路)时，常用的二进制和链式功率合成的插入损耗会快 速增加。此时一般采用径向波导进行功率合成，径向波导是一种非均匀传输线，由上、下 两块平行圆金属板组成，两板间填充介质，两板之间具有一定的距离。但是径向波导中的 传输模式存在不连续性，各信号输入端口大多采用矩形波导，合成信号输出端口采用同轴 探针，在矩形波导、同轴探针和径向波导结合处易产生高次模。另外，矩形波导和径向波 导，径向波导和同轴探针之间需要设计过度转换结构实现阻抗匹配，减小反射。这些转换 结构不仅增加了设计的难度，还带来了插入损耗的增加，并且在大功率传输条件下，不光 滑的连接端口还存在打火击穿的风险。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提出一种大功率等功率等相位多路功率合成/分配方法及 功率合成/分配器，通过采用在e面扇形波导扇形端进行等间距分隔开口的设计方法，实现 等功率、等相位的多路大功率信号功率合成或分配的功能。
5.本发明采用的技术方案之一为：一种大功率等功率等相位多路功率合成/分配方法，根 据合成或分配路数，将e面扇形波导扇形端进行等间隔分隔，得到与合成或分配路数数量 相同的开口个数。
6.每个分割后的扇形区域高度相同。
7.本发明采用的技术方案之二为：一种大功率等功率等相位多路功率合成/分配器，包括： e面扇形波导与若干金属隔腔，所述金属隔腔将e面扇形波导扇形端等间隔分隔为若干个 端口。
8.分割后的端口的高度相同。
9.本发明的有益效果：本发明通过采用在e面扇形波导扇形端进行等间距分隔开口的设 计方法，实现等功率、等相位的多路大功率信号功率合成或分配的功能，与传统采用径向 波导进行功率合成/分配相比，本发明的具有以下优势：
10.1、结构简单，该方法不需要在矩形波导、同轴探针和径向圆波导之间的转换装置；
11.2、功率容量大，该方法矩形波导和扇面之间过渡平缓，不会出现因为过渡结构引起 的打火击穿现象；
12.3、插入损耗低，该方法因为不需要过渡转换装置，所以端口反射小，另外，由于其 内部不像径向波导需要填充介质，所以整体插入损耗更低；
13.4、合成/分配路数灵活，现有的径向波导为了满足端口隔离度，在输入/输出端口之间 需要一定的间距，另外，其输入/输出端口使用的矩形波导根据所选频段尺寸相对固定，现 有技术中如果要增加合成/分配路数，就必须使用较大尺寸的径向圆波导；而本发明的e面 扇形波导只需要增大扇面，在内部隔离更多的隔腔即可获得更多的合成/分配路数，而不会 显著增加尺寸。
14.5、成本低，由于内部不需要填充介质，所以除了其结构简单带来设计和加工成本降 低外，也不会有填充材料成本。
附图说明
15.图1是本发明实施例提供的e面扇形波导对应坐标系统；
16.图2是本发明实施例提供的扇形波导等分示意图；
17.图3是本发明实施例提供的16路e面扇形波导功率合成/分配器；
18.其中，(a)为整体侧视图，(b)为内部结构图；
19.图4是本发明实施例提供的功率容量仿真结果；
20.图5是本发明实施例提供的典型径向功率分配/合成示意图。
具体实施方式
21.为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐 释。
22.本发明提供一种用在大功率多路等功率等相位输入信号功率合成/分配的方法，通过采 用在e面扇形波导扇形端进行等间距分隔开口的设计方法，实现等功率、等相位的多路大 功率信号功率合成或分配的功能。
23.e面扇形波导功率合成器其实是径向功率合成的一种特殊形式，建立对应的侧视图坐 标系统如图1所示。图1中，xyz坐标系为以张成扇面的圆的圆心为原点的坐标系，x
′
、y
′
、 z
′
为以扇面终端中点为坐标原点的坐标系，b为扇形波导左侧输入端口矩形波导的窄边尺寸， a为矩形波导宽边尺寸，ρe为该弧形扇面圆心、终端和张角组成的外接等腰三角形腰长，b1为该三角形的底边长；ψe为扇面张角/2；δ为任意张角在扇面上对应终端和外接三角形的 间距；ψ为任意张角，ρ1为扇面对应半径。
24.信号在扇形波导中沿扇形半径方向传播，当e面扇形波导作为功率合成器时，其圆心 所在的一端作为输入端，扇面所在的一端作为输出端。即图1中左边的矩形波导具体与扇 形波导圆心所在的一端连接。
25.由于功率合成器和功率分配器为互易器件，为了便于分析，将该e面扇形波导看成等 功率分配功分器。如果该波导的输入场为主模te
10
模式，输入端为左侧矩形波导，扇形波 导端为功率输出端口。根据e面扇形波导功分器的原理，由于该e面扇形波导功分器的长 度相对功分器终端孔径较大，则其孔径处最低阶模式场可用公式表示为：
26.e
′z＝e
′
x
＝h
′y＝0
ꢀꢀ
(1)
[0027][0028]
其中，e
′z表示扇面终端z方向的电场强度，e
′
x
表示扇面终端x方向的电场强度，h
′y为 磁场平行于传输y方向的分量，e1为左侧波导输入场强，a是矩形波导对应的长边尺寸，k 是静电常数，ρ1是坐标原点到终端的距离。由(2)可以看出，扇形波导中的电场分布与y 轴无关，且在y轴方向上均匀分布。利用这一特点可以把扇形波导口面场按照尺寸进行n等 分，就可以等同于把输出功率n等分。等分示意如图2所示。
[0029]
那么该e形扇面波导等功率分配功分器的实际思想就是将扇形波导分为n个等面积的 区域，每个区域的宽度为a，高度为hn，那么在每个区域内的功率可以由下式获得
[0030][0031]
由(3)可以得出，各区域内的功率只与a，hn有关。对于e面波导功分器端口来说所有 的端口a都相同，那么仅当高度hn相等时，理论上，每个区域获得的功率相等。因此只要用 金属隔腔把扇形波导端口面按照相同高度进行等分，就能从各个端口得到相等的功率，这 是e面扇形波导等功分器的基本原理。如果将该e面扇形波导的输入和输出端口互易，就可 得到等功率合成器。
[0032]
以16路功率合成/分配为例说明本发明的效果。本发明基于e面扇形波导进行设计，得 到的16路e面扇形波导功率合成/分配器如图3所示。其各路带内插入损耗≤0.5db，相位平 衡度≤3度。
[0033]
如图3中(b)所示，如果要增加合成/分配路数，只需要增加扇面张角，同时，隔离出 更多的内部隔腔即可实现。本发明的扇形波导直接作为功分器件主体。
[0034]
图4为该合成/分配器的功率容量仿真结果。仿真中修改输入信号的输入功率，查看最 终波导内电场分布，电场以≤3mv/m(空气击穿场强阈值)为条件，获得该波导的最大输 入峰值功率容量，可以获得该e面扇形波导的最大功率容量。图4中的field表示电场强 度分布。
[0035]
图4所示为输入端口输入功率为280kw时，该功率合成/分配器内部的电场分布结果。 可以看出此时最大电场强度仍小于空气击穿阈值，即该功率合成器理论上可承受最大峰值 功率≥280kw，满足大功率使用需要。
[0036]
如图5所示为现有的典型径向功率分配/合成示意图，显然为了满足端口隔离度，在圆 波导输入和矩形波导输出端口之间需要一定的间距；并且如果要增加分配/合成路数，需要 增加矩形波导数量，如果频率固定，矩形波导尺寸是固定的，那么要增加矩形波导数量只 有显著增加圆形排列的矩形波导排列圆的半径，即增加圆形波导的纵向尺寸(半径r)。 而扇形波导不会增加扇形波导纵向尺寸(半径ρ1)只会增大扇面，即增大扇形角度。
[0037]
本领域技术人员应知，本发明中所提到的径向是指沿e面扇形波导半径方向，这一
方 向可以是圆心指向扇面端面的方向，也可以是扇面端面指向圆心的方向。
[0038]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的 原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的 技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任 何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。