[发明专利]一种Klopfenstein阻抗过渡扩展同轴功率分配/合成器

说明书

本发明公开了一种Klopfenstein阻抗过渡扩展同轴功率分配/合成器，属于微波技术领域。该结构包括：50欧姆标准同轴波导、同轴波导到扩展同轴波导过渡结构、扩展同轴波导段、λ/4长阻抗匹配段和沿径向呈辐射状分布的50欧姆标准同轴波导阵列。本发明基于Klopfenstein阻抗变化的同轴波导到扩展同轴波导过渡结构，实现同轴波导到扩展同轴波导的最佳匹配，大大提高整个功率分配合成器的工作带宽；并且该结构具有很低的插入损耗、良好的散热性能、紧凑的结构，输入输出均采用50欧姆标准同轴波导接口，便于微波毫米波系统应用。

技术领域

本发明属于微波领域，具体涉及一种扩展同轴功率分配/合成器。

背景技术

微波固态功率放大器在军事、商业通信系统中有着广泛应用。随着微波毫米波技术的发展，通信系统对固态放大器的输出功率、带宽和工作效率都提出了更高的要求，单片微波固态芯片的输出功率已经难以满足微波毫米波通信系统需求。通常的解决方案是利用微波毫米波功率合成技术，将多个固态模块的输出功率进行合成，以满足大功率输出的应用要求。

传统平面电路功率分配合成技术通常采用微带线，具有功率容量小、损耗大和散热较困难等不足。且随着分配、合成路数的增加，结构会变得复杂。金属波导功率合成技术采用封闭的腔体结构，具有功率合成效率高、损耗小、功率容量大和易于散热等特点，被广泛应用于高功率合成中。但基于标准矩形波导和圆波导的功率合成结构，工作带宽受限于波导尺寸，因此在微波频率低端，上述结构的工作带宽较窄。而扩展同轴功率分配合成结构，其工作模式为TEM模，可以实现宽的工作频带，解决了金属波导带宽在微波频率低端受限的问题。而且随着功率分配合成路数的增加，可以增加扩展同轴线的半径，适合多路大功率合成应用。专利一种扩展同轴功率分配合成器及功率分配、合成方法(专利号CN103354301A，发明人宁月明、姜万顺等)采用了多级阶梯式的过渡结构，实现输出同轴波导到多路输出同轴波导阻抗过渡，在输出同轴探针阵列之间加入氮化铝电阻薄膜，增加了各输出端口的隔离度，有效地抑制了扩展同轴中的高次模式。但该结构功率分配合成器工作频带越宽，要求多级阶梯式过渡结构的阶数越多，使得功率分配合成器的过渡结构较长，增加了功率分配合成器的体积。文章“A General Impedance Tapered Transition for N-Way Conical and Coaxial Combiners”IEEE Trans.Microw.Theory Techn.,vol.64,no.12,pp.4482–4490,Dec.2016。作者R.D.Beyers and D.I.L.de Villiers提出了一种设计光滑阻抗渐变结构的方案，大大增加了功分分配合成器的工作带宽。但是这种同轴波导到锥形波导再到同轴波导的过渡结构增加了设计的复杂度，特别是在要求整体结构具有较小的反射时，需要做很多段的圆弧线设计。

发明内容

为了解决上述几种技术方案的不足，降低功率分配合成器的体积和设计复杂度，提高功率分配/合成器工作带宽、效率和功率容量。本发明提出了一种Klopfenstein阻抗过渡扩展同轴功率分配/合成器。

本发明采用如下技术方案：

一种Klopfenstein阻抗过渡扩展同轴功率分配/合成器，包括：50欧姆标准同轴波导、同轴波导到扩展同轴波导过渡结构、扩展同轴波导段、λ/4长阻抗匹配段和沿径向呈辐射状分布的50欧姆标准同轴波导阵列。

所述50欧姆标准同轴波导一端与过渡结构连接，另一端与标准SMA接头连接。50欧姆标准同轴波导内外导体半径满足TEM波单模传输条件即：λ＞3.456(a+b)，其中λ为波导工作波长，a、b分别为同轴波导内外导体半径。为了满足大功率输出的要求，通常内外导体半径在满足单模传输的条件下取值尽量大。

所述同轴波导到扩展同轴波导过渡结构另一端与扩展同轴波导段连接。其阻抗变化满足Klopfenstein渐变特性阻抗关系，以实现同轴波导到扩展同轴波导的宽带匹配，Klopfenstein特性阻抗变化的自然对数为：