微波功率分配器、合成器以及分配合成器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種微波功率分配器、微波功率合成器和微波功率分配合成器，上述微波功率分配器包括：第一圓波導，接收微波并將微波傳輸至第三圓波導；第二圓波導，與第三圓波導相連，并維持短路狀態；第三圓波導，與第一矩波導、第二矩波導和第三矩波導相連，將接收到的微波轉換為功率相等、相位相同的兩束微波，分別傳輸至第一矩波導和第二矩波導；其中，第一圓波導、第二圓波導和第三圓波導為TM01模式圓波導，且共軸線，第一矩波導、第二矩波導和第三矩波導為TE10模式矩波導，且夾角均為120°，第三矩波導維持短路狀態。通過本發明的技術方案，能夠提高波導微波合成過程中的功率容量，并保證較高的隔離度，以及降低反射系數，提高微波合成的效果。
【專利說明】微波功率分配器、合成器以及分配合成器

【技術領域】
[0001]本發明涉及微波處理【技術領域】，具體而言，涉及一種微波功率分配器、微波功率合成器以及一種微波功率分配合成器。

【背景技術】
[0002]高功率微波(HPM) —般是指頻率在300MHz到300GHz，脈沖功率超過100MW或平均功率在IMW的電磁福射。HPM系統是該相干電磁福射產生、傳輸以及發射系統。主要應用包括:(1)通過電子回旋共振機制對受控熱核等離子體加熱；(2)用于高功率短脈沖雷達，實現較寬頻帶下精確分辨被探測和跟蹤的目標；(3)為地球和太空之間傳輸能量；為宇宙飛船發射到太空軌道或者軌道之間變換提供能量；(4)用于高能粒子射頻加速器，進行高能物理、核物理科學研究；(5)用于HPM定向能武器。高功率容量的微波具有高的電磁場能量密度，高幅度的電磁場容易在傳輸和發射系統發生微波擊穿，更具體地講，是微波觸發的等離子體雪崩。
[0003]考慮到擊穿限制和微波源的成本，微波源的輸出功率總是有限的。高功率容量的微波合成器實現不同微波源輸出功率的合成，提高了傳輸和發射功率，而并不增加微波源的壓力。同時，多路微波共用一部天線輻射，能減少天線數量。
[0004]近些年來國際上公開發表的高功率容量的微波合成器中，典型的有耦合兩個正交極化的TEll模式到同一波導中的合成器，通過過模矩形波導耦合兩個比較靠近頻率的高功率拍波合成器，以及基于過模圓波導濾波器結構的合成器，但是上述幾種合成器均存在共同缺點，即體積龐大而功率容量卻有限，不同端口之間的隔離度難以得到保障，反射系數又較高，對微波合成造成諸多不良影響。


【發明內容】

[0005]本發明所要解決的技術問題是，提高波導微波合成過程中的功率容量，并保證較高的隔離度，以及降低反射系數，提高微波合成的效果。
[0006]為此目的，本發明提出了一種微波功率分配器，包括:第一圓波導，與第三圓波導相連，用于接收微波，并將所述微波傳輸至所述第三圓波導；第二圓波導，與所述第三圓波導相連，并維持短路狀態；所述第三圓波導，與第一矩波導、第二矩波導和第三矩波導分別相連，用于將接收到的微波轉換為功率相等、相位相同的兩束微波，分別傳輸至所述第一矩波導和所述第二矩波導；其中，所述第一圓波導、第二圓波導和第三圓波導為TMOl模式圓波導，所述第一圓波導、第二圓波導和第三圓波導共軸線，所述第一矩波導、第二矩波導和第三矩波導為TElO模式矩波導，所述第一矩波導、第二矩波導和第三矩波導之間夾角均為120°，且所述第三矩波導維持短路狀態。
[0007]優選地，所述第一圓波導的半徑為15mm,高度大于30mm。
[0008]優選地，所述第二圓波導的半徑為20mm,高度為10mm。
[0009]優選地，所述第三圓波導與所述第一矩波導、第二矩波導和第三矩波導的高度相同，且半徑為26mm。
[0010]優選地，所述第一矩波導、第二矩波導和第三矩波導的長度為31.3mm，寬度為15.5mm，所述第三矩波導的短路面距離所述第三圓波導的軸線28mm。
[0011]優選地，所述第一圓波導與所述第三圓波導之間的倒角半徑為8mm，所述第二圓波導與所述第三圓波導之間的倒角半徑為5mm，所述第一矩波導、第二矩波導和第三矩波導與所述第三圓波導之間的倒角半徑均為2mm。
[0012]本發明還提出了一種微波功率合成器，包括:第四圓波導，與第六圓波導相連，用于輸出來自所述第六圓波導的微波；第五圓波導，與所述第六圓波導相連，并維持短路狀態；所述第六圓波導，與第五矩波導、第六矩波導、第七矩波導和第八矩波導分別相連，用于接收來自第五矩波導、第六矩波導、第七矩波導和第八矩波導的四束功率相等、相位相同的TElO模式微波，所述四束TElO模式微波激勵得到幅值相等、相位相反的四束TEll模式微波，所述四束TEll模式微波相消，并激勵得到幅值相等、相位相同的兩束TMOl模式微波，所述兩束TMOl模式微波相疊加，得到一束TMOl模式微波，將疊加得到TMOl模式微波發送至所述第四圓波導；其中，所述第四圓波導、第五圓波導和第六圓波導為TMOl模式圓波導，所述第四圓波導、第五圓波導和第六圓波導共軸線，且第五矩波導、第六矩波導、第七矩波導和第八矩波導為TElO模式矩波導，所述第五矩波導、第六矩波導、第七矩波導和第八圓波導之間夾角均為90°。
[0013]優選地，所述第四圓波導的半徑為16.2mm,高度大于30mm。
[0014]優選地,所述第五圓波導的半徑為23mm,高度為13mm。
[0015]優選地，所述第六圓波導與所述第五矩波導、第六矩波導、第七矩波導和第八矩波導的高度相同，且半徑為28mm。
[0016]優選地，所述第五矩波導、第六矩波導、第七矩波導和第八矩波導的長度為31.3mm,寬度為 15.5mm。
[0017]優選地，所述第四圓波導與所述第六圓波導之間的倒角半徑為6mm，所述第五圓波導與所述第六圓波導之間的倒角半徑為3mm，所述第五矩波導、第六矩波導、第七矩波導和第八矩波導與所述第六圓波導之間的倒角半徑均為2mm。
[0018]本發明還提出了一種微波功率分配合成器，包括上述任一項所述的微波功率分配器，以及上述任一項所述的微波功率合成器，其中，所述兩個微波功率分配器的第一矩波導和第二矩波導分別與所述第五矩波導、第六矩波導、第七矩波導和第八矩波導相連，用于將接收到的微波分別傳輸至所述第五矩波導、第六矩波導、第七矩波導和第八矩波導，并經過所述第六圓波導合成，通過所述第四矩波導輸出合成后的微波。
[0019]通過上述技術方案，能夠在微波合成過程中，保證不同微波的輸入端口之間具有較高的隔離度，同時具有較低的反射系數，并使得微波合成過程中具有較高的功率容量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]通過參考附圖會更加清楚的理解本發明的特征和優點，附圖是示意性的而不應理解為對本發明進行任何限制，在附圖中:
[0021]圖1示出了根據本發明一個實施例的微波功率分配器的結構示意圖；
[0022]圖2示出了如圖1所示的微波功率分配器內的場強幅度分布示意圖；
[0023]圖3示出了如圖1所示的微波功率分配器的S參數分布示意圖；
[0024]圖4示出了根據本發明一個實施例的微波功率合成器的結構示意圖；
[0025]圖5示出了如圖4所示的微波功率合成器內的場強幅度分布示意圖；
[0026]圖6示出了根據本發明一個實施例的微波功率分配合成器的結構示意圖。
[0027]附圖標號說明:
[0028]1-第一圓波導；2_第二圓波導；3_第三圓波導；4_第一矩波導；5_第二矩波導；6-第三矩波導；7_第四圓波導；8_第五圓波導；9_第六圓波導；10_第五矩波導；11_第六矩波導；12-第七矩波導；13-第八矩波導。

【具體實施方式】
[0029]了能夠更清楚地理解本發明的上述目的、特征和優點，下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行進一步的詳細描述。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請的實施例及實施例中的特征可以相互組合。
[0030]在下面的描述中闡述了很多具體細節以便于充分理解本發明，但是，本發明還可以采用其他不同于在此描述的其他方式來實施，因此，本發明的保護范圍并不受下面公開的具體實施例的限制。
[0031]圖1示出了根據本發明一個實施例的微波功率分配器的結構示意圖。
[0032]如圖1所示，根據本發明一個實施例的微波功率分配器包括:第一圓波導1，與第三圓波導3相連，用于接收微波，并將微波傳輸至第三圓波導3 ;第二圓波導2，與第三圓3波導相連，并維持短路狀態；第三圓波導3，與第一矩波導4、第二矩波導5和第三矩波導6分別相連，用于將接收到的微波轉換為功率相等、相位相同的兩束微波，分別傳輸至第一矩波導4和第二矩波導5 ;其中，第一圓波導1、第二圓波導2和第三圓波導3為TMOl模式圓波導，第一圓波導1、第二圓波導2和第三圓波導3共軸線，第一矩波導4、第二矩波導5和第三矩波導6為TElO模式矩波導，第一矩波導4、第二矩波導5和第三矩波導6之間夾角均為120°，且第三矩波導6維持短路狀態。
[0033]第一圓波導I輸入TMOl模式的微波，第三圓波導3將微波轉換為功率相等、相位相同的兩束微波，并分別分配至TElO模式的第一矩波導4和第二矩波導5中，由于第一矩波導4和第二矩波導5之間夾角為120°，使得一個矩波導的反射TElO模和另一個矩波導的透射TElO模等幅反相相消，從而使得第一矩波導4和第二矩波導5之間等效隔離且沒有反射。
[0034]通過設置第二圓波導2短路，起到了類徑向線的過渡作用，結合第三矩波導6短路，使得在電場增幅較小的情況下實現微波模式的轉換以及S參數的匹配，使得將TMOl模式的微波轉換為TElO模式的轉換效率達到99.3%以上。在X波段中心頻率9.3GHz情況下，若輸入功率為IW的微波，結構最大場強為2240V/m,真空下金屬結構擊穿場強lMV/cm,那么該微波功率分配器可以具有2GW的功率容量，實現功率容量的極大提高。
[0035]優選地,第一圓波導I的半徑為15mm,高度大于30mm。
[0036]優選地，第二圓波導2的半徑為20mm，高度為10mm。
[0037]優選地，第三圓波導3與第一矩波導4、第二矩波導5和第三矩波導6的高度相同，且半徑為26mm。
[0038]優選地,第一矩波導4、第二矩波導5和第三矩波導6的長度為31.3mm,寬度為
15.5mm,第三矩波導6的短路面距離第三圓波導3的軸線28mm。
[0039]優選地,第一圓波導I與第三圓波導3之間的倒角半徑為8mm,第二圓波導2與第三圓波3導之間的倒角半徑為5mm，第一矩波導4、第二矩波導5和第三矩波導6與第三圓波導3之間的倒角半徑均為2mm。
[0040]通過設置波導之間的倒角，不同波導之間的半徑和連接關系，以及矩波導短路面距離圓波導軸線距離，可以降低顯著地降低場強(即圓波導之間的倒角和矩波導與圓波導之間的倒角)，可以有效地降低輸入端口的反射系數，在X波段中心頻率9.3GHz情況下，輸入端口的反射系數小于_20dB，結構內具體的場強幅度分布如圖2所示。
[0041 ] 具體的S參數分布如圖3所示:
[0042]其中，dB(S(l:3,1:1)) = -24.5758dB, dB(S(l:3, 1:2)) = -33.4591dB,dB(S(l:3, 1:3)) = -23.2486dB, dB(S(l:3, 1:4)) = -39.8735dB, dB(S(l:3, 1:5))=-42.4312dB, dB (S (1:3, 2:1)) = -3.0456dB, dB (S (1:3, 3:1)) =-3.0506dB。具體的，dB (S (1: 3，2:1))和 dB (S (1: 3，3:1))兩條曲線重合，dB (S (1: 3，2:1)) = -3.0456dB =49.6%代表向第一圓波導I注入TMOl模式微波中，有49.6%的能量轉化成了第一矩形波導4 中的 TElO 模式，dB(S(l:3, 3:1)) = -3.0506dB = 49.54%代表向第一圓波導 I 注入 TMOl模式微波中，有49.54%的能量轉化成了第二矩形波導5中的能量。可見，第一圓波導I中的能量有49.6%+49.54% = 99.14%的能量轉化為兩個矩波導中的TElO模式，且兩個輸出矩波導的輸出的能量基本相等，保證了功率分配器的有效性。
[0043]圖4示出了根據本發明一個實施例的微波功率合成器的結構示意圖。
[0044]如圖4所示，根據本發明一個實施例的微波功率合成器，包括:第四圓波導7，與第六圓波導9相連，用于輸出來自第六圓波導9的微波；第五圓波導8，與第六圓波導9相連，并維持短路狀態；第六圓波導9，與第五矩波導10、第六矩波導11、第七矩波導12和第八矩波導13分別相連，用于接收來自第五矩波導10、第六矩波導11、第七矩波導12和第八矩波導13的四束功率相等、相位相同的TElO模式微波，四束TElO模式微波激勵得到幅值相等、相位相反的四束TEll模式微波，四束TEll模式微波相消，并激勵得到幅值相等、相位相同的兩束TMOl模式微波，兩束TMOl模式微波相疊加，得到一束TMOl模式微波，將疊加得到TMOl模式微波發送至第四圓波導7 ;其中，第四圓波導7、第五圓波導8和第六圓波導9為TMOl模式圓波導，第四圓波導7、第五圓波導8和第六圓波導9共軸線，且第五矩波導10、第六矩波導11、第七矩波導12和第八矩波導13為TElO模式矩波導，第五矩波導10、第六矩波導U、第七矩波導12和第八圓波導13之間夾角均為90°。
[0045]當四路TElO模式的矩波導同時輸入功率相同，相位相同的TElO模式微波時，在第六圓波導9中能夠激勵等幅、反相的TEll模式微波，而等幅、反相的TEll模式微波會相互抵消，進一步激勵等幅、同相的TMOl模式微波，等幅、同相的TMOl模式微波相疊加，最終輸出疊加后的TMOl模式微波。
[0046]優選地，第四圓波導7的半徑為16.2mm,高度大于30mm。
[0047]優選地,第五圓波導8的半徑為23mm,高度為13mm。
[0048]優選地，第六圓波導9與第五矩波導10、第六矩波導11、第七矩波導12和第八矩波導13的高度相同，且半徑為28mm。
[0049]優選地，第五矩波導10、第六矩波導11、第七矩波導12和第八矩波導13的長度為31.3mm,寬度為 15.5mm。
[0050]優選地,第四圓波導7與第六圓波導9之間的倒角半徑為6mm,第五圓波導8與第六圓波導9之間的倒角半徑為3mm，第五矩波導10、第六矩波導U、第七矩波導12和第八矩波導13與第六圓波導9之間的倒角半徑均為2mm。
[0051]通過設置波導之間的倒角，不同波導之間的半徑和連接關系，以及矩波導短路面距離圓波導軸線距離，可以降低顯著地降低場強(比如第四圓波導7與第六圓波導9之間倒角半徑為6mm的大倒角)，可以有效地降低輸入端口的反射系數，在X波段中心頻率
9.3GHz情況下，輸入端口的反射系數小于_20dB，隔離度大于20dB，結構內具體的場強幅度分布如圖5所示。
[0052]圖6示出了根據本發明一個實施例的微波功率分配合成器的結構示意圖。
[0053]如圖4所示，根據本發明一個實施例的微波功率分配合成器包括兩個上述的微波功率分配器和一個上述微波功率合成器，其中，所述兩個微波功率分配器的第一矩波導4和第二矩波導5分別與所述第五矩波導10、第六矩波導11、第七矩波導12和第八矩波導13相連，用于將接收到的微波分別傳輸至所述第五矩波導10、第六矩波導11、第七矩波導12和第八矩波導13，并經過所述第六圓波導9合成，通過所述第四矩波導7輸出合成后的微波。
[0054]兩個分配器可以分別將TMOl模式的微波轉換為TEOl模式微波，并輸入到合成器中，合成器則可以講四束TEOl模式的微波通過激勵、相消和疊加，合稱為TMOl模式微波并輸出，從而微波功率分配合成器實現了 TMOl模式微波的疊加輸出，并且保證了輸入端口之間僅具有很低的反射系數，且電場強度較小，功率容量較高。
[0055]在本發明中，術語“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”、“第七”、“第八”
僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。術語“多個”指兩個或兩個以上，除非另有明確的限定。
[0056]以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種微波功率分配器，其特征在于，包括: 第一圓波導，與第三圓波導相連，用于接收微波，并將所述微波傳輸至所述第三圓波導； 第二圓波導，與所述第三圓波導相連，并維持短路狀態； 所述第三圓波導，與第一矩波導、第二矩波導和第三矩波導分別相連，用于將接收到的微波轉換為功率相等、相位相同的兩束微波，分別傳輸至所述第一矩波導和所述第二矩波導； 其中，所述第一圓波導、第二圓波導和第三圓波導為TMOl模式圓波導，所述第一圓波導、第二圓波導和第三圓波導共軸線，所述第一矩波導、第二矩波導和第三矩波導為TElO模式矩波導，所述第一矩波導、第二矩波導和第三矩波導之間夾角均為120°，且所述第三矩波導維持短路狀態。
2.根據權利要求1所述微波功率分配器，其特征在于，所述第一圓波導的半徑為15_，高度大于為30mm。
3.根據權利要求1所述微波功率分配器，其特征在于，所述第二圓波導的半徑為20_，高度為10_。
4.根據權利要求1所述微波功率分配器，其特征在于，所述第三圓波導與所述第一矩波導、第二矩波導和第三矩波導的高度相同，且半徑為26mm。
5.根據權利要求1所述微波功率分配器，其特征在于，所述第一矩波導、第二矩波導和第三矩波導的長度為31.3mm,寬度為15.5mm，所述第三矩波導的短路面距離所述第三圓波導的軸線28mm。
6.根據權利要求1所述微波功率分配器，其特征在于，所述第一圓波導與所述第三圓波導之間的倒角半徑為8mm，所述第二圓波導與所述第三圓波導之間的倒角半徑為5mm，所述第一矩波導、第二矩波導和第三矩波導與所述第三圓波導之間的倒角半徑均為2mm。
7.一種微波功率合成器，其特征在于，包括: 第四圓波導，與第六圓波導相連，用于輸出來自所述第六圓波導的微波； 第五圓波導，與所述第六圓波導相連，并維持短路狀態； 所述第六圓波導，與第五矩波導、第六矩波導、第七矩波導和第八矩波導分別相連，用于接收來自第五矩波導、第六矩波導、第七矩波導和第八矩波導的四束功率相等、相位相同的TElO模式微波，所述四束TElO模式微波激勵得到幅值相等、相位相反的四束TEll模式微波，所述四束TEll模式微波相消，并激勵得到幅值相等、相位相同的兩束TMOl模式微波，所述兩束TMOl模式微波相疊加，得到一束TMOl模式微波，將疊加得到TMOl模式微波發送至所述第四圓波導； 其中，所述第四圓波導、第五圓波導和第六圓波導為TMOl模式圓波導，所述第四圓波導、第五圓波導和第六圓波導共軸線，且第五矩波導、第六矩波導、第七矩波導和第八矩波導為TElO模式矩波導，所述第五矩波導、第六矩波導、第七矩波導和第八圓波導之間夾角均為90。。
8.根據權利要求7所述微波功率合成器，其特征在于，所述第四圓波導的半徑為16.2mm,高度大于30mm。
9.根據權利要求7所述微波功率合成器，其特征在于，所述第五圓波導的半徑為23_，高度為13mm。
10.根據權利要求7所述微波功率合成器，其特征在于，所述第六圓波導與所述第五矩波導、第六矩波導、第七矩波導和第八矩波導的高度相同，且半徑為28mm。
11.根據權利要求7所述微波功率合成器，其特征在于，所述第五矩波導、第六矩波導、第七矩波導和第八矩波導的長度為31.3mm,寬度為15.5_。
12.根據權利要求7所述微波功率合成器，其特征在于，所述第四圓波導與所述第六圓波導之間的倒角半徑為6mm，所述第五圓波導與所述第六圓波導之間的倒角半徑為3mm，所述第五矩波導、第六矩波導、第七矩波導和第八矩波導與所述第六圓波導之間的倒角半徑均為2mm。
13.—種微波功率分配合成器，其特征在于，包括兩個如權利要求1至7中任一項所述的微波功率分配器，以及一個如權利要求8至12中任一項所述的微波功率合成器，其中，所述兩個微波功率分配器的第一矩波導和第二矩波導分別與所述第五矩波導、第六矩波導、第七矩波導和第八矩波導相連，用于將接收到的微波分別傳輸至所述第五矩波導、第六矩波導、第七矩波導和第八矩波導，并經過所述第六圓波導合成，通過所述第四矩波導輸出合成后的微波。
【文檔編號】H01P5/16GK104167585SQ201410369985
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月30日 優先權日:2014年7月30日
【發明者】常超, 郭樂田, 孫鈞, 肖仁珍, 武曉龍 申請人:西北核技術研究所