全圆波导高功率容量四路功率合成器及四路功率合成方法

摘要

本发明属于高功率微波技术领域，具体涉及一种全圆波导高功率容量四路功率合成器及四路功率合成方法。该功率合成器包括TE

说明书

技术领域

本发明属于高功率微波技术领域，具体涉及一种全圆波导高功率容量四路功率合成器及四路功率合成方法。

背景技术

高功率微波在国防和民用上具有广阔的应用前景，世界各国正在争相大力发展高功率微波技术。提高输出微波功率是高功率微波技术的一个重要发展方向。受物理结构和材料限制，单个高功率微波器件产生的微波功率有限。利用合成器进行通道合成是提高输出微波功率的一个有效途径。

2016年Letian Guo等人提出了一种四路功率合成器(Compact high-powermicrowave divider and combiner[J],Letian Guo,Chao Chang,Wenhua Huang,YanshengLiu,Yibing Cao,Chunliang Liu,and Jun Sun,Review of Scientific Instruments,vol.87,024702,2016)。如图1所示，该四路功率合成器可以将由位于图中下方的四个矩形端口1输入的四路矩形TE₁₀模合成为位于上方的圆形端口2的一路圆波导TM₀₁模。该合成器存在以下问题：一、由于采用了矩形波导，该合成器功率容量为5.2GW，而现在单个高功率微波器件产生的功率就达到了4-5GW的水平，因此该合成器难以满足当前的应用需求；二、高功率微波器件通常的产生模式为圆波导TM₀₁模，传输到辐射系统的模式通常为圆波导TE₁₁模，而该合成器输入模式为矩形TE₁₀模，输出模式为圆波导TM₀₁模，因此应用该合成器还需要另外加入将圆波导TM₀₁模转换为矩形波导TE₁₀模、以及将圆波导TM₀₁模转换为圆波导TE₁₁模的模式变换器，增加了系统复杂性，降低了系统效率。

发明内容

本发明目的是提供了一种全圆波导高功率容量四路功率合成器及四路功率合成方法，解决了现有的功率合成器功率容量低、系统复杂的技术问题。

本发明的技术解决方案是：一种全圆波导高功率容量四路功率合成器，其特殊之处在于：包括TE₁₁-TE₁₁模合成器和两个TE₁₁模合成分支，所述TE₁₁-TE₁₁模合成器包括两个半径为R₃的输入端口S3和一个半径为R₄的输出端口S4，两个输入端口S3通过融合波导与输出端口S4相连，输出端口S4的半径R₄大于输入端口S3的半径R₃；所述TE₁₁模合成分支用于将两路TM₀₁模合成为一路TE₁₁模并传输至TE₁₁-TE₁₁模合成器，两个TE₁₁模合成分支分别与TE₁₁-TE₁₁模合成器的两个输入端口S3相连。

进一步地，上述TE₁₁模合成分支包括TM₀₁-TE₁₁模合成器和渐变波导；

所述TM₀₁-TE₁₁模合成器包括两个半径为R₁的输入端口S1、两个第一过渡波导、两个第二过渡波导和一个半径为R₁的输出端口S2，每个输入端口S1均通过依次连接的第一过渡波导和第二过渡波导与输出端口S2相连；第一过渡波导和第二过渡波导均是半径为R₁的弯曲波导，第一过渡波导和第二过渡波导的弯曲方向相反；两个第二过渡波导在与输出端口S2的连接处平滑过渡并融合；

所述渐变波导的半径由输入端的R₁渐变至输出端的R₃，R₃大于R₁；渐变波导的输入端与TE₁₁模合成分支的输出端口S2相连，渐变波导的输出端与TE₁₁-TE₁₁模合成器的输入端口S3相连。

进一步地，上述渐变波导包括沿微波传输方向依次设置的第一渐变波导、转向波导和第二渐变波导；所述第一渐变波导的半径由输入端的R₁渐变至输出端的R₂，R₂大于R₁；所述转向波导的微波输入方向垂直于微波输出方向，转向波导的半径为R₂；所述第二渐变波导的半径由输入端的R₂渐变至输出端的R₃，R₃大于R₂。

进一步地，上述第一过渡波导的曲率半径C₁、第二过渡波导的曲率半径C₂以及转向波导的曲率半径C₃均大于微波波长λ的10倍。

进一步地，上述第一过渡波导的弯曲角度θ₁和第二过渡波导的弯曲角度θ₂满足关系25°﹤θ₁＝θ₂﹤45°。

进一步地，上述第一渐变波导与第二渐变波导的长度相同。

本发明还提供一种基于以上任一所述的全圆波导高功率容量四路功率合成器的四路功率合成方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)一个TE₁₁模合成分支将两路TM₀₁模合成为一路TE₁₁模并传输至TE₁₁-TE₁₁模合成器的一个输入端口S3，另一个TE₁₁模合成分支将另外两路TM₀₁模合成为一路TE₁₁模并传输至TE₁₁-TE₁₁模合成器的另一个输入端口S3；

2)两路TE₁₁模由两个输入端口S3进入TE₁₁-TE₁₁模合成器后合成为一路TE₁₁模并由TE₁₁-TE₁₁模合成器的输出端口S4进行输出。

进一步地，步骤1)包括以下步骤：

1.1)将两路TM₀₁模分别输入至一个TM₀₁-TE₁₁模合成器的两个输入端口S1内，将另外两路TM₀₁模分别输入至另一个TM₀₁-TE₁₁模合成器的两个输入端口S1内；

1.2)TM₀₁-TE₁₁模合成器将两路TM₀₁模合成为一路TE₁₁模，并通过输出端口S2输出；

1.3)由输出端口S2输出的TE₁₁模经过渐变波导传输至TE₁₁-TE₁₁模合成器的一个输入端口S3。

进一步地，步骤1.3包括以下步骤：

1.3.1)由输出端口S2输出的TE₁₁模经过第一渐变波导传输至转向波导；

1.3.2)转向波导将TE₁₁模方向旋转90°；

1.3.3)方向旋转后的TE₁₁模经过第二渐变波导传输至TE₁₁-TE₁₁模合成器的一个输入端口S3。

进一步地，步骤1)中用于合成一路TE₁₁模的两路TM₀₁模是两路幅度相同、相位相差180°的TM₀₁模；步骤2)中由两个输入端口S3输入的两路TE₁₁模是幅度和相位均相同的两路TE₁₁模。

本发明的有益效果在于：本发明采用全圆波导结构，并且整体的圆波导半径由输入端向输出端逐渐增大，具有非常高的功率容量。而且本发明输入模式为圆波导TM₀₁模式，合成输出模式为圆波导TE₁₁模式，可直接用于连接高功率微波器件和辐射系统，系统结构简单，合成效率高。

附图说明

图1为现有技术中的四路功率合成器结构示意图。

图2为本发明全圆波导高功率容量四路功率合成器的较佳实施例结构示意图。

图3为本发明TM₀₁-TE₁₁模合成器结构示意图。

图4为本发明第一渐变波导结构示意图。

图5为本发明转向波导结构示意图。

图6为本发明第二渐变波导结构示意图。

图7为本发明融合波导结构示意图。

图8为本发明模拟场分布示意图。

图9为本发明四路功率合成器的合成效率示意图。

其中，附图标记如下：

1-矩形端口，2-圆形端口，3-TM₀₁-TE₁₁模合成器，4-第一渐变波导，5-转向波导，6-第二渐变波导，7-TE₁₁-TE₁₁模合成器，8-融合波导，9-第一过渡波导，10-第二过渡波导。

具体实施方式

本发明提供了一种全圆波导高功率容量四路功率合成器，如图2所示，其较佳实施例的结构包括TE₁₁-TE₁₁模合成器7和两个TE₁₁模合成分支。TE₁₁模合成分支由TM₀₁-TE₁₁模合成器3和渐变波导构成，渐变波导又包括沿微波传输方向依次设置的第一渐变波导4、转向波导5和第二渐变波导6。

如图3所示，TM₀₁-TE₁₁模合成器3包括两个半径为R₁的输入端口S1、两个第一过渡波导9、两个第二过渡波导10和一个半径为R₁的输出端口S2，每个输入端口S1均通过依次连接的第一过渡波导9和第二过渡波导10与输出端口S2相连；第一过渡波导9和第二过渡波导10均是半径为R₁的弯曲波导，第一过渡波导9和第二过渡波导10的弯曲方向相反；两个第二过渡波导10在与输出端口S2的连接处平滑过渡并融合。较为优选的，第一过渡波导9的曲率半径C₁和第二过渡波导10的曲率半径C₂均大于微波波长λ的10倍，第一过渡波导9的弯曲角度θ₁和第二过渡波导10的弯曲角度θ₂满足关系25°﹤θ₁＝θ₂﹤45°。TM₀₁-TE₁₁模合成器3可以实现将两路幅度相同、相位相差180°的TM₀₁模合成为一路TE₁₁模。

如图4至图6所示，第一渐变波导的半径由输入端的R₁渐变至输出端的R₂，R₂大于R₁，第一渐变波导的长度为L₁；转向波导的微波输入方向垂直于微波输出方向，转向波导的半径为R₂，转向波导的曲率半径C₃大于微波波长λ的10倍；第二渐变波导的半径由输入端的R₂渐变至输出端的R₃，R₃大于R₂，第二渐变波导的长度为L₂。随着渐变波导的半径由R₁逐渐增大至R₃，可以逐渐减小波导中的电场强度。转向波导将TE₁₁模方向旋转90°，有利于与另一分支的TE₁₁模在结构上尽量靠近，提高合成效率。

如图7所示，TE₁₁-TE₁₁模合成器包括两个半径为R₃的输入端口S3和一个半径为R₄的输出端口S4，两个输入端口S3通过融合波导8与输出端口S4相连，输出端口S4的半径R₄大于输入端口S3的半径R₃。TE₁₁-TE₁₁模合成器可以将由两个输入端口S3输入的幅度和相位均相等的两路TE₁₁模合成为一路TE₁₁模然后由输出端口S4进行输出。融合波导8的长度为L₃，其波导半径由R₃渐变至R₄，半径逐渐增大的波导结构有利于减小合成波导中的电场强度，提高合成器功率容量。

采用本实施例全圆波导高功率容量四路功率合成器进行四路功率合成的方法原理如下：

在一个TE₁₁模合成分支内，两路幅度相同、相位相差180°的TM₀₁模分别输入至TM₀₁-TE₁₁模合成器的两个输入端口S1内，TM₀₁-TE₁₁模合成器将两路TM₀₁模合成为一路TE₁₁模，并通过输出端口S2输出；由输出端口S2输出的TE₁₁模经过第一渐变波导传输至转向波导；转向波导将TE₁₁模方向旋转90°；方向旋转后的TE₁₁模经过第二渐变波导传输至TE₁₁-TE₁₁模合成器的一个输入端口S3。

由输入端口S3输入的来自两个TE₁₁模合成分支的TE₁₁模幅度相同、相位也相同，进入TE₁₁-TE₁₁模合成器后合成为一路TE₁₁模并由TE₁₁-TE₁₁模合成器的输出端口S4进行输出，完成高功率容量的四路功率合成。

为验证本实施例全圆波导高功率容量四路功率合成器的使用效果，对其各结构参数设置如下：R₁＝24.75mm,R₂＝29mm,R₃＝33mm,R₄＝36mm,θ₁＝θ₂＝36.7°,C₁＝406mm,C₂＝360mm,C₃＝585mm,L₁＝200mm,L₂＝200mm,L₃＝922mm。如图8所示，在9.22GHz的工作频率下输入四路2.5GW功率TM₀₁模时，最大电场强度为774kV/cm，以击穿场强1MV/cm进行折算，可得该四路功率合成器功率容量为16.7GW。该合成器合成效率为94.5％，如图9所示。