（电磁场与微波技术专业论文）毫米波径向波导功率合成技术的研究.pdf

t h est u d yo nm i l i m e t e r 以岍 p o w e rc o m b i n i n gt e c h n o l o g y b a s e do nr a d i a l 给v e g u i d e at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i 哆 f o rm ea c a d e m i cd e 铲e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y s h a n gq i n s u p e r v i s e db y p r o f e s s o rq i a nc h e n g s c h o o lo fi n f o n n a t i o ns c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y m a r c h2 0 l o 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：自釜 日期： 竺! ：兰盟 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：啦导师签名：丝日期： 沙 ot 岬 ) 摘要 毫米波径向波导功率合成技术的研究 商琴钱澄 东南大学 摘要 本文在对径向波导基本电磁理论分析和开槽波导空间功率合成设计方法的基础卜 研究了一种新颖的八路径向波导功率合成器，该功率合成器南同轴波导、径向波导和矩 形波导构成，能够直接将多只功率放大器的输出功率一次合成，避免了二进制合成器中 因为多级损耗叠加而导致合成效率显著下降的问题。该结构与传统径向波导功率合成器 相比具有体积小，集成度高和易于加工实现等优点。 根据径向波导工作丰模的电磁场轴线对称的分布特点，把合成网络分为两部分进行 分析，即同轴波导到径向波导的中心区域及径向波导到矩形波导的外围区域。最后通过 采用三维电磁场仿真软件对该合成器进行建模仿真，仿真显示在3 3 3 7 g h z 与l5 - 19 g h z 两个频段内插入损耗均低于0 2 d b ，回波损耗高于1 5 d b ，各输入端到输出端有较好的幅 度和相位平衡特性，且输入端具有较高的隔离度。结果表明该功率合成网络可用于毫米 波高效率功率合成。 文章最后对径向波导功率合成器的工程实现进行了探讨，设计仿真耦合功率放大器 输入输出所需的微带波导过渡，并结合工程实现中可能存在的问题对合成器效率进行了 对比分析。 关键词：空间功率合成技术，径向波导，同轴波导，矩形波导，波导微带转换 a b s t r a c t t h e s t u d y o nm i l i m e t e rw a v ep o w e rc o m b i n i n g t e c h n o l o g y b a s e do nr a d i a lw a v e g u i d e s l 气n gq i n q i a nc h e n g s o u t h e a s tu n i v e r s i 够 a b s t r a c t an o v e i8 w a yr a d i a lw a v e g u i d ep o w e rc o m b i n e rt h a tb a s e do nb a s i ce l e c t r o m a g n e t i c t h e o r ya n a l y s i so fr a d i a lw a v e g u i d ea n ds i o t t e dw a v e g u i d ep o w e rc o m b i n i n gm e t h o di s r e s e a r c h e d t h ec o m b i n e ri sc o n s t i t u t e do fc o a x i a lw a v e g u i d e ，r a di a lw a v e g u i d ea n d r e c t a n g u l a rw a v e g u i d e ，w h i c hc a ns u mt h ep o w e ro ft h end e v i c e sd i r e c t i y i no n es t e p ， a v o i d i n gt h ep o w e rc o m b i n i n ge f e c i e n c yd e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yb e c a u s et h em u i t i i e v e ll o s s o fs t a c k i n gi nb i n a 呵c o m b i n e r i th a st h ea d v a n t a g e so fs m a l ls i z e ，h i g hi n t c g r a t i o na n de a s y i m p i e m e n t a t i o nc o m p a r e dt 0t 脚i t i o n a lr a d i a lw a v e g u i d ep o w e rc o m b i n e r d u et ot h es y m m e t r i cf i e l dd i s t r i b u t i 伽，t h ee n t i r ec a v i 付s t m c t u 他h a sb e e nd i v i d e di n t 0 t w ov o i u m e s ：ac e n t r a lc y i i n d r i c a lv o i u m ec o m p r i s i n gc o a x i a lt or a d i a lw a v e g u i d et r a n s i t i o n 卸dac a v i t yr e g i o no u t s i d et h ec e n t m lc y i i n d r i a iv o l u m ec o m p r i s i n gr a d i a it 0r e c t a n g u i a r w a v e g u i d et r a n s i t i o n 1 h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei n s e r t i o nl o s s e sb o t ha r ei e s st h a n 0 2 d ba n dt h er e t u ml o s s e sa r eb e t t e rt h a n1 5 d bb o t hi n3 3 3 7 g h z 觚d1 5 一1 9 g h zb a n d t h e c o m b i n e rh a s9 0 0 db a l a n c eo fa m p l i t u d ea n dp h a s ei nt h ei n p u tp o r tt oo u t p u tp o r ta n dh i g h i s o l a t i o nb e t w e e ne v e r yp o n i tm e a n st h a tt h ep o w e rc o m b i n e rn e t w o r kc a nb eu s e dt o r m 1 l i m e t e 卜w a v eh i g h e m c i e n c yp o w e rc o m b i n e r a tl a s tt h ep r o j e c ti m p l e m e n t a t i o no ft h e 豫d i a lw a v e g u i d ep ( 删e rc o m b i n e ri sd i s c u s s e d ， a n dt h ew a v e g u i d em i c r o s t r i pt r 彻s i t i o nc o u p i e di n p u t sa n do u t p u t so fp o w e ra m p l i f i e ra r e d e s i g n e d a n ds i m u l a t i o n e d ， i n v o l v i n g c o n t r a d i s t i n c t i o na n d a n a l y s i s o f pr i 。i j e c t i m p l e m e n t a t i o np r o b l e m st h a tm a y e x i s to nt h ec o m b i n e re f n c i e n c y k e yw b r d s ：s p a t i a lp o w e 卜c o m b i n i n gt e c h n i q u e ，r a d i a lw a v e g u i d c ，c o a x i a lw a v e g u i d e r e c t a n g u i a rw a v e g u i d e ，w a v e g u i d e - m i c r o s t r i p 响n s i t i o n 2 1 径向波导空间功率合成技术7 2 2 径向波导内电磁场特性分析9 2 2 1 径向波导中的e 模1 0 2 2 2 径向波导中的h 模：l l 2 2 3 径向波导中的t e m 模1 2 2 3 径向波导空间功分合成器的原理1 3 2 3 1 同轴波导到径向线的过渡设计1 4 2 3 2 径向线到矩形波导的过渡设计1 5 第3 章八路径向腔功分合成器二2l 3 1 八路径向腔功分合成器仿真电路介绍。2l 3 2 八路径向腔功分合成器仿真结果分析2 2 3 2 1k a 波段径向腔功分合成器2 2 3 2 2k u 波段径向腔功分合成器2 6 3 3 径向腔功分合成器对比分析2 9 v 第4 章功率合成器的实现及性能分析3 l 4 1 功率放大器的介绍3 l 4 2 实现径向腔功率合成器整体结构的介绍3 3 4 3 波导一微带过渡设计。3 4 4 4 合成效率的分析3 8 4 4 1 功分合成网络的捅损对合成效率的影响3 8 4 4 2 幅度、相位不一致性对合成效率的影响3 8 4 4 3 电路损耗对合成效率的影响4 l 结束语4 3 致谢z i ! ； 参考文献4 7 第l 章绪论 1 1 课题背景 第l 章绪论 微波毫米波是介于l m m l m 的电磁波谱，对应频率范围3 0 0 m h z 3 0 0 g h z 。从频率来 看，毫米波低端与微波衔接，高端与红外、光波相连，所以毫米波逐渐发展成为一门集 微波、光学两门学科知识的综合性分支学科。其特点是波束窄、保密和抗干扰能力强、 容量大、容易实现图像、数字兼容、数模兼容。毫米波已广泛应用于通信、雷达、制导、 遥感、频谱学及生物效应等渚多领域。 在微波毫米波的各种应用系统中，作为系统重要元件之一的固态功率源的研究一直 是毫米波理论与技术研究的重要课题。在许多毫米波设备以及通信系统中，毫米波固态 功率源均为重要组成部分。然而，由于受毫米波固态器件自身半导体物理特性的影响以 及加工工艺等诸方面的限制，目前还难以生产出大功率、低噪声和低价格的毫米波固态 功率器件。毫米波固态功率合成技术的研究成为解决这一难题的主要途径，有着广泛的 应用价值。 目前，应用最多的功率合成技术是电路合成和空间功率合成。对于功率合成在毫米 波雷达固态功率发射中的应用，电路合成由于传输线损耗以及电路结构随器件数量增加 成非线性增长，其能够合成的固态器件数日受到限制，不能满足毫米波雷达的发射功率 要求。空间功率合成最大的优点是合成效率基本与固态器件数量无关，更适合多器件的 大功率输出，其中，自由空间波功率合成以及准光学功率合成技术得到广泛的研究和发 展，但是随着科学的进步，大多数已经报道过的空间功率合成技术所实现的合成系统性 能并不十分良好，合成效率和合成功率输出也并不十分理想。特别是，准光功率合成技 术在结构实现上比较复杂，不易小型化，自由空间功率合成技术由于其结构本身所带来 的辐射损耗也不容忽视。 在微波及毫米波功率合成系统中，波导功分合成电路占据着重要的位置。而开槽波 导空间功率合成技术具有系统合成效率较高，带宽性能较好，有效地防止了辐射损耗， 易于小型化，结构简单易实现等优点；较好地弥补了准光功率合成技术和自由空间功率 合成技术的不足；同时它将有源放大器件置于波导之外，有效地解决了散热问题，较好 地弥补了空间内功率合成技术的的不足。 本文中采用开槽波导功率合成的方法设计基于径向波导的空间功率合成器。研究内 查堕奎堂堡生堂笪笙窒 容包括新型径i 匈波导功率合成器结构的研究：径向波导功率合成器的电磁建模：基于开 槽波导的空问功率合成电路的设计方法；基于径向波导的空问功率合成技术的功率放大 器及其组装等。 1 2 空间功率合成技术概述 国际上自七十年代中期起相继开展了旨在提高微波毫米波固态功率源输出功率的研 究，应运而牛的微波固态功率合成技术通常有四种类型【，即：利用半导体芯片串联或 并联的芯片型功率合成技术：利用外谐振或非谐振电路的电路型功率合成技术；利用准 光腔或自由空间波或波导的窄间型功率合成技术，以及利用以上技术的混合型功率合成 技术。 在这四种类型功率合成技术中，目前应用最多的功率合成技术是电路分支耦合合成 技术和空间分支耦合合成技术和空间功率合成技术，其结构如图( 1 1 ) 和图( 1 2 ) 所示。 图( 1 一1 ) 电路功率合成基本结构 一11一、”一 图( 1 - 2 ) 空间功率合成基本结构 空间功率合成技术是八十年代提出的一种微波毫米波功率合成方法，尽管这项技术 的提出是在八十年代初，但它真正被人们所重视并加以广泛地研究却是在八十年代后期 2 翌! 垩堑堡 和九十年代。空间功率合成技术是当前微波、毫米波技术领域中最活跃和最有前途的研 究课题之一，它与其它功率合成方法的最大不i 司之处是可以将合成空问设计成足够大， 在微波、毫米波等波长很短的频率上实现多器件的功率合成。众所周知，普通封闭式微 波谐振腔的谐振频率与腔体尺寸、工作模式呈非线性关系，这种非线性关系导致了随着 谐振腔体积的增人，各相邻模式谐振频率之差愈来愈小，从而产生频谱稠密现象，这种 频谱稠密现象在功率合成中将引起合成效率下降，并影响模式的稳定性，因此，普通封 闭式微波谐振腔内所安置的合成器件一般不易太多，以免使腔体体积过大。这也极人限 制了这种功率合成技术的j “泛应用。 空间功率合成一般可分为准光功率合成、自南空间波功率合成、波导内空间功率合 成和开槽波导空间功率合成这四种主要方式，下面将分别介绍。 1 2 1 准光空间功率合成 准光功率合成技术是由w l o t h a r 等人于1 9 8 3 年首先提出吲2 1 。此后，美、日、俄、 中等国学者相继开展了这方面的研究，提出了许多新结构和新方法。准光功率合成利用 了准光腔谐振频率只与准光腔腔距有关，而与准光腔腔面尺寸几乎无关这一特性，在满 足准光腔稳定条件下，可将准光腔腔面设计成足够大，同时实现器件的功率合成。图( 1 3 ) 中的准光功率合成技术采用了透镜和偏振器控制合成区域中的电磁场，达到功率有效合 成的目的。 盯i l 姆眵 1 2 2 自由空间波功率合成 图( 1 3 ) 准光功率合成 自由空间波功率合成这种直接输出合成功率的思想最早来源于j w m i n k 在1 9 8 6 年提 出的用半透明材料制作准光腔反射面这一设想【3 1 。1 9 8 8 年z b p o p v i c 等人用平面介质板 构成的准光腔实现了这一设想【4 1 。1 9 9 2 年m k i m 、r a y o r k 等首先在x 波段用l o o 只f e t 以及在x 波段用1 6 只g u n e 器件实现了以上结构的功率合成。1 9 8 8 年和1 9 9 0 年k c h a n g 和 3 东南大学硕士学位论文 t 1 t o h 等人又分别将这一功率合成技术做了进一步改进，分别在基波和谐波提出了自由 空问波功率合成新方法( 又称有源天线阵列功率合成) 【5 1 ，并在k u 波段得以实现。图( 1 - 4 ) 采用过模波导增大了波导横截面，可以实现更多放大单元的功率合成。 输入波 n l 1 2 3 波导内空间功率合成 有源阵列 - 、输出波导 、 。 j 4 l r 图( 1 4 )自由空间功率合成 波导内空间功率合成技术是由a a l e x 卸i a n 和r a y o r k 于1 9 9 7 年提出口，当时在x 波 段采用基于规则矩形波导的2 4 的m m i c 功放阵列【6 】，实现了2 4 w 的连续波功率输出， 合成效率达6 8 ，并具有良好的工作带宽和增益，预示了良好的发展前景。此后，以 u c s b ( u n i v e 心时o f c a l i 向m i as a t s 绷b a r b a 豫) 的r a y o r k 教授为代表的学者陆续进行了 波导内空间功率合成技术的相关研究，相继提出了规则矩形波导、扩展尺寸矩形波导和 扩展i 司轴线内空间功率合成等形式，并在x 波段和k 波段研制并实现有基于该类结构形 式的空间功率合成系统。其中，1 9 9 9 年采用4 6 的m m i c 功放阵列实现了高达1 2 6 w 的连 续波功率输出【_ 7 1 ，工作频段8 1l g h z 。图( 1 5 ) 是在波导中插入有源放大阵列，通过波导 控制电磁场及波导内场的模式。 p o n m 啊 图( 1 - 5 ) 波导内空间功率合成 4 东南大学顾上学位论史 1 3 本论文的主要工作 固态功率放大器是微波毫米波通信系统的一个核心部件，它的性能优劣直接决定了 通信系统的整体性能，而功率合成技术是研制宽带大功率固态功放的关键。本论文旨在 对传统的空间功率合成技术分析的基础上，研究结构更简单、带宽性能更好、损耗更低、 合成效率更高的空问功率合成电路结构。n 端口结构的波导型空问功率合成电路是一种 在相对较宽的频带内可获得尽可能高的合成效率的电路结构，一般通过严密的电磁理论 分析，进行科学的设计，并辅以三维场仿真优化，就有可能研制出性能良好的功率合成 电路。根据国内外在功率合成技术方面的研究进展及发展方向，选取了基于径向波导的 空间功率合成技术的作为本论文的研究方向。整篇论文章节内容安排如下： 第一章绪论 木章介绍了开展基于径向波导的空间功率合成技术研究的课题研究背景及其重大 意义，并对功率合成技术进行了简单论述，重点介绍了准光功率合成技术，自由空间波 功率合成、波导内的空间功率合成技术以及开槽波导空间功率合成技术的相关知识，最 后介绍了本论文的研究内容和章节安排。 第二章径向波导功率合成技术研究 本章节深入研究了基于径向波导的空间功率合成技术，研究了一种新型的设计方 法。从研究径向波导的场模式开始，具体分析了径向波导功分合成器没计过程中的两个 主要问题，即同轴波导到径向线的过渡设计和径向线到矩形波导的过渡设计。 第三章八路径向腔功分合成器 本章节具体提出了一种八路径向腔功分合成器的设计方法和仿真结果，结果显示了 这种功分合成电路具有优良性能。 第四章功率合成器的实现及性能分析 本章节提出了就上述八路径向腔功率合成器的具体实现方法，并对影响合成效率的 各因素进行了分析。 6 第l 章绪论 1 2 4 开槽波导空间功率合成 开槽波导功率合成的原理是在波导上面开口，然后利用多路微带探针或同轴探针等 结构将能量从波导内耦合出来在波导外进行功率的放人，最后经波导合路器在窄问内实 现功率的叠加，其中所有的合成单元都处于并联工作状态。常见的开槽波导功率合成结 构如图( 1 6 ) 所示。 嘲妇k 盥一k 扎一嗍妇 图( 1 6 ) 开槽波导空间功率合成 开槽波导其原型最先是在1 9 7 1 年由k u r o d a w 拥l m a g a l h a e s 提出，前人已经在开槽波 导功率合成方面做了许多工作，分析设计并且制作了多种开槽波导功率合成结构。一 1 9 8 4 年，t i n g i hh s u 和m a r i od s i m o n u t t i 提出了一种v 波段1 6 路径向波导功率合成 网络，在5 5 6 7 g h z 频率范围内的最大插入损耗为l d b ，回波损耗优于1 2 d b l 3 j 。 1 9 9 0 年，k a ic h 锄g 等人提出了一种x 波段4 路径向波导功率合成网络，该功分器在 2 5 g h z 频率处的插入损耗小于o 5 d b ，集成4 个g u n n 振荡器后合成网络的合成效率大于 7 0 1 9 j 。 1 9 9 9 年，r 娩w 锄b a s h i r u i i a h 和a m i rm o n a z a w i 设计了一种波导缝隙耦合的开槽波导 功率合成电路，该电路的有源器件由8 个m e s f e t 构成，在l o g h z 频率处的功率输出为 1 4 w ，放大器的增益为6 7 d b ，合成效率为8 8 ，3 d b 工作带宽为5 1 1o l l “l 。 2 0 0 4 年，x i nj i 锄g 等人设计了一种k a 波段行波法级联缝隙波导的开槽波导功率合成 网络，该结构在3 2 2 g h z 频率处的输出功率为3 3 d b m ，合成效率为8 0 ，在3 4 g h z 频率 处信号增益为1 9 4d b ，3 d b 带宽为3 2g h z l 挖l 。 2 0 0 6 年，k a i j 呻s o n g 等人提出了一种4 路径向波导功率合成网络，该结构在1 2 一1 6 g h z 频率范围内的插入损耗小于0 5 d b ，回波损耗大于1 5 d b l l 3 l 。2 0 0 7 年，他们又提出了一种8 路功率合成网络，在8 g h z 频率处的插入损耗小于l d b ，回波损耗大于1 0 d b i h l 。 5 第2 章径向波导功率合成技术研究 第2 章径向波导功率合成技术研究 波导电路由于其低损耗和人功率容量特性在高功率微波系统和毫米波系统中得到 了广泛的应用。基于我们所了解到的，大多数径向波导结构主要应用于阵列天线【l5 。2 2 1 ， 而较少应用于功率分配合成电路中【2 3 2 6 1 。在本章节中，把径向波导应用于功率合成系 统中，详细研究了采用径向波导实现功率分配与合成的工作原理和电路结构。当径向波 导作为功率合成系统的功分合成网络时，它不再是将能量辐射到自由空间，而是通过 外围波导将能量耦合到有源固态放大阵列，通过放大阵列放大后的射频信号通过探针耦 合到径向波导中，在径向波导中合成，从i 面实现了功率的分配、放大与合成。 2 1 径向波导空间功率合成技术 在固态雷达发射机中，为了得到较高的输出功率，将多路放大器并联，如图( 2 1 ) 所示为传统二进制结构的的功率合成器，他的缺点是串联网络，当需要多路合成时，需 要多级连接，功率必须通过树的每一级，这样不可避免的增加了系统的损耗和复杂性。 图( 2 1 ) 二进制功率合成示意图 因此，我们这里研究设计的功率分配器和合成器从一路到多路直接变换，如图( 2 2 ) 所示，其电路结构采用径向形式实现，总路用同轴线垂直过渡。此结构可以直接进行n 路合成，n 路放大器功率一步相加，当n 为中等或大数字时( 8 个或8 个以上) ，n 路 合成器的损耗本质上比联合合成器低，恰当设计的n 路合成器能获得好的故障模式性 能，但n 路合成器的分析和设计比较困难。 7 东南大学硕士学位论文 络的【s 】矩阵是对称的，即【s 】= 【明7 ；端口匹配网络的【s 】矩阵主对角线上与端口所对 应的元素为零，即瓯= o ；无耗网络的【s 】矩阵是幺阵，即陋】【跚。= 【明。 is ， 墨： 墨，l 网= l & 。是，i ( 2 1 ) l 墨。s ：足，j 若所有端口是匹配的，且网络是互易的，则散射矩阵式( 2 1 ) 可简化为： i o s ： 墨，i 【s 】- ! 是。o i ( 2 - 2 ) l 最- 岛：o j 若此网络也是无耗的，则【s 】矩阵为幺阵，可导出下列条件： 慨2i2 + is 3i2 = l 慨2i2 + i l2 = l i 墨，l2 + 1 笾，l2 = l 墨；= o 是：墨：= o s ，= o 式( 2 3 d 2 3 d 表明( s ：，墨，曼，) 这三个参量中至少两个必须为零。但该条件总是和 8 、，、，、l，、，、，、， a b c d 茁 3 3 3 五 3 3 - - 第2 章径向波导功率合成技术研究 式( 2 3 a 2 3 c ) 中的一个相矛盾，表明该三端口网络不能同时是无耗的、互易的和全部 端口匹配的。假如这三个条件中的任意一个条件放宽了，则这种器件在实际上是可以 实现的。 因为主要应片j 于功牢分配器和合成器的网络分析，所以网络要满足互易特性。当 只要求两个端口匹配时，这种结构可看作一个匹配的两端口传输线和，。个完全欠配的 一端口网络的组合。因此假定三端口网络有损耗，网络是互易的，且全部端口是匹配 的，这是电阻性功分器的情形。有耗三端口网络能做到在输出端口间是隔离的( 例如 2 墨：2o ) 。 多端口分配合成器的网络分析类似以上所述，首先根据端口数确定散射矩阵的矩 阵元数，然后再根据所要求的无耗、匹配、互易等条件确定具体的散射矩阵形式。 在此，我们设计的合成器网络是有耗、匹配、互易的，在径向波导一卜面开口，然后 利用多路微带探针或同轴探针等结构将能量从波导内耦合出来在波导外进行功率的放 大，然后再经过微带波导电路将能黉输入经波导合成器在空间内实现功率的叠加，最终 通过同轴探针结构输出，其中所有的合成单元都处于并联工作状态，其结构图如( 2 3 ) 所示。 图( 2 3 ) 径向功率合成器结构 2 2 径向波导内电磁场特性分析 径向波导是一种非均匀传输线，它由上卞两个圆片组成，可以用( r ，z ) 圆柱坐标 系统来描述，如图( 2 - 4 ) 所示。在径向波导中，波导横截面为矽z 曲面，信号沿径向r 传 输，在( r ，矽，z ) 圆柱坐标系统中，对于给定的角频率国，径向波导中的电场与磁场关系 式为： 9 东南大学硕士学位论文 掣珥弓嚣一誓 掣q = 鲁一等 掣以= 吾c 掣一 ro r o 西 如巨：! 等一譬 ro o o z 如目= 警一警 ( 2 4 ) 弘妒吾c 掣一警 ro r 0 零 消去电场e 和磁场h 的径向分量耳和q 后，只包含横向分量的传输线方程变为： 等= 耐升q + 古c 昙鼍一等 吾掣= 硼以+ 古c 专等弓鼍， r o rk r 。o 辔rd 纰 警= 删易+ 古c 等 鼍， 吾掣= 删母古c 吾鼍一专等， 式中后= 缈万，f = l 矽= 拓万。 ( 、叫 2 2 1 径向波导中的e 模 图( 2 4 ) 径向波导结构 1 r 6 一 皇 当径向波导中传输e 模时，皿= 0 ，其电场分量和磁场分量可表示为： 疋= 一k 争c o s 竿辔所 dd 易叫鲁号嚣咖警毪朋 巨= “嘉嚣s i n 詈鬈删 z 冗rk 。po 1 0 ( 2 5 ) ( 2 6 a ) 朋= o ，l ，2 ，3 ，疗= 0 ，l ，2 ，3 ，o 其中巧和z 分别为径向传输线的模式电压和电流。在径向传输线中，由于电磁场传 输方向不具备周期性特征，通常意义下的波导波长已经失去了其重要性，波导波长与截 止波长之间的关系不再有效。但是，截止波长仍然是确定径向波导中某种工作模式能否 正常传输的依据。对于e 模，截止波长可以表示为： = 1 兰一 ( 2 7 ) ( 去2 + ( 杀) 2 由上式可以看出，截止波长与r 相关，这意味着，对于某种模式的电磁波来说，它 在五 毛的区域则是截止的。 2 2 2 径向波导中的h 模 当径向波导中传输h 模时，丘= 0 ，其电场分量和磁场分量可表示为： 巨= 0 日= 形。嘉s i n 詈毪删 巨= 干鲁砉号s ；n 等肼 皿= 鲁s i n 警壤椰 q 2 晦号嚣c 。s 詈瑶所 耳叫析嘉嚣c o s 詈意聊 三死rk dd ( 2 8 a ) ( 2 8 b ) 垄堕奎兰堡主堂堡垒壅 式中毛= 小2 一( 争2 ； 所= o ，l ，2 ，3 ， = 0 ，l ，2 ，3 ，。 其中k 。和f 分别为径向传输线的模式电压和电流。h 模的截止波长与e 模的相同， 波导区域可分为传输区和非传输区。 2 2 3 径向波导中的t e m 模 与平行板传输线和同轴线一样，径向波导中也可存在t e m 模。 的e 模中，令所= 力= o ，则成为t e m 模，其电磁分量变为： 疋= 一半 = 等 实际卜在径向波导 ( 2 9 ) ( 2 - l o ) 以z 轴为准仍为e 模，但以，轴为准则成为t e m 模，这时r 为传输方向即径向，电 磁场中既无r 向电场分量也无r 向磁场分量，故为柱面t e m 模。此时对应的特性阻抗 为： z = f 圭 ( 2 1 1 ) 厶h r 当径向波导两板间距为b ，期间为空气或真空室，由式( 2 - 7 ) 可知，保证单一t e m 模 的条件为： 旯 2 6 ，或6 名2 ( 2 一1 2 ) 径向波导中柱面强m 模，其磁场分布如图( 2 5 ) 所示。由图可知，径向波导的t e m 模的 电场只有z 向分量，在半径为r 的圆周上电场相同；磁场只有向分量，在半径为r 的 圆周上磁场大小相等，方向沿圆周切向。换句话说，径向波导死m 模的电磁场分布具 有轴向对称性。 第2 章径向波导功率合成技术研究 v p 一一一v p 醐 西 e 一h 图( 2 - 5 ) 径向波导中的t e m 模电磁场分布 2 3 径向波导空间功分合成器的原理 对于径向腔功分合成器，采用同轴端口作为中央端口，由同轴探针馈入径向腔，矩 形波导作为外围端口，此结构可以直接进行n 路合成。对于此种n 路径向功分合成器 结构，我们使用场匹配法进行分析，如图( 2 6 ) 所示，为n 路径向腔功分合成器结构图， 其由半径为r ，高为b 的径向腔和n 个相同的宽为a 高为b 的矩形波导端口组成，中 央端口( # o ) 以同轴探针的形式放置于半径0 ， 兄的圆柱区域内，矩形波导端口均匀 排开。 图( 2 6 ) 路径向腔功分合成器结构图 东南大学硕士学位论文 对于整个功分合成器的结构可以分为两个独立的问题： 1 同轴波导到径向线的过渡设计； 2 径向线到矩形波导的过渡设计。 下面将给出这两个问题的具体解决方法。 2 3 1 同轴波导到径向线的过渡设计 辐射向无限大的径向波导的介质覆盖同轴探针模型结构在文献f 2 8 】【2 9 】【刈研究过，但现 在需要决定同轴中央端u 的输入阻抗。对于当前的应用，同轴探针可以看成是一个两端 口的网络，如图( 2 7 ) 所示，端口o 处为普通的同轴口，端口r 可以看成是，= r 时的一个 环形面。 端口r 图( 2 - 7 )同轴波导到径向线的过渡 在同轴线中传输的基本模式是t e m 模，而径向线支持传输的是柱面t e m 模，只有易 和矾两个方向的分量。 。 为了做出更进一步的分析，端口o 以一般的方式来定义阻抗，即 7 y z o2 7 ， ( 2 1 3 ) 其中v ，i 各表示为同轴端u 处的电压与电流。 不同于端口o ，端口r 的特性以径向波阻抗来描述，该阻抗定义为： 乙= 踹一州， 其中e p = r ) 为电场在圆柱面，= r 的z 分量，风( ，= r ) 为磁场在圆柱面，= r 的 矽分量。 第2 章径向波导功率合成技术研究 对于一个在，= 咒给定的负载阻抗z l 足，从同轴端口。看进去的输入阻抗乙。由下式 给出： 耻k 撬 ( 2 - 1 5 ) 其中z ( ，z ( m z ( ? ：。和z f 挖为三个目前尚不确定的阻抗传输参数，但是可由文献2 8 1 3 0 1 确定，其在径向波导不同的负载条件下，计算出同轴端口。的输入阻抗，为了求解 z ( ，z f 。：乙：和z c 投，必须建立三个独立的未知方程，这些方程可以由计算出三种特殊条 件下的同轴输入阻抗乙。获得，这三种情况分别为负载短路z 。r = o ，负载开路乙舟= 和 径向波导终端匹配。 一j z 舞 ( 2 1 6 ) 其中z 为径向波导区域的固有阻抗，k 为波常数，风，日。分别为0 阶和l 阶的汉克尔函 数。这三个方程可以由最基本的联立方程组求解。 已经确定了传输参数，在，= 民处观察得到的有效径向阻抗可以简单地计算得到，即： 耻k 瓶 ( 2 - 17 ) 其中乙是从同轴端口o 看进去的阻抗。特别地，上式可以用来确定当同轴线终端匹 配时，- = r 处的径向波阻抗。 2 3 2 径向线到矩形波导的过渡设计 为了分析的方便，对于径向腔和外围的矩形波导，我们分别采用两种坐标系来标称， 如图( 2 8 ) 所示，径向线依然采用圆柱坐标系，而