一种紧凑型高功率的多层同轴波导功分器

本发明属于高功率模式功率分配领域，具体涉及一种紧凑型高功率的多层同轴波导功分器。

背景技术：

1、随着脉冲功率、等离子体物理和真空电子学等技术的发展，高功率微波系统在工业生产、无线电广播中的应用越发常见，并且高功率微波系统在定向能武器、电子对抗等军事领域也有着广泛应用,为了提高其杀伤力，一直在朝着更高功率的方向进行研究，因此，提高微波系统功率容量一直是微波发展的关键目标。高功率微波系统中存在大量的功率分配的需求。例如在天线馈电或者相控阵系统内通常需要将输入信号分配至各个子阵单元，此时需要使用数个功分器组合成馈电网络，在常规阵列天线中所需功分端口时常达到百量级以上，因此提升功分器的功分路数一直是发展方向之一。另外，天线阵列在某些应用场合下需要不同的子阵馈入信号，比如利用振幅加权法降低阵列天线的旁瓣电平，这意味着功分器输出信号彼此不等幅馈入天线阵列。以上两种是按照能量分配区分的两种功分器：等分功分器与不等功分器。在高功率微波系统中，功分器的使用十分广泛并且不可缺少。

2、功分器，是一种能够将一路微波信号分为多路信号的微波器件，在对于需要功率分配的系统中能够发挥重要的作用，功分器在高功率微波系统中有着十分重要的地位。现阶段常见的功分器是微带传输线型功分器与带状线功分器，例如常见的微带线型传输器wilkinson功分器，如图8所示，通常为一分二的树状结构，wilkinson功分器是一种常见的功率分配器，其插入损耗为-6.5db左右，输出端口可实现-15db隔离度；其具有良好的幅度相位特性和简洁的设计，在实际工程中有着广泛的应用。但是微带线型功分器普遍厚度较薄，在输入功率提高时十分容易发生击穿现象，同时组成微带线的基板介质耐击穿性不如真空，进一步降低其功率容量，因此微带线很难用于高功率系统内。

3、与微带线型功分不同的是，金属波导功分散热性能较好，并且波导内部为真空结构，能够耐受较高的击穿场强，也更适用于传输高功率微波，因此在高功率微波系统工作环境中金属波导型功分器更加常见。比较常用的波导型功率分配器是t型功率分配器，t型功率分配器反射系数能够小于-25db，传输效果优秀，并且同时还有不错的端口隔离度，但是如图7所示，该种功分器只能实现二路功分，当应用于多路场景时只能采用级联方式，如图8，实现四路功分需要三个t波导功分器分二级排列第一级一个t波导，第二级为两个t波导，经过计算实现n路功分需要n-1个t波导。在应用于需要n比较大的场景内，必须增加t波导数目以及级联层数，在级联过程中随着t波导数目增加，系统损耗也会随之增加，并且伴随着级联级数上升，次级t波导产生反射模式还有可能在前级内产生谐振破坏整体传输效果，此外系统体积也会成倍增加。由此可见t型波导功分在少数量功分时效果较好，但是不适用于多数量功分。

4、在高功率微波系统需要工作于多数量功分时，使用同轴径向功分器效果会优于多个t波导级联。同轴波导径向线功分结构将输入信号同时分解为数个径向传播模式，相比级联系统可以有效地减小损耗。此外，同轴波导其主要传输模式为tem模，具有圆柱对称性，也有利于实现各端口输出模式相位幅值一致，并且同轴波导同为金属波导，相比微带线也具有散热性能更好的优势。近年来，我国对于基于同轴波导的径向线功分结构的研究已取得巨大进展，现有的多路径向线功分器在2.55-3.15ghz频率范围内，实现插入损耗小于0.3db，输出不平衡度小于0.5db，并且还具有损耗小、结构简单、散热较好等等优点。同轴波导径向线功分系统体积与输出端口尺寸、功分数目有关，尽管同轴径向线波导相比t型更加适用于高功分路数系统，在功分路数需求特别大时，比如应用在大路数阵列天线时，采用同轴径向线功分结构也会为系统带来一些问题，百量级的功分路数会带来庞大的功分器径向半径与系统体积。倘若采用径向线功分后级联t功分器的方法，虽能够一定程度降低径向线功分器的体积，但是级联过程中又会为系统引入级联损耗，并且破坏输出模式的一致性，使同轴功分能够输出端口等幅同相输出的特点消失。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于同轴波导径向功分器的双层径向功分结构。本发明能够突破径向功分数目的制约，能够在有限径向半径内引入更多功分路数，同时相较于单层径向功分系统在相同功分数目的前提下更加紧凑的结构，并且具有损耗低、功率容量高的优点。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种紧凑型高功率双层同轴波导径向功分器，包括：上层同轴径向功分结构、下层同轴径向功分结构、变内径同轴线结构；

4、所述上层同轴径向功分结构，包括上层同轴线部分和上层径向线部分；其中，所述上层同轴线部分包括上层同轴输入端口；所述上层径向线部分包括n个上层输出端口；

5、所述下层同轴径向功分结构，包括下层同轴线部分和下层径向线部分；其中，所述下层同轴线部分包括下层同轴输入端口；所述下层径向线部分包括n个下层输出端口；

6、所述变内径同轴线结构，用于将上层同轴输入端口输入信号的部分功率引入下层同轴线部分，剩余功率则进入上层径向线部分；进入上层径向线部分的信号等分为n路输出，进入下层同轴线部分的信号通过下层径向线部分等分为n路输出。

7、进一步地，所述变内径同轴线结构，为外径不变、内径逐渐减小的同轴结构，且变内径同轴线结构的外侧面与上层同轴线部分的内侧下部区域连通，下端面连接下层同轴输入端口。

8、进一步地，所述变内径同轴线结构的内侧面的斜率为1.45～1.6；斜率过小整个双层同轴波导径向功分器的传输系数会变差，系统会产生较大反射；斜率过大会使变内径同轴线结构难以将上层同轴端口输入功率引入下层同轴线部分。

9、进一步地，所述上层同轴输入端口的内外径之差为ra，所述下层同轴输入端口的内外径之差为rb，当上层同轴输入端口输入信号将一半功率引入下层同轴线部分传输时，则rb＞ra；其原因在于上层同轴输入端口输入信号将一半功率引入下层同轴线部分传输时，并不能全部汇入下层径向线部分，而未汇入下层径向线部分的信号会对变内径同轴线结构的分配产生干扰进而增加汇入上层径向线部分的功率，因此扩大下层同轴输入端口的内外径之差使下层同轴线部分更易传输信号至下层径向线部分。

10、进一步地，当上层同轴输入端口输入信号将一半功率引入下层同轴线部分传输时，变内径同轴线结构接入上层同轴线部分的高度l2大于上层同轴输入端口的内外径之差ra，并且l2＜1.5*ra。

11、进一步地，通过控制变内径同轴线结构接入上层同轴线部分的高度l2、变内径同轴线结构的内侧面的斜率、下层同轴输入端口的内外径之差为rb，能够改变引入下层同轴线部分的功率占比。

12、本发明的有益效果如下：

13、1.现有的单层径向线功分由于径向半径与功分路数间的正比例关系，为保持较小的体积，会存在一个极限径向半径，因此制约了单层径向功分器功分路数。本发明功分器采用的双层结构相较于单层结构在同等输出端口数量的前提下，能够拥有更加小的径向半径，进而带来更加紧凑化的设计与更小的体积。

14、2.本发明在未损失较大功率容量的前提下，能实现更多功分端口输出，传输效率能够达到99.9％；并且本发明还具有对于较好的输出模式相位稳定性。

15、3.通常情况下，同轴功分器输出端口相位幅值一致性是其相对于t型、y型或其他功分器的优点之一，更能保证天线馈源的统一性，但是在某些应用场景上，例如不等幅馈入系统的输出端口信号需要级联调幅装置以实现应用，这无疑为工程添加复杂度。而本发明功分器的同轴部分功率分配效果较好，通过控制变内径同轴线结构接入上层同轴线部分的高度l2、变内径同轴线结构的内侧面的斜率、下层同轴输入端口的内外径之差为rb，能够实现上下层功率比例的自由调节，为同轴功分器应用于不等幅馈入系统提供便利。