一种基于模式转换的空间功率合成倍频器

摘要

本发明提供一种基于模式转换的空间功率合成倍频器，属于空间功率合成倍频器领域。本发明创新性的提出采用模式转换方式解决传统空间功率合成倍频器能量利用不高的问题，通过将金属膜片设置于屏蔽腔的场强最强处，让设置在金属膜片上的非线性器件最大程度耦合到相等的能量，以此使倍频器工作在较好的工作状态，从而获得较大的输出功率。

权利要求

1.一种基于模式转换的空间功率合成倍频器，其特征在于，包括输入波导、输出波导、屏蔽腔、n层金属膜片和非线性器件；所述屏蔽腔与信号传输方向垂直的一端面为电壁，输入波导与屏蔽腔靠近电壁的侧面相连接，输出波导与屏蔽腔的输出端口相连接；输入波导、输出波导和屏蔽腔均为长方体，输入波导和屏蔽腔的电场方向垂直；n层金属膜片分别设置于屏蔽腔中电场模式场强最强处，非线性器件设置于每层金属膜片上；屏蔽腔的尺寸，以及输入波导和屏蔽腔连接处与屏蔽腔电壁的距离，共同实现电场模式由TE10向TEn0模式的转换；其中，模式数n和金属膜片层数n一致，n≥2。

2.如权利要求1所述的空间功率合成倍频器，其特征在于，输入波导和输出波导均选用标准波导，尺寸由工作频率决定。

3.如权利要求1所述的空间功率合成倍频器，其特征在于，屏蔽腔和波导的内壁应平整光滑。

4.如权利要求1所述的空间功率合成倍频器，其特征在于，金属膜片均为鳍线形状，通过调整鳍线形状的金属膜片的缝隙以及形状使倍频器达到阻抗匹配的效果，金属膜片的厚度越厚倍频器的损耗越大。

5.如权利要求1所述的空间功率合成倍频器，其特征在于，每层金属膜片上的设置一个非线性器件或金属膜片上下两侧并联设置非线性器件。

6.如权利要求1所述的空间功率合成倍频器，其特征在于，非线性器件设置于每层金属膜片的波腹处，为短路面的 位置， 为波导波长。

7.如权利要求1所述的空间功率合成倍频器，其特征在于，当n为2时，两层的金属膜片分别设置于屏蔽腔的场强最强处，即屏蔽腔宽边的1/4及3/4位置。

说明书

一种基于模式转换的空间功率合成倍频器

技术领域

[0001] 本发明属于空间功率合成倍频器领域，具体涉及一种基于模式转换的空间功率合成倍频器。

背景技术

[0002] 毫米波以及太赫兹倍频器作为频率源时，要求具有一定的输出功率。由于实现固态倍频器主要是使用微波半导体器件，然而微波半导体器件有功率容量的限制，单个器件
产生的功率无法满足频率源的要求。因此需要采用功率合成技术来获取高功率倍频器从而
有效解决传统形式倍频器功率容量限制的问题。

[0003] 目前高功率倍频器主要为功率合成倍频器，其中包括T型节功率合成倍频器和传统形式的空间功率合成倍频器。对于传统的魔T或T型节功率合成倍频器，其存在体积较大
问题，不符合当前器件设计小型化的要求；传统形式的空间功率合成倍频器虽然体积较小，
但是在整个倍频器电路中要求主模传输从而导致对称安装于倍频电路的金属膜片上下两
层的非线性器件不可能处于场强最大处，使得能量不能够得到最大化的利用。

[0004] 因此，如何实现小型化且具有较高能量利用效率的空间功率合成倍频器的设计就成为了一个迫切需要解决的问题。

发明内容

[0005] 针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于模式转换的空间功率合成倍频器。本发明创新性的提出采用模式转换方式解决传统空间功率合成倍频器能量
利用不高的问题，器件通过将金属膜片设置于屏蔽腔的场强最强处，让设置在金属膜片上
的非线性器件最大程度耦合到相等的能量，以此使倍频器工作在较好的工作状态，从而获
得较大的输出功率。

[0006] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

[0007] 一种基于模式转换的空间功率合成倍频器，包括输入波导、输出波导、屏蔽腔、n层金属膜片和非线性器件；屏蔽腔与信号传输方向垂直的面为电壁，输入波导与屏蔽腔靠近
电壁的侧面相连接，输出波导与屏蔽腔的输出端口相连接，输入波导、输出波导和屏蔽腔均
为长方体，输入波导和屏蔽腔的电场方向垂直；其中，n层金属膜片分别设置于屏蔽腔中电
场模式场强最强处的，非线性器件设置于每层金属膜片上。

[0008] 进一步地，屏蔽腔的尺寸，以及输入波导的输入端口和屏蔽腔连接的位置于屏蔽腔电壁的距离共同实现电场模式由TE10向TEn0模式的转换。

[0009] 进一步地，输入波导和输出波导均选用标准波导，尺寸由工作频率决定。

[0010] 进一步地，屏蔽腔和波导的内壁应平整光滑，以减少整个倍频器的损耗。

[0011] 进一步地，金属膜片均为鳍线形状，通过调整鳍线形状的金属膜片的缝隙以及形状使倍频器达到阻抗匹配的效果，金属膜片的厚度越厚倍频器的损耗越大。

[0012] 进一步地，每层金属膜片上设置一个非线性器件或金属膜片上下两侧并联设置非线性器件。

[0013] 进一步地，非线性器件设置于每层金属膜片的波腹处，理论为短路面(屏蔽腔与输出波导的连接面)的0.25λg位置，λg为波导波长。

[0014] 进一步地，模式数n和金属膜片层数n一致，n≥2。

[0015] 进一步地，当n为2时，两层的金属膜片分别设置于屏蔽腔的场强最强处，即屏蔽腔宽边的1/4及3/4位置。

[0016] 本发明的机理为：由于输入波导与屏蔽腔的电场呈现垂直分布，当TE10模式的电磁波通过输入波导到屏蔽腔时，由于屏蔽腔的一端面为电壁，若电壁到耦合面的距离满足TEn0
模式的1/4波导波长，即可满足TEn0模式被激发的边界条件，TEn0模式可以被激发，因此可以
实现模式转换。而TEn0模场结构是由波导宽边a上排列n个TE10模的场结构所构成的性质可
知，在输入波导与倍频电路的屏蔽腔中实现电场模式由TE10‑TEn0模式的转换时，n层金属膜
片都位于屏蔽腔中场强最大处的位置，能够获得等功率分配网络，还能最大程度耦合相同
的能量到非线性器件以此使倍频器工作于较好的状态，因此基于模式转换下的空间功率合
成倍频器较传统形式相比能够获得较大的输出功率。

[0017] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

[0018] 本发明空间功率合成倍频器采用模式转换原理，通过将金属膜片设置于屏蔽腔场强最大处从而使位于金属膜片上的非线性器件在主模传输下，能够最大程度耦合到相等的
能量，激励非线性器件的能量增大、且输出功率是多个非线性器件的输出功率之和，因此倍
频器工作在较好的工作状态，较传统形式相比能够获得较大的输出功率，实现了较高能量
利用效率。

附图说明

[0019] 图1为本发明模式转换空间功率合成倍频器的三维模型图。

[0020] 图2为本发明模式转换空间功率合成倍频器中屏蔽腔的横截面图。

[0021] 图3为空间功率合成倍频器的输入部分电场分布仿真结果图；

[0022] 其中，(a)为本发明模式转换空间功率合成倍频器；(b)为传统空间功率合成倍频器的。

[0023] 图4为本发明模式转换空间功率合成倍频器的电场模式转换损耗图。

具体实施方式

[0024] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

[0025] 一种基于模式转换的空间功率合成倍频器，其三维模型图如图1所示，包括输入波导、输出波导和屏蔽腔，由于加工工艺限定，输入波导、输出波导和屏蔽腔均由上下两个对
称的半腔组成，输入波导的与屏蔽腔宽边a所在的侧面相连接，且两者中心点重合，输出波
导与屏蔽腔的输出端口相连接，且两者中心点重合，形成严密的波导及屏蔽腔；n层金属膜
片分别设置于屏蔽腔的上、下两个模式转换半腔中电场场强最强处，以及设置于每层金属
膜片上的非线性器件，输入波导和屏蔽腔的共同尺寸调节使实现电场模式由TE10向TEn0模
式的转换。

[0026] 整个倍频器采用的是无基片设计，因此能够减少损耗，但是空间功率合成倍频器决定了安装在上下两层的非线性器件必须严格对称，否则会产生较大的误差。因此在加工
腔体时对加工工艺有着严格的要求。腔体主要由上、下两个对称的模式转换半腔构成，腔体
材料要求具有导电率高、耐腐蚀、易加工等特点，腔体加工是本发明中的重要工艺步骤，必
须保证上、下两个腔体的严格对称性，以及腔体对称面的光滑性，确保上下腔体重合后，形
成严密的屏蔽腔；形成波导的内壁也必须保证平整光滑，减小信号在传输过程中的损耗。

[0027] 根据TEn0模场结构是由屏蔽腔宽边a上排列n个TE10模的场结构所构成的性质可知，相应的金属膜片应放置在构成TEn0模式中的TE10模中的场强最强处，以使安装在金属膜
片上的非线性器件最大程度的耦合到相同的能量。

[0028] 实施例1

[0029] 当n为2时，根据TE20波电磁场的特性可知：TE20模场结构是由导波宽边a上排列2个TE10模的场结构所构成，且由于正余弦函数的变化特性，相邻的两个单元结构的场、电力线
方向相反且在上下两层中心处电场强度最强。根据此特性，将上下两层的金属膜片分别安
装在倍频电路屏蔽腔宽边a处的1/4及3/4即场强最强处，非线性器件分别安装在上下两层
金属膜片的波腹处，一般为短路面的λg/4处，不仅能够获得等功率分配网络，还能够使能量
最大的耦合到非线性器件以此使倍频器工作于较好的状态。此时屏蔽腔的横截面图如图2
所示。

[0030] 对于每层金属膜片也可在金属膜片上下两侧并联安装二极管，以此来增大输出功率。

[0031] 基于模式转换的空间功率合成倍频器的匹配电路由鳍线实现，鳍线是由金属膜片实现的，利用输出波导自身尺寸带来的高通特性来抑制基波以及频率较低的谐波信号(也
可以通过对输出波导的宽边进行减高处理，达到提高其通过的截止频率，抑制频率较低的
谐波信号)，且鳍线中传输的电磁场与其耦合波导的模式相同，因此更容易匹配从而实现宽
带特性；亦可根据需要设置非线性器件，形成反向并联拓扑结构的电路来抑制偶次谐波。由
于倍频电路由上下两层构成，因此在安装非线性器件时要保证严格的对称，既能够减少误
差也能够起到对倍频器中的杂散抑制作用。

[0032] 图3为空间功率合成倍频器的输入部分电场分布仿真结果图；其中，(a)图为本发明模式转换空间功率合成倍频器电场分布图，(b)图为传统空间功率合成倍频器电场分布
图。从图3可知，模式转换空间功率合成倍频器的屏蔽腔中的模式为TE20，即由宽边a边上排
列两个TE10模的场结构所构成，相对于传统空间功率合成倍频器，2层的金属膜片可以分别
放置在TE10模式下的场强最强处，从而使能量得到最大化的利用。

[0033] 为验证本发明，选择基波频率为120GHz的倍频器作为验证，对本发明中的模式转换器进行仿真，其电场模式转换损耗如图4所示。从图4中的曲线dB(S(1:1；2:2))可以看出：
在目标频段120GHz时，dB(S(1:1；2:2))的值为‑0.1924，说明电场在进行模式转换时损耗较
小，具有可行性。因此，本发明基于模式转换的空间功率合成倍频器能够有效的解决传统形
式空间功率合成倍频器能量未能够充分利用的问题，较传统形式相比能够获得较大的输出
功率。

[0034] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方
法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。