CN103490133A - 一种基于柔性连接的微带多向功率分配/合成器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性连接的微带多向功率分配/合成器，包括腔体和微带，所述腔体包括上腔体和下腔体，所述上腔体内设置有上表面功率分配网络，下腔体内设置有下表面功率合成网络；所述上表面功率分配网络包括上腔电路，下表面功率合成网络包括下腔电路，所述微带包括上腔电路输入微带、上腔电路输出微带、下腔电路输入微带及下腔电路输出微带；所述上腔电路包括依次相连的上腔输入连接器、16路功分器、功率放大器芯片和兰格耦合器，所述下腔电路包括相互连接的下腔输出连接器和8路功分器，所述上腔电路和下腔电路通过柔性电缆相连。本发明具有更宽的工作频带、更高的功率分配/合成效率、体积小、散热面积大、加工精度小、易于装配。

Description

一种基于柔性连接的微带多向功率分配/合成器

技术领域

本发明涉及一种功率分配/合成器，尤其涉及一种基于柔性连接的微带多向功率分配/合成器。

背景技术

微波固态功率放大器是许多毫米波设备如：雷达、制导、射电天文、通讯、遥感等系统的重要组成部分，是目前毫米波技术研究的重要课题。微波固态芯片具有体积小、重量轻、使用寿命长、工作电压低、稳定性好等特点，但受限于半导体物理特性以及散热、加工工艺、阻抗匹配等问题的限制，其输出功率远远达不到实际工程的要求，因而必须利用多个单芯片放大器采取多路功率合成技术来提高放大器的输出功率。

传统的平面电路功率分配/合成和波导空间功率合成技术所采用的技术方案在结构实现上都比较复杂，降低损耗和有效散热问题也都很难解决。目前，国内外的功率合成技术的结构大体可分为两类：平面功率合成和空间功率合成，平面功率合成均采取同一方向的输入输出，多功分器级联的结构，由于连接各个功分器的直通微带线过多过长，损耗也随之成非线性的增长，且此种结构占用面积多，散热效率低；立体结构多采取波导到微带的转换合成方式，虽然可以解决损耗过大的问题，但是在低频的情况下，波导口的尺寸大，带来整体结构体积过大，重量过重，给安装带来不便。

由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提高。

发明内容

本发明为避免上述现有技术存在的不足之处，提供了一种基于柔性连接的微带多向功率分配/合成器。

本发明所采用的技术方案为：

一种基于柔性连接的微带多向功率分配/合成器，包括腔体和微带，所述腔体包括上腔体和下腔体，所述上腔体内设置有上表面功率分配网络，下腔体内设置有下表面功率合成网络；所述上表面功率分配网络包括上腔电路，下表面功率合成网络包括下腔电路，所述微带包括上腔电路输入微带、上腔电路输出微带、下腔电路输入微带及下腔电路输出微带；所述上腔电路包括依次相连的上腔输入连接器、16路功分器、功率放大器芯片和兰格耦合器，所述下腔电路包括相互连接的下腔输出连接器和8路功分器，所述上腔电路和下腔电路通过柔性电缆相连。

所述16路功分器和8路功分器均包括依次相连的第一级功分器、第二级功分器和第三级功分器，且所述16路功分器和8路功分器的第二级功分器均有两个、第三级功分器均有四个。

所述上腔电路输入微带的输入端连接所述上腔输入连接器的输出端，所述上腔电路输入微带依次穿经上述16路功分器的第一、第二和第三级功分器后，其所传输的信号变为十六路信号输出，该十六路信号被传输至功率放大器芯片，所述功率放大器可对该十六路信号的功率进行放大，与所述十六路信号相对应，所述功率放大器芯片有16个，其中，每两个功率放大器芯片与一个上述兰格耦合器相连，与所述16个功率放大器芯片相对应，所述兰格耦合器有8个；所述兰格耦合器将经功率放大器芯片进行功率放大后的十六路信号合成为八路信号，并将该八路信号传输至上腔电路输出微带，与所述八路信号相对应，所述上腔电路输出微带有八根，所述八根上腔电路输出微带通过八根柔性电缆与下腔电路输入微带相连，与所述八根上腔电路输出微带相对应，所述下腔电路输入微带有八根，所述八根下腔电路输入微带分别接入上述8路功分器，所述八根下腔电路输入微带所传输的信号依次穿经8路功分器的第一、第二和第三级功分器后变为一路信号输出至下腔电路输出微带，所述下腔电路输出微带与下腔输出连接器相连。

所述16路功分器的第一级功分器的输出端口的角度为180°、第二级功分器的输出端口的角度为90°、第三级功分器的输出端口的角度为36°，所述8路功分器的第一级功分器的输入端口的角度为180°、第二级功分器的输入端口的角度为90°、第三级功分器的输入端口的角度为36°。

所述第一级功分器和第二级功分器采用1/4波长的台阶阻抗变换方式进行两者之间输入与输出的匹配，所述第二级功分器和第三级功分器采用渐变线阻抗变换方式进行两者之间输入输出的匹配。

穿经所述16路功分器的上腔电路输入微带被分为两路微带，该两路微带之间设置有氮化铝电阻；所述氮化铝电阻有三个，其分别为第一氮化铝电阻、第二氮化铝电阻和第三氮化铝电阻，所述第一、第二及第三氮化铝电阻相互并联。

所述上、下腔体的相对位置处分别均布有结构相同的第一通槽；所述柔性电缆包括内导体和外导体，所述内、外导体之间设置有介质层；所述内导体的输入端与上述上腔电路输出微带相连，内导体的输出端与上述下腔电路输入微带相连；所述上腔体的第一通槽与下腔体的第一通槽之间设置有定位块，所述定位块上开设有卡槽，所述柔性电缆的一部分卡接在该卡槽内。

所述上腔输入连接器与下腔输出连接器同轴布置。

所述上腔体上设置有主要用于盛放16路功分器、功率放大器芯片及兰格耦合器的第一金属腔，所述下腔体上设置有主要用于盛放8路功分器、下腔电路输入微带及下腔电路输出微带的第二金属腔。

所述上、下腔体的外轮廓均呈正十边形，所述上、下腔体的相对位置处分别均布有结构相同的第二通槽。

由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：

1、本发明利用柔性电缆连接平面微带多路多向的分配/合成电路，使其扩展成立体空间合成技术，相对于传统的平面电路功率分配/合成和波导空间功率合成而言，本发明解决了插损过大，功率容量低的问题，提高了合成效率，增加了散热面积，减少了体积，且可以实现宽频带覆盖，适用于微波低频段功率的分配/合成。

2、本发明在形状上呈多向辐射状，改变了传统功分器输入输出单一方向的缺点，在单位面积上增加了合成路数，减少了连接多个功分器的直通微带线的长度，且此功分器在每一方向每一路上均高度对称，因此，本发明具有很好的幅度和相位一致性，从而有效避免了幅相不一致所带来的能量损耗，大大提高了合成效率。

3、本发明中的16路功分器和8路功分器采用台阶阻抗变换方式和渐变线阻抗变换的匹配方式扩展带宽，可在微波频段范围内方便地实现超宽带频率覆盖；本发明采用兰格耦合器进行相邻两路间信号功率的分配/合成，增大了相邻两路功率放大器的隔离，使本发明的失效性能变好，合成效率提高。

4、本发明体积小，相对于传统的波导功率分配/合成器而言，本发明对腔体的加工精度要求低，易于加工装配。

5、本发明尤其适用于微波和毫米波低频频段。

附图说明

图1为本发明中上腔体的结构示意图。

图2为本发明中下腔体的结构示意图。

图3为本发明中16路功分器的结构示意图。

图4为图3的局部放大图。

图5为本发明中8路功分器的结构示意图。

图6为本发明中定位块的结构示意图。

其中，

1、上腔体  2、第一通槽  3、第二通槽  4、16路功分器  5、定位孔  6、上腔输入连接器  7、上腔电路输入微带  8、功率放大器芯片  9、兰格耦合器  10、上腔电路输出微带  11、柔性电缆  12、第一金属腔  13、下腔体  14、第二金属腔  15、下腔电路输入微带  16、下腔电路输出微带  17、下腔输出连接器  18、8路功分器  19、第一氮化铝电阻  20、第二氮化铝电阻  21、第三氮化铝电阻  22、定位块  23、卡槽

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。

如图1及图2所示，一种基于柔性连接的微带多向功率分配/合成器，包括腔体和微带，所述腔体包括上腔体1和下腔体13，所述上腔体1内设置有上表面功率分配网络，下腔体13内设置有下表面功率合成网络；所述上、下腔体的外轮廓均呈正十边形，所述上、下腔体的相对位置处分别均布有结构相同的第一通槽2和第二通槽3，所述第一通槽2为上表面功率分配网络和下表面功率合成网络间的连接提供空间，所述第二通槽3的设置，减少了腔体的重量，增加了散热面积；所述上、下腔体上还均布有多个位置相对的定位孔5，所述上、下腔体间为螺纹连接；所述上表面功率分配网络包括上腔电路，下表面功率合成网络包括下腔电路，所述微带包括上腔电路输入微带7、上腔电路输出微带10、下腔电路输入微带15及下腔电路输出微带16；所述上腔电路包括依次相连的上腔输入连接器6、16路功分器4、功率放大器芯片8和兰格耦合器9，所述下腔电路包括相互连接的下腔输出连接器17和8路功分器18，所述上腔输入连接器6与下腔输出连接器17同轴布置，所述上腔电路和下腔电路通过柔性电缆11相连；此外，所述上腔体1上还设置有主要用于盛放16路功分器4、功率放大器芯片8及兰格耦合器9的第一金属腔12，所述下腔体13上还设置有主要用于盛放8路功分器18、下腔电路输入微带15及下腔电路输出微带16的第二金属腔14。

如图3、图4及图5所示，所述16路功分器4和8路功分器18均包括依次相连的第一级功分器、第二级功分器和第三级功分器，且所述16路功分器4和8路功分器18的第二级功分器均有两个、第三级功分器均有四个。

如图1至图5所示，所述上腔电路输入微带7的输入端连接所述上腔输入连接器6的输出端，所述上腔电路输入微带7穿经上述16路功分器4的第一级功分器后被分为二路微带，该二路微带穿经上述16路功分器4的两个第二级功分器后被分为四路微带，该四路微带穿经上述16路功分器4的四个第三级功分器后被分为十六路微带，该十六路微带分别接入功率放大器芯片8，由此可见，所述上腔电路输入微带7依次穿经上述16路功分器4的第一、第二和第三级功分器后，其所传输的信号变为十六路信号输出，所述功率放大器芯片8可对该十六路信号的功率进行放大，与所述十六路微带及十六路信号相对应，所述功率放大器芯片8有16个，其中，每两个功率放大器芯片8与一个上述兰格耦合器9相连，与所述16个功率放大器芯片8相对应，所述兰格耦合器9有8个；所述兰格耦合器9将经功率放大器芯片进行功率放大后的十六路信号合成为八路信号，并将该八路信号传输至上腔电路输出微带10，与所述八路信号相对应，所述上腔电路输出微带10有八根，所述八根上腔电路输出微带10通过八根柔性电缆11与下腔电路输入微带15相连，与所述八根上腔电路输出微带10相对应，所述下腔电路输入微带15有八根，所述八根下腔电路输入微带15分别接入上述8路功分器18，所述八根下腔电路输入微带15所传输的信号穿经所述8路功分器18的四个第三级功分器后变为四路信号输出至所述8路功分器18的两个第二级功分器并变为二路信号输出，该二路信号被传输至所述8路功分器18的第一级功分器后变为一路信号输出至下腔电路输出微带16，所述下腔电路输出微带16与下腔输出连接器17相连。

如图3、图4及图5所示，所述16路功分器4的第一级功分器的输出端口的角度为180°、第二级功分器的输出端口的角度为90°、第三级功分器的输出端口的角度为36°，所述8路功分器18的第一级功分器的输入端口的角度为180°、第二级功分器的输入端口的角度为90°、第三级功分器的输入端口的角度为36°；所述第一级功分器和第二级功分器采用1/4波长的台阶阻抗变换方式进行两者之间输入与输出的匹配，所述第二级功分器和第三级功分器采用渐变线阻抗变换方式进行两者之间输入输出的匹配；这样的匹配方式使得本发明中的功率分配/合成器在微波频段上带宽展的很宽，可以达到10GHz以上。

如图3、图4及图5所示，穿经所述16路功分器4的上腔电路输入微带7被分为两路微带，该两路微带之间设置有氮化铝电阻；所述氮化铝电阻有三个，其分别为第一氮化铝电阻19、第二氮化铝电阻20和第三氮化铝电阻21，所述第一、第二及第三氮化铝电阻相互并联。

如图1、图2及图6所示，所述柔性电缆11包括内导体和外导体，所述内、外导体之间设置有介质层，所述内、外导体均具有一定的弹性变形量，因此，所述柔性电缆可弯折；所述内导体的输入端与上述上腔电路输出微带10相焊接，内导体的输出端与上述下腔电路输入微带15相焊接；所述上腔体1的第一通槽2与下腔体13的第一通槽2之间设置有定位块22，所述定位块22上开设有卡槽23，所述柔性电缆11穿经所述定位块22的部分卡接在上述卡槽23内，这样可以加强柔性电缆11的外导体的大面积接地，同时利用导电胶将柔性电缆11与腔体粘接，保证了外导体接地良好，不至于形成同轴伦巴；本发明利用柔性电缆11连接上表面功率分配网络和下表面功率合成网络，从而将现有的平面功率合成扩展为空间功率合成；本发明利用柔性电缆改变了微波段多采用平面合成结构的模式，使得功率合成的体积减少，散热面积增加，合成路数增加，进一步提高了功率分配/合成器的合成效率和散热性能。

在微波及毫米波频段，利用本发明中的基于柔性连接的微带多向功率分配/合成器进行传输信号的功率分配与合成，可使所传输信号的工作带宽达10GHz以上，而本发明的体积可减少到平面和波导空间功率分配/合成器的一半以上，工作效率可以由平面功率分配/合成器的50%提高到70%以上。

需要进一步说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种基于柔性连接的微带多向功率分配/合成器，其特征在于：包括腔体和微带，所述腔体包括上腔体和下腔体，所述上腔体内设置有上表面功率分配网络，下腔体内设置有下表面功率合成网络；所述上表面功率分配网络包括上腔电路，下表面功率合成网络包括下腔电路，所述微带包括上腔电路输入微带、上腔电路输出微带、下腔电路输入微带及下腔电路输出微带；所述上腔电路包括依次相连的上腔输入连接器、16路功分器、功率放大器芯片和兰格耦合器，所述下腔电路包括相互连接的下腔输出连接器和8路功分器，所述上腔电路和下腔电路通过柔性电缆相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于柔性连接的微带多向功率分配/合成器，其特征在于：所述16路功分器和8路功分器均包括依次相连的第一级功分器、第二级功分器和第三级功分器，且所述16路功分器和8路功分器的第二级功分器均有两个、第三级功分器均有四个。

3.根据权利要求2所述的一种基于柔性连接的微带多向功率分配/合成器，其特征在于：所述上腔电路输入微带的输入端连接所述上腔输入连接器的输出端，所述上腔电路输入微带依次穿经上述16路功分器的第一、第二和第三级功分器后，其所传输的信号变为十六路信号输出，该十六路信号被传输至功率放大器芯片，所述功率放大器可对该十六路信号的功率进行放大，与所述十六路信号相对应，所述功率放大器芯片有16个，其中，每两个功率放大器芯片与一个上述兰格耦合器相连，与所述16个功率放大器芯片相对应，所述兰格耦合器有8个；所述兰格耦合器将经功率放大器芯片进行功率放大后的十六路信号合成为八路信号，并将该八路信号传输至上腔电路输出微带，与所述八路信号相对应，所述上腔电路输出微带有八根，所述八根上腔电路输出微带通过八根柔性电缆与下腔电路输入微带相连，与所述八根上腔电路输出微带相对应，所述下腔电路输入微带有八根，所述八根下腔电路输入微带分别接入上述8路功分器，所述八根下腔电路输入微带所传输的信号依次穿经8路功分器的第一、第二和第三级功分器后变为一路信号输出至下腔电路输出微带，所述下腔电路输出微带与下腔输出连接器相连。

4.根据权利要求3所述的一种基于柔性连接的微带多向功率分配/合成器，其特征在于：所述16路功分器的第一级功分器的输出端口的角度为180°、第二级功分器的输出端口的角度为90°、第三级功分器的输出端口的角度为36°；所述8路功分器的第一级功分器的输入端口的角度为180°、第二级功分器的输入端口的角度为90°、第三级功分器的输入端口的角度为36°。

5.根据权利要求3或4任一项权利要求所述的一种基于柔性连接的微带多向功率分配/合成器，其特征在于：所述第一级功分器和第二级功分器采用1/4波长的台阶阻抗变换方式进行两者之间输入与输出的匹配，所述第二级功分器和第三级功分器采用渐变线阻抗变换方式进行两者之间输入与输出的匹配。

6.根据权利要求2至4任一项权利要求所述的一种基于柔性连接的微带多向功率分配/合成器，其特征在于：穿经所述16路功分器的上腔电路输入微带被分为两路微带，该两路微带之间设置有氮化铝电阻；所述氮化铝电阻有三个，其分别为第一氮化铝电阻、第二氮化铝电阻和第三氮化铝电阻，所述第一、第二及第三氮化铝电阻相互并联。

7.根据权利要求3所述的一种基于柔性连接的微带多向功率分配/合成器，其特征在于：所述上、下腔体的相对位置处分别均布有结构相同的第一通槽；所述柔性电缆包括内导体和外导体，所述内、外导体之间设置有介质层；所述内导体的输入端与上述上腔电路输出微带相连，内导体的输出端与上述下腔电路输入微带相连；所述上腔体的第一通槽与下腔体的第一通槽之间设置有定位块，所述定位块上开设有卡槽，所述柔性电缆的一部分卡接在该卡槽内。

8.根据权利要求1至3任一项权利要求所述的一种基于柔性连接的微带多向功率分配/合成器，其特征在于：所述上腔输入连接器与下腔输出连接器同轴布置。

9.根据权利要求1所述的一种基于柔性连接的微带多向功率分配/合成器，其特征在于：所述上腔体上设置有主要用于盛放16路功分器、功率放大器芯片及兰格耦合器的第一金属腔，所述下腔体上设置有主要用于盛放8路功分器、下腔电路输入微带及下腔电路输出微带的第二金属腔。

10.根据权利要求7所述的一种基于柔性连接的微带多向功率分配/合成器，其特征在于：所述上、下腔体的外轮廓均呈正十边形，所述上、下腔体的相对位置处分别均布有结构相同的第二通槽。

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