CN103633405B - 基于同轴波导的多路宽带功率合成器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于同轴波导的多路宽带功率合成器,包括输出端、多个输入接头以及将多个输入接头与输出端连接的呈同轴阻抗阶梯状的第一内导体，第一内导体外设有第一外导体且第一外导体与第一内导体之间存在空隙，输出端包括连接头以及圆锥形的第二内导体，第二内导体外设有第二外导体且第二外导体与第二内导体之间存在空隙；第一内导体的阶梯顶部与输出端的第二内导体的锥底连接，第二内导体的锥顶与连接头连接；第一外导体在靠近第一内导体的阶梯底部处等间距地设置有多个通孔，输入接头穿过通孔后通过导电内芯固定在第一内导体上。本发明体积小、损耗小且工作带宽较宽，可覆盖多倍频程，可广泛应用于射频领域中。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率合成器，特别是基于同轴波导的多路宽带功率合成器。
背景技术
功率合成器是一种能够将多个单元的输出功率有效叠加获得更高输出功率的器件，如果可以合成的路数越大，那么在合成端就可以得到更高的输出功率。目前的功率合成器具有各种各样的结构，适用于各种不同的场合，但是总的来说，传统的基于平面的合成器在结构实现上都比较复杂，降低损耗和有效散热问题都很难解决，因而合成效率和合成功率并不理想，而且没有对于高频端的寄生效应优化手段，具有损耗大、传输带宽窄、功率承受能力低的缺点，不适合于大功率合成和高频应用，而目前基于波导的矩形波导合成器虽然弥补了平面合成器的部分不足，具有较高的功率承受能力，但由于其带宽窄，无法覆盖多倍频程。
因此，总的来说，目前的功率合成器技术所碰到的主要难题是如何同时解决损耗大、功率承受能力低以及无法覆盖多倍频程的缺点。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种损耗小、功率承受能力高且覆盖多倍频程的基于同轴波导的多路宽带功率合成器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
基于同轴波导的多路宽带功率合成器，包括输出端、多个输入接头以及将多个输入接头与输出端连接的呈同轴阻抗阶梯状的第一内导体，所述第一内导体外设有第一外导体且第一外导体与第一内导体之间存在空隙，所述输出端包括连接头以及圆锥形的第二内导体，所述第二内导体外设有第二外导体且第二外导体与第二内导体之间存在空隙；
所述第一内导体的阶梯底部位于合成器的输入端，所述第一内导体的阶梯顶部与输出端的第二内导体的锥底连接，所述第二内导体的锥顶与连接头连接；
所述第一外导体在靠近第一内导体的阶梯底部处等间距地设置有多个通孔，且所述通孔的数量与输入接头的数量相等，所述输入接头穿过通孔后通过一导电内芯固定在第一内导体上。
进一步，所述呈同轴阻抗阶梯状的第一内导体是指第一内导体由多节同轴的圆柱形阻抗构成的阶梯状阻抗。
进一步，所述由多节同轴的圆柱形阻抗构成的阶梯状阻抗是利用多节阻抗变换来展宽带宽的。
进一步，所述由多节同轴的圆柱形阻抗构成的阶梯状阻抗是符合Klopfenstein渐变线理论的。
进一步，所述第一内导体与第一外导体之间的空隙填充有绝缘介质。
进一步，所述通孔内填充有绝缘介质。
进一步，所述多个输入接头的数量为4个。
本发明的有益效果是：本发明的基于同轴波导的多路宽带功率合成器，包括输出端、多个输入接头及呈同轴阻抗阶梯状的第一内导体，第一内导体外设有第一外导体且第一外导体与第一内导体之间存在空隙，输入接头穿过第一外导体的通孔后固定在第一内导体上，输出端包括连接头、圆锥形的第二内导体以及第二外导体且第二外导体与第二内导体之间存在空隙，通过对呈同轴阻抗阶梯状的第一内导体进行阻抗匹配，可以使得合成器的长度最短化，实现合成器的小型化，而且通过有效的输入输出阻抗匹配优化，可以使得合成器工作在更高的微波频段，即使得合成器的带宽得到充分展宽，因此本功率合成器体积小、损耗小且工作带宽较宽，可覆盖多倍频程。
同时，通过在输入端的通孔内填充绝缘介质，并且通过控制该绝缘介质的长度和形状来优化阻抗匹配，降低寄生效应，可以使合成器工作到更高的频段。
而且，通过在第一外导体与第一内导体之间的空隙填充绝缘介质，可以提高合成器的击穿电压，增加合成器的功率承受能力。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是N路功率合成器的原理示意图；
图2是本发明的基于同轴波导的多路宽带功率合成器的第一结构示意图；
图3是图2所示的基于同轴波导的多路宽带功率合成器的左视图；
图4是本发明的基于同轴波导的多路宽带功率合成器的第二结构示意图；
图5是本发明的基于同轴波导的多路宽带功率合成器的横截面示意图；
图6是本发明的第一实施例中的图5的A-A向局部剖视结构示意图；
图7是本发明的第二实施例中的图5的A-A向局部剖视结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于同轴波导的多路宽带功率合成器，包括输出端、多个输入接头以及将多个输入接头与输出端连接的呈同轴阻抗阶梯状的第一内导体，所述第一内导体外设有第一外导体且第一外导体与第一内导体之间存在空隙，所述输出端包括连接头以及圆锥形的第二内导体，所述第二内导体外设有第二外导体且第二外导体与第二内导体之间存在空隙；
所述第一内导体的阶梯底部位于合成器的输入端，所述第一内导体的阶梯顶部与输出端的第二内导体的锥底连接，所述第二内导体的锥顶与连接头连接；
所述第一外导体在靠近第一内导体的阶梯底部处等间距地设置有多个通孔，且所述通孔的数量与输入接头的数量相等，所述输入接头穿过通孔后通过一导电内芯固定在第一内导体上。
进一步作为优选的实施方式，所述呈同轴阻抗阶梯状的第一内导体是指第一内导体由多节同轴的圆柱形阻抗构成的阶梯状阻抗。
进一步作为优选的实施方式，所述由多节同轴的圆柱形阻抗构成的阶梯状阻抗是利用多节阻抗变换来展宽带宽的。
进一步作为优选的实施方式，所述由多节同轴的圆柱形阻抗构成的阶梯状阻抗是符合Klopfenstein渐变线理论的。
进一步作为优选的实施方式，所述第一内导体与第一外导体之间的空隙填充有绝缘介质。
进一步作为优选的实施方式，所述通孔内填充有绝缘介质。
进一步作为优选的实施方式，所述多个输入接头的数量为4个。
下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1
N路功率合成器的原理参照图1所示，N路功率合成器有一个公共的输出端口Pin，有N个输入端口P1到PN，假设输入端口的阻抗都一致为ZL，那么N路并联后的阻抗为ZL/N，如果Zin和ZL到按照射频阻抗的标准值50欧姆选取，Zin和ZL/N就有了N倍的差别，能量无法正常传递。
因为N路并联后的阻抗为ZL/N，本实施例中的目的是将该阻抗通过阻抗变换，变大N倍，变为ZL，使得其与Zin一致都是50欧姆，从而实现能量的有效匹配传输。
参照图2至图6，一种基于同轴波导的多路宽带功率合成器，包括输出端1、多个输入接头2以及将多个输入接头与输出端连接的呈同轴阻抗阶梯状的第一内导体3，第一内导体3外设有第一外导体4且第一外导体4与第一内导体3之间存在空隙5，输出端1包括连接头11以及圆锥形的第二内导体12，第二内导体12外设有第二外导体13且第二外导体13与第二内导体12之间存在空隙；
第一内导体3的阶梯底部位于合成器的输入端，第一内导体3的阶梯顶部与输出端1的第二内导体12的锥底连接，第二内导体12的锥顶与连接头11连接；
第一外导体4在靠近第一内导体3的阶梯底部处等间距地设置有多个通孔6，且通孔6的数量与输入接头2的数量相等，输入接头2穿过通孔6后通过一导电内芯7固定在第一内导体3上。
导电内芯7不仅具有将输入接头2固定在第一内导体3上的作用，其本身也是传输介质。
本实施例中，输入接头2的内导体是一个圆柱形的簧片，导电内芯7可以插入该簧片中，实现与输入接头2的连接；第一内导体3上设有螺纹，导电内芯7通过该螺纹拧入并固定在第一内导体3上。
呈同轴阻抗阶梯状的第一内导体3是指第一内导体由多节同轴的圆柱形阻抗构成的阶梯状阻抗，它们是基于利用多节阻抗变换来展宽带宽的理论的，其中Klopfenstein渐变线的设计方式具有最宽的带宽和最优的阻抗匹配。基于Klopfenstein渐变线理论，可以使得合成器的长度最短化，实现合成器的小型化，而且使得合成器的带宽得到充分展宽。相对于目前的平面合成方式来说，本合成器损耗更小，而相对于损耗较小的矩形波导合成方式来说，本合成器的工作带宽更宽。
参见图2、图4及图5所示，第一内导体3是由多节直径逐渐变小的同轴的圆柱形阻抗匹配构成的阶梯状阻抗，第一内导体3的阶梯底部是指图2、图4及图5中第一内导体3的右边部分，该部分较粗，而第一内导体3的阶梯顶部是指图2、图4及图5中第一内导体3的左边部分，该部分比较细，第一内导体3越靠近合成器的输出端就越细，越靠近输入接头就越粗。
当然，合成器还具有封装在第一外导体4以及第二外导体13等外部的外壳，以及必要的连接件等，这里不一一赘述。
参照图5中所示，在第一内导体3的末端即阶梯底部处，为了保证末端电场不被短路，因此第一内导体3的末端距离合成器的外壳的底部有一段距离，以保证电场的存在。多个输入接头通过同轴接头与第一内导体3连接，多个输入接头的内芯直接插入第一内导体3的末端中，第一内导体3的每节阻抗的长度和直径是根据Klopfenstein渐变线理论经过仿真计算得出的，并没有固定的数值，只要是符合Klopfenstein渐变线理论能够实现本发明的阻抗匹配目的，且保证在带宽范围内可以有效抑制寄生效应即可。当本功率合成器应用在频率要求高的场景时，可通过调整第一内导体3的阻抗节数与尺寸，以及优化第一外导体4上的通孔6与输入接头2内设的第二内导体12的尺寸来改善高频端的匹配，使得合成器可以工作在较高的频率段，即覆盖较宽的工作带宽，从而覆盖多倍频程。
参照图2~图6所示，本实施例中输入接头2的数量为4个，相应地，第一外导体4上的通孔数量也为4个，输入接头2均采用N型接头，输出端1的连接头11采用N型端口。
当然，输入接头2的数量也可以是8个、16个或者任意数量，此时，只要适当地改变第一内导体3的阻抗节数以及每节阻抗的长度和直径即可。
实施例2
本实施例与实施例1基本类似，区别在于本实施例在通孔6内填充有绝缘介质，如图7所示，即在导电内芯7的外部位于通孔6的部分填充有绝缘介质。实际中，在通孔6内填充绝缘介质时，也可以同时将导电内芯7的外部位于空隙5的位置处填充上绝缘介质。
填充绝缘介质后，通孔6的介电常数大于空气的介电常数，可以提高合成器的击穿电压，增加合成器的功率承受能力，并进一步缩小合成器的长度。而且，通过控制填充的绝缘介质的长度和形状来优化阻抗匹配，降低寄生效应，也改变了合成器在高频端的匹配，使得合成器可以工作在更高的频段，即覆盖较宽的工作带宽，从而覆盖多倍频程。一般来说，本合成器可以在6G以上的频率中工作。
实施例3
本实施例与实施例1基本类似，区别在于本实施例在第一内导体3与第一外导体4之间的空隙5填充有绝缘介质，填充绝缘介质后，空隙5部分的介电常数大于空气的介电常数，可以提高合成器的击穿电压，增加合成器的功率承受能力，并进一步缩小合成器的长度。而且因为在空隙5中填充了绝缘介质，也改变了合成器在高频端的匹配，使得合成器可以工作在更高的频率，即覆盖较宽的工作带宽，从而覆盖多倍频程。一般来说，本合成器可以在6G以上的频率中工作。
实施例4
本实施例综合了实施例2和实施例3，同时在通孔6和第一内导体3与第一外导体4之间的空隙5填充有绝缘介质，因而本实施例可以更好地提高合成器的击穿电压，增加合成器的功率承受能力，并进一步缩小合成器的长度，而且使得合成器可以工作在更高的频率，即覆盖较宽的工作带宽，从而覆盖多倍频程。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (3)
1.基于同轴波导的多路宽带功率合成器，其特征在于，包括输出端、多个输入接头以及将多个输入接头与输出端连接的呈同轴阻抗阶梯状的第一内导体，所述第一内导体外设有第一外导体且第一外导体与第一内导体之间存在空隙，所述输出端包括连接头以及圆锥形的第二内导体，所述第二内导体外设有第二外导体且第二外导体与第二内导体之间存在空隙；
所述第一内导体的阶梯底部位于合成器的输入端，所述第一内导体的阶梯顶部与输出端的第二内导体的锥底连接，所述第二内导体的锥顶与连接头连接；所述第一内导体越靠近合成器的输出端越细，越靠近输入接头越粗；
所述第一外导体在靠近第一内导体的阶梯底部处等间距地设置有多个通孔，且所述通孔的数量与输入接头的数量相等，所述输入接头穿过通孔后通过一导电内芯固定在第一内导体上；
所述呈同轴阻抗阶梯状的第一内导体是指第一内导体由多节同轴的圆柱形阻抗构成的阶梯状阻抗，所述由多节同轴的圆柱形阻抗构成的阶梯状阻抗是利用多节阻抗变换来展宽带宽的，所述由多节同轴的圆柱形阻抗构成的阶梯状阻抗是符合Klopfenstein渐变线理论的；
所述第一内导体与第一外导体之间的空隙填充有绝缘介质。
2.根据权利要求1所述的基于同轴波导的多路宽带功率合成器，其特征在于，所述通孔内填充有绝缘介质。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的基于同轴波导的多路宽带功率合成器，其特征在于，所述多个输入接头的数量为4个。
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