CN104064846B - 一种小型化Ku频段功率合成器 - Google Patents
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Abstract
一种小型化Ku频段功率合成器，包括波导谐振腔，压缩波导宽边的耦合窗和传输波导三部分，具有五个输入波导端口和一个输出波导端口。波导谐振腔主要由五个输入谐振腔和一个输出谐振腔组成，五路等幅同相信号由传输波导输入，通过五个不同的压缩波导宽边的耦合窗口耦合至各路的波导谐振腔体，然后信号通过不同谐振腔传输至输出谐振腔，最后通过输出耦合窗口耦合至输出波导。本发明具有结构紧凑，轻量化，加工简单，可靠性高，易于实现合理的结构布局等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率合成器，特别是涉及到大功率合成技术的小型化，属于地面和卫星通信领域技术领域。
背景技术
Ku频段星载多路高功率合成技术是第二代通信卫星的关注技术，通过功率合成技术大幅度提高星载有效载荷系统Ku频段的发射功率，解决卫星发射端输出功率受行波管放大器输出阈值的限制。在发射机中提高发射功率时，如果单纯靠提高功放增益，功放的热耗等问题会随之出现，影响产品的实际使用，甚至无法在卫星真空环境下使用。而通过使用功率合成器可减小对功放的增益要求，通过多路合成达到发射功率的要求。
目前国内外关于Ku频段多路功率合成器技术主要包括级联的方式和空间功率合成。由于在卫星较小的空间内存在复杂的电子环境，对产品提出较高的要求：较高的合成效率，低电磁泄漏，轻量化、小型化等。空间功率合成和电路合成方式由于效率、电磁兼容比较难达到目标，采用较少。国内应用最广泛的是功分器(桥)和不等功分器(桥)级联实现多路信号合成，见图2，采用功分器(桥)需要在隔离口连接大功率负载以吸收泄露过的能量，体积、重量比较大。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种小型化Ku频段功率合成器，采用谐振式结构，通过谐振器的长度和耦合窗的大小控制各路信号的传输，有效地减少了功率合成器的体积和重量，并且没有任何元器件，提高了产品的可靠性。
本发明的技术解决方案是：
一种小型化Ku频段功率合成器，包括输出谐振腔体、输出过渡波导、短路板、至少三个输入谐振腔体以及与输入谐振腔体一一对应的输入过渡波导；
输出谐振腔体和三个输入谐振腔体依次连接，排列在同一水平面内，输出谐振腔体位于三个输入谐振腔体中间或者两端，输出过渡波导的法兰与输出谐振腔体的T型枝节法兰连接，短路板设置在位于所述Ku频段功率合成器两端的谐振腔体的外侧端口上，各路输入信号分别从各个输入过渡波导进入，由各个输入谐振腔体的T型枝节耦合到对应的输入谐振腔体中，再传输至输出谐振腔体中合成为单路输出信号，最终通过输出过渡波导输出合成信号；
所述输出谐振腔体和输入谐振腔体均工作在TE01δ模，均采用了变形的H面T型结，所述变形的H面T型结是指T型枝节为压缩宽边的波导耦合窗口。
所述输出谐振腔体、输出过渡波导、短路板、输入谐振腔体和输入过渡波导之间的连接处均涂抹导电胶。
所述输入过渡波导和输出过渡波导的法兰上均设置有透气孔。
一种小型化Ku频段功率合成器，输入谐振腔体为五个，分别为第一输入谐振腔体、第二输入谐振腔体、第三输入谐振腔体、第四输入谐振腔体、第五输入谐振腔体；
与第一输入谐振腔体、第二输入谐振腔体、第三输入谐振腔体、第四输入谐振腔体和第五输入谐振腔体一一对应的输入过渡波导分别为第一输入过渡波导、第二输入过渡波导、第三输入过渡波导、第四输入过渡波导和第五输入过渡波导；
第一输入过渡波导、第二输入过渡波导、第三输入过渡波导、第四输入过渡波导和第五输入过渡波导依次分别与第一输入谐振腔体、第二输入谐振腔体、第三输入谐振腔体、第四输入谐振腔体和第五输入谐振腔体连接在一起；
输出谐振腔体和五个输入谐振腔体和依次连接，排列在同一水平面内，输出谐振腔体位于五个输入谐振腔体中间或者两端，输出过渡波导的法兰与输出谐振腔体的T型枝节法兰连接，短路板设置在位于所述Ku频段功率合成器两端的谐振腔体的外侧端口上，各路输入信号分别从各个输入过渡波导进入，由各个输入谐振腔体的T型枝节耦合到对应的输入谐振腔体中，再传输至输出谐振腔体中合成为单路输出信号，最终通过输出过渡波导输出合成信号；
所述输出谐振腔体和五个输入谐振腔体均工作在TE01δ模，均采用了变形的H面T型结，所述变形的H面T型结是指T型枝节为压缩宽边的波导耦合窗口。
所述输出谐振腔体、输出过渡波导、短路板、五个输入谐振腔体和五个输入过渡波导之间的连接处均涂抹导电胶。
所述输入过渡波导和输出过渡波导的法兰上均设置有透气孔。
一种小型化Ku频段功率合成器，第一输入过渡波导、第二输入过渡波导、第三输入过渡波导、第四输入过渡波导和第五输入过渡波导依次分别与第一输入谐振腔体、第二输入谐振腔体、第三输入谐振腔体、第四输入谐振腔体和第五输入谐振腔体连接在一起；
第一输入谐振腔体、第二输入谐振腔体、输出谐振腔体、第三输入谐振腔体、第四输入谐振腔体和第五输入谐振腔体依次连接，排列在同一水平面内，输出过渡波导的法兰与输出谐振腔体的T型枝节法兰连接，短路板设置在第一输入谐振腔体和第五输入谐振腔体的非邻接面端口上，各路输入信号分别从各个输入过渡波导进入，由各个输入谐振腔体的T型枝节耦合到对应的输入谐振腔体中，再传输至输出谐振腔体中合成为单路输出信号，最终通过输出过渡波导输出合成信号；
所述输出谐振腔体和五个输入谐振腔体均工作在TE01δ模，均采用了变形的H面T型结，所述变形的H面T型结是指T型枝节为压缩波导宽边的耦合窗口，耦合窗口和T型结长度通过所需的功分比确定，具体尺寸见表1和表2：表1五路Ku频段功率合成器尺寸
表2五路Ku频段功率合成器相邻谐振器中心距
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明采用谐振式结构，相比于功分桥和不等功分桥级联结构具有体积小，重量轻，易于实现合理的结构布局等特点；
(2)采用功分桥和不等功分桥级联实现功率合成器，其隔离口需要连接大功率负载，而本发明没有采用元器件，完全由金属机加而成，因此，产品可靠性更高；
(3)本发明设计实现灵活，根据该设计方案可推广至实现任意路功率合成；
(4)本发明的谐振腔采用了线性排列，输入输出过渡波导口分别位于产品的两端，有效的减少了其横向尺寸。
附图说明
图1(a)为本发明小型化Ku频段功率合成器整体结构示意图；
图1(b)为本发明小型化Ku频段功率合成器装配后效果示意图；
图2为功分器(桥)和不等功分器(桥)级联实现功率合成器结构示意图；
图3为本发明小型化Ku频段功率合成器谐振腔体结构示意图；
图4为本发明小型化Ku频段功率合成器电磁仿真模型；
图5为本发明小型化Ku频段功率合成器传输特性曲线；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
本发明小型化Ku频段功率合成器，实现功能是将经过功放电路放大的多路信号进行合成，最终输出的总功率远大于单个功放电路的输出功率。在单个功率放大器不能满足系统使用需求时，采用功率合成，解决卫星发射端输出功率受行波管放大器输出阈值的限制。
功率合成器包括输出谐振腔体、输出过渡波导、短路板、至少三个输入谐振腔体以及与输入谐振腔体一一对应的输入过渡波导；
输出谐振腔体和三个输入谐振腔体依次连接，排列在同一水平面内，输出谐振腔体位于三个输入谐振腔体中间或者两端，输出过渡波导的法兰与输出谐振腔体的T型枝节法兰连接，短路板设置在位于所述Ku频段功率合成器两端的谐振腔体的外侧端口上，各路输入信号分别从各个输入过渡波导进入，由各个输入谐振腔体的T型枝节耦合到对应的输入谐振腔体中，再传输至输出谐振腔体中合成为单路输出信号，最终通过输出过渡波导输出合成信号；
所述输出谐振腔体和输入谐振腔体均工作在TE01δ模，均采用了变形的H面T型结，所述变形的H面T型结是指T型枝节为压缩波导宽边的耦合窗口。每个输入谐振腔体的T型结的长度均不同，为了减少电磁泄漏，输出谐振腔体、输出过渡波导、短路板、输入谐振腔体和输入过渡波导之间的连接处均涂抹导电胶。输入过渡波导和输出过渡波导均在法兰上设置有透气孔。
进一步的，本发明提出了一种五输入谐振腔体的Ku频段功率合成器，输入谐振腔体为五个，分别为第一输入谐振腔体1、第二输入谐振腔体2、第三输入谐振腔体3、第四输入谐振腔体4、第五输入谐振腔体5；
与第一输入谐振腔体1、第二输入谐振腔体2、第三输入谐振腔体3、第四输入谐振腔体4和第五输入谐振腔体5一一对应的输入过渡波导分别为第一输入过渡波导10、第二输入过渡波导11、第三输入过渡波导12、第四输入过渡波导13和第五输入过渡波导14；
第一输入过渡波导10、第二输入过渡波导11、第三输入过渡波导12、第四输入过渡波导13和第五输入过渡波导14依次分别与第一输入谐振腔体1、第二输入谐振腔体2、第三输入谐振腔体3、第四输入谐振腔体4和第五输入谐振腔体5连接在一起；
输出谐振腔体和五个输入谐振腔体和依次连接，排列在同一水平面内，输出谐振腔体位于五个输入谐振腔体中间或者两端，输出过渡波导7的法兰与输出谐振腔体6的T型枝节法兰连接，短路板8设置在位于所述Ku频段功率合成器两端的谐振腔体的外侧端口上，各路输入信号分别从各个输入过渡波导进入，由各个输入谐振腔体的T型枝节耦合到对应的输入谐振腔体中，再传输至输出谐振腔体6中合成为单路输出信号，最终通过输出过渡波导7输出合成信号；
所述输出谐振腔体6和五个输入谐振腔体均工作在TE01δ模，均采用了变形的H面T型结，所述变形的H面T型结是指T型枝节为压缩波导宽边的耦合窗口。
输出谐振腔体6、输出过渡波导7、短路板8、五个输入谐振腔体和五个输入过渡波导10～14的法兰上均设置有透气孔，用来解决真空条件下气压内外不平衡导致性能发生变化的问题。
更进一步的，本发明提出的具有五个输入谐振腔体的固定排列的小型化Ku频段功率合成器结构如图1(a)、图1(b)、图3和图4所示，第一输入过渡波导10、第二输入过渡波导11、第三输入过渡波导12、第四输入过渡波导13和第五输入过渡波导14依次分别与第一输入谐振腔体1、第二输入谐振腔体2、第三输入谐振腔体3、第四输入谐振腔体4和第五输入谐振腔体5连接在一起；各个谐振腔体直通端面的法兰通过紧固螺钉连接，还包括支架9；
第一输入谐振腔体1、第二输入谐振腔体2、输出谐振腔体6、第三输入谐振腔体3、第四输入谐振腔体4和第五输入谐振腔体5依次连接，排列在同一水平面内，输出过渡波导7的法兰与输出谐振腔体6的T型枝节法兰连接，短路板8设置在第一输入谐振腔体1和第五输入谐振腔体5的非邻接面端口上，各路输入信号分别从各个输入过渡波导进入，由各个输入谐振腔体的T型枝节耦合到对应的输入谐振腔体中，再传输至输出谐振腔体6中合成为单路输出信号，最终通过输出过渡波导7输出合成信号；
输入过渡波导和输出过渡波导的法兰上均设置有透气孔，用来解决真空条件下气压内外不平衡导致性能发生变化的问题。在T型枝节法兰下端设计有与支架9连接的孔位，支架9的上端连接在谐振腔体的T型枝节法兰上，下端连接在底板或者平台上，为了增强导热性能，连接面处均涂抹导热材料。
所述输出谐振腔体6和五个输入谐振腔体均工作在TE01δ模，均采用了变形的H面T型结，所述变形的H面T型结是指T型枝节为压缩波导宽边的耦合窗口，耦合窗口和T型结长度通过所需的功分比确定，具体尺寸见表1和表2.
表1五路Ku频段功率合成器尺寸
表2五路Ku频段功率合成器相邻谐振器中心距
小型化Ku频段五路功率合成器仿真计算包括以下步骤：
1)在商用仿真软件uwave或者HFSS中利用特征模求解器，建立谐振腔模型，选用相应的波导使其工作在工作频率上。
2)根据多路功率合成器的路数，计算出其功分比C＝10lgP3/P1。以本发明为例，采用了五路功率合成器，其功分比为10lg(1/5)＝-7dB。
3)然后在软件中设置优化目标和优化变量，在设置中需要保证，输出公共端回波损耗要求低于-25dB，各路输入端至输出端的平衡度小于0.5dB。给出相应的初值和优化范围就可以进行仿真优化计算，最终达到优良的仿真结果。
4)图5给出了仿真的传输曲线；
最终本发明能够达到的性能参数及指标，如表3所示：
表3功率合成技术指标
| 项目 | 指标要求 |
| 输入信号通道数 | 5路 |
| 工作频率(GHz) | 12.45～12.55 |
| 平衡度(dB) | ≤0.5 |
| 每路信号输入功率(W) | 150 |
| 功率合成效率 | ≥90％ |
| 驻波比(BJ120) | ≤1.25 |
本发明的原理：根据微波传输原理，要求五路输入信号等幅同相，使合成效率最大。五路输入信号分别从过渡波导10～14输入，经过压缩波导宽边的T型枝节耦合至各个输入谐振腔体1～5内，然后传输至输出谐振腔体6，合成为单路输出信号，经由输出耦合窗口传输到输出口。靠近两端的输入谐振腔体需要短路片8连接，各个谐振腔通过紧固螺钉连接，产品最终通过散热支架9与底板或者平台连接，有效传导热耗所产生的能量。
采用谐振式结构的功率合成器，信号通过谐振传输，有利于实现小型化：以五路Ku频段的功分桥和不等功分桥级联功率合成器为例，其安装面分布范围为500mm*700mm，而五路Ku频段谐振式功率合成器的安装面大小仅为120mm*300mm，有效地减小产品在卫星上的安装面积。
本发明的具体外形结构和信号输入通道的数量不受上述具体实施方式所限，可根据使用的具体要求，设计不同外形结构和不同数量的信号输入通道。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
Claims (7)
1.一种小型化Ku频段功率合成器，其特征在于：包括输出谐振腔体、输出过渡波导、短路板、至少三个输入谐振腔体以及与输入谐振腔体一一对应的输入过渡波导；
输出谐振腔体和三个输入谐振腔体依次连接，排列在同一水平面内，输出谐振腔体位于三个输入谐振腔体中间或者两端，输出过渡波导的法兰与输出谐振腔体的T型枝节法兰连接，短路板设置在位于所述Ku频段功率合成器两端的谐振腔体的外侧端口上，各路输入信号分别从各个输入过渡波导进入，由各个输入谐振腔体的T型枝节耦合到对应的输入谐振腔体中，再传输至输出谐振腔体中合成为单路输出信号，最终通过输出过渡波导输出合成信号；
所述输出谐振腔体和输入谐振腔体均工作在TE01δ模，均采用了变形的H面T型结，所述变形的H面T型结是指T型枝节为压缩宽边的波导耦合窗口。
2.根据权利要求1所述的一种小型化Ku频段功率合成器，其特征在于：所述输出谐振腔体、输出过渡波导、短路板、输入谐振腔体和输入过渡波导之间的连接处均涂抹导电胶。
3.根据权利要求1所述的一种小型化Ku频段功率合成器，其特征在于：所述输入过渡波导和输出过渡波导的法兰上均设置有透气孔。
4.根据权利要求1中任一项所述的一种小型化Ku频段功率合成器，其特征在于：所述输入谐振腔体为五个，分别为第一输入谐振腔体(1)、第二输入谐振腔体(2)、第三输入谐振腔体(3)、第四输入谐振腔体(4)、第五输入谐振腔体(5)；
与第一输入谐振腔体(1)、第二输入谐振腔体(2)、第三输入谐振腔体(3)、第四输入谐振腔体(4)和第五输入谐振腔体(5)一一对应的输入过渡波导分别为第一输入过渡波导(10)、第二输入过渡波导(11)、第三输入过渡波导(12)、第四输入过渡波导(13)和第五输入过渡波导(14)；
第一输入过渡波导(10)、第二输入过渡波导(11)、第三输入过渡波导(12)、第四输入过渡波导(13)和第五输入过渡波导(14)依次分别与第一输入谐振腔体(1)、第二输入谐振腔体(2)、第三输入谐振腔体(3)、第四输入谐振腔体(4)和第五输入谐振腔体(5)连接在一起；
输出谐振腔体和五个输入谐振腔体和依次连接，排列在同一水平面内，输出谐振腔体位于五个输入谐振腔体中间或者两端，输出过渡波导(7)的法兰与输出谐振腔体(6)的T型枝节法兰连接，短路板(8)设置在位于所述Ku频段功率合成器两端的谐振腔体的外侧端口上，各路输入信号分别从各个输入过渡波导进入，由各个输入谐振腔体的T型枝节耦合到对应的输入谐振腔体中，再传输至输出谐振腔体(6)中合成为单路输出信号，最终通过输出过渡波导(7)输出合成信号；
所述输出谐振腔体(6)和五个输入谐振腔体均工作在TE01δ模，均采用了变形的H面T型结，所述变形的H面T型结是指T型枝节为压缩宽边的波导耦合窗口。
5.根据权利要求4所述的一种小型化Ku频段功率合成器，其特征在于：所述输出谐振腔体(6)、输出过渡波导(7)、短路板(8)、五个输入谐振腔体和五个输入过渡波导之间的连接处均涂抹导电胶。
6.根据权利要求4所述的一种小型化Ku频段功率合成器，其特征在于：所述输入过渡波导和输出过渡波导的法兰上均设置有透气孔。
7.根据权利要求4所述的一种小型化Ku频段功率合成器，其特征在于：
第一输入过渡波导(10)、第二输入过渡波导(11)、第三输入过渡波导(12)、第四输入过渡波导(13)和第五输入过渡波导(14)依次分别与第一输入谐振腔体(1)、第二输入谐振腔体(2)、第三输入谐振腔体(3)、第四输入谐振腔体(4)和第五输入谐振腔体(5)连接在一起；
第一输入谐振腔体(1)、第二输入谐振腔体(2)、输出谐振腔体(6)、第三输入谐振腔体(3)、第四输入谐振腔体(4)和第五输入谐振腔体(5)依次连接，排列在同一水平面内，输出过渡波导(7)的法兰与输出谐振腔体(6)的T型枝节法兰连接，短路板(8)设置在第一输入谐振腔体(1)和第五输入谐振腔体(5)的非邻接面端口上，各路输入信号分别从各个输入过渡波导进入，由各个输入谐振腔体的T型枝节耦合到对应的输入谐振腔体中，再传输至输出谐振腔体(6)中合成为单路输出信号，最终通过输出过渡波导(7)输出合成信号；
所述输出谐振腔体(6)和五个输入谐振腔体均工作在TE01δ模，均采用了变形的H面T型结，所述变形的H面T型结是指T型枝节为压缩波导宽边的耦合窗口，耦合窗口和T型结长度通过所需的功分比确定，具体尺寸见表1和表2：
表1五路Ku频段功率合成器尺寸
表2五路Ku频段功率合成器相邻谐振器中心距
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| EP0232901B1 (fr) * | 1986-02-10 | 1991-10-16 | Alcatel Espace | Dispositif répartiteur de puissance dans un guide d'ondes fonctionnant en polarisation linéaire |
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2014
- 2014-06-27 CN CN201410299779.1A patent/CN104064846B/zh active Active
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