CN104134843B - 一种低频宽带多路同轴空间功率分配合成器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低频宽带多路同轴空间功率分配合成器及方法。功率分配/合成器包括一个直通同轴波导和一个扩展同轴波导，直通同轴波导内部设有第一内导体，扩展同轴波导内部设有第二内导体；在直通同轴波导上开设有第一50Ω标准同轴端口；第一内导体采用台阶式多级阻抗变换结构；在扩展同轴波导处沿径向等间隔分割出多路分支波导；每路分支波导内部设有一个第三内导体，第三内导体采用台阶式多级阻抗变换结构；在第二内导体上设有环绕第二内导体一周的环形连接导体，每个第三内导体对应的连接在环形连接导体的一个圆周面等分点上；在每路分支波导上开设有一个第二50Ω标准同轴端口。本发明具有合成路数增多、合成效率高、工作频带宽、低损耗等优点。

Description

一种低频宽带多路同轴空间功率分配合成器及方法

技术领域

本发明涉及一种低频宽带多路同轴空间功率分配/合成器、采用所述同轴空间功率分配/合成器的分配方法、以及采用所述同轴空间功率分配/合成器的合成方法。

背景技术

功率分配/合成器是微波电路的重要组成部分，广泛应用于雷达、制导以及通信等领域。随着微波技术的发展，对微波电路的性能指标提出了越来越高的要求，功率分配/合成器作为微波电路的关键部分，其性能指标的优劣将会起到举足轻重的作用。

常见的功率分配/合成器主要分为三类：基于微带线的平面功率分配/合成器、基于波导的空间功率分配/合成器和基于同轴的空间功率分配/合成器。

基于微带线的功率分配/合成器结构简单、易于制作、方便电路集成，然而其功率容量小、插入损耗大。基于波导的功率分配/合成器插入损耗小、功率容量大，然而其在低频段的外形尺寸较大，因此不适应于低频频段。

而具有同轴结构的空间功率分配/合成器能够较好地弥补平面微带功率分配/合成器和波导功率分配/合成器在低频段外形尺寸大的不足。目前在微波低频段，大多采用同轴结构的空间功率分配/合成器，具有频带宽、稳定性好、功率容量大等优点。

传统的基于同轴的空间功率分配/合成器，其分配/合成的路数大部分是两路、三路和四路，而四路以上的并不是很常见，这是因为当合成的路数较多时，在有限的同轴空间内分支的排列将会非常密集，会导致支路间隔离度下降、合成电路的功率容量和效率下降，包含高密度分支线的同轴波导在工艺实现上也将出现困难，不利于进一步增加功率合成路数。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种低频宽带多路同轴空间功率分配/合成器，具有分配/合成路数增多、合成效率高、工作频带宽、低损耗等优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低频宽带多路同轴空间功率分配/合成器，包括一个直通同轴波导和一个扩展同轴波导，直通同轴波导内部设有第一内导体，扩展同轴波导内部设有第二内导体，第一内导体与第二内导体连接；在直通同轴波导上开设有第一50Ω标准同轴端口；第一内导体采用台阶式多级阻抗变换结构；在扩展同轴波导处沿径向等间隔分割出多路分支波导；每路分支波导内部设有一个第三内导体，第三内导体采用台阶式多级阻抗变换结构；在第二内导体上设有环绕所述第二内导体一周的环形连接导体，每个第三内导体对应的连接在环形连接导体的一个圆周面等分点上；在每路分支波导上开设有一个第二50Ω标准同轴端口。

进一步，在环形连接导体的每个圆周面等分点处开设一个安装孔，第三内导体设置在安装孔内部。

进一步，台阶式多级阻抗变换结构的生成方法为：设定同轴外导体的半径，其结构尺寸能够容纳功分n路的分支，得到n路分支的并联阻抗值50/nΩ，其中n为自然数；

在确定内导体多级阻抗匹配时，首先给出内导体多段的特性阻抗值和每段特性阻抗值对应的长度，其中各段的特性阻抗值呈递减变化，且各段的特性阻抗值均处于并联阻抗值50/nΩ到50Ω之间的区间范围；根据内导体的多段阻抗匹配的等效电路图，由ADS仿真软件得出各段特性阻抗值和每段特性阻抗值对应的长度，根据同轴特性阻抗公式和求出的每段特性阻抗值以及确定的外导体的半径，得到同轴内导体各段的半径。

本发明的另一个目的在于提出一种低频宽带多路同轴空间功率分配方法，其采用如下技术方案：

一种低频宽带多路同轴空间功率分配方法，采用上述的低频宽带多路同轴空间功率分配/合成器，功率分配步骤为：

电磁波由第一50Ω标准同轴端口输入，并沿着直通同轴波导传播到达扩展同轴波导，在扩展同轴波导处沿径向等间隔平分为多路，平分后的每路电磁波再沿着一路分支波导到达第二50Ω标准同轴端口，并由第二50Ω标准同轴端口输出。

此外，本发明还提出了一种低频宽带多路同轴空间功率合成方法，其采用如下技术方案：

一种低频宽带多路同轴空间功率合成方法，采用上述的低频宽带多路同轴空间功率分配/合成器，功率合成步骤为：

经过功率放大的各路电磁波分别由一个第二50Ω标准同轴端口输入，并沿着对应的分支波导到达扩展同轴波导，在扩展同轴波导处合成为一路，合成后的电磁波沿着直通同轴波导传播到第一50Ω标准同轴端口，并由第一50Ω同轴端口输出。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)合成路数增多，输出功率大：通过阻抗匹配增加同轴波导的内、外半径来扩展同轴波导的空间，从而容纳更多的分支同轴波导，实现多路数的功率合成。

(2)工作频带宽：环形连接导体的设置与台阶式多级阻抗变换结构的设计，拓宽了功率分配/合成器的工作频宽。

(3)结构紧凑，加工装配简单：本发明直接采用一路分多路的结构形式，大大缩小了装配空间、结构紧凑；另外，由于本发明采用的是同轴结构，同轴线的特性阻抗随机械加工公差的变化小，对同轴线内、外径的尺寸要求不是很严格，机械加工容易。

(4)高幅相一致性：本发明中的功率分配/合成器在扩展同轴处采用轴对称的多路功率分配/合成，多路分支在扩展同轴处径向对称，从而有效避免了幅相不一致性带来的能量损耗，大大提高了功率合成的效率。

(5)具有较低的通路损耗：本发明的功率分配和合成过程均在低损耗的同轴内完成，大大降低了微波毫米波能量的传输损耗。

附图说明

图1为本发明中低频宽带多路同轴空间功率分配/合成器的结构示意图；

图2为图1中低频宽带多路同轴空间功率分配/合成器的俯视图；

图3为图1中低频宽带多路同轴空间功率分配/合成器的内部剖示图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

结合图1至图3所示，一种低频宽带多路同轴空间功率分配器，包括一个直通同轴波导1和一个扩展同轴波导2。

直通同轴波导1和扩展同轴波导2具有相同的外导体6。在直通同轴波导1内部设有第一内导体7，在扩展同轴波导2内部设有第二内导体8，第一内导体7与第二内导体8连接，在直通同轴波导1上开设有第一50Ω标准同轴端口4。第一内导体7采用台阶式多级阻抗变换结构，便于电磁波由第一50Ω标准同轴端口4到扩展同轴波导2、或由扩展同轴波导2到第一50Ω标准同轴端口4的顺利传输。

在扩展同轴波导2处沿径向等间隔分割处八路分支波导3，每路分支波导3内部设有一个第三内导体10，在每路分支波导上开设有一个第二50Ω标准同轴端口5。第三内导体10也采用台阶式多级阻抗变换结构，便于电磁波由扩展同轴波导2到第二50Ω标准同轴端口5、或由第二50Ω标准同轴端口5到扩展同轴波导2的顺利传输。

电磁波首先由标准的第一50Ω标准同轴端口输入，并沿着直通同轴波导1传播，经过多级阻抗变换到达扩展同轴波导2，在扩展同轴波导2处沿径向等间隔平分为8路，平分的8路再沿着八路分支波导3传播，经过多级阻抗变换到达标准的第二50Ω标准同轴端口5，并由第二50Ω标准同轴端口5输出，完成功率的等幅同相分配。

本发明通过增加同轴波导的内、外半径来扩展同轴波导的空间，从而容纳更多的分支波导，径向等间隔分出八路，并不是按常规的先一分四路，分出的每路再一分二路，从而使得整体结构紧凑，易于装配。

由于扩展同轴TEM模在半径为R的圆周上电场幅度相同，沿径向分布，磁场只有轴向φ分量，在半径为R的圆周上磁场幅度相等，方向沿圆周切向，也就是说，扩展同轴电磁场分布具有径向对称性，可实现多路功率分配与合成的高度幅相一致性，从而有效避免了幅相不一致性带来的能量损耗，大大提高了功率合成的效率。

另外，本发明中的第二内导体8并不是直接与第三内导体10连接，而是通过突出的环绕设置在第二内导体上的环形连接导体9与第三内导体10连接，通过这一突出的环形连接导体9，减小了第二内导体8的等效的电感，改善了阻抗匹配，因而大大增加了工作带宽。

具体的，在第二内导体8上设有环绕第二内导体一周的环形连接导体9，每个第三内导体对应的连接在所述环形连接导体的一个圆周面等分点上，通过合理设计环形连接导体的半径r1和长度W1以及第一、第三内导体的多级阻抗匹配结构尺寸，即可实现低频段宽带、多路、低损耗和高效率的基于同轴的功率/分配合成器的设计。

本发明在结构上考虑到工艺加工的可行性，巧妙地运用了多路内导体组合一体化加工技术，即在环形连接导体9的圆周面上按径向等间隔铣出八个安装孔，每个分支波导3的第三内导体设置在安装孔内部，其结构简单、容易加工、易于装配。

为了保证电磁波由第一50Ω标准同轴端口4到低阻抗扩展同轴波导2的顺利传输，本发明给出了多级台阶阻抗变换结构的具体设计方法：

设定直通同轴波导外导体的半径为R，其结构尺寸相对小能够容纳功分8路的分支，8路50Ω分支的并联阻抗值Z1＝50/8Ω＝6.2Ω，根据同轴特性阻抗公式，由上面确定的外导体半径R，得出同轴第一内导体各段的半径r：

在确定第一内导体多级阻抗匹配时，首先给出第一内导体多段的特性阻抗值Z2、Z3、Z4、Z5和对应的长度d2、d3、d4、d5，其中50Ω＞Z5＞Z4＞Z3＞Z2＞6.2Ω；根据第一内导体的多段阻抗匹配的等效电路图，由ADS仿真软件得出Z2、Z3、Z4、Z5和对应的长度d2、d3、d4、d5，根据同轴特性阻抗公式和求出的每段特性阻抗值以及确定的外导体半径R，得到具有多级阻抗变换结构的第一内导体各段的半径r。

从第一50Ω标准同轴端口4经过台阶式多级阻抗变换结构到扩展同轴2，扩展同轴2处电磁波分布具有径向对称性，沿扩展同轴径向对称分出8路，输出的8路具有高度幅相一致性，如图2所示。分出的每路电磁波再经过台阶式多级阻抗变换结构到第二50Ω标准同轴端口4。通过本阻抗变换方法得到的台阶式多级阻抗变换结构实现了良好的输入输出阻抗匹配，多级的阻抗变换也拓宽了工作频带，降低了输入输出端口驻波比。

一种低频宽带多路同轴空间功率合成器，具有与低频宽带多路同轴空间功率合成器相同的结构，其功率合成步骤为：

经过功率放大的各路电磁波分别由一个第二50Ω标准同轴端口5输入，并沿着对应的分支波导3传播，经过台阶式多级阻抗变换结构到达扩展同轴波导2，在扩展同轴波导2处合成为一路，合成后的电磁波沿着直通同轴波导1传播，经过多级阻抗变换结构到达第一50Ω标准同轴端口4，并由第一50Ω标准同轴端口4输出。

需要说明的是，本发明提出的适用于低频段的宽带多路同轴空间功率分配/合成器，填补了在微波低频段四路以上的同轴空间功率分配/合成器的空白，且较传统的功率分配/合成器具有更低的损耗和更高的合成效率，在功率放大器中，基于现有的功放芯片运用本发明，可以大大提高输出功率。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (5)

1.一种低频宽带多路同轴空间功率分配/合成器，包括一个直通同轴波导和一个扩展同轴波导，直通同轴波导内部设有第一内导体，扩展同轴波导内部设有第二内导体，第一内导体与第二内导体连接；在直通同轴波导上开设有第一50Ω标准同轴端口；其特征在于，第一内导体采用台阶式多级阻抗变换结构；在扩展同轴波导处沿径向等间隔分割出多路分支波导；每路分支波导内部设有一个第三内导体，第三内导体采用台阶式多级阻抗变换结构；在第二内导体上设有环绕所述第二内导体一周的环形连接导体，每个第三内导体对应的连接在环形连接导体的一个圆周面等分点上；在每路分支波导上开设有一个第二50Ω标准同轴端口。

2.根据权利要求1所述的一种低频宽带多路同轴空间功率分配/合成器，其特征在于，在环形连接导体的每个圆周面等分点处开设一个安装孔，第三内导体设置在安装孔内部。

3.根据权利要求1所述的一种低频宽带多路同轴空间功率分配/合成器，其特征在于，台阶式多级阻抗变换结构的生成方法为：设定同轴外导体的半径，其结构尺寸能够容纳功分n路的分支，得到n路分支的并联阻抗值50/nΩ，其中n为自然数；

在确定内导体多级阻抗匹配时，首先给出内导体多段的特性阻抗值和每段特性阻抗值对应的长度，其中各段的特性阻抗值呈递减变化，且各段的特性阻抗值均处于并联阻抗值50/nΩ到50Ω之间的区间范围；根据内导体的多段阻抗匹配的等效电路图，由ADS仿真软件得出各段特性阻抗值和每段特性阻抗值对应的长度，根据同轴特性阻抗公式和求出的每段特性阻抗值以及确定的外导体的半径，得到同轴内导体各段的半径。

4.一种低频宽带多路同轴空间功率分配方法，其特征在于，采用如上述权利要求1所述的低频宽带多路同轴空间功率分配/合成器，功率分配步骤为：电磁波由第一50Ω标准同轴端口输入，并沿着直通同轴波导传播到达扩展同轴波导，在扩展同轴波导处沿径向等间隔平分为多路，平分后的每路电磁波再沿着一路分支波导到达第二50Ω标准同轴端口，并由第二50Ω标准同轴端口输出。

5.一种低频宽带多路同轴空间功率合成方法，其特征在于，采用如上述权利要求1所述的低频宽带多路同轴空间功率分配/合成器，功率合成步骤为：经过功率放大的各路电磁波分别由一个第二50Ω标准同轴端口输入，并沿着对应的分支波导到达扩展同轴波导，在扩展同轴波导处合成为一路，合成后的电磁波沿着直通同轴波导传播到第一50Ω标准同轴端口，并由第一50Ω同轴端口输出。