CN105896001A - 星载s频段双工器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种星载S频段双工器，采用全介质波导滤波器结构来实现耐大功率低气压放电，其包括：调谐螺钉、柔性电缆、调谐结构件、SMA接头、金属外壳、特制螺钉、和全介质波导滤波器结构，其中，全介质波导滤波器结构由通道滤波器由两个H面波导阶梯耦合滤波通道构成，并且每个H面波导阶梯耦合滤波通道采用的是陶瓷介质波导滤波器。因此，采用本发明，体积小，结构简单，低气压功率容量大，不存在低气压放电现象，同时提高了产品功率耐受能力，增加了陶瓷介质的抗力学环境性能，实现了一体化结构设计，增加了抗力学环境的性能，提高了双工器的可靠性。

Description

星载S频段双工器

技术领域

本发明属于导航领域，具体涉及一种采用全介质波导滤波器结构来实现耐大功率低气压放电的星载S频段双工器。

背景技术

双工器是卫星测控分系统重要组成部分，将测控固放送来的下行测控信号传输给合成/分路器(测控天线)，同时将合成/分路器(测控天线)送来的上行测控信号传输给非相干扩频应答机(应急应答机)。双工器在卫星入轨及入轨后的全过程工作。在航天航空领域，由于飞行器空间有限，所以迫切需要体积小、重量轻的设备，所以卫星对产品重量、体积、电性能的要求极为苛刻，一般双工器设备随着体积的减小必然会导致其功率容量及耐低气压能力的下降，卫星要求双工器小型化的同时具有20W耐大功率低气压放电的能力。

双工器用于航天飞行器，需具有适应苛刻的空间力学、温度和辐照环境的能力，具备长寿命和高可靠性，且重量和体积必须在航天飞行器的承载范围之内。在功能上，要求能够将两种不同频率的载波信号合成一路或将包含不同频率载波的一路信号分成两路输出；在性能上，要求具有宽频带、高隔离、低损耗、耐大功率低气压放电能力等。

目前航天飞行器所用双工器，按频率分类，包括S频段双工器、Ku、Ka频段双工器等；以及按组成和结构形式分类，包括同轴腔体结构、波导腔体结构等。波导腔体结构相比同轴谐振腔结构而言，其体积和重量较大，在卫星上的应用受到制约，一般仅适用于高频段，而在S频段上鲜有应用。如图1所示，现有技术中为航天器所用的S频段双工器/多工器多采用空气腔同轴谐振结构或介质同轴谐振结构，该结构体积较大，重量较重，耐大功率低气压放电能力较差。该结构的耐大功率低气压放电能力与设备体积成正比，体积越大，耐大功率低气压放电能力越强，故无法兼顾小型化和耐大功率低气压放电。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，针对现有S频段双工器、多工器无法满足卫星要求，本发明提出了一种星载S频段耐大功率低气压放电双工器，采用高介电常数陶瓷介质全填充波导滤波器结构，通过在陶瓷介质外表面镀银处理，模拟波导滤波器电壁，利用陶瓷的高介电常数实现设备小型化的目的，该结构内部无空气，不存在低气压放电问题。另外陶瓷介质击穿强度高，能够在保证整体性能的前提下达到大功率耐受的目的。

本发明提供了一种星载S频段双工器，采用全介质波导滤波器结构来实现耐大功率低气压放电，其包括：调谐螺钉、柔性电缆、调谐结构件、超小A型(Sub-miniature-A，以下简称为SMA)接头、金属外壳、特制螺钉、和全介质波导滤波器结构，其中，全介质波导滤波器结构由通道滤波器由两个H面波导阶梯耦合滤波通道构成，并且每个H面波导阶梯耦合滤波通道采用的是陶瓷介质波导滤波器。

优选地，陶瓷介质波导滤波器为高介电常数陶瓷介质全填充波导滤波器，并且其陶瓷外表面经过镀银处理，用于模拟作为电壁。调谐结构件与陶瓷介质波导滤波器的银镀层之间通过焊接连接在一起，以及调谐螺钉深入到陶瓷介质波导滤波器内的调节孔中，用于进行频率微调以实现对应的电性能。

额外地，根据本发明的星载S频段双工器还包括：GD414硅橡胶(一种硅橡胶，中文名称是脱醇型单组分室温硫化硅橡胶)，用于陶瓷介质波导滤波器与金属外壳之间的粘接，从而使它们连为一体以及对陶瓷介质滤波器与金属外壳之间的接触进行缓冲以提高抗力学能力。

具体地，特制螺钉被通过焊接和胶粘的方式固定在陶瓷介质波导滤波器之间，并且用于将陶瓷介质波导滤波器与金属外壳进行连接以形成串联。金属外壳与SMA接头之间采用的是螺接方式，并且在螺接连接处经过点胶处理以确保连接可靠性。

在本发明中，全介质波导滤波器结构采用折叠滤波器的方式，并且两个H面波导阶梯耦合滤波通道的合路器结构采用的是T型接头，柔性电缆，用于通过调节其的长度来实现陶瓷介质波导滤波器之间的匹配，以及全介质波导滤波器结构的输入输出耦合方式为短路电感方式。

H面波导阶梯耦合滤波通道为一体加工而成的六阶波导谐振腔，以及合路器选择预定长度的两段半柔电缆构成的T字型连接件，其中，两段半柔电缆中的一段在接头法兰的固定下进入两个H面波导阶梯耦合滤波通道以实现滤波器的耦合，以及另一端连接输入接头以将信号合成输出。六阶波导谐振腔之间的耦合是通过位于相邻谐振腔之间的耦合窗实现的，调谐螺钉和调谐结构件位于六阶波导谐振腔中的每个谐振腔顶部。

额外地，根据本发明的星载S频段双工器还可以包括：四个安装耳片，位于金属外壳的底板上，用于满足预定的安装精度。

可见，本发明的新型星载S频段耐大功率低气压放电双工器的结构及性能为：由两个H面波导阶梯耦合滤波通道组成，每个滤波通道采用高介电常数陶瓷介质全填充波导滤波器结构，通过在陶瓷介质外表面镀银处理，模拟波导滤波器电壁，利用陶瓷的高介电常数实现设备小型化的目的。该结构内部无空气，不存在低气压放电问题。另外通过两个带“金属小帽”的特制螺钉将两块陶瓷与金属外壳进行连接，通过焊接和胶粘的方式将螺钉固定在陶瓷缝隙中间，从而将双工器中的陶瓷及金属外壳进行串联，使双工器陶瓷与金属外壳实现一体化结构设计，增加了抗力学环境的性能，提高了双工器的可靠性。

因此，通过本发明，与现有技术相比，具有以下优势：

1)本发明的星载S频段耐大功率低气压放电双工器，两个通道的合路器结构采用T型接头，通过调节柔性电缆长度实现两通道滤波器间的匹配，该方式体积小，结构简单，低气压功率容量大；

2)本发明的星载S频段耐大功率低气压放电双工器，其谐振介质为陶瓷材料，通过在陶瓷表面镀银，实现滤波器内部全介质化，没有空气，不存在低气压放电现象，同时陶瓷材料击穿强度大，提高了产品功率耐受能力。现有星载S频段双工器采用空气腔同轴滤波器结构，谐振腔内部有空气，极易发生低气压放电现象，且功率容量较低，要做到同等功率容量，空气腔同轴滤波器体积是介质波导滤波器体积的数倍；以及

3)本发明的星载S频段耐大功率低气压放电双工器，陶瓷介质与金属外壳内壁通过GD414硅橡胶进行粘接，使陶瓷与金属外壳连为一体，GD414硅橡胶同时也起到了陶瓷与金属外壳接触缓冲的作用，增加了陶瓷介质的抗力学环境性能；另外采用两个带“金属小帽”的特制螺钉将两块陶瓷与金属外壳进行连接，通过焊接和胶粘的方式将螺钉固定在陶瓷缝隙中间，从而将双工器中的陶瓷及金属外壳进行串联，使双工器陶瓷与金属外壳实现一体化结构设计，增加了抗力学环境的性能，提高了双工器的可靠性。

另外，经过测试，本实施例的双工器解决了卫星对低气压放电功率容量的要求，能够耐受20W的低气压功率。双工器由两个通道折叠结构组成，两边通道各为六阶波导滤波器结构，满足在工作带宽内插入损耗小于1.5dB，通道间隔离度大于90dB的电性能指标要求。

附图说明

图1为现有技术中的S频段空气腔同轴结构多工器的结构示意图；

图2为本发明的星载S频段耐大功率低气压放电双工器的结构示意图；

图3为本发明的星载S频段耐大功率低气压放电双工器的组成的顶视图；

图4为本发明的星载S频段耐大功率低气压放电双工器的组成的侧视图；

图5为本发明的星载S频段耐大功率低气压放电双工器的外形包络示意图；

图6为本发明所涉及的陶瓷介质的示意图；

图7为本发明所涉及的特制螺钉的示意图；

图8为本发明所涉及的调谐结构件的示意图；以及

图9为本发明的星载S频段耐大功率低气压放电双工器的安装脚印示意图。

具体实施方式

应了解，本发明的星载S频段耐大功率低气压放电双工器包括陶瓷介质滤波器、调谐螺钉、柔性电缆、调谐结构件、特制螺钉、SMA接头、和金属外壳。

在本发明中，双工器为全介质波导滤波器结构，采用两个H面波导阶梯耦合滤波器构成通道滤波器，为节省体积和尺寸，采用折叠滤波器结构。两个通道的合路器结构采用T型接头，通过调节柔性电缆长度实现两通道滤波器间的匹配，该方式体积小，结构简单，低气压功率容量大。

全介质波导滤波器的输入输出耦合方式采用短路电感方式。两个通道的介质波导滤波器放置在金属外壳内，介质材料采用高介电常数的氧化钛基陶瓷介质，其介电常数在20.5左右，其介质损耗角正切小于0.00012，热胀系数在±10PPM以内，该材料较硬但很脆，为提高陶瓷的抗力学环境能力，在结构设计时，将陶瓷与金属外壳内壁通过GD414硅橡胶进行粘接，使陶瓷与金属外壳连为一体，GD414硅橡胶同时也起到了陶瓷与金属外壳接触缓冲的作用，增加了陶瓷介质的抗力学环境性能。另外考虑到GD414硅橡胶粘接性能的可靠性问题，通过两个带“金属小帽”的特制螺钉将两块陶瓷与金属外壳进行连接，通过焊接和胶粘的方式将螺钉固定在陶瓷缝隙中间，从而将双工器中的陶瓷及金属外壳进行串联，使双工器陶瓷与金属外壳实现一体化结构设计，增加了抗力学环境的性能，提高了双工器的可靠性。

进一步的，全介质波导滤波器的陶瓷材料采用模具一次压铸成型，然后再经过磨削和金属化镀覆，镀覆采用银材料，厚度不小于7μ。

调谐结构件与介质波导滤波器金属镀层焊接连接，通过调谐螺钉深入到介质腔体预留的调节孔中进行频率微调，从而实现相应的电性能。

下面结合附图2-图9及具体实施方式对本发明进行详细说明。具体地，图2为星载S频段耐大功率低气压放电双工器的结构示意图，图3和图4分别为星载S频段耐大功率低气压放电双工器的组成的顶视图和侧视图，图5为星载S频段耐大功率低气压放电双工器的外形包络示意图，图6为陶瓷介质的示意图，图7为特制螺钉的示意图，图8为调谐结构件的示意图，图9为星载S频段耐大功率低气压放电双工器的安装脚印示意图。

本发明专利涉及一种星载S频段耐大功率低气压放电双工器，针对现有S频段双工器无法满足卫星要求，设计了一种双工器：采用全介质波导滤波器结构，能够实现双工器小型化设计，同时全介质波导滤波器相比传统空气腔同轴谐振滤波器，其谐振介质选用陶瓷材料，介电常数大，击穿强度高，全介质填充不存在低气压放电问题，且提高了双工器功率耐受能力，最终实现双工器耐大功率低气压放电的设计目标。本发明专利适用于但不仅限于导航卫星用双工器。

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图2-图5所示，S频段双工器是双通道滤波器通过合路方式组合的整体，每个通道滤波器单独设计，再通过合路器进行合路，两个通道的合路器结构采用T型接头，通过调节柔性电缆长度实现两通道滤波器间的匹配。为了保证有较大的功率容量，满足输入20W的低气压功率，选择介质波导滤波器结构，通道滤波器由大小不同的六个波导谐振腔体构成，谐振材料选用介电常数为20.5±0.1陶瓷材料，陶瓷表面镀银处理，谐振腔高度为四分之一介质波长，约为10mm。为提高陶瓷的抗力学环境能力，在结构设计时，将陶瓷与金属外壳通过GD414硅橡胶进行粘接，使陶瓷与金属外壳连为一体，GD414硅橡胶同时也起到了陶瓷与金属外壳接触缓冲的作用，增加了陶瓷介质的抗力学环境性能。

另外考虑到GD414硅橡胶粘接性能的可靠性问题，通过两个带“金属小帽”的特制螺钉将两块陶瓷与金属外壳进行连接，通过焊接和胶粘的方式将螺钉固定在陶瓷缝隙中间，从而将双工器中的陶瓷及金属外壳进行串联，使双工器陶瓷与金属外壳实现一体化结构设计，增加了抗力学环境的性能，提高了双工器的可靠性。

每个谐振腔顶部都有调谐螺钉和调谐结构件，调谐结构件与介质波导滤波器金属镀层焊接连接，通过调谐螺钉深入到介质腔体预留的调节孔中进行频率微调，调节范围为5mm。谐振腔之间的耦合通过耦合窗实现，耦合窗安排在相邻谐振腔之间，为长方形状，四周倒圆角，通过耦合窗上的调谐螺钉可以微调谐振腔间的耦合，调节范围为5mm。通道合路器选择两段适当长度的半柔电缆构成T字型连接件，其中两段半柔性电缆在接头法兰的固定下，进入两个通道滤波器，实现滤波器耦合，另一段半柔电缆连接输入接头，将信号合成输出。

S频段双工器外壳采用铝合金加工制作，双工器工作带宽很窄，铝合金的热胀系数为2.2×10^-5/℃，陶瓷介质的热涨系数为8.12×10^-6/℃，考虑到材料的热胀系数对电性能的影响，设计时需要对工作带宽进行修正。

因此，本发明的双工器采用全介质填充波导滤波器结构，通过在介质陶瓷表面镀银，实现滤波器内部全介质化，没有空气，不存在低气压放电现象，同时陶瓷材料击穿强度大，提高了产品功率耐受能力。而现有技术中的星载S频段双工器无法实现20W耐大功率低气压放电能力。

双工器采用高介电常数陶瓷介质作为谐振介质，最大限度地降低了双工器的重量及体积，重量仅0.35kg，为现有技术中的星载S频段双工器重量的三分之一，而体积仅为现有技术中的星载S频段双工器的二分之一。

另外，本发明的星载S频段双工器的工作方式为：在卫星入轨及在轨阶段工作，将测控固放送来的下行测控信号传输给合成分路器，同时将合成分路器送来的上行测控信号传输给应答机。

另外，通过以下地面(含真空条件下)试验，验证了本发明的各项性能：

1)通过了星载组件鉴定级力学环境试验(包括：正弦振动、随机振动、冲击试验)，验证本发明的双工器能够承受上述试验载荷的考核，结构无异常变化；

2)通过了星载组件鉴定级热试验(试验温度范围为-35℃～70℃)的考核，试验前后本发明的产品外观及性能均无明显变化，产品性能稳定；以及

3)通过了星载组件鉴定级真空高温功率耐受及低气压放电试验(试验起始温度为45℃以及功率为20W)，试验过程和试验前后产品外观及性能均无明显变化，产品性能稳定。

综上所述，采用本发明，两通道滤波器体积小，结构简单，低气压功率容量大，并且由于谐振介质为陶瓷材料以及通过在陶瓷表面镀银，实现了滤波器内部全介质化，没有空气，不存在低气压放电现象，同时陶瓷材料击穿强度大，提高了产品功率耐受能力，GD414硅橡胶同时也起到了陶瓷与金属外壳接触缓冲的作用，增加了陶瓷介质的抗力学环境性能，而特制螺钉使双工器陶瓷与金属外壳实现一体化结构设计，增加了抗力学环境的性能，提高了双工器的可靠性。

经测试，本实施例的双工器解决了卫星对低气压放电功率容量的要求，能够耐受20W的低气压功率。双工器由两个通道折叠结构组成，两边通道各为六阶波导滤波器结构，满足在工作带宽内插入损耗小于1.5dB，通道间隔离度大于90dB的电性能指标要求。

另外，应了解，本发明专利适用于但不仅限于导航卫星用S频段双工器。

以上仅为本发明专利的较佳实施例而已，并非用于限定本发明专利的保护范围。凡在本发明专利的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种星载S频段双工器，采用全介质波导滤波器结构来实现耐大功率低气压放电，其特征在于，包括：

调谐螺钉、柔性电缆、调谐结构件、超小A型接头、金属外壳、特制螺钉、和全介质波导滤波器结构，

其中，所述全介质波导滤波器结构由通道滤波器由两个H面波导阶梯耦合滤波通道构成，并且每个H面波导阶梯耦合滤波通道采用的是陶瓷介质波导滤波器。

2.根据权利要求1所述的星载S频段双工器，其特征在于，所述陶瓷介质波导滤波器为高介电常数陶瓷介质全填充波导滤波器，并且其陶瓷外表面经过镀银处理，用于模拟作为电壁。

3.根据权利要求2所述的星载S频段双工器，其特征在于，

所述调谐结构件与所述陶瓷介质波导滤波器的银镀层之间通过焊接连接在一起，以及

所述调谐螺钉深入到所述陶瓷介质波导滤波器内的调节孔中，用于进行频率微调以实现对应的电性能。

4.根据权利要求1所述的星载S频段双工器，其特征在于，还包括：

GD414硅橡胶，用于所述陶瓷介质波导滤波器与所述金属外壳之间的粘接，从而使它们连为一体以及对所述陶瓷介质滤波器与所述金属外壳之间的接触进行缓冲以提高抗力学能力。

5.根据权利要求4所述的星载S频段双工器，其特征在于，所述特制螺钉被通过焊接和胶粘的方式固定在所述陶瓷介质波导滤波器之间，并且用于将所述陶瓷介质波导滤波器与所述金属外壳进行连接以形成串联。

6.根据权利要求1所述的星载S频段双工器，其特征在于，所述金属外壳与所述超小A型接头之间采用的是螺接方式，并且在所述螺接连接处经过点胶处理以确保连接可靠性。

7.根据权利要求1所述的星载S频段双工器，其特征在于，

所述全介质波导滤波器结构采用折叠滤波器的方式，并且所述两个H面波导阶梯耦合滤波通道的合路器结构采用的是T型接头，

所述柔性电缆，用于通过调节其的长度来实现所述陶瓷介质波导滤波器之间的匹配，以及

所述全介质波导滤波器结构的输入输出耦合方式为短路电感方式。

8.根据权利要求7所述的星载S频段双工器，其特征在于，所述H面波导阶梯耦合滤波通道为一体加工而成的六阶波导谐振腔，以及所述合路器选择预定长度的两段半柔电缆构成的T字型连接件，

其中，所述两段半柔电缆中的一段在接头法兰的固定下进入所述两个H面波导阶梯耦合滤波通道以实现滤波器的耦合，以及另一端连接输入接头以将信号合成输出。

9.根据权利要求8所述的星载S频段双工器，其特征在于，

所述六阶波导谐振腔之间的耦合是通过位于相邻谐振腔之间的耦合窗实现的，以及

所述调谐螺钉和所述调谐结构件位于所述六阶波导谐振腔中的每个谐振腔顶部。

10.根据权利要求1所述的星载S频段双工器，其特征在于，还包括：

四个安装耳片，位于所述金属外壳的底板上，用于满足预定的安装精度。