CN107196029B - 一种改善隔离度的径向波导功率分配/合成器 - Google Patents

一种改善隔离度的径向波导功率分配/合成器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改善隔离度的径向波导功率分配/合成器，包括上盖板、上盖垫片、膜片层盖板、主腔体块、下盖垫片、下盖板、电阻膜片、标准SMA接头、馈电探针，上盖板、上盖垫片、膜片层盖板、主腔体块、下盖垫片、下盖板按顺序组装，且组装后采用螺钉进行整体组合固定，其中上盖垫片和多片电阻膜片置于由上盖板与膜片层盖板组成的空腔中，另外多片电阻膜片和下盖垫片置于由主腔体块与下盖板组成的空腔中，馈电探针末端与标准SMA接头相接。本发明能够有效地改善径向波导类型的功率分配/合成器，且具有较宽的工作频带、低插损、结构容易实现的特点。

Description

一种改善隔离度的径向波导功率分配/合成器
技术领域
本发明涉及微波频段空间功率合成的技术领域，尤其是指一种改善隔离度的径向波导功率分配/合成器。
背景技术
在微波通信系统中，发射机功率的大小决定了整个系统的作用距离和抗干扰能力，高功率放大器是发射机中必不可少的关键部分。由于单个半导体固态器件在微波频段尺寸减小、功率容量下降，其输出功率已经难以满足无线通信电子系统的需求，因此人们采用功率合成网络的方法获得大功率的信号输出。
功率合成技术的关键是实现多路数、低损耗、宽频带、高隔离度、高平衡性的功率分配/合成网络。径向功率分配/合成器由于其能一次实现多路功率等幅同相分配，因而一直是人们研究的热点。另外，在相同的合成路数下，径向合成放大器相对于二进制结构损耗更少，效率更高。径向功率分配/合成器结构一般是通过圆对称传输线在一个圆盘结构中心馈入输入信号，然后在圆盘结构四周引出多个输出端口从而实现一次分配多路的目标。
2008年，Dirk I.L.de Villiers等人在TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY ANDTECHNIQUES上发表了题为“Design of Conical Transmission Line Power CombinersUsing Tapered Line Matching Sections”的文章，该结构采用同轴SMA连接头进行信号的输入和输出，其径向波导呈圆锥形状，能有效大大增加工作带宽。该结构在X波段能达到47％相对带宽，但输出端口的匹配和隔离较差，且该结构存在加工的复杂性，若要将该结构应用于毫米波段讲存在较大困难。
在2009年，宋开军等人在TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES上发表了题为“Planar Probe Coaxial-Waveguide Power Combiner/Divider”的文章，其使用同轴SMA连接头输入信号，信号经过扩展同轴波导传输准TEM模，最后经波导-微带线转换输出。该结构优点在于设计简单，整体紧凑；其缺点是该结构属于谐振型结构，输出端口没有加入隔离电阻，端口的隔离和匹配比较差，另外，随着频段变高，微带结构损耗会越来越大。
在2010年，Young-Pyo Hong等人在TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY ANDTECHNIQUES上发表了题为“Single-Ended and Differential Radial Power CombinersImplemented With a Compact Broadband Probe”的文章，该结构特点为采用宽带的行波单极子作端口探针，在径向波导内实现功率合成。该结构的优点在于其带宽宽，而缺点则是端口隔离度差。
在现有的径向波导内功率合成技术的设计难点在于难以实现输出端口的匹配和隔离。输出端口隔离的功率分配/合成器能有效避免放大器单元的自激，同时当某一路放大器单元损毁时，其余放大器依然能正常工作，输出功率衰落程度可以通过理论计算预测。因此，高隔离度的径向功率合成技术是实现稳定可靠功率合成放大器的重要技术。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种改善隔离度的径向波导功率分配/合成器，能够有效地改善径向波导类型的功率分配/合成器，且具有较宽的工作频带、低插损、结构容易实现的特点。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种改善隔离度的径向波导功率分配/合成器，包括上盖板、上盖垫片、膜片层盖板、主腔体块、下盖垫片、下盖板、电阻膜片、标准SMA接头、馈电探针；所述主腔体块内形成有上下两个开口的空腔，该两个空腔之间连通有一个供用作中心输入/输出端口的标准SMA接头通过的第一中心通孔及围绕该第一中心通孔均匀分布的多个第一贯穿槽；所述膜片层盖板放置在主腔体块上，并盖住主腔体块的上空腔，与该主腔体块构成非封闭径向波导腔体，所述膜片层盖板的上表面中部下沉有一个形成大小与上盖垫片相匹配的容置槽，所述容置槽槽底上开有多个围绕其中心均匀分布的第一通孔，用于通过用作外围输出/输入端口的标准SMA接头，同时该容置槽槽底上开有多个与上述第一通孔交错相间均布的第二贯穿槽，且每个第二贯穿槽上均覆盖有一片电阻膜片；所述上盖垫片放置在膜片层盖板的容置槽中，并垫压覆盖于第二贯穿槽上的电阻膜片，同时该上盖垫片上开有多个与膜片层盖板上的第一通孔一一对应的第二通孔，用于通过用作外围输出/输入端口的标准SMA接头；所述上盖板放置在膜片层盖板上，该上盖板的上表面设有多个围绕其中心均匀分布的第一安装槽，用于放置用作外围输出/输入端口的标准SMA接头，所述第一安装槽槽底上开有供该标准SMA接头通过的第三通孔以及用于固定该标准SMA接头的螺钉孔；每个第一贯穿槽朝向主腔体块下空腔的槽口均覆盖有一片电阻膜片，待第一贯穿槽和第二贯穿槽均覆盖上电阻膜片后，所述膜片层盖板与主腔体块构成封闭径向波导腔体；所述下盖垫片放置在主腔体块的下空腔中，并垫压覆盖于第一贯穿槽上的电阻膜片，该下盖垫片的形状大小与主腔体块的下空腔相匹配，同时该下盖垫片上开有一个与上述第一中心通孔对应的第二中心通孔，用于通过用作中心输入/输出端口的标准SMA接头；所述下盖板中心设有一个第二安装槽，用于放置用作中心输入/输出端口的标准SMA接头，所述第二安装槽槽底上开有供该标准SMA接头通过的第三中心通孔以及用于固定该标准SMA接头的螺钉孔；所述标准SMA接头伸进主腔体块内的一端连接有馈电探针，其另一端与外界信号系统相接；所述上盖板、上盖垫片、膜片层盖板、主腔体块、下盖垫片、下盖板组装后采用螺钉进行整体组合固定。
所述主腔体块内的上、下空腔为形状大小相匹配的圆柱形腔体，其半径初始值、高度初始值由以下公式确定：
R＝λL/2+λM/4
式中，λL为最低工作频率导波波长，λM为中间工作频率导波波长；
H＝λH/2
式中，λH为最高工作频率导波波长。
所述馈电探针由相连的圆柱段与圆锥阻抗渐变段组成，所述圆锥阻抗渐变段尖端与标准SMA接头内导体相接；所述馈电探针总长度由以下公式确定：
L＝λM/4
式中，λM为中间工作频率导波波长。
所述上盖板、上盖垫片、膜片层盖板、主腔体块、下盖垫片、下盖板均为圆形金属件。
所述电阻膜片为在陶瓷基板上覆盖氮化钽的具有电阻性的膜片。
所述第一安装槽和第二安装槽为矩形凹槽。
所述第一贯穿槽和第二贯穿槽为条形槽。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明主要是通过在传统的径向波导功率分配/合成器外围输出/输入端口之间添加电阻性器件来实现端口隔离度的改善。
2、本发明在径向波导功率分配/合成器外围输出/输入端口之间添加电阻性器件，在径向波导内外围输出/输入端口之间的上下金属壁开设贯穿槽，并在径向波导腔体另一端外用电阻性膜片覆盖贯穿槽，封闭径向波导腔体。
3、本发明通过设计一种具有圆锥阻抗渐变段的馈电探针实现，径向波导功率分配/合成器的宽带特性。
附图说明
图1为本发明所述波导径向功率分配/合成器的分拆示意图。
图2为上盖板的上表面图。
图3为上盖垫片的结构示意图。
图4为膜片层盖板的结构示意图。
图5为主腔体块的上表面图。
图6为主腔体块的下表面图。
图7为下盖垫片的结构示意图。
图8为下盖板的下表面图。
图9为本发明整体装配后的侧面剖视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1至图9所示，本实施例所提供的径向波导功率分配/合成器，包括上盖板1、上盖垫片2、膜片层盖板3、主腔体块4、下盖垫片5、下盖板6、电阻膜片7、标准SMA接头、馈电探针。所述上盖板1、上盖垫片2、膜片层盖板3、主腔体块4、下盖垫片5、下盖板6均为圆形金属件(优选铝镀银材料)，所述电阻膜片7为在陶瓷基板上覆盖氮化钽的具有电阻性的膜片。所述主腔体块4内形成有上下两个开口的圆形空腔，该两个上、下空腔41、45之间连通有一个供用作中心输入/输出端口的标准SMA接头91通过的第一中心通孔43及围绕该第一中心通孔43均匀分布的八个第一贯穿槽42(具体为条形槽)，同时该主腔体块4上沿其周向均布有多个螺钉孔44，用于整体结构的装配。所述膜片层盖板3放置在主腔体块4上，并盖住主腔体块4的上空腔41，与该主腔体块4构成非封闭径向波导腔体，所述膜片层盖板3上沿其周向均布有多个与主腔体块4上的螺钉孔44一一对应的螺钉孔33，用于整体结构的装配，同时该膜片层盖板3的上表面中部下沉有一个形成大小与上盖垫片2相匹配的容置槽34，所述容置槽34槽底上开有八个围绕其中心均匀分布的第一通孔31，用于通过用作外围输出/输入端口的标准SMA接头92，同时该容置槽34槽底上开有八个与上述第一通孔31交错相间均布的第二贯穿槽32(具体为条形槽)，且每个第二贯穿槽32上均覆盖有一片电阻膜片7。所述上盖垫片2放置在膜片层盖板3的容置槽34中，并垫压覆盖于第二贯穿槽32上的电阻膜片7，同时该上盖垫片2上开有八个与膜片层盖板3上的第一通孔31一一对应的第二通孔21，用于通过用作外围输出/输入端口的标准SMA接头92。所述上盖板1放置在膜片层盖板3上，该上盖板1的上表面设有八个围绕其中心均匀分布的第一安装槽11(具体为矩形凹槽)，用于放置用作外围输出/输入端口的标准SMA接头92，同时该上盖板1上分布有多个紧定螺钉孔13(用于压紧上盖垫片2)以及多个与主腔体块4上的螺钉孔44一一对应的沉头螺钉孔12(用于整体结构的装配)，所述第一安装槽11槽底上开有供该标准SMA接头92通过的第三通孔111以及用于固定该标准SMA接头92的螺钉孔112。每个第一贯穿槽42朝向主腔体块4下空腔45的槽口均覆盖有一片电阻膜片7，待第一贯穿槽42和第二贯穿槽32均覆盖上电阻膜片7后，所述膜片层盖板3与主腔体块4构成封闭径向波导腔体。所述下盖垫片5放置在主腔体块4的下空腔45中，并垫压覆盖于第一贯穿槽32上的电阻膜片7，该下盖垫片5的形状大小与主腔体块4的下空腔45相匹配，同时该下盖垫片5上开有一个与上述第一中心通孔43对应的第二中心通孔51，用于通过用作中心输入/输出端口的标准SMA接头91。所述下盖板6中心设有一个第二安装槽61(具体为矩形凹槽)，用于放置用作中心输入/输出端口的标准SMA接头91，所述第二安装槽61槽底上开有供该标准SMA接头91通过的第三中心通孔612以及用于固定该标准SMA接头91的螺钉孔611，同时该下盖板6上分布有多个紧定螺钉孔63(用于压紧下盖垫片5)以及多个与主腔体块4上的螺钉孔44一一对应的沉头螺钉孔62(用于整体结构的装配)。用作中心输入/输出端口的标准SMA接头91伸进主腔体块4上空腔41内的一端连接有馈电探针81，其另一端与外界信号系统相接，而用作外围输出/输入端口的标准SMA接头92伸进主腔体块4上空腔41内的一端连接有馈电探针82，其另一端与外界信号系统相接。所述上盖板1、上盖垫片2、膜片层盖板3、主腔体块4、下盖垫片5、下盖板6组装后采用螺钉进行整体组合固定。
所述主腔体块4内的上、下空腔为形状大小相匹配的圆柱形腔体，其半径初始值、高度初始值由以下公式确定：
R＝λL/2+λM/4
式中，λL为最低工作频率导波波长，λM为中间工作频率导波波长；
H＝λH/2
式中，λH为最高工作频率导波波长。确定初始值后，实际尺寸需要通过仿真优化进行确定。
所述馈电探针81、82为金属材质，由相连的圆柱段与圆锥阻抗渐变段组成，所述圆锥阻抗渐变段尖端与标准SMA接头内导体相接；所述馈电探针总长度由以下公式确定：
L＝λM/4
式中，λM为中间工作频率导波波长。确定初始值后，实际尺寸需要通过仿真优化进行确定。
本实施例上述的径向波导功率分配/合成器在作为径向波导功率分配器使用时，其工作过程为：信号从中心的标准SMA接头91输入，经中心的馈电探针81于主腔体块4内激励出信号，信号再经外围的馈电探针82耦合从八个外围的标准SMA接头92输出。当作为径向波导功率合成器使用时其工作过程为上述工作过程的逆过程。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种改善隔离度的径向波导功率分配/合成器，其特征在于：包括上盖板、上盖垫片、膜片层盖板、主腔体块、下盖垫片、下盖板、电阻膜片、标准SMA接头、馈电探针；所述主腔体块内形成有上下两个开口的空腔，该两个空腔之间连通有一个供用作中心输入/输出端口的标准SMA接头通过的第一中心通孔及围绕该第一中心通孔均匀分布的多个第一贯穿槽；所述膜片层盖板放置在主腔体块上，并盖住主腔体块的上空腔，与该主腔体块构成非封闭径向波导腔体，所述膜片层盖板的上表面中部下沉有一个形成大小与上盖垫片相匹配的容置槽，所述容置槽槽底上开有多个围绕其中心均匀分布的第一通孔，用于通过用作外围输出/输入端口的标准SMA接头，同时该容置槽槽底上开有多个与上述第一通孔交错相间均布的第二贯穿槽，且每个第二贯穿槽上均覆盖有一片电阻膜片；所述上盖垫片放置在膜片层盖板的容置槽中，并垫压覆盖于第二贯穿槽上的电阻膜片，同时该上盖垫片上开有多个与膜片层盖板上的第一通孔一一对应的第二通孔，用于通过用作外围输出/输入端口的标准SMA接头；所述上盖板放置在膜片层盖板上，该上盖板的上表面设有多个围绕其中心均匀分布的第一安装槽，用于放置用作外围输出/输入端口的标准SMA接头，所述第一安装槽槽底上开有供该标准SMA接头通过的第三通孔以及用于固定该标准SMA接头的螺钉孔；每个第一贯穿槽朝向主腔体块下空腔的槽口均覆盖有一片电阻膜片，待第一贯穿槽和第二贯穿槽均覆盖上电阻膜片后，所述膜片层盖板与主腔体块构成封闭径向波导腔体；所述下盖垫片放置在主腔体块的下空腔中，并垫压覆盖于第一贯穿槽上的电阻膜片，该下盖垫片的形状大小与主腔体块的下空腔相匹配，同时该下盖垫片上开有一个与上述第一中心通孔对应的第二中心通孔，用于通过用作中心输入/输出端口的标准SMA接头；所述下盖板中心设有一个第二安装槽，用于放置用作中心输入/输出端口的标准SMA接头，所述第二安装槽槽底上开有供该标准SMA接头通过的第三中心通孔以及用于固定该标准SMA接头的螺钉孔；所述标准SMA接头伸进主腔体块内的一端连接有馈电探针，其另一端与外界信号系统相接；所述上盖板、上盖垫片、膜片层盖板、主腔体块、下盖垫片、下盖板组装后采用螺钉进行整体组合固定。
2.根据权利要求1所述的一种改善隔离度的径向波导功率分配/合成器，其特征在于：所述主腔体块内的上、下空腔为形状大小相匹配的圆柱形腔体，其半径初始值、高度初始值由以下公式确定：
R＝λL/2+λM/4
式中，λL为最低工作频率导波波长，λM为中间工作频率导波波长；
H＝λH/2
式中，λH为最高工作频率导波波长。
3.根据权利要求1所述的一种改善隔离度的径向波导功率分配/合成器，其特征在于：所述馈电探针由相连的圆柱段与圆锥阻抗渐变段组成，所述圆锥阻抗渐变段尖端与标准SMA接头内导体相接；所述馈电探针总长度由以下公式确定：
L＝λM/4
式中，λM为中间工作频率导波波长。
4.根据权利要求1所述的一种改善隔离度的径向波导功率分配/合成器，其特征在于：所述上盖板、上盖垫片、膜片层盖板、主腔体块、下盖垫片、下盖板均为圆形金属件。
5.根据权利要求1所述的一种改善隔离度的径向波导功率分配/合成器，其特征在于：所述电阻膜片为在陶瓷基板上覆盖氮化钽的具有电阻性的膜片。
6.根据权利要求1所述的一种改善隔离度的径向波导功率分配/合成器，其特征在于：所述第一安装槽和第二安装槽为矩形凹槽。
7.根据权利要求1所述的一种改善隔离度的径向波导功率分配/合成器，其特征在于：所述第一贯穿槽和第二贯穿槽为条形槽。
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