CN108155451A - 一种功率合成分配装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例涉及通信领域，尤其涉及一种功率合成分配装置，包括：第一腔壳和第二腔壳密封形成的腔体、位于所述腔体内的中心导体和N个分支导体；N为大于1的正整数；所述第一腔壳设置有第一端口，所述第一端口用于输出合成信号或输入待分解信号；所述第二腔壳设置有N个第二端口，所述N个第二端口的每个第二端口用于输入待合成信号或输出分解信号；所述中心导体，包括第一接头和第一底座，所述第一接头位于所述第一端口内，所述第一底座固定于所述第二腔壳的内壁上；所述分支导体，包括第二接头和第二底座，所述第二接头位于所述第二端口内，所述第二底座固定于所述第一腔壳的内壁上。

Description

一种功率合成分配装置

技术领域

本申请实施例涉及通信领域，尤其涉及一种功率合成分配装置。

背景技术

在雷达、通信系统中，功率放大器的应用越来越广，但受工艺、技术等限制，功率放大器的单管输出功率有限，尤其是在高频段的功率应用中其缺点更加明显。为满足高频大功率信号的输出的需求，必须使用功率合成分配装置。

传统的二进制功率分配装置，如威尔金森功分装置、分支线耦合装置，仅应用于小功率合成，而且逐级合成，合成效率低，无法满足功率放大装置在雷达、通信系统中大功率大容量的需求。而满足大功率应用的波导T型结功率合成分配装置，也需要逐级合成，合成效率低，而且尺寸较大，无法满足系统小型化需求。

综上所述，目前亟需一种功率合成分配装置，以解决如何提高功率放大合成装置的功率容量和合成效率的问题。

发明内容

本申请实施例提供一种功率合成分配装置，用于提高功率合成分配装置的功率容量和合成效率。

本申请实施例提供一种功率合成分配装置，包括：

第一腔壳和第二腔壳密封形成的腔体、位于所述腔体内的中心导体和N个分支导体；N为大于1的正整数；

所述第一腔壳设置有第一端口，所述第一端口用于输出合成信号或输入待分解信号；

所述第二腔壳设置有N个第二端口，所述N个第二端口的每个第二端口用于输入待合成信号或输出分解信号；

所述中心导体，包括第一接头和第一底座，所述第一接头位于所述第一端口内，所述第一底座固定于所述第二腔壳的内壁上；

所述分支导体，包括第二接头和第二底座，所述第二接头位于所述第二端口内，所述第二底座固定于所述第一腔壳的内壁上。

一种可能的实现方式，所述第一腔壳和/或所述第二腔壳的外壁设置有散热装置。

一种可能的实现方式，所述散热装置为均匀分布的鳍片状或圆柱状金属结构。

一种可能的实现方式，所述第一端口位于所述第一腔壳的圆心处，所述N个第二端口均匀分布在以所述第二腔壳的圆心为圆心的同心圆上。

一种可能的实现方式，所述第一接头和所述第一底座通过螺钉连接固定，或者所述第一接头和所述第一底座的通过金属焊接连接固定；和/或

所述第二接头和所述第二底座通过螺钉连接固定，或者所述第二接头和所述第二底座的通过金属焊接连接固定。

一种可能的实现方式，所述第一接头或所述第二接头为铍铜或磷青铜材质，所述第一底座或所述第二底座为黄铜或铝合金材质。

一种可能的实现方式，所述第一底座和/或所述第二底座的外形与层叠设置的第一圆柱、第一圆台、第二圆柱和第三圆柱的整体外形相同；

所述第一圆柱的直径与所述第一圆台的底部直径相等，所述第二圆柱的直径与所述第一圆台的顶部直径相等；

所述第一圆柱的直径大于所述第二圆柱的直径；所述第二圆柱的直径大于所述第三圆柱的直径；所述第三圆柱的头部与所述第一接头的头部或所述第二接头的头部匹配。

一种可能的实现方式，所述第一接头或所述第二接头采用射频同轴连接器的接口结构。

一种可能的实现方式，所述第一接头与所述第一端口之间设置有绝缘环，或

所述第二接头与所述第二端口之间设置有绝缘环。

一种可能的实现方式，所述第一腔壳与所述第二腔壳卡合，所述卡合处通过导电胶密封所述腔体。

本申请实施例中，提供一种功率合成分配装置，采用第一腔壳、第二腔壳、中心导体、分支导体组成波导腔体。中心导体与分支导体位于第一腔壳和第二腔壳之间，形成径向波导结构，该径向波导结构可以实现多端口一次功率合成，提高了合成效率。中心导体与分支导体与功率合成分配装置的腔体内壁接触固定，实现了整个装置的良好散热，进而实现功率合成分配装置的容量和合成效率的大幅度提高。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种径向波导功率合成分配装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种功率合成分配装置的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种功率合成分配装置的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种功率合成分配装置的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种功率合成分配装置的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的一种中心导体的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的一种中心导体的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的一种功率合成分配装置的结构示意图；

图9为本申请实施例提供的一种功率合成分配装置的测试结果图；

图10为本申请实施例提供的一种功率合成分配装置的测试结果图。

具体实施方式

径向波导合成装置是基于波导的空间合成技术的合成装置，可实现多个模块输出功率的一次性合成，具有合成效率高、工作频段宽和幅相一致性好、插损小的特点，较好的弥补了其他功率合成技术的不足，同时，它可以通过调节装置尺寸来实现其他频段的使用，使用范围广，工作于微波、毫米波以及更高的亚毫米波频段，有效的解决了在更高频段实现高功率输出的问题，尤其可以在小尺寸下实现高频段的功率合成和分配，合成效率高，适合于大功率合成和分配。

如图1所示，为一种径向波导功率合成分配装置的结构示意图。径向波导功率合成分配装置由圆柱形径向波导的所述腔体、中心导体101和多个分支导体102-105组成。中心导体101和分支导体102-105连接同轴传输线，并延伸到所述腔体内部。根据接口匹配的需要，在中心导体101和分支导体102-105顶端加载圆盘。例如，中心导体101，分支导体102-105的顶端都有圆盘，用于中心导体101加载的频率和分支导体102-105加载的频率的匹配。根据分支导体102-105、中心导体101、和所述腔体的尺寸的不同，可以将径向波导功率合成分配装置应用于不同的频段。

径向波导功率合成分配装置的输入功率由分支导体102-105馈送至所述腔体内部，合成功率由与中心导体101连接的同轴接头输出。各分支导体102-105的形状、尺寸相同。

由于径向波导合成装置内的分支导体分布对称，因而场分布对称的TEM波在分支导体102-105处激励的电磁场也相同。对称分布的分支导体102-105每个分支导体处相同的电场分布确保每个分支导体从波导中耦合的能量相等，从而实现分支导体102-105的等功率分配，其幅度和相位可以保持较好的一致性。

但是，由于径向波导功率合成分配装置的内部中心导体101和分支导体102-105悬空，发热通常会停留在所述腔体的空气中，极难传导至环境中，导致径向波导功率合成分配装置的功率容量受到很大的限制。

本申请实施例提供一种功率合成分配装置，以提高功率放大合成装置的功率容量和合成效率。

为描述方便，本申请实施例以4路功率合成分配装置为例进行描述。其他多路功率合成分配装置，可参考该实施例，在此不再赘述。

如图2所示，为一种功率合成分配装置结构示意图，所述装置包括：

第一腔壳201和第二腔壳202密封形成的腔体、位于所述腔体内的中心导体101和N个分支导体102-105；在该实施例中，所述N为4。

第一腔壳201设置有第一端口211，第一端口211用于输出合成信号或输入待分解信号；

第二腔壳202设置有4个第二端口212-215，所述4个第二端口的每个第二端口用于输入待合成信号或输出分解信号；

中心导体101，包括第一接头221和第一底座231，第一接头221位于第一端口211内，第一底座231固定于第二腔壳202的内壁上；

分支导体102，第二接头222和第二底座232，第二接头222位于所述第二端口212内，第二底座232固定于第一腔壳201的内壁上。

分支导体103，第二接头223和第二底座233，第二接头223位于所述第二端口213内，第二底座223固定于第一腔壳201的内壁上。

分支导体104，第二接头224和第二底座234，第二接头224位于所述第二端口214内，第二底座234固定于第一腔壳201的内壁上。

分支导体105，第二接头225和第二底座235，第二接头225位于所述第二端口215内，第二底座225固定于第一腔壳201的内壁上。

所述功率合成分配装置也可作为功率分配装置使用。作为合成装置使用时，四个第二端口212-215作为输入端由分支导体102-105将能量馈入至腔体，并在中心导体101处叠加，并由第一端口211作为输出端口输出。作为功率分配装置使用，与以上相反。第一端口211作为输入端，由中心导体101将能量馈入至腔体，并在四个第二端口212-215处分解，并由第二端口212-215作为输出端口输出。

在具体实施过程中，可以通过改变第一腔壳201、第二腔壳202、中心导体101、分支导体102-105的尺寸，以实现所述功率合成分配装置应用于不同的频段。

一种可能的实现方式，如图3所示，第一腔壳301和第二腔壳302的结构相同，第一腔壳301和第二腔壳302密封形成圆柱形的所述腔体。第一腔壳301设置有第一端口211，第一端口211用于输出合成信号或输入待分解信号；第二腔壳302设置有4个第二端口212-215，所述4个第二端口的每个第二端口用于输入待合成信号或输出分解信号。

本申请实施例的所述第二端口的数量可根据实际应用进行调整，以满足更大功率等级的功率合成。

第一端口211位于第一腔壳301的圆心处，4个第二端口212-215均匀分布在以所述第二腔壳302的圆心为圆心的同心圆上。因此，所述功率合成分配装置表现为轴对称结构，进而保证了分支导体的等功率分配，并且所述功率合成分配装置中的信号的幅度和相位可以保持较好的一致性。

【第一腔壳和第二腔壳密封形成腔体】

结合图2，图4为一种功率合成分配装置的结构示意图，如图4所示，第一腔壳201和第二腔壳202通过螺丝401固定。第一腔壳201和第二腔壳202卡合，具体的，在第一腔壳201和第二腔壳202的接缝处设置有第一腔壳201的凹陷部402，在凹陷部402处通过导电胶对第一腔壳201和第二腔壳202形成的腔体进行密封，形成良好的导电密封腔体。采用螺钉401固定后，凹陷部402的导电胶受到力的作用而压缩，形成良好的导电连接，保证电流在腔体内壁的连续性，从而保证了功率合成分配装置的性能，并防止信号的泄漏。例如，所述导电胶可以使用3023镍碳导电胶，凹陷部的厚度可以为0.55毫米，3023镍碳导电胶的厚度为0.8毫米。

一种可能的实现方式，将所述功率合成分配装置的腔体内壁表面、中心导体、分支导体的所有表面镀银，镀银厚度大于工作频段的趋肤深度，以提高功率合成分配装置的性能，降低插损。

【导体】

结合图2，如图5所示，为一种功率合成分配装置的结构示意图，所述功率合成分配装置的结构为对称结构。所述4个分支导体的结构和尺寸完全一致，并均匀分布在以第一腔壳201的圆心为圆心的同心圆上，插入4个所述第二端口中。例如，分支导体102插入第二端口212中，分支导体105插入第二端口215中，中心导体101位于第二腔壳202的圆心处，插入第一端口211中。

可选的，所述中心导体的第一接头或所述4个分支导体的第二接头可以采用相同的射频同轴连接器，以降低加工成本。具体的，所述第一接头、所述第二接头可以采用标准的SMA、N或7/16射频同轴连接器，根据应用场合选择不同标准的射频同轴连接器，以实现更好的通用性。

一种可能的实现方式，中心导体101可以通过螺钉501固定于第二腔壳202的内壁上，所述4个分支导体可以通过螺钉固定的方式固定于第一腔壳201的内壁上。例如，分支导体102、105通过螺钉502、505固定于第一腔壳201的内壁上。由于金属导体相对于空气具有良好的导热性，故所述功率合成分配装置在应用中产生的热量，能够直接通过中心导体101或所述4个分支导体直接传导至第一腔壳201或第二腔壳202上，进而可以将热量快速的交换至所述功率合成分配装置的外部环境中。

通过良好的散热，本申请实施例中，提供的功率合成分配装置极大的提高了现有技术中所述径向波导功率合成分配装置的功率容量。

第一端口211和第二端口212、215设置有内螺纹，用于连接连接装置511、512、515，连接装置511、512、515用于连接第一接头211或第二接头212、215。连接装置511、512、515可以通过扳手安装至第一腔壳201或第二腔壳202对应的第一端口211或第二端口212、215上。

所述第一接头211或所述第二接头212、215与连接装置511、512、515之间设置有绝缘环521、522、525。绝缘环521、522、525的中心放置第一接头221或第二接头212、215，连接装置511、512、515位于绝缘环521、522、525的外围。可选的，绝缘环521、522、525可以为特氟龙材质，从而构成50Ω的特征阻抗。

由于图5为剖面图，所述4个第二端口中除第二端口212、215的另外2个第二端口不能显示在图5中，其结构与第二端口212、215相同，在此不再赘述。

中心导体101的第一底座231、或所述4个分支导体中的所述第二底座均采用锥形渐变结构，例如，分支导体102、105的第二底座232、235采用锥形渐变结构，可以实现不小于40％的相对带宽。在所述分支导体的数量不为4个时，相对带宽会随之改变。在具体实施过程中，以中心导体为例，所述锥形渐变结构可以为如图6所示的结构，图6为一种中心导体的结构示意图。

第一底座231的外形与层叠设置的第一圆柱601、第一圆台602、第二圆柱611和第三圆柱603的整体外形相同。第一圆柱601的直径与第一圆台611的底部直径相等，第二圆柱602的直径与第一圆台611的顶部直径相等。第一圆柱601的直径大于第二圆柱602的直径，第二圆柱602的直径大于第三圆柱603的直径，第三圆柱603的头部与第一接头221的头部匹配。

分支导体的结构可以与中心导体相同，在此不再赘述。

为避免尖端放电而出现击穿现象，需要控制合成腔体表面和内部的分支导体、中心导体的加工的表面粗糙度，并对中心导体、分支导体的边缘进行倒角处理。

一种可能的实现方式，所述中心导体或所述分支导体的尖端部分做45°倒角或倒圆弧角处理，以降低尖端场强过于集中的风险和空气击穿造成的打火风险，提高所述功率合成分配装置的峰值功率容量。

对于连接射频同轴连接器的第一接头或第二接头，所述中心导体的所述第一接头、所述4个分支导体的所述第二接头需要采用与射频同轴连接装置相同的材质加工，即铍铜或磷青铜材质，以提高连接装置可靠性及使用寿命。但是，受加工工艺、成本、原材料等因素的限制，所述中心导体及所述分支导体不适合整体采用铍铜或磷青铜加工的方式。另外，铍铜或磷青铜的密度较大，加工的装置件较重，若对中心导体和分支导体采用整体加工的方式，将导致中心导体或分支导体过于笨重，不利于装置件的轻量化。因此，本申请实施例中，所述中心导体的第一接头与第一底座和所述分支导体中的第二接头与第二接头采用不同的材质进行加工。

一种可能的实现方式，以中心导体101为例，如图6所示，一种可能的实现方式，中心导体101的第一接头221采用铍铜或磷青铜材质，第一底座231采用黄铜材质。第一接头221和第一底座231通过金属焊接将两部分焊接在一起。具体的，第三圆柱603的头部与第一接头221的头部匹配的部位通过金属焊接将两部分焊接在一起。所述金属焊接可以为银焊或锡焊。

当所述功率合成分配装置处于高频段工作时，所述中心导体的第一接头和第一底座与所述分支导体的第二接头和第二底座更适合采用焊接的连接方式。由于所述装置的频率较高，所需的装置尺寸小，要求加工工艺更高，焊接更容易保证性能。

一种可能的实现方式，如图7所示，为一种中心导体101的结构示意图。中心导体101的第一接头221采用铍铜或磷青铜材质，第一底座231采用黄铜或铝合金材质。第一接头221和第一底座231通过螺钉701紧固在一起。

当所述功率合成分配装置处于较低频段工作时，所述中心导体的第一接头和第一底座与所述分支导体的第二接头和第二底座可采用螺钉连接方式。由于所述装置的频率较低，所需的装置尺寸较大，螺钉固定的连接方式可以在保证装置的性能的前提下，降低加工成本。

分支导体的加工方式可以与中心导体相同，在此不再赘述。

【散热齿】

如图8所示，为一种功率合成分配装置的结构示意图。由于所述功率合成分配装置中的所述中心导体作为合路端发热最严重，因此，图8的实施例为在第二腔壳202的外壁上设置散热装置801，在该实施例中，散热装置801可以为均匀分布在第二腔壳202的外壁的鳍片状金属结构。以提高散热性能，进而提高其平均功率容量。

可选的，所述散热装置可以为圆柱状或者其它利于增大散热面积的结构。

可选的，第一腔壳201的外壁上也可以设置散热装置，所述散热装置可以为均匀分布在第一腔壳201的外壁的鳍片状金属结构，以提高散热性能，进而提高其平均功率容量。

可选的，所述散热装置可以为圆柱状或者其它利于增大散热面积的结构。

由于所述功率合成分配装置的所述中心导体、所述分支导体与第一腔壳201或第二腔壳202的内壁固定，因此，合路损耗产生的热能够及时传导至第一腔壳201或第二腔壳202外壁的散热齿上，从而很快的将热量传导至外部环境中。

如图9所示，为本申请实施例提供的一种功率合成分配装置的测试结果图。对2.4GHz、2.45GHz、2.5GHz三个频点进行了实际测试。所述功率合成分配装置的输出端口回波损耗低于-20dB，所述功率合成分配装置的输出信号的幅度具有较好一致性。如图10所示，为本申请实施例提供的一种功率合成分配装置的测试结果图。在2.4GHz、2.45GHz、2.5GHz三个频点下，所述功率合成分配装置的输出信号的相位具有较好一致性，实现了在S波段具有不低于2KW的平均功率容量。所述功率合成分配装置具有良好散热，所述第一腔壳和所述第二腔壳的表面温度仅稍高于环境温度，性能稳定可靠。

常见的功率合成采用逐级合成的方式，其合成效率低。为解决目前半导体功率合成存在的合成装置功率容量小的问题，本申请实施例提供一种功率合成分配装置，采用径向波导结构，实现空间的功率合成。由于多个输入端口一次性进行功率合成，因此合成效率高。所述功率合成分配装置具有良好的相位、幅度一致性，插损小；所述功率合成分配装置的输入端口为可扩展的多路输入，以满足更大功率容量应用需求；所述功率合成分配装置的结构对称，组件少，装配简单，容易实现，性能稳定可靠。中心导体或分支导体与功率合成分配装置的腔体连接固定，保证了良好散热，实现了大功率合成，并同时满足信号合成的高效性。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种功率合成分配装置，其特征在于，包括：

第一腔壳和第二腔壳密封形成的腔体、位于所述腔体内的中心导体和N个分支导体；N为大于1的正整数；

所述第一腔壳设置有第一端口，所述第一端口用于输出合成信号或输入待分解信号；

所述第二腔壳设置有N个第二端口，所述N个第二端口的每个第二端口用于输入待合成信号或输出分解信号；

所述中心导体，包括第一接头和第一底座，所述第一接头位于所述第一端口内，所述第一底座固定于所述第二腔壳的内壁上；

所述分支导体，包括第二接头和第二底座，所述第二接头位于所述第二端口内，所述第二底座固定于所述第一腔壳的内壁上。

2.如权利要求1所述的功率合成分配装置，其特征在于，所述第一腔壳和/或所述第二腔壳的外壁设置有散热装置。

3.如权利要求2所述的功率合成分配装置，其特征在于，所述散热装置为均匀分布的鳍片状或圆柱状金属结构。

4.如权利要求1-3任一项所述的功率合成分配装置，其特征在于，所述第一端口位于所述第一腔壳的圆心处，所述N个第二端口均匀分布在以所述第二腔壳的圆心为圆心的同心圆上。

5.如权利要求1-3任一项所述的功率合成分配装置，其特征在于，所述第一接头和所述第一底座通过螺钉连接固定，或者所述第一接头和所述第一底座的通过金属焊接连接固定；和/或

所述第二接头和所述第二底座通过螺钉连接固定，或者所述第二接头和所述第二底座的通过金属焊接连接固定。

6.如权利要求5所述的功率合成分配装置，其特征在于，所述第一接头或所述第二接头为铍铜或磷青铜材质，所述第一底座或所述第二底座为黄铜或铝合金材质。

7.如权利要求1-3任一项所述的功率合成分配装置，其特征在于，所述第一底座和/或所述第二底座的外形与层叠设置的第一圆柱、第一圆台、第二圆柱和第三圆柱的整体外形相同；

所述第一圆柱的直径与所述第一圆台的底部直径相等，所述第二圆柱的直径与所述第一圆台的顶部直径相等；

所述第一圆柱的直径大于所述第二圆柱的直径；所述第二圆柱的直径大于所述第三圆柱的直径；所述第三圆柱的头部与所述第一接头的头部或所述第二接头的头部匹配。

8.如权利要求7所述的功率合成分配装置，其特征在于，所述第一接头或所述第二接头采用射频同轴连接器的接口结构。

9.如权利要求7所述的功率合成分配装置，其特征在于，所述第一接头与所述第一端口之间设置有绝缘环，或

所述第二接头与所述第二端口之间设置有绝缘环。

10.如权利要求7所述的功率合成分配装置，其特征在于，所述第一腔壳与所述第二腔壳卡合，所述卡合处通过导电胶密封所述腔体。