CN108365317A - 一种超宽带多路微波功率合成器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超宽带多路微波功率合成器，包括同轴内导体和同轴外导体。所述的同轴外导体包括外锥体导体部分和外圆柱体导体部分，所述的同轴内导体包括内锥体导体部分和内圆柱体导体部分；内锥体导体部分的顶角小于外锥体导体部分的顶角，在内锥体导体部分外壁与外锥体导体部分内壁之间形成渐变同轴腔在内圆柱体导体部分外壁与外圆柱体导体部分内壁之间形成TEM同轴腔。本发明是一种结构简单、可任意多路合成、带宽覆盖一个倍频程、且耐高功率的合路装置；该装置应用大直径同轴腔TEM传输模式实现多路合成，路数可自由确定，合成效率高。
Description
技术领域
本发明涉及大功率发射机领域，特别涉及一种超宽带多路微波功率合成器。
背景技术
大功率发射机广泛应用于雷达、测控、通信和电子对抗等领域,是国防工业和军事电子装备的关键部件。高功率微波放大器是大功率发射机的核心部件，传统高功率微波放大器采用真空管器件，其工作带宽窄，使用寿命短因而应用受限。较之传统的电真空器件，半导体固态放大器在体积、重量、成本与可靠性以及工作带宽等方面有着显著的优越性。然而随着工作频率的提高，特别到了毫米波波段，固态有源器件输出功率受工艺限制降低，导致单个固态器件的输出功率不能满足需要，为了实现足额功率发射，需要采用功率合成器将多路固态功放输出功率合路。作为功率放大器的合成结构,必须满足以下几个要求：1)大的功率容量；2)良好的端口匹配与良好的端口间隔离；3)高效的合成效率；4)足够的带宽。
业界常用的功率合成方式主要有一下几种方式：1)采用威尔金森功分器或3dB电桥实现二进制功率合成，这种合成方式具有较好的隔离和端口匹配以及较宽的带宽等优点。威尔金森合成方式结构简单且易于实现，但是随着合成级数的增多，合成效率会迅速下降。在高频波段，集成或传输线电桥损耗较高，多级级联效率降低，功率合成效率大大下降，不宜应用。一般二进制合成不超过三级，即最多可实现八路功率合成。2)采用径向线实现多路合成，此方法中心馈电由同轴接头垂直引出，各支路由微带线输出，为确保合成效率各支路需满足一定的幅度和相位要求，最常见的实现形式为微带线径向分支，各支路中心对称分布保持相等的幅度和相位，同时这种形式需在微带或同轴部分做多阶阶梯阻抗变化以实现宽带匹配。3)场合成方式，各个分支线将电磁场辐射到某一公共空间，再由主传输通道将功率全部接收来实现合成。业界已经成功实现槽波导空间功率合成、TEM(TransverseElectric andMagnetic Field TEM指电磁波的电场和磁场都在垂直于传播方向的平面上，这种电磁波简称TEM,即波横向电磁场)模式同轴内腔合成、圆锥波导功率合成等多种场合成实例。其中槽波导空间功率合成见：Jiang X,Ortiz S,Mortazawi A.A novel Ka-band 1to 8power divider/combiner[C].Microwave Symposium Digest,2001IEEE MTT-SInternational.IEEE,2001,1:35-38。TEM模式同轴内腔合成见Cheng N S,Alexanian A,Case M G,et al.40-W CW broad-band spatial power combiner using dense finlinearrays[J].Microwave Theory and Techniques,IEEE Transactions on,1999,47(7):1070-1076.而圆锥波导功率合成见DIRKIL，PIETER W，PETRIEM.Design of a ten-wayconical transmission line power combiner[J].IEEETransactions on MicrowaveTheory and Techniques,2007,55(2):302－309。
由于传统的二进制功率合成方式采用一分二，二分四结构，因此合路数量为2N，使用不便。其次二进制合路每级损耗约0.3-0.5dB，三级即损耗0.9-1.5dB，即八合路合路效率不超过80％，且随频率升高，合路效率恶化更快。因此传统的二进制功率合成方式合成效率低，且占用空间大，合成路数为2的幂次，使用不灵活，超过8路合成效率降低；
N路阻抗匹配需完成50欧姆到50xN欧姆匹配，这导致匹配段传输线特性阻抗很高，高阻抗传输线尺寸上表现为极窄金属条，这对电路板或机械加工难度较大，较细的金属条损耗较高且功率容量不大。径向线合成方式需采用多级阻抗变换实现宽带匹配，合路路数过多会导致匹配传输线阻抗很高，线径很细，导致加工难度加大，损耗升高。
由于波导结构的合路器由于波导单模传输带宽的限制以及波导内电磁场不均匀分布，导致其工作带宽和合路路数均不高；采用波导结构的场合成方式无法实现宽带匹配。
TEM模式同轴内腔合成由于同轴腔内部嵌入脊线结构电路板，导致机械加工调试复杂，且合成效率不高；
由于TEM模式同轴内腔合成方式同轴腔内部嵌入脊线结构电路板，由于机械加工和安装较为复杂，其合成无法避免各路的幅度和相位不平衡，导致合成效率不高；
圆锥波导功率合成方式采用圆锥变换段阻抗很高，导致圆锥面传输线上下导体距离很近，不耐高功率传输，同时其匹配段结构复杂，加工难度很高。因此圆锥波导功率合成方式采用圆锥段实现宽带匹配，圆锥段机械加工复杂，加工误差对性能影响敏感，且功率容量不大。
发明内容
本发明针对现有功率合成方式存在的带宽、合成效率、加工复杂度等问题，提出一种结构简单、可任意多路合成、带宽覆盖一个倍频程、且耐高功率的合路装置；该装置应用大直径同轴腔TEM传输模式实现多路合成，路数可自由确定，合成效率高。
本发明实现其技术目的技术方案是：一种超宽带多路微波功率合成器，包括同轴内导体和同轴外导体。
所述的同轴外导体包括顶部与射频接头外导体焊接的外锥体导体部分和与外锥体导体部分同轴的外圆柱体导体部分，所述的外锥体导体部分和外圆柱体导体部分均为中空的，所述的外圆柱体导体部分的内外径分别与外锥体导体部分底部圆环的内外径相同。
所述的同轴内导体包括设置在所述的外锥体导体部分内的与外锥体导体部分同轴的内锥体导体部分，设置在外圆柱体导体部分内与外圆柱体导体部分同轴的内圆柱体导体部分，内锥体导体部分的顶端与射频接头的内导体焊接，内锥体导体部分与内圆柱体导体部分连续相接；在内圆柱体导体部分外壁上均布有一组径向向外圆柱体导体部分内壁延伸的阶梯过渡导体，在阶梯过渡导体的端部与第二射频接头的内导体焊接。
所述的内锥体导体部分的顶角小于外锥体导体部分的顶角，在内锥体导体部分外壁与外锥体导体部分内壁之间形成渐变同轴腔在内圆柱体导体部分外壁与外圆柱体导体部分内壁之间形成TEM同轴腔。
在内圆柱体导体部分和外圆柱体导体部分的端部设置有圆形的短路盖板。
本发明是一种结构简单、可任意多路合成、带宽覆盖一个倍频程、且耐高功率的合路装置；该装置应用大直径同轴腔TEM传输模式实现多路合成，路数可自由确定，合成效率高。
进一步的，上述的超宽带多路微波功率合成器中：所述的内锥体导体部分纵截面为指数型曲线。
进一步的，上述的超宽带多路微波功率合成器中：所述的内锥体导体部分纵截面采用多级分段折线逼近指数型曲线。
进一步的，上述的超宽带多路微波功率合成器中：所述的阶梯过渡导体为三阶阶梯。
进一步的，上述的超宽带多路微波功率合成器中：在内圆柱体导体部分外壁上均布有16块径向向外圆柱体导体部分内壁延伸的阶梯过渡导体。
以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。
附图说明
图1为路合路方式示意图。
图2为均合路方式示意图。
图3为本发明实施例1合路器装配体示意图。
图4为本发明实施例1合路器装配体的纵向截面图。
图5为本发明实施例1合路器外导体示意图。
图6为本发明实施例1合路器外导体截面图。
图7为本发明实施例1合路器内导体示意图。
图8为本发明实施例1合路器内导体正视图。
图9为本发明实施例1合路器宽带波导同轴转换结构。
图10为本发明实施例1合路器内导体对外连接面示意图。
具体实施方式
实施例1，本实施例是一种超宽带多路微波功率合成器，实事上，功率合路器主要有路合成和场合成两种实现形式，分别如图1和图2所示。路合成方式如图1所示，由N个分支线分别输入功率，合成功率再由中心馈电点001输出。常见的路合成电路的各支路由微带构成，如图所示，1、2、3…N中微带，中心馈电点001由同轴接头垂直引出，为确保合成效率各支路需满足一定的幅度和相位要求，最常见的实现形式为微带线径向分支，各路均保持相等的幅度和相位。这种形式需在微带或同轴部分做多阶阶梯变化以实现宽带匹配。场合路方式如图2所示则通过某种辐射装置将1、2、3…N支路微波功率发射到空间中，再由主接收器接收从中心馈电点001输出。为保证功率合成效率，同样要求各支路辐射和再接收路径保持一定的幅度和相位，同时辐射空间一般要求为封闭空间，防止电磁功率外漏产生电磁兼容问题。场合路方式所采用的传输线一般有波导、同轴等形式，传输线可实现高特性阻抗以及具有极高的功率容量，一般为大功率合成所采用。
本实施例的超宽带多路微波功率合成器就是一种同轴形式的场合路器，如图3和图4所示，包括同轴内导体101和同轴外导体102。
其中，同轴外导体102如图5和图6所示，包括顶部与射频接头103外导体焊接的外锥体导体部分104和与外锥体导体部分104同轴的外圆柱体导体部分105，外锥体导体部分104和外圆柱体导体部分105均为中空的，外圆柱体导体部分105的内外径分别与外锥体导体部分104底部圆环的内外径相同；同轴内导体101如图7和图8、10所示包括设置在外锥体导体部分104内的与外锥体导体部分104同轴的内锥体导体部分106，设置在外圆柱体导体部分105内与外圆柱体导体部分105同轴的内圆柱体导体部分107，内锥体导体部分106的顶端与射频接头103的内导体焊接，内锥体导体部分106与内圆柱体导体部分107连续相接；也就是入在内锥体导体部分106与内圆柱体导体部分107相连处没有突变。
在内圆柱体导体部分107外壁上均布有一组16个径向向外圆柱体导体部分105内壁延伸的阶梯过渡导体108，在阶梯过渡导体108的端部与第二射频接头的内导体焊接；本实施例中是三阶阶梯过渡导体108，在每个阶梯过渡导体108顶部具有有一个玻璃绝缘子13，总共16个，在个内锥体导体部分106顶点上具有与射频接头103对外接头内导体焊接的绝缘子14。
本实施例中，内锥体导体部分106的顶角小于外锥体导体部分104的顶角，如图4所示，在内锥体导体部分106外壁与外锥体导体部分104内壁之间形成渐变同轴腔110。在内圆柱体导体部分107外壁与外圆柱体导体部分105内壁之间形成TEM同轴腔111。
在内圆柱体导体部分107和外圆柱体导体部分105的端部设置有圆形的短路盖板112。本实施例中，短路盖板112采用螺栓固定到合路器的连接面上的，在内圆柱体导体部分107和外圆柱体导体部分105的端面均设置有螺丝孔116。
为实现高功率合成，本实施例采用场合路方式实现，首先将同轴输出线同轴内导体101和同轴外导体102直径同时增大，保持一定的内径外径比以保证同轴腔内传输的电磁波仍为TEM模式。截取大直径同轴线截面一定夹角部分，其电场分布类似于平板波导的TEM模式，采用宽带的波导同轴转换即可以将这部分夹角的微波场转换为同轴输出，如果360度的大直径同轴截面每一部份均能宽带的转换为各同轴支线，即完成了宽带功率分配/合路的设计工作。实事上，由于微波无源器件具有互易性质，功分器与合路器本质上是同一种微波器件的不同叫法，文中叙述会同时使用功分和合路两种说法。
为使同轴线截面一定夹角部分的电场能够近似等效平板波导的电场，其同轴腔应具有较大且较大小接近的内外导体直径。大的直径方便功分后各支路与外部电路连接，同时具有高的功率容量。内、外导体直径大小接近，此时同轴腔具有较低的特性阻抗，截取某一小角度的部分更加近似于平面波导，因而有利于场的转换。大的同轴腔转换有多种渐变形式，本发明的外导体采用简单锥形变化，方便加工，具体结构如图5和图6所示。为保证宽带匹配，内导体纵截面采用指数型曲线，为降低加工复杂度，采用多级分段折线逼近指数曲线，该结构具有同样的宽带匹配效果，变换后大直径同轴结构的特性阻抗约为25欧姆，内外直径大小较为接近。内导体结构如图7、8、10所示。
低阻抗大直径同轴腔内外径较为接近，截取一定的角度其形状接近平面波导，采用传统的波导同轴转换结构即可以将截面中的场转化为支路同轴TEM波，完成微波功率的功分。本发明采用三阶阶梯结构实现波导同轴转换，如图9所示。内、外导体也就是内圆柱体导体部分107和外圆柱体导体部分105之间的空隙中有电场115，阶梯过渡导体108的端部具有与同轴输出电缆焊接的焊接点109。
本实施例为16路合路，将大直径同轴腔的360度截面16等分如图10所示，每份夹角22.5度，近似波导的阻抗约为400欧，采用三阶阶梯过渡导体108结构实现宽带400欧姆波导到50欧姆同轴的转换。在波导同轴转换尾端，内导体的对外接头部分与支路同轴内芯焊接，内导体的轴心部分与短路盖板通过紧固螺丝短接。
16路功率合路器装配体的纵向截面如图4所示。三维结构图如图3所示。合路器端口驻波和传输特性测试结果可知：在8-16GHz范围内，端口驻波小于1.6，合路损耗小于0.5dB。
Claims (5)
1.一种超宽带多路微波功率合成器，其特征在于：包括同轴内导体(101)和同轴外导体(102)；
所述的同轴外导体(102)包括顶部与射频接头(103)外导体焊接的外锥体导体部分(104)和与外锥体导体部分(104)同轴的外圆柱体导体部分(105)，所述的外锥体导体部分(104)和外圆柱体导体部分(105)均为中空的，所述的外圆柱体导体部分(105)的内外径分别与外锥体导体部分(104)底部圆环的内外径相同；
所述的同轴内导体(101)包括设置在所述的外锥体导体部分(104)内的与外锥体导体部分(104)同轴的内锥体导体部分(106)，设置在外圆柱体导体部分(105)内与外圆柱体导体部分(105)同轴的内圆柱体导体部分(107)，内锥体导体部分(106)的顶端与射频接头(103)的内导体焊接，内锥体导体部分(106)与内圆柱体导体部分(107)连续相接；在内圆柱体导体部分(107)外壁上均布有一组径向向外圆柱体导体部分(105)内壁延伸的阶梯过渡导体(108)，在阶梯过渡导体(108)的端部与第二射频接头的内导体焊接；
所述的内锥体导体部分(106)的顶角小于外锥体导体部分(104)的顶角，在内锥体导体部分(106)外壁与外锥体导体部分(104)内壁之间形成渐变同轴腔(110)，在内圆柱体导体部分(107)外壁与外圆柱体导体部分(105)内壁之间形成TEM同轴腔(111)；
在内圆柱体导体部分(107)和外圆柱体导体部分(105)的端部设置有圆形的短路盖板(112)。
2.根据权利要求1所述的超宽带多路微波功率合成器，其特征在于：所述的内锥体导体部分(106)纵截面为指数型曲线。
3.根据权利要求2所述的超宽带多路微波功率合成器，其特征在于：所述的内锥体导体部分(106)纵截面采用多级分段折线逼近指数型曲线。
4.根据权利要求1所述的超宽带多路微波功率合成器，其特征在于：所述的阶梯过渡导体(108)为三阶阶梯。
5.根据权利要求4所述的超宽带多路微波功率合成器，其特征在于：在内圆柱体导体部分(107)外壁上均布有16块径向向外圆柱体导体部分(105)内壁延伸的阶梯过渡导体(108)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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