CN109585996A - 基于复合函数曲线脊的翻转式宽带功率合成器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复合函数曲线脊的翻转式宽带功率合成器，包括：均匀分布在同一个圆形平面内的若干电磁信号输入端口，每一个输入端口到圆心的距离相等；每一个输入端口均连接耦合探针，所述耦合探针设置在椭圆函数渐变腔体内，所有的椭圆函数渐变腔体均连接至输出端口；所述输出端口设置在圆心位置。本发明有益效果：本发明方案能够解决超宽频段的大功率合成及大功率高密度热源散热的难题；采用本技术的功率合成器工作频带宽，插入损耗小，合成路数多，合成效率高，功率分配、功率放大及功率合成实现了分离式设计，且具有散热效率高、结构简单紧凑、易于加工装配等众多优点。

Description

基于复合函数曲线脊的翻转式宽带功率合成器

技术领域

本发明涉及多路功率放大及功率合成技术领域，特别涉及一种基于复合函数曲线脊的翻转式宽带功率合成器。

背景技术

微波毫米波固态功率放大器作为微波毫米波雷达、制导及通信、测试等系统的一个重要组成部分，已经成为微波毫米波领域研究的重要方向。随着对放大器输出功率要求的不断提高，由于功放芯片受自身半导体物理特性的限制，以及散热、制造工艺和阻抗匹配等问题的影响，单芯片放大器往往达不到实际工程中大功率的应用要求。因此，为了满足大功率通信、测试等系统的需要，要采用多路功率放大再进行功率合成的方法来有效提高整个放大电路的输出功率。

常用的主要功率合成技术有平面功率合成技术和空间功率合成技术。平面功率合成技术主要指的是微带技术；空间功率合成技术又可分为矩形波导传输和同轴传输两种。

平面微带功率合成技术可以实现较宽频带功率合成，但插入损耗很大，合成效率低，而且合成路数少、空间利用率低，很难满足高效率大功率的需求；

采用矩形波导的功率合成技术能够实现较小的插入损耗及较高的合成效率，但其工作频带较窄，而且应用在低频段时的物理尺寸很大，不易加工装配和使用。采用同轴传输的功率合成技术不仅具有插入损耗小、合成效率高的优点，更能满足超宽工作频带和较小物理尺寸的实际应用要求。常规的一体化设计的功率合成器可以做到较小尺寸，但散热能力有限，极大的限制了功率合成器向更高功率发展。

基于锥形同轴渐变转双鳍线微带的功率合成技术是最新的超宽带大功率放大器技术，其结构如图1所示，输入信号通过锥形同轴渐变将信号传输到更大半径圆盘，然后分到20瓣放大组件上，放大组件上的双鳍线渐变微带结构将电磁场方向翻转90度，双鳍线渐变微带结构的功率放大器如图2所示，直接传输到大功率芯片进行放大，然后通过完全对称的结构进行输出；其加装散热片后的整体外观如图3左图所示。该结构的优点在于体积小，空间利用率高，无需探针耦合变换到微带电路，减小了传输损耗，缺点是无源功率分配/合成部分和有源放大组件部分不能作为独立的模块分开，只能进行整体装配和拆卸，且加工精度要求高，装配工序繁琐，结构内部过于封闭，散热效率低，易导致芯片烧毁。

发明内容

本发明要解决的问题是：拓宽功率合成器的工作频带、增多合成路数、减小插入损耗提高合成效率、减小功率放大器整机的尺寸，解决常规一体化功率合成器散热效率低的技术难题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

在一个或多个实施方式中公开的一种基于复合函数曲线脊的翻转式宽带功率合成器，包括：均匀分布在同一个圆形平面内的若干电磁信号输入端口，每一个输入端口到圆心的距离相等；每一个输入端口均连接耦合探针，所述耦合探针设置在椭圆函数渐变腔体内，所有的椭圆函数渐变腔体均连接至输出端口；所述输出端口设置在圆心位置。

进一步地，所述输入端口和输出端口的朝向相同。

进一步地，所述耦合探针采用同轴的多级台阶变换的过渡结构，由多段不同半径的圆柱体连接而成。

进一步地，复合函数曲线脊在椭圆函数渐变腔体的内导体上引入，其函数曲线形式为椭圆函数的修正曲线，与椭圆函数渐变腔体的内导体共同形成完整的宽带阻抗渐变内导体。

进一步地，椭圆函数渐变腔体的内导体采用椭圆函数曲线渐变形式，根据不同合成路数或不同工作频段，所述椭圆函数曲线选取为：普通二次椭圆函数、高次椭圆函数或者非齐次椭圆函数。

进一步地，椭圆函数渐变腔体的外导体采用椭圆函数曲线渐变形式，根据不同合成路数或不同工作频段，所述椭圆函数曲线选取为：普通二次椭圆函数、高次椭圆函数或者非齐次椭圆函数。

进一步地，还包括：散热片，所述散热片设置在与输入端口和输出端口相对的一面。

在一个或多个实施方式中公开的一种功率放大器，包括：有源功放模块和权利要求1-5任一项所述的基于复合函数曲线脊的翻转式宽带功率合成器；所述有源功放模块与翻转式宽带功率合成器的输入端口的连接线呈C状弧形连接。

在一个或多个实施方式中公开的一种功率分配器，其特征在于包括：均匀分布在同一个圆形平面内的若干电磁信号输出端口，每一个输出端口到圆心的距离相等；每一个输出端口均连接耦合探针，所述耦合探针设置在椭圆函数渐变腔体内，所有的椭圆函数渐变腔体均连接至输入端口；所述输入端口设置在圆心位置；

进一步地，所述输入端口和输出端口的朝向相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明方案能够解决超宽频段的大功率合成及大功率高密度热源散热的难题；采用本技术的功率合成器工作频带宽，插入损耗小，合成路数多，合成效率高，功率分配、功率放大及功率合成实现了分离式设计，且具有散热效率高、结构简单紧凑、易于加工装配等众多优点。

功率合成器采用翻转式结构，使得信号输入端口和输出端口朝向一致，从而使功率合成器和有源功率放大模块之间的电缆弯成C状弧形即可稳定连接，避免了传统输入端口和输出端口反向的非翻转式功率合成器和有源功率放大模块之间连接时需将电缆弯成S状的情况，空间布局更加紧凑，进一步提高了可靠性。

引入复合函数脊结构，可有效减小反射，增强相邻支路之间的隔离。其函数曲线形式为椭圆函数的修正曲线，改善了内外导体在90度转弯区域的阻抗匹配效果，进一步减小了信号反射，拓宽了工作频带，增强了各支路之间的隔离。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是基于同轴渐变转双鳍线微带结构的功率分配/合成器整体结构侧面剖视图；

图2是双鳍线渐变微带结构的功率放大器结构示意图；

图3是同轴渐变转鳍线微带结构功率合成器示意图；

图4是基于复合函数曲线脊的翻转式宽带功率合成器示意图；

图5是基于复合函数曲线脊的翻转式宽带功率合成器侧视剖面图；

图6是基于复合函数曲线脊的翻转式宽带功率合成器俯视图；

图7是基于复合函数曲线脊的翻转式宽带功率合成器仿真模型侧视图；

图8是基于复合函数曲线脊的翻转式宽带功率合成器仿真模型俯视图；

图9是非翻转式功率合成器和有源功放模块间的电缆呈S状弧形示意图；

图10是翻转式功率合成器和有源功放模块间的电缆呈C状弧形示意图；

其中，1.输入端口，2.耦合探针，3.椭圆函数渐变腔体，4.输出端口，5.散热片，6.复合函数曲线脊，7.输入端外导体，8.输出端外导体，9.输出端内导体。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在一个或多个实施方式中公开的一种分离式的基于复合函数曲线脊的翻转式宽带功率合成器，其仿真结构如图4所示，功率合成器本身作为一个完整的整体，包括一个输出端口(合成端口)和若干个输入端口且输入端口和输出端口朝向一致，以8路输入为例：输入端口是大圆盘边缘上8个独立的均匀分布的3.5mm连接器，8路连接器各自通过同轴探针将等幅同相的输入信号耦合到圆盘内部的同轴空间，在同轴空间内部，再进一步将这8路信号进行功率合成，最终合成后的大功率信号通过标准N型接头输出，同时在同轴扩展腔体内部引入8个相同的复合函数脊，以进一步减小信号反射，同时增强各支路之间的隔离。

基于复合函数曲线脊的翻转式宽带功率合成器结构包括：均匀分布在同一个圆形平面内的若干电磁信号输入端口，每一个输入端口到圆心的距离相等；每一个输入端口均连接耦合探针，耦合探针设置在椭圆函数渐变腔体内，所有的椭圆函数渐变腔体均连接至输出端口；输出端口设置在圆心位置。

合成路数(即输入端口的数量)可以是奇数或偶数，可根据实际应用需要进行优化选择。

如图5所示，在以8路合成为例的该结构中，电磁信号由8个均匀分布且相同的同轴输入端口进入到同轴耦合探针中，经过椭圆函数渐变腔体实现多路功率合成，最后从输出端口输出，散热片在结构的背面，复合函数曲线脊根据需要可调整参数，脊的具体结构如图4图所示。整体结构采用高度模块化的设计思想，无源功率分配/合成部分与有源放大组件部分实现了完全独立加工与装配，互不干涉。

参照图5，同轴耦合探针采用多级台阶变换的过渡结构形式，具体结构为：由三段半径不同的同轴圆柱体连接而成，可实现超宽频带电磁信号的耦合传输。但是，同轴耦合探针可采用但不限于台阶变换、曲线变换等变换结构。

同轴耦合探针作为输入端的内导体，与输入端的外导体配合，将信号传输至输出端内导体和输出端外导体之间的椭圆函数渐变腔体。

如图5和图7所示，复合函数曲线脊均匀分布，信号输入端口和输出端口朝向一致，便于电缆连接。

输入、输出端口都为同轴结构，分为内导体和外导体，内导体和外导体均为金属制成，信号被密封在内导体和外导体之间传输。

如图6所示，复合函数脊是在椭圆函数渐变腔体内导体上引入的，其函数曲线形式为椭圆函数的修正曲线，与椭圆函数内导体共同形成完整的宽带阻抗渐变内导体，该结构改善了内外导体在90度转弯区域的阻抗匹配效果，可进一步减小信号反射，拓宽工作频带，并增强各支路之间的隔离。

椭圆函数渐变腔体可实现超宽频段多路电磁信号的功率合成。

椭圆函数渐变腔体的内导体和外导体均采用椭圆函数曲线渐变的形式，为实现不同合成路数或者不同工作频段的多路功率合成，椭圆函数包括但不限于普通二次椭圆函数、高次椭圆函数及非齐次椭圆函数等。

内外导体的曲线坐标(x,y)遵循以下方程：

其中，a和b分别为同轴渐变结构的高度与宽度，m与n均为大于1的正整数(2、3、4、……)。根据实际的尺寸、合成路数及工作频段要求的不同，可以通过改变a和b的数值来界定同轴渐变结构的外形尺寸，可通过改变m和n的数值来选择不同曲率的曲线结构，内外导体的曲线可以选择相同次数(m＝n)的方程，也可以选择不同次数(m≠n)的方程。

功率合成器是一种分离式的结构，与功率放大器模块分离，从而使功率放大器在空间中布局更加自由，增大了散热面积，有效提高了散热效率。

整个功率合成器结构紧凑，并在结构背部设计有散热片，同时便于连接电缆，使得整机布局可以更加合理。

采用分离式结构可充分利用空间资源，有效提高散热效率；翻转式结构减少了电缆弯折进一步提高了空间利用率和可靠性；采用椭圆函数渐变结构和同轴耦合探针结构并加入复合函数曲线脊，实现了超宽频带电磁信号功率合成。该合成器具有散热性能好，实现了高度模块化设计，具有加工装配简单，结构紧凑，可靠性高等众多优点。

实施例二

在一个或多个实施方式中公开的一种功率放大器，如图9所示，包括：有源功率放大器件和实施例一中的功率合成器，由于功率合成器的输入端口和输出端口朝向一致，使得连接功率合成器和有源功率放大器件的电缆呈顺滑且受力小的C状弧形连接而不是曲折且受力大的S状弧形连接(如图8所示)，避免了电缆连接过程中反复弯折的操作，有利于信号的稳定传输，且可以有效缩短功率合成器与散热器之间的距离以及电缆长度，结构紧凑，可靠性高。

合成器作为一个独立的模块通过同轴电缆与功率放大模块连接，功率放大器模块的空间布局更加自由灵活，从而增大了散热面积，有效提高了散热效率。

实施例三

在一个或多个实施方式中公开的一种功率分配器，在实施例一功率合成器结构的基础上，将功率合成器的信号输入端口作为功率分配器的信号输出端口，将功率合成器的信号输出端口作为功率分配器的信号输入端口，即将功率合成器的信号输入端口和输出端口互换，能够实现功率分配。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.基于复合函数曲线脊的翻转式宽带功率合成器，其特征在于，包括：均匀分布在同一个圆形平面内的若干电磁信号输入端口，每一个输入端口到圆心的距离相等；每一个输入端口均连接耦合探针，所述耦合探针设置在椭圆函数渐变腔体内，所有的椭圆函数渐变腔体均连接至输出端口；所述输出端口设置在圆心位置。

2.如权利要求1所述的基于复合函数曲线脊的翻转式宽带功率合成器，其特征在于，所述输入端口和输出端口的朝向相同。

3.如权利要求1所述的基于复合函数曲线脊的翻转式宽带功率合成器，其特征在于，所述耦合探针采用同轴的多级台阶变换的过渡结构，由多段不同半径的圆柱体连接而成。

4.如权利要求1所述的基于复合函数曲线脊的翻转式宽带功率合成器，其特征在于，复合函数曲线脊在椭圆函数渐变腔体的内导体上引入，其函数曲线形式为椭圆函数的修正曲线，与椭圆函数渐变腔体的内导体共同形成完整的宽带阻抗渐变内导体。

5.如权利要求1所述的基于复合函数曲线脊的翻转式宽带功率合成器，其特征在于，椭圆函数渐变腔体的内导体采用椭圆函数曲线渐变形式，根据不同合成路数或不同工作频段，所述椭圆函数曲线选取为：普通二次椭圆函数、高次椭圆函数或者非齐次椭圆函数。

6.如权利要求1所述的基于复合函数曲线脊的翻转式宽带功率合成器，其特征在于，椭圆函数渐变腔体的外导体采用椭圆函数曲线渐变形式，根据不同合成路数或不同工作频段，所述椭圆函数曲线选取为：普通二次椭圆函数、高次椭圆函数或者非齐次椭圆函数。

7.如权利要求1所述的基于复合函数曲线脊的翻转式宽带功率合成器，其特征在于，还包括：散热片，所述散热片设置在与输入端口和输出端口相对的一面。

8.一种功率放大器，其特征在于，包括：有源功放模块和权利要求1-5任一项所述的基于复合函数曲线脊的翻转式宽带功率合成器；所述有源功放模块与翻转式宽带功率合成器的输入端口的连接线呈C状弧形连接。

9.一种功率分配器，其特征在于，包括：均匀分布在同一个圆形平面内的若干电磁信号输出端口，每一个输出端口到圆心的距离相等；每一个输出端口均连接耦合探针，所述耦合探针设置在椭圆函数渐变腔体内，所有的椭圆函数渐变腔体均连接至输入端口；所述输入端口设置在圆心位置；

10.如权利要求9所述的一种功率分配器，其特征在于，所述输入端口和输出端口的朝向相同。