CN111063974A - 超大功率合成器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超大功率合成器，包括谐振腔和波导管，谐振腔的外腔上设置若干个输入端口，谐振腔的上盖板中心位置圆孔，还包括输出耦合探针和输出耦合环，所述上盖板的圆孔中设置中空的介质片，输出耦合探针设置在介质片中，输出耦合探针伸入到谐振腔中，输出耦合环的一端连接在输出耦合探针上，另一端连接在波导管的侧壁上。本合成器解决了传统采用电容耦合结构的径向合成器中同轴波导转换结构内存在的散热问题，有效地降低了同轴波导转换结构内导体的表面温度，可以有效增加功率合成器的额定功率。
Description
技术领域
本发明涉及一种合成器，特别是一种超大功率合成器。
背景技术
超大功率合成器是超大功率射频系统中的重要组成部分，在基础科学研究、核物理、军事、农业、医疗等领域都有重要应用。超大功率合成器将多个功率源的输出功率合成在一起，功率可达上百千瓦乃至兆瓦等级。
带有谐振腔的径向合成器是超大功率合成器常用结构中的一种。这种结构有多个输入接口(数量可达上百个)和一个输出接口。每个输入接口均与一个功放单元连接，输出接口则与大功率系统的应用端连接。为了满足输出接口的功率容量，径向合成器的输出接口一般采用波导接口，径向合成器中则包含一个同轴结构和波导接口的转换结构。传统径向合成器如图1所示，其同轴波导转换结构采用电容耦合结构，一根两端带有“蘑菇头”状结构的内导体分别深入谐振腔和波导内部，通过设计合理的内导体结构，实现同轴接口到波导接口的转换。
传统径向合成器的同轴波导转换结构的散热存在严重问题，主要原因为：
一是径向合成器同轴波导转换结构处的工作功率很大，如实例中需承受120kW的功率。
二是该种结构的内导体与合成器腔体及波导外腔之间并不直接相连，内导体通过绝缘介质结构安装在合成器腔体及波导外腔中，而绝缘介质一般都是不良导热体，内导体上由于损耗而产生的热量很难传导出去，从而导致内导体发热现象非常严重。实例中，同轴波导转换结构内导体的温度可达600℃以上。
三是由于传统结构的同轴波导转换结构内导体对于合成器腔体及波导外腔而言是“悬空”的，仅靠绝缘介质支撑，一些散热方式(如增加散热片、水冷或液冷等)很难直接应用在这种结构的内导体中。
所以，传统径向合成器的同轴波导转换结构存在严重的发热问题，也直接限制了径向合成器的功率容量。
发明内容
发明目的：本发明要解决的技术问题是提供一种超大功率合成器，解决了传统采用电容耦合结构的径向合成器中同轴波导转换结构内存在的散热问题，有效地降低了同轴波导转换结构内导体的表面温度，可以有效增加功率合成器的额定功率。
技术方案：本发明所述的超大功率合成器，包括谐振腔和波导管，谐振腔的外腔上设置若干个输入端口，谐振腔的上盖板中心位置开设圆孔，还包括输出耦合探针和输出耦合环，所述上盖板的圆孔中设置中空的介质片，输出耦合探针设置在介质片上并伸入到谐振腔中，输出耦合环的一端连接在输出耦合探针上，另一端连接在波导管的侧壁上。
进一步的，输出耦合探针为倒立的“蘑菇头”状结构，“蘑菇头”状结构伸入到谐振腔中。
进一步的，波导管的侧面上设置能够调整深入管体深度的匹配调节螺柱，匹配调节螺柱用于调节合成器输出端口的反射损耗。
进一步的，谐振腔的径向截面为圆形或者正多边形。
进一步的，谐振腔的径向截面为正十六边型，每条边上均纵向设置8个输入端口，输入端口为标准尺寸的同轴端口，端口与谐振腔之间为环耦合结构。
进一步的，谐振腔底盖板的中心位置设置能够调整深入腔体深度的频率调节螺柱，频率调节螺柱用于调节合成器的谐振频率。
进一步的，还包括连接法兰和波导弯头，连接法兰连接合成器的输出端口和波导弯头，波导弯头用于改变合成器的输出端口的朝向。
进一步的，谐振腔和波导管材质为铝合金，输出耦合探针和输出耦合环的材质是黄铜材质镀银，介质片的材质为聚四氟乙烯。
进一步的，还包括安装在波导管外侧的散热装置，所述散热装置为散热片或液冷装置。
有益效果：本发明的合成器采用了一种新的同轴波导转换结构，该同轴波导转换结构在径向合成器的谐振腔内部仍然采用“蘑菇头”的电容耦合结构，而在波导内部则采用了环状的电感耦合结构，耦合环与波导外腔直接相连。由于同轴波导转换结构的内导体和波导外腔均为金属材料，二者直接相连后，在合成器满功率工作过程中，在同轴波导转换结构的内导体处产生的热量将会被波导外腔快速的散掉，从而起到降低同轴波导转换结构内导体温度的目的，可以有效增加功率合成器的额定功率，极大的降低功率合成系统的复杂性和建设成本，提高系统可靠性。
附图说明
图1是传统结构合成器的内部结构示意图；
图2是本实施方式合成器的内部结构示意图；
图3是本实施方式合成器的侧向截面图；
图4是本实施方式合成器的整体示意图。
具体实施方式
本实施方式中的超大功率合成器如图2至图4所示，包括谐振腔1和波导管2。谐振腔1的外腔上设置若干个输入端口102。谐振腔1工作在TM010模式，其外腔截面为圆形或正多边形，在腔壁上均匀分布输入端口102。本实施方式的截面为正十六边形，每条边上均纵向设置8个输入端口102，即谐振腔侧壁上共安装了128个输入端口102。输入端口102为标准尺寸的同轴端口，端口之间为环耦合结构，本实施例中为DIN 7/16(F)端口，包含端口外导体、端口内导体和支撑介质片。输入端口内导体与输入耦合环103相连，每个耦合环平面均处于谐振腔的径向平面上。输入耦合环103的大小决定了输入端口与谐振腔之间的耦合系数。输入耦合环103与谐振腔外腔相连，可以采用螺丝连接，也可以焊接。谐振腔1的上盖板101为带凸台的盖板，与波导管2可以通过螺丝相连，上盖板101中心位置开设圆孔。圆孔中安装一个介质片105，介质片105为中空结构，其中安装有输出耦合探针106和输出耦合环107，本实施例中介质片105还为它们提供支撑功能。输出耦合探针106深入谐振腔1中，其可以为圆柱体或其他结构，本实施例优选为倒置的“蘑菇头”状，“蘑菇头”倒置深入在谐振腔1中，通过调整“蘑菇头”深入腔体的深度可以达到调整耦合量的目的。相比于圆柱结构，相同的性能情况下“蘑菇头”状结构深入腔体可以更短。输出耦合环107的一端连接在输出耦合探针106上，另一端连接在波导管2的侧壁上。输出耦合环107的截面优选与波导管2的侧壁中的窄壁平行。输出耦合探针106和输出耦合环107之间可以采用螺丝连接，也可以焊接。输出耦合探针106前端直径和深入谐振腔的深度，以及输出耦合环107的大小，共同决定合成器的输出耦合系数。合成器的输出口为波导管2的上端。
为了灵活的改变合成器的输出端口的朝向，还可以包括连接法兰4和波导弯头5。输出波导管2两端均为法兰结构，一端与谐振腔上盖板101通过螺丝相连，另一端通过连接法兰4与波导弯头5相连，可以把合成器输出端口的方向从垂直向上改为水平。为了对合成器输出端口的反射损耗指标进行进一步调节，波导管2的侧面上可以设置一个或者多个能够调整深入管体深度的匹配调节螺柱201。
为了对合成器的谐振频率进行进一步调整，还可以在谐振腔1的底板中心位置装有能够调整深入腔体深度的频率调节螺柱104，在一定范围内，频率调节螺柱104深入谐振腔体越深，谐振频率越低。
本实施例中为了进一步改善性能，谐振腔1和波导管2材质为铝合金，输出耦合探针106和输出耦合环107的材质是黄铜材质镀银，介质片105的材质为聚四氟乙烯。此外，为了更好地散热还可以在波导管2外侧安装散热装置，所述散热装置为散热片或液冷装置。本实施例的波导管为WR1500规格，合成器的输入接口为DIN 7/16(F)规格，输出接口为WR1500波导法兰接口规格。
本实施例的径向合成器工作频率为650MHz，包含128路输入，每路额定输入功率为1kW，总输出额定功率为120kW。本发明所述的合成器有效地降低了同轴波导转换部位内导体的发热问题，通过新的同轴波导转换结构，能够将额定功率下的内导体温度从600℃降到200℃以下，满足实际工程的要求。而对于传统结构的径向合成器，如果要将同轴波导转换结构内导体在合成器工作过程中的表面温度控制在200℃以下，合成器的最大额定功率只能达到40kW。如果需要一组120kW的功率源，则需要3台传统结构的径向合成器，还需要一台3×40kW的功率合成器。采用了本发明所述的合成器，则一台径向合成器即可满足120kW的输出功率要求，可以极大的降低功率合成系统的复杂性和建设成本，提高系统可靠性。
Claims (9)
1.一种超大功率合成器，包括谐振腔(1)和波导管(2)，谐振腔(1)的外腔上设置若干个输入端口(102)，谐振腔(1)的上盖板(101)中心位置开设圆孔，其特征在于：还包括输出耦合探针(106)和输出耦合环(107)，所述上盖板(101)的圆孔中设置中空的介质片(105)，输出耦合探针(106)设置在介质片(105)上并伸入到谐振腔(1)中，输出耦合环(107)的一端连接在输出耦合探针(106)上，另一端连接在波导管(2)的侧壁上。
2.根据权利要求1所述的超大功率合成器，其特征在于：输出耦合探针(106)为倒立的“蘑菇头”状结构，“蘑菇头”状结构伸入到谐振腔(1)中。
3.根据权利要求1所述的超大功率合成器，其特征在于：波导管(2)的侧面上设置能够调整深入管体深度的匹配调节螺柱(201)，匹配调节螺柱(201)用于调节合成器输出端口的反射损耗。
4.根据权利要求1所述的超大功率合成器，其特征在于：谐振腔(1)的径向截面为圆形或者正多边形。
5.根据权利要求1所述的超大功率合成器，其特征在于：谐振腔(1)的径向截面为正十六边型，每条边上均纵向设置8个输入端口(102)，输入端口(102)为标准尺寸的同轴端口，端口与谐振腔(1)之间为环耦合结构。
6.根据权利要求5所述的超大功率合成器，其特征在于：谐振腔(1)底盖板的中心位置设置能够调整深入腔体深度的频率调节螺柱(104)，频率调节螺柱(104)用于调节合成器的谐振频率。
7.根据权利要求1所述的超大功率合成器，其特征在于：还包括连接法兰(4)和波导弯头(5)，连接法兰(4)连接合成器的输出端口和波导弯头(5)，波导弯头(5)用于改变合成器的输出端口的朝向。
8.根据权利要求1任一项所述的超大功率合成器，其特征在于：谐振腔(1)和波导管(2)材质为铝合金，输出耦合探针(106)和输出耦合环(107)的材质为黄铜材质镀银，介质片(105)的材质为聚四氟乙烯。
9.根据权利要求1至8任一项所述的超大功率合成器，其特征在于：还包括安装在波导管(2)外侧的散热装置，所述散热装置为散热片或液冷装置。
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