CN112054277B - 一种x频段两路大功率波导合成网络 - Google Patents

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Abstract

一种X频段两路大功率波导合成网络，包括第一环形器、第二环形器、三端口大功率集成负载和合路器；三端口大功率集成负载集成有两路隔离器负载和一路合路器负载，合路器负载位于中间；第一环形器的负载端口P13与三端口大功率集成负载的波导输入端口P3、第一环形器的输出端口P12与合路器的第一输入端口J1、第二环形器的负载端口P23与三端口大功率集成负载的波导输入端口P2、第二环形器的输出端口P22与合路器的第一输入端口J2、三端口大功率集成负载的波导输入端口为P1与合路器的第二输出端口J3通过螺钉紧固方式进行一体化互联，使两路大功率波导合成网络形成一体化结构组件。本发明有效降低了两路大功率合成网络的体积、重量，提升了系统效费比。

Description

一种X频段两路大功率波导合成网络
技术领域
本发明涉及一种X频段两路大功率波导合成网络，属于微波放大器领域。
背景技术
在微波毫米波应用系统中，系统功率的大小决定了整个系统的作用距离、抗干扰能力及通信质量。单个功率器件的输出功率仍是有限的，因此提出了多个半导体固态器件或者真空器件的功率合成技术来实现大功率放大器部件。
除功率外，放大器部件的带宽特性也是系统需要重点关注的对象，宽带微波功率合成技术可以广泛地应用于频率捷变、有源阵列雷达、雷达假目标、假目标转发器以及干扰发射机阵列等电子对抗设备中，特别适合在复杂信息条件下的现代化战争系统应用。
对于宽带功率合成技术，合成效率受限于合路器的带宽和合成网络中各路信号的相位差和幅度差，尺寸重量受限于各支路的功率量级、散热方式以及合成网络结构。在宽带大功率合成中在进入合路前通常需要加入大功率隔离器，对功率合成各支路的功放进行保护，防止在失配情况下，反射功率过大造成功放损伤或失效。两路大功率合成框图如图1所示。其中隔离器框图如图2所示，大功率隔离器中需具备承受全反射功率的能力，为保证良好的散热，负载必须与底板大面积接触，这使得隔离器在设计时尽量使用平面布局，牺牲了集成度。
合路器结构如图3所示，大功率隔离器、合路器负载、合路器均为波导结构，在分立情况下，将波导法兰通过螺钉进行互联紧固，合路器负载与隔离器负载需平铺在底板上与底板良好接触，三个独立负载均需要通过螺钉与底板进行紧固，造成负载平铺面积大，合路网络集成后尺寸较大，严重制约了两路合成功率放大器轻量化、小型化的研制目标。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种X频段两路大功率波导合成网络，针对大功率两路波导合成行波管放大器进行设计，实现了隔离器负载、合路器负载的一体化集成设计，有效降低了两路大功率合成网络的体积、重量，提升了系统效费比。
本发明的技术解决方案是：
一种X频段两路大功率波导合成网络，包括第一环形器、第二环形器、三端口大功率集成负载和合路器；
三端口大功率集成负载集成有两路隔离器负载和一路合路器负载，合路器负载位于两路隔离器负载中间，三路负载并排放置，每路负载带有一个波导输入端口，记第一路隔离器负载的波导输入端口为P3，第二路隔离器负载的波导输入端口为P2，合路器负载的波导输入端口为P1；
第一环形器的负载端口P13与三端口大功率集成负载的波导输入端口P3、第一环形器的输出端口P12与合路器的第一输入端口J1、第二环形器的负载端口P23与三端口大功率集成负载的波导输入端口P2、第二环形器的输出端口P22与合路器的第一输入端口J2、三端口大功率集成负载的波导输入端口为P1与合路器的第二输出端口J3通过螺钉紧固方式进行一体化互联，使两路大功率波导合成网络形成一体化结构组件；
第一路合成信号从第一环形器的输入端口P11输入，经输出端口P12输出给合路器的第一输入端口J1，第二路合成信号从第二环形器的输入端口P21输入，经输出端口P22输出给合路器的第二输入端口J2，合成信号从合路器的第一输出端口J0输出，差信号通过合路器的第二输出端口J3进入三端口大功率集成负载的P1端口，被合路器负载吸收；第一输出端口J0的反射信号，等分为两份，一份通过J1进入第一环形器的输出端口P12，然后经负载端口P13进入三端口大功率集成负载的P3端口，另一份通过J2进入第二环形器的输出端口P22，经负载端口P23进入三端口大功率集成负载的P2端口，反射信号被三端口大功率集成负载中对应的隔离器负载吸收。
三端口大功率集成负载中，第一路隔离器负载的波导输入端口P3和第二路隔离器负载的波导输入端口P2为弯波导压贴式结构，合路器负载的波导输入端口P1为直波导压贴式结构；
P1与P2间隔90°，P1与P3间隔90°，P2与P3间隔180°。
当合路器的第一输入端口J1和第二输入端口J2输入信号相位差|Δφ|为180°时，合成信号从合路器的第一输出端口J0输出，第二输出端口J3无功率输出；
当第一输入端口J1和第二输入端口J2输入信号相位差|Δφ|为0°时，合路器的第一输出端口J0无功率输出，功率从第二输出端口J3输出，被三端口大功率集成负载的P1端口吸收。
三端口大功率集成负载中，每路隔离器负载和合路器负载的平均功率均大于200W，峰值功率大于2400W。
合路器为魔T的结构形式，J1、J2、J3三个端口相互平行；J0端口垂直于底板以及J1、J2、J3三个端口。
合路器的第一输入端口J1到第一输出端口J0与合路器的第二输入端口J2到第一输出端口J0两路的相位相差180°；合路器的第一输入端口J1到第二输出端口J3与合路器的第二输入端口J2到第二输出端口J3两路相位相等。
第一环形器的输入端口P11到合路器的第一输出端口J0与第二环形器的输入端口P21到合路器的第一输出端口J0两路相位相差180°；第一环形器的输出端口P12到合路器的第二输出端口J3与第二环形器的输出端口P22到合路器的第二输出端口J3两路相位相等。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明对两路隔离器的大功率吸收负载和合路器的大功率负载，三个平均功率200W的大功率负载进行了系统集成，结合为一，负载的尺寸、重量大幅降低。
(2)本发明采用集成度高的合成网络结构可以较大程度的减小整机的重量，相比于之前原合路隔离组件(隔离器+合路器)的方案，尺寸重量得到较大的降低，尺寸降为之前的二分之一，重量从之前的3.6kg，下降到1.3kg。载荷重量减小，为卫星的长寿命工作奠定基础。
附图说明
图1为现有技术中两路功率放大器示意图；
图2为大功率隔离器结构框图；
图3为合路器魔T结构框图；
图4为三端口大功率集成负载集成示意图；
图5为端口模型及仿真结果，其中(a)为直波导式压贴模型及仿真结果，(b)为弯波导式压贴模型及仿真结果；
图6为本发明两路大功率波导合成网络示意图；
图7为三端口大功率集成负载产品结构分解图；
图8为三端口大功率集成负载产品整体示意图；
图9为两路大功率波导合成网络各部分连接示意图；
图10为两路大功率波导合成网络应用示意图；
图11为X频段合成网络结构布局图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
为了提升产品性能，提高产品的集成度，降低载荷的重量，从X频段合路隔离组件的产品特性、结构特性上进行分析和优化，提出了一种新型的X频段两路大功率波导合成网络结构。
本发明提出的一种X频段两路大功率波导合成网络，如图6所示，包括第一环形器、第二环形器、三端口大功率集成负载和合路器。
如图4和图6所示，三端口大功率集成负载集成有两路隔离器负载和一路合路器负载，合路器负载位于两路隔离器负载中间，三路负载并排放置，每路负载带有一个波导输入端口，记第一路隔离器负载的波导输入端口为P3，第二路隔离器负载的波导输入端口为P2，合路器负载的波导输入端口为P1；第一路隔离器负载的波导输入端口P3和第二路隔离器负载的波导输入端口P2为弯波导压贴式结构，合路器负载的波导输入端口P1为直波导压贴式结构。三端口大功率集成负载中，每路隔离器负载和合路器负载的平均功率均大于200W，峰值功率大于2400W。P1与P2间隔90°，P1与P3间隔90°，P2与P3间隔180°。
三端口大功率集成负载功率合成频率为8GHz～12.5GHz。如图5所示，通过建模仿真，可以看出，直波导压贴式模型在8～12.5GHz范围内的电压驻波比≤1.06；弯波导压贴式模型在8～12.5GHz范围内的电压驻波比≤1.11；电压驻波比指标≤1.2。
如图7所示，三端口大功率集成负载产品由负载上腔体、下腔体与吸收体组成。吸收体与腔体采用压贴结构，底面与腔体接触涂抹硅橡胶。成品示意图如图8所示。
腔体材料选取铝合金，牌号为6061，表面处理采用导电氧化。
通过三端口大功率集成负载作为结构互联中枢，将两路环形器、合路器均对齐波导面，通过螺钉紧固的方式进行一体化互联，集成框图如图9所示。
第一环形器的负载端口P13与三端口大功率集成负载的波导输入端口P3、第一环形器的输出端口P12与合路器的第一输入端口J1、第二环形器的负载端口P23与三端口大功率集成负载的波导输入端口P2、第二环形器的输出端口P22与合路器的第一输入端口J2、三端口大功率集成负载的波导输入端口为P1与合路器的第二输出端口J3通过螺钉紧固方式进行一体化互联，使两路大功率波导合成网络形成一体化结构组件。
第一路合成信号从第一环形器的输入端口P11输入，经输出端口P12输出给合路器的第一输入端口J1，第二路合成信号从第二环形器的输入端口P21输入，经输出端口P22输出给合路器的第二输入端口J2，合成信号从合路器的第一输出端口J0输出，差信号通过合路器的第二输出端口J3进入三端口大功率集成负载的P1端口，被合路器负载吸收；第一输出端口J0的反射信号，等分为两份，一份通过J1进入第一环形器的输出端口P12，然后经负载端口P13进入三端口大功率集成负载的P3端口，另一份通过J2进入第二环形器的输出端口P22，经负载端口P23进入三端口大功率集成负载的P2端口，反射信号被三端口大功率集成负载中对应的隔离器负载吸收。
当合路器的第一输入端口J1和第二输入端口J2输入信号相位差|Δφ|为180°时，合成信号从合路器的第一输出端口J0输出，第二输出端口J3无功率输出。当第一输入端口J1和第二输入端口J2输入信号相位差|Δφ|为0°时，合路器的第一输出端口J0无功率输出，功率从第二输出端口J3输出，被三端口大功率集成负载的P1端口吸收。
图10为本发明的应用框图。图11为X频段合成网络结构布局图。
合路器为魔T的结构形式，J1、J2、J3三个端口相互平行；J0端口垂直于底板以及J1、J2、J3三个端口。合路器的第一输入端口J1到第一输出端口J0与合路器的第二输入端口J2到第一输出端口J0两路相位相差180°；合路器的第一输入端口J1到第二输出端口J3与合路器的第二输入端口J2到第二输出端口J3两路相位相等。
第一环形器的输入端口P11到合路器的第一输出端口J0与第二环形器的输入端口P21到合路器的第一输出端口J0两路相位相差180°；第一环形器的输出端口P12到合路器的第二输出端口J3与第二环形器的输出端口P22到合路器的第二输出端口J3两路相位相等。
本发明设计了一种新型的三端口大功率集成负载，将两路隔离器的大功率吸收负载和合路器的大功率负载，三个平均功率200W的大功率负载进行了系统集成，通过一个一体化结构将三个负载结合为一，在不影响大功率负载吸收以及散热的前提下，极大的缩减了三个负载的尺寸和重量，结构更为紧凑。本发明通过三端口大功率集成负载作为结构互联中枢，两路环形器、合路器均对齐波导面，通过螺钉紧固的方式进行一体化互联。
本发明针对大功率两路波导合成行波管放大器进行设计，实现了隔离器负载、合路器负载的一体化集成设计，有效降低了两路大功率合成网络的体积、重量，提升了系统效费比。
本发明未作详细描述的内容属于本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种X频段两路大功率波导合成网络，其特征在于：包括第一环形器、第二环形器、三端口大功率集成负载和合路器；
三端口大功率集成负载集成有两路隔离器负载和一路合路器负载，合路器负载位于两路隔离器负载中间，三路负载并排放置，每路负载带有一个波导输入端口，记第一路隔离器负载的波导输入端口为P3，第二路隔离器负载的波导输入端口为P2，合路器负载的波导输入端口为P1；
第一环形器的负载端口P13与三端口大功率集成负载的波导输入端口P3、第一环形器的输出端口P12与合路器的第一输入端口J1、第二环形器的负载端口P23与三端口大功率集成负载的波导输入端口P2、第二环形器的输出端口P22与合路器的第二 输入端口J2、三端口大功率集成负载的波导输入端口为P1与合路器的第二输出端口J3通过螺钉紧固方式进行一体化互联，使两路大功率波导合成网络形成一体化结构组件；
第一路合成信号从第一环形器的输入端口P11输入，经输出端口P12输出给合路器的第一输入端口J1，第二路合成信号从第二环形器的输入端口P21输入，经输出端口P22输出给合路器的第二输入端口J2，合成信号从合路器的第一输出端口J0输出，差信号通过合路器的第二输出端口J3进入三端口大功率集成负载的P1端口，被合路器负载吸收；第一输出端口J0的反射信号，等分为两份，一份通过J1进入第一环形器的输出端口P12，然后经负载端口P13进入三端口大功率集成负载的P3端口，另一份通过J2进入第二环形器的输出端口P22，经负载端口P23进入三端口大功率集成负载的P2端口，反射信号被三端口大功率集成负载中对应的隔离器负载吸收。
2.根据权利要求1所述的一种X频段两路大功率波导合成网络，其特征在于：三端口大功率集成负载中，第一路隔离器负载的波导输入端口P3和第二路隔离器负载的波导输入端口P2为弯波导压贴式结构，合路器负载的波导输入端口P1为直波导压贴式结构；
P1与P2间隔90°，P1与P3间隔90°，P2与P3间隔180°。
3.根据权利要求1所述的一种X频段两路大功率波导合成网络，其特征在于：当合路器的第一输入端口J1和第二输入端口J2输入信号相位差|Δφ|为180°时，合成信号从合路器的第一输出端口J0输出，第二输出端口J3无功率输出；
当第一输入端口J1和第二输入端口J2输入信号相位差|Δφ|为0°时，合路器的第一输出端口J0无功率输出，功率从第二输出端口J3输出，被三端口大功率集成负载的P1端口吸收。
4.根据权利要求1所述的一种X频段两路大功率波导合成网络，其特征在于：三端口大功率集成负载中，每路隔离器负载和合路器负载的平均功率均大于200W，峰值功率大于2400W。
5.根据权利要求1所述的一种X频段两路大功率波导合成网络，其特征在于：合路器为魔T的结构形式，J1、J2、J3三个端口相互平行；J0端口垂直于底板以及J1、J2、J3三个端口。
6.根据权利要求5所述的一种X频段两路大功率波导合成网络，其特征在于：合路器的第一输入端口J1到第一输出端口J0与合路器的第二输入端口J2到第一输出端口J0两路的相位相差180°；合路器的第一输入端口J1到第二输出端口J3与合路器的第二输入端口J2到第二输出端口J3两路相位相等。
7.根据权利要求6所述的一种X频段两路大功率波导合成网络，其特征在于：第一环形器的输入端口P11到合路器的第一输出端口J0与第二环形器的输入端口P21到合路器的第一输出端口J0两路相位相差180°；第一环形器的输出端口P12到合路器的第二输出端口J3与第二环形器的输出端口P22到合路器的第二输出端口J3两路相位相等。
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