CN112103606A - 可调节的同轴线型功率分配器及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可调节的同轴线功率分配器及使用方法，其中，该分配器包括：第一输入端口、第一至第四输出端口、微波同轴传输线、第一至第三阻抗加法器以及第一至第二短路活塞，其中，第一输出端口和第三输出端口分别与第一阻抗加法器连接；第一输入端口与第二阻抗加法器连接；第二输出端口和第四输出端口分别与第三阻抗加法器连接；第三输出端口还与第一短路活塞连接，第四输出端口还与第二短路活塞连接，用于改变两个短路活塞的位置对功率分配比进行调节；第一至第三阻抗加法器之间通过长度为λ/4的微波同轴传输线连接，用于在调节过程中，保证第一输入端口的阻抗值始终匹配。该分配器结构简单且紧凑，可缩放至任意波段，满足不同应用场合的需求。
Description
技术领域
本发明涉及微波器件技术领域，特别涉及一种可调节的同轴线功率分配器的设计。
背景技术
微波是特定频段的电磁波，一般认为其频率范围为300MHz至300GHz，对应波长范围为1米至1毫米，介于普通无线电波与红外线之间。微波波段的应用领域很多，包括无线电通讯以及雷达等领域。微波传输线系统是传输微波能量和信息的系统，对于不同波段，不同传输模式的微波，选用的传输线类型不同。同轴线是用来传输TEM模式的传输线，由于其封闭的特点，能有效减少微波的辐射损失。
部分微波系统为了适应不同的应用场合，会有功率调节的需求。目前常见的调节功率方式主要有：直接调节功率源输出功率法，衰减吸收法，双源合成法，以及功率分配器调节法等。
第一种方法，直接调节功率源的输出功率。此方法的缺点是：磁控管或速调管等功率源通常工作在饱和放大区域，需要调节调制器参数来实现功率调节；在调节输出功率后，往往需要一定的时间才能达到一个稳定的工作状态，并且还可能存在阻抗匹配等问题，调节效率不高。
第二种衰减吸收法，即加入衰减器来对功率进行调节。但是，衰减器是基于微波吸收材料制成的元件，吸收功率后会产生热量，在功率较大时需要配备水冷系统。并且这种方法的微波利用效率不高。
第三种双源合成法，即把两个速调管功率源产生的信号通过-3dB耦合器进行合成。此方法要求两个速调管产生的信号幅值相同但相位不同，从而输出的信号可通过功率源信号的相位差进行调节，实现任意比例的功率分配比。但是，这种方法只能用于有两个功率源的设备。
第四种方法，使用功率分配器元件将微波功率分离为两束，从而调节功率。通常分离出的两束功率中，一束输送给后面的系统，另一束通常连接上一个定向耦合器后，再连上检测和控制系统。
目前的大部分功率分配器是固定功率分配比的设计，不可调节，难以满足不同应用场合的需求。而可调功率分配器的研究较少，设计比较复杂。目前仅有矩形波导型可调功率分配器的文献一篇，同轴线可调功率分配器未见诸报道。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种可调节的同轴线功率分配器。
本发明的另一个目的在于提出一种可调节的同轴线功率分配器的使用方法。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了可调节的同轴线功率分配器，包括：包括：第一输入端口1、第一至第四输出端口2-5、微波同轴传输线、第一至第三阻抗加法器6-8以及第一至第二短路活塞9-10，其中，所述第一输出端口2和第三输出端口4分别与所述第一阻抗加法器6连接；所述第一输入端口1与所述第二阻抗加法器7连接；所述第二输出端口3和第四输出端口5分别与所述第三阻抗加法器8连接；所述第三输出端口4还与所述第一短路活塞9连接，所述第四输出端口5还与所述第二短路活塞10连接，用于改变所述两个短路活塞的位置对功率分配比进行调节；所述第一至第三阻抗加法器6-8之间通过长度为λ/4的微波同轴传输线连接，用于在调节过程中，保证所述第一输入端口1的阻抗值始终匹配。
本发明实施例的可调节的同轴线功率分配器，结构简单且紧凑，通过改变短路活塞的位置即可对功率分配比进行调节，在任意分配比的情况下输入端始终匹配，同时，还可缩放至任意波段，满足不同应用场合的需求。
另外，根据本发明上述实施例的可调节的同轴线功率分配器还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：所述第一输出端口2和所述第二输出端口3分别与微波系统连接，用于根据所述微波系统的实际使用需求进行调节，直至所述第一输入端口1匹配。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在调节过程，当所述第三输出端口4和所述第四输出端口5之间的两个短路活塞相位相差为π/2时，所述第一输入端口1能在调节过程中始终保持匹配状态。
进一步地，在本发明的一个实施例中，工作过程为：根据实际使用需求分别改变所述第一短路活塞9和第二短路活塞10的位置，分别获取调节后的第一输出端口2、第二输出端口3、第三输出端口4和第四输出端口5的阻抗；通过所述第一阻抗加法器6将所述第一输出端口2的阻抗和所述第三输出端口4的阻抗相加，利用所述微波同轴传输线将阻抗和变为其倒数，将倒数经过所述第二阻抗加法器7后，得到所述第一输入端口1的第一阻抗值；通过所述第三阻抗加法器8将所述第二输出端口3的阻抗和所述第四输出端口5的阻抗相加，利用所述微波同轴传输线将阻抗和变为其倒数，将倒数经过所述第二阻抗加法器7后，得到所述第一输入端口1的第二阻抗值；将所述第一输入端口1的第一阻抗值与所述第一输入端口1的第二阻抗值相加，得到匹配的所述第一输入端口1的阻抗和。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一输出端口2和所述第三输出端口4分别与所述第一阻抗加法器6连接后视为第一choke结构，所述第二输出端口3和所述第四输出端口5分别与所述第三阻抗加法器8连接后视为第二choke结构。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一choke结构包括第二输入端口11，第五输出端口12，以及连接短路面的第一支路13，其中，所述第二输入端口11为所述第一阻抗加法器6和所述第二阻抗加法器7之间的微波同轴传输线，所述第五输出端口12为所述第一输出端口1，所述第一支路13为所述第一短路活塞9。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第二choke结构包括第三输入端口，第六输出端口，以及连接短路面的第二支路，其中，所述第三输入端口为所述第三阻抗加法器8和所述第二阻抗加法器7之间的微波同轴传输线，所述第六输出端口为所述第二输出端口3，所述第二支路为所述第二短路活塞10。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了可调节的同轴线功率分配器的使用方法，包括：根据所述微波系统的实际使用需求改变所述第一短路活塞9和所述第二短路活塞10的位置，以对功率分配比进行调节，其中，调节时保证所述第一短路活塞9和所述第二短路活塞10相位相差为π/2；分别获取功率分配比调节后的第一输出端口2、第二输出端口3、第三输出端口4和第四输出端口5的阻抗；通过所述第一阻抗加法器6将所述第一输出端口1的阻抗和所述第三输出端口4的阻抗相加，利用所述微波同轴传输线将阻抗和变为其倒数，将倒数经过所述第二阻抗加法器7后，得到所述第一输入端口1的第一阻抗值；通过所述第三阻抗加法器8将所述第二输出端口3的阻抗和所述第四输出端口5的阻抗相加，利用所述微波同轴传输线将阻抗和变为其倒数，将倒数经过所述第二阻抗加法器7后，得到所述第一输入端口1的第二阻抗值；将所述第一输入端口1的第一阻抗值与所述第一输入端口1的第二阻抗值相加，得到匹配的所述第一输入端口1的阻抗和。
本发明实施例的可调节的同轴线功率分配器的使用方法，通过改变短路活塞的位置即可对功率分配比进行调节，在任意分配比的情况下输入端始终匹配，同时，还可缩放至任意波段，满足不同应用场合的需求。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的可调节的同轴线功率分配器的原理图；
图2为根据本发明一个实施例的可调节的同轴线功率分配器的结构示意图；
图3为根据本发明一个实施例中使用到的choke结构原理图；
图4为根据本发明一个实施例的可调节的同轴线功率分配器的使用方法的流程图。
附图标记说明：100-可调节的同轴线功率分配器、1-第一输入端口、2-第一输出端口、3-第二输出端口、4-第三输出端口(接第一短路活塞)、5-第四输出端口(接第二短路活塞)、6-第一阻抗加法器、7-第二阻抗加法器、8-第三阻抗加法器、9-第一短路活塞(连接短路面的第一支路)、10-第二短路活塞(连接短路面的第二支路)、11-第二输入端口、12-第五输出端口、13-choke结构第一支路(接短路活塞)。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的可调节的同轴线功率分配器及使用方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的可调节的同轴线功率分配器。
图1是本发明一个实施例的可调节的同轴线功率分配器的原理图。
图1为本发明实施例的一个简化的五口网络，该可调节的同轴线功率分配器100包括：第一输入端口1、第一输出端口2、第二输出端口3、第三输出端口4、第四输出端口5、微波同轴传输线、第一阻抗加法器6、第二阻抗加法器7、第三阻抗加法器8、第一短路活塞9和第二短路活塞10。
其中，第一输出端口2和第三输出端口4分别与第一阻抗加法器6连接；第一输入端口1与第二阻抗加法器7连接；第二输出端口3和第四输出端口5分别与第三阻抗加法器8连接；第三输出端口4还与第一短路活塞9连接，第四输出端口5还与第二短路活塞10连接，用于改变两个短路活塞的位置对功率分配比进行调节；第一至第三阻抗加法器之间通过长度为λ/4的微波同轴传输线连接，用于在调节过程中，保证第一输入端口1的阻抗值始终匹配。
进一步地，本发明实施例的第一输出端口2和第二输出端口3还分别与微波系统连接，用于根据微波系统的实际使用需求进行调节，直至第一输入端口1匹配。
需要说明是，阻抗加法器是本发明中需使用的一个重要部件，其本质为散射参数S满足一定条件的三口网络，功能为三口网络中的一个端口的输入阻抗等于另外两端口阻抗之和，故称作阻抗加法器。
具体而言，如图1-2所示，第一输出端口2和第二输出端口3连接后面的系统，根据实际使用需求调节两个短路活塞，且保持两个短路活塞相位相差为π/2，进而第一输入端口1能在调节过程中始终保持匹配状态至匹配，即无微波反射。在此条件下，首先分别改变第一短路活塞9和第二短路活塞10的位置，分别获取调节后的第一输出端口2、第二输出端口3、第三输出端口4和第四输出端口5的阻抗；第一输出端口2和第三输出端口4经过第一阻抗加法器6后二者阻抗相加，经过长度为λ/4的微波传输线后，阻抗变为原来的倒数，再次经过第二阻抗加法器7，可以算得第一输入端口1的第一阻抗大小；通过第三阻抗加法器8将第二输出端口3的阻抗和第四输出端口5的阻抗相加，利用微波同轴传输线将阻抗和变为其倒数，将倒数经过第二阻抗加法器后，得到第一输入端口1的第二阻抗值；将第一输入端口1的第一阻抗值与第一输入端口1的第二阻抗值相加，得到匹配的第一输入端口1的阻抗和。
例如，第一输出端口2的阻抗为Z2和第二输出端口3的阻抗为Z4，经过第一阻抗加法器6后得到两者阻抗和Z2+Z4，经过长度为λ/4的微波传输线后，阻抗变为原来的倒数
再次经过第二阻抗加法器7，可以算得第一输入端口1的第一阻抗大小；第二输出端口3的阻抗Z3和第四输出端口5的阻抗Z5经过第三阻抗加法器8后得到两者阻抗和Z3+Z5，经过长度为λ/4的微波传输线后，阻抗变为原来的倒数
将倒数经过第二阻抗加法器后，得到第一输入端口1的第二阻抗大小；将第一输入端口1的第一阻抗值
与第一输入端口1的第二阻抗值
相加，得到匹配的第一输入端口1的阻抗和
进一步地，第一输出端口2和第二输出端口3与微波负载相连，可认为是匹配无反射的，即归一化阻抗c＝1，Z3＝1。两个短路活塞相位相差为π/2，即二者反射系数互为相反数，ρ3＝-ρ5。根据微波传输理论，归一化阻抗和反射系数的关系为：Zn＝(ρn+1)/(ρn-1)，c为3或者5。第一输入端口1的阻抗和为
即第一输入端口1在调节第一短路活塞9和第二短路活塞10的位置时，若保持两个短路活塞相位相差为π/2，则第一输入端口1始终保持匹配无反射。
进一步地，在本发明的一个实施例中，第一输出端口2和第三输出端口4分别与第一阻抗加法器6连接后视为第一choke结构，第二输出端口3和第四输出端口5分别与第三阻抗加法器8连接后视为第二choke结构。
进一步地，在本发明的一个实施例中，进一步地，在本发明的一个实施例中，第一choke结构包括第二输入端口11，第五输出端口12，以及连接短路面的第一支路13，其中，第二输入端口11为第一阻抗加法器6和第二阻抗加法器7之间的微波同轴传输线，第五输出端口12为第一输出端口2，第一支路13为第一短路活塞9。
进一步地，在本发明的一个实施例中，第二choke结构包括第三输入端口，第六输出端口，以及连接短路面的第二支路，其中，第三输入端口为第三阻抗加法器8和第二阻抗加法器7之间的微波同轴传输线，第六输出端口为第二输出端口3，第二支路为第二短路活塞10。
具体而言，如图3所示，第一输出端口2和接短路活塞的端口4(第三输出)以及二者连接处的阻抗加法器(第一阻抗加法器)整体可视作一个choke结构(端口3和端口5亦然)，choke结构包括第二输入端口11和第五输出端口12，以及连接短路面的第一支路13。Choke结构连接处仍为阻抗加法器，故第二输入端口11阻抗为第五输出端口12和连接短路面的第一支路9的阻抗之和，所以可调节短路面支路的长度来改变第二输入端口11的阻抗，换而言之，即可通过调节短路面支路的长度来改变第二输入端口11输入的微波通过choke结构传到第五输出端口12的比例。Choke结构相当于微波传输线中的开关，并且可以证明微波全部通过和全部返回状态短路活塞相位相差π/2。
因此，第一输入端口1始终匹配的条件与两个choke结构状态相反的条件一致，即可完成本发明的功率分配的功能：当第一输出端口2上的choke导通时，第二输出端口3上的choke关闭；反之，当第二输出端口3上的choke导通时，第一输出端口2上的choke关闭。以上为两种极端状态，实际上可实现这两种状态间的任意状态，即可通过调节choke结构的状态，实现两个输出端口的输出分配比任意可调。
本发明实施例提出的可调节的同轴线功率分配器，包括一个输入端口和两个输出端口，两段长度为λ/4的微波同轴传输线，三个三端口阻抗加法器以及两个短路活塞，组装后完成，结构简单且紧凑，通过改变短路活塞的位置即可对功率分配比进行调节，在任意分配比的情况下输入端始终匹配，同时，还可缩放至任意波段，满足不同应用场合的需求。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的可调节的同轴线功率分配器的使用方法。
图4是本发明一个实施例的可调节的同轴线功率分配器的使用方法的流程图。
如图4所示，该可调节的同轴线功率分配器的使用方法，包括以下步骤：
在步骤S401中，根据微波系统的实际使用需求改变第一短路活塞和第二短路活塞的位置，以对功率分配比进行调节，其中，调节时保证第一短路活塞和第二短路活塞相位相差为π/2。
在步骤S402中，分别获取功率分配比调节后的第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口和第四输出端口的阻抗。
在步骤S403中，通过第一阻抗加法器将第一输出端口的阻抗和第三输出端口的阻抗相加，利用微波同轴传输线将阻抗和变为其倒数，将倒数经过第二阻抗加法器后，得到第一输入端口的第一阻抗值。
在步骤S404中，通过第三阻抗加法器将第二输出端口的阻抗和第四输出端口的阻抗相加，利用微波同轴传输线将阻抗和变为其倒数，将倒数经过第二阻抗加法器后，得到第一输入端口的第二阻抗值。
在步骤S405中，将第一输入端口的第一阻抗值与第一输入端口的第二阻抗值相加，得到匹配的第一输入端口的阻抗和。
根据本发明实施例提出的可调节的同轴线功率分配器的使用方法，通过改变短路活塞的位置即可对功率分配比进行调节，在任意分配比的情况下输入端始终匹配，同时，还可缩放至任意波段，满足不同应用场合的需求。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种可调节的同轴线功率分配器，其特征在于，包括：第一输入端口(1)、第一至第四输出端口(2-5)、微波同轴传输线、第一至第三阻抗加法器(6-8)以及第一至第二短路活塞(9-10)，其中，
所述第一输出端口(2)和第三输出端口(4)分别与所述第一阻抗加法器(6)连接；
所述第一输入端口(1)与所述第二阻抗加法器(7)连接；
所述第二输出端口(3)和第四输出端口(5)分别与所述第三阻抗加法器(8)连接；
所述第三输出端口(4)还与所述第一短路活塞(9)连接，所述第四输出端口(5)还与所述第二短路活塞(10)连接，用于改变所述两个短路活塞的位置对功率分配比进行调节；
所述第一至第三阻抗加法器(6-8)之间通过长度为λ/4的微波同轴传输线连接，用于在调节过程中，保证所述第一输入端口(1)的阻抗值始终匹配。
2.根据权利要求1所述的可调节的同轴线功率分配器，其特征在于，还包括：
所述第一输出端口(2)和所述第二输出端口(3)分别与微波系统连接，用于根据所述微波系统的实际使用需求进行调节，直至所述第一输入端口(1)匹配。
3.根据权利要求1所述的可调节的同轴线功率分配器，其特征在于，在调节过程，当所述第三输出端口(4)和所述第四输出端口(5)之间的两个短路活塞相位相差为π/2时，所述第一输入端口(1)能在调节过程中始终保持匹配状态。
4.根据权利要求1所述的可调节的同轴线功率分配器，其特征在于，工作过程为：
根据实际使用需求分别改变所述第一短路活塞(9)和第二短路活塞(10)的位置，分别获取调节后的第一输出端口(2)、第二输出端口(3)、第三输出端口(4)和第四输出端口(5)的阻抗；
通过所述第一阻抗加法器(6)将所述第一输出端口(2)的阻抗和所述第三输出端口(4)的阻抗相加，利用所述微波同轴传输线将阻抗和变为其倒数，将倒数经过所述第二阻抗加法器(7)后，得到所述第一输入端口(1)的第一阻抗值；
通过所述第三阻抗加法器(8)将所述第二输出端口(3)的阻抗和所述第四输出端口(5)的阻抗相加，利用所述微波同轴传输线将阻抗和变为其倒数，将倒数经过所述第二阻抗加法器(7)后，得到所述第一输入端口(1)的第二阻抗值；
将所述第一输入端口(1)的第一阻抗值与所述第一输入端口(1)的第二阻抗值相加，得到匹配的所述第一输入端口(1)的阻抗和。
5.根据权利要求1所述的可调节的同轴线功率分配器，其特征在于，所述第一输出端口(2)和所述第三输出端口(4)分别与所述第一阻抗加法器(6)连接后视为第一choke结构，所述第二输出端口(3)和所述第四输出端口(5)分别与所述第三阻抗加法器(8)连接后视为第二choke结构。
6.根据权利要求5所述的可调节的同轴线功率分配器，其特征在于，所述第一choke结构包括第二输入端口(11)，第五输出端口(12)，以及连接短路面的第一支路(13)，其中，所述第二输入端口(11)为所述第一阻抗加法器(6)和所述第二阻抗加法器(7)之间的微波同轴传输线，所述第五输出端口(12)为所述第一输出端口(2)，所述第一支路(13)为所述第一短路活塞(9)。
7.根据权利要求5所述的可调节的同轴线功率分配器，其特征在于，所述第二choke结构包括第三输入端口，第六输出端口，以及连接短路面的第二支路，其中，所述第三输入端口为所述第三阻抗加法器(8)和所述第二阻抗加法器(7)之间的微波同轴传输线，所述第六输出端口为所述第二输出端口(3)，所述第二支路为所述第二短路活塞(10)。
8.一种可调节的同轴线功率分配器的使用方法，采用上述权利要求1-7所述的可调节的同轴线功率分配器中任一项，其特征在于，包括以下步骤：
根据所述微波系统的实际使用需求改变所述第一短路活塞(9)和所述第二短路活塞(10)的位置，以对功率分配比进行调节，其中，调节时保证所述第一短路活塞(9)和所述第二短路活塞(10)相位相差为π/2；
分别获取功率分配比调节后的第一输出端口(2)、第二输出端口(3)、第三输出端口(4)和第四输出端口(5)的阻抗；
通过所述第一阻抗加法器(6)将所述第一输出端口(1)的阻抗和所述第三输出端口(4)的阻抗相加，利用所述微波同轴传输线将阻抗和变为其倒数，将倒数经过所述第二阻抗加法器(7)后，得到所述第一输入端口(1)的第一阻抗值；
通过所述第三阻抗加法器(8)将所述第二输出端口(3)的阻抗和所述第四输出端口(5)的阻抗相加，利用所述微波同轴传输线将阻抗和变为其倒数，将倒数经过所述第二阻抗加法器(7)后，得到所述第一输入端口(1)的第二阻抗值；
将所述第一输入端口(1)的第一阻抗值与所述第一输入端口(1)的第二阻抗值相加，得到匹配的所述第一输入端口(1)的阻抗和。
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| CN114696054A (zh) * | 2022-03-25 | 2022-07-01 | 清华大学 | 可调节功率分配器、方法、电子设备及存储介质 |
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| US5467063A (en) * | 1993-09-21 | 1995-11-14 | Hughes Aircraft Company | Adjustable microwave power divider |
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