CN112151929B - 一种具有耦合功能的单脊波导4路功率合成器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有耦合功能的单脊波导4路功率合成器，包括一体化设置的脊波导合成装置与定向耦合装置，该脊波导合成装置的阶梯阻抗变换结构与该定向耦合装置的传输线金属导体一体成型设置。本发明能够实现功率合成器的小型化，降低链路损耗。

Description

一种具有耦合功能的单脊波导4路功率合成器

技术领域

本发明涉及功率合成放大器技术领域，具体而言，涉及一种具有耦合功能的单脊波导4路功率合成器。

背景技术

在6-18GHz的频率范围内，目前常见的定向耦合器主要有微带线形式的平行耦合，但微带线一类的定向耦合器因为本身微带传输线金属导体的功率容量有限，无法承载大功率设备；而通过扩宽微带金属层宽度，增加微带线基板厚度可以提高微带线的传输功率容量，但随之微带传输线金属导体的链路损耗也会变大。再者，虽然脊波导传输线金属导体工作带宽大，传输线金属导体链路损耗低的优势，但单脊波导合成器与微带定向耦合器的互联方式只能是通过同轴连接器互联。以百瓦量级的功放设备为例，其常用的同轴连接器一般为N型同轴连接器，而一组N型同轴连接器的长度，即N型同轴连接器的公头与母头总长一般都在40毫米左右，不利于设备的小型化。

发明内容

本发明的目的包括提供一种具有耦合功能的单脊波导4路功率合成器，其针对具有耦合功能的单脊波导4路功率合成器而设计，能够实现功率合成器的小型化，降低链路损耗。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：

一种具有耦合功能的单脊波导4路功率合成器，包括一体化设置的脊波导合成装置与定向耦合装置，该脊波导合成装置的阶梯阻抗变换结构与该定向耦合装置的传输线金属导体一体成型设置。

在本发明的一实施例中，所述定向耦合装置还包括，耦合线金属导体，与所述传输线金属导体耦合，该耦合线金属导体与该脊波导合成装置的腔体一体成型。

在本发明的一实施例中，所述定向耦合装置还包括，金属渡条，一端与所述耦合线金属导体一体成型、另一端与所述腔体一体成型。

在本发明的一实施例中，所述传输线金属导体、所述耦合线金属导体均配有多节三角尖劈部。

在本发明的一实施例中，还包括合成器腔体，该合成器腔体配置有，合成输入端口，配置于所述脊波导合成装置；合成输出端口，配置于所述脊波导合成装置；耦合端口，配置于所述定向耦合装置。

在本发明的一实施例中，所述合成输出端口配置有同轴连接器。

在本发明的一实施例中，所述耦合端口配置有同轴连接器。

在本发明的一实施例中，所述合成器腔体配置有用于安装所述同轴连接器的定位槽。

在本发明的一实施例中，所述脊波导合成装置与所述定向耦合装置采用同一材质制成。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

本发明实施例通过将单脊波导合成装置与定向耦合装置集成化设计，将二者设计为一体，与现有技术中单脊波导合成器与定向耦合器通过微带线和同轴连接器互联的技术方案相比，本技术方案减小了单脊波导合成器与定向耦合器整体所占的空间大小，实现了单脊波导合成器与定向耦合器整体的小型化，而且降低了从单脊波导合成装置到定向耦合装置的链路损耗；相较于现有微带线定向耦合器的分体式同轴互联方式，还避免了多余同轴连接器组件所代入的插入损耗。

本发明实施例定向耦合装置的耦合线金属导体与腔体一体化设计，与现有技术中采用分体加工的技术方案相比，本技术方案避免了装配误差对定向耦合性能的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明省略上腔体时的结构示意图；

图3为本发明中下腔体的结构示意图；

图4为图3中的局部结构示意图；

图5为本发明中定位槽的结构示意图；

图6为本发明采用HFSS仿真模拟的回波损耗曲线图；

图7为本发明采用HFSS仿真模拟的耦合度与隔离度曲线图；

图8为本发明采用HFSS仿真模拟的方向性曲线图；

图9为本发明采用HFSS仿真模拟的驻波VSWR曲线图。

图标：1-脊波导合成装置，11-阶梯阻抗变换结构，2-定向耦合装置，21-传输线金属导体，22-耦合线金属导体，23-三角尖劈部，3-金属渡条，41-上腔体，42-下腔体，51-合成输入端口，52-合成输出端口，53-耦合端口，6-同轴连接器，7-定位槽。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“配置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参照图1至图9，一种具有耦合功能的单脊波导4路功率合成器，包括一体化设置的脊波导合成装置1与定向耦合装置2，该脊波导合成装置1的阶梯阻抗变换结构11与该定向耦合装置2的传输线金属导体21一体成型设置。

定向耦合器是微波系统中一种比较常见的多端口微波器件，该多端口微波器件包含输入端口、输出端口、耦合端口和隔离端口，定向耦合器主要的功能是对传输线金属导体上的微波信号按特定的比例进行分配，通常是将传输线金属导体上的信号耦合出很小的一部分，因为通常用于微波设备的测试仪器的承受功率都非常有限，一般不会超过30dBm。而目前微波设备正朝着大功率、小体积的方向发展，对于百瓦级甚至是千瓦级的大功率功放设备而言，为了测试设备输出性能指标，监测设备工作状态，以及对设备的一些保护功能的考虑，则需要接入定向耦合器，在不影响输出端口的输出性能的同时，分出一组或几组微小信号用于接入测试仪器和监测/保护电路等。本发明中定向耦合装置22针对的是一种6-18GHz频率范围内基于平行耦合机理的定向耦合器。

为了实现功率合成器的小型化，降低链路损耗，本技术方案将脊波导合成装置1与定向耦合装置2一体化设置，将该脊波导合成装置1的阶梯阻抗变换结构11与该定向耦合装置2的传输线金属导体21一体成型设置，即将脊波导合成装置1与定向耦合装置2集成为一个整体，其中，在加工脊波导合成装置1中阶梯阻抗变换结构11时，将定向耦合装置2的传输线金属导体21作为阶梯阻抗变换结构11的一部分一起完成加工，有利于实现脊波导合成装置1与定向耦合装置2的一体化设置。与现有技术中单脊波导合成器与定向耦合器通过微带线和同轴连接器6互联的技术方案相比，本技术方案减小了单脊波导合成器与定向耦合器整体所占的空间大小，实现了单脊波导合成器与定向耦合器整体的小型化，而且降低了从单脊波导合成装置1到定向耦合装置2的链路损耗；相较于现有微带线定向耦合器的分体式同轴互联方式，还避免了多余同轴连接器6组件所代入的插入损耗。

需要说明的是，所述脊波导合成装置1与所述定向耦合装置2采用同一材质制成。由于本技术方案将脊波导合成装置1与定向耦合装置2一体化设置，定向耦合装置2中的传输线金属导体21与耦合线金属导体22，二者均与脊波导合成装置1一体成型设计、加工，因此，脊波导合成装置1与所述定向耦合装置2可采用同一材质制成，降低了本发明的加工难度和制造成本。

在某些实施例中，所述定向耦合装置2还包括，耦合线金属导体22，与所述传输线金属导体21耦合，该耦合线金属导体22与该脊波导合成装置1的腔体一体成型。所述定向耦合装置2还包括，金属渡条3，一端与所述耦合线金属导体22一体成型、另一端与所述腔体一体成型。在本发明中，脊波导合成装置1的腔体包括上腔体41和下腔体42，在本实施例中，该耦合线金属导体22与该脊波导合成装置1的下腔体42一体成型。现有技术中，同类定向耦合器的传输线金属导体21和耦合线金属导体22均为悬空放置，传输线金属导体21和耦合线金属导体22通过绝缘材料固定。但是，在该定向耦合器通过大功率信号，传输线金属导体21和耦合线金属导体22均处于高温状态时，绝缘材料容易失效变形，影响传输线金属导体21和耦合线金属导体22固定的稳定性。为了提高定向耦合装置2的耐高温性能和稳定性，本技术方案将耦合线金属导体22与该脊波导合成装置1的下腔体42一体成型，即在加工该脊波导合成装置1的腔体时，将耦合线金属导体22作为该下腔体42的一部分，一次性完成该下腔体42与耦合线金属导体22的加工，为了实现耦合线金属导体22与下腔体42的一体成型，本技术方案在耦合线金属导体22与下腔体42之间设置有金属渡条3，利用该金属渡条3实现耦合线金属导体22与下腔体42之间的连接，并且确保该耦合线金属导体22能实现其耦合信号的功能。本技术方案采用耦合线金属导体22与下腔体42一体化金属成型的方式，由于耦合线金属导体22与脊波导合成装置1的下腔体42一体成型，无需使用绝缘材料固定耦合线金属导体22，提高了定向耦合装置2的耐高温性能和稳定性，同时也易于装配。

在某些实施例中，所述传输线金属导体21、所述耦合线金属导体22均配有多节三角尖劈部23。本技术方案采用多节三角尖劈耦合线金属导体22，利于保障耦合平坦度指标。

在某些实施例中，具有耦合功能的单脊波导4路功率合成器还包括合成器腔体，该合成器腔体配置有，合成输入端口51，配置于所述脊波导合成装置1；合成输出端口52，配置于所述脊波导合成装置1；耦合端口53，配置于所述定向耦合装置2。所述合成输出端口52配置有同轴连接器6。所述耦合端口53配置有同轴连接器6。所述合成器腔体配置有用于安装所述同轴连接器6的定位槽7。本技术方案中，合成输出端口52与耦合端口53均为同轴连接器6形式，便于本发明与测试仪器或检波监测组件对接。而且，本技术方案合成器腔体配置有定位槽7，便于装配和后期重复与电缆连接使用。

本发明采用多节三角尖劈耦合线金属导体22级联的方案一定程度上也有便于仿真建模和参数化优化设计的考量。本发明在HFSS仿真软件的合成器的各项参数仿真结果如下：

1.三维尺寸：105mm×231mm×20mm(传输方向长度×非传输方向宽度×高度)，与脊波导4路合成+定向耦合器的同规格方案相比，本发明在传输路径上的长度短几十毫米，非传输方向的宽度主要由与之匹配的功放模块尺寸决定，但单就脊波导4路合成而言，宽度方向的尺寸可缩减至170mm；

2.回波损耗S11最大值在14GHz，为-19.2866dB；最小值在6.5GHz，为-41.1112dB；

3.耦合度最大值在7.3GHz，为-29.1833dB；最小值在13.2GHz，为-30.6113dB；耦合平坦度为±0.714dB；

4.隔离度最大值在12.6GHz，为-46.9217dB；最小值在6.5GHz，为-72.6330dB；

5.方向性最大值在6.5GHz，为43.3446dB；最小值在12.6GHz，为16.4050dB；

6.驻波VSWR最大值在14GHz，为1.2436；最小值在6.5GHz，为1.0178。

以上仅为本发明的选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有耦合功能的单脊波导4路功率合成器，其特征在于，包括一体化设置的脊波导合成装置与定向耦合装置，

该单脊波导4路功率合成器还包括合成器腔体，该合成器腔体配置有合成输入端口、合成输出端口和耦合端口，该合成输入端口配置于所述脊波导合成装置，该合成输出端口配置于所述脊波导合成装置，该耦合端口配置于所述定向耦合装置；

该脊波导合成装置的阶梯阻抗变换结构与该定向耦合装置的传输线金属导体一体成型设置。

2.根据权利要求1所述的具有耦合功能的单脊波导4路功率合成器，其特征在于，所述定向耦合装置还包括，

耦合线金属导体，与所述传输线金属导体耦合，该耦合线金属导体与该脊波导合成装置的腔体一体成型。

3.根据权利要求2所述的具有耦合功能的单脊波导4路功率合成器，其特征在于，所述定向耦合装置还包括，

金属渡条，一端与所述耦合线金属导体一体成型、另一端与所述腔体一体成型。

4.根据权利要求1或2所述的具有耦合功能的单脊波导4路功率合成器，其特征在于，所述传输线金属导体、所述耦合线金属导体均配有多节三角尖劈部。

5.根据权利要求1所述的具有耦合功能的单脊波导4路功率合成器，其特征在于，所述合成输出端口配置有同轴连接器。

6.根据权利要求1或5所述的具有耦合功能的单脊波导4路功率合成器，其特征在于，所述耦合端口配置有同轴连接器。

7.根据权利要求6所述的具有耦合功能的单脊波导4路功率合成器，其特征在于，所述合成器腔体配置有用于安装所述同轴连接器的定位槽。

8.根据权利要求1所述的具有耦合功能的单脊波导4路功率合成器，其特征在于，所述脊波导合成装置与所述定向耦合装置采用同一材质制成。

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