CN114374068B

CN114374068B - 一种基于新型径向线波导的合路器

Info

Publication number: CN114374068B
Application number: CN202210043437.8A
Authority: CN
Inventors: 张强; 赵立山; 杨梓晗
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2022-01-14
Filing date: 2022-01-14
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2042-01-14
Also published as: CN114374068A

Abstract

本发明公开了一种基于新型径向线波导的合路器，包括第一壳体与第二壳体；第一壳体的一端设有第一端口，另一端连接在第二壳体上，第一壳体内具有第一空间通道；第二壳体内由内至外依次具有第二空间通道、第三空间通道与第四空间通道，第二空间通道的顶端与第一空间通道相通，底端与第三空间通道的内环相通；第四空间通道的数量为多个，每一第四空间通道的一端均与第三空间通道的外环相通；第二壳体的侧部设有若干第二端口，第二端口位于对应第四空间通道的另一端。兼顾波导型与微带型二者的优点，不仅可以实现多路数平面化应用，而且采用一级合成的方式、微波损耗低，且工作带宽比较大，在实现应用于低损耗微波电路中有着非常好的传输性能。

Description

一种基于新型径向线波导的合路器

技术领域

本发明涉及功分/合路技术领域，具体是一种基于新型径向线波导的合路器。

背景技术

功分器是实现将一路微波信号和能量分成多路微波信号和能量的微波无源器件，也可以反过来把多路微波信号和能量合成一路，此时叫做合路器。功率分配/合路器在通信领域有着很高的利用价值，如应用于天线阵列、混频器和平衡放大器的馈送网络、完成功率的分配、合成、检测以及信号的取样；也可应用于微波固态电路，将一路微波信号通过功分器分成多路微波信号，每路微波信号再接功放器达到功率放大的目的，功率放大后的信号再接合路器合成一路信号，以此获得大功率微波信号。

合路器是天线、雷达、无线通信等电子设备中非常重要的元件，也是一个备受重视的关键技术。近年来，随着微波空间技术的迅速发展，以及通信所需的发射功率越来越大。传统的平面电路合成有着插损大，功率容量低等局限；而单个固态器件因其自身物理特性的影响，使其受到功率饱和、加工工艺和阻抗匹配的影响以及散热问题的制约，输出功率很难满足电子设备大功率需求。因此，如何提供足够大的微波功率一直是微波理论与技术研究中十分重要的课题。功率分配/合路器的主要技术参数：S传输参数、回波损耗、插入损耗、频带宽度、功率容量、端口驻波比，端口间隔离度等。

功分器/合路器现有技术按物理层结构分类应用较为广泛的主要是：平面型、空间型和波导型。

平面型有微带、槽线、带状线，常见的有：Wilkinson功分器、微带分支线定向耦合器等，这类功率分配器主要利用电路结构来实现功率分配，主要优点是小型化，易于集成，在平面微波系统中使用，但其缺点是不能满足高功率容量以及低损耗的要求，且插入损耗较大。

空间型有空间波功率合成、波导内功率合成。空间波功率合成主要是利用天线辐射电磁波，以及电磁波在空间中的耦合来实现；波导内功率合成，通过在波导内排列有源放大阵列，控制电磁波在波导中的传输模式，从而实现微波功率的放大与合成。

而波导型功分器，由金属波导组成，如：矩形波导、圆波导、同轴波导、SIW(基片集成波导)等，具有非常高的功率容量，且损耗极低，常见的波导型功分器有T型功率分配器，T型功率分配器实现2路的功率分配，通常采用级联的方式来获得大功率输出，这种方式就使得分配器的体积较大，且微波传输损耗较大，能力利用率低，在功率较大时会造成很大的电损耗，而且在T行波导结点处场强较大，容易造成损坏。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于新型径向线波导的合路器，兼顾波导型与微带型二者的优点，不仅可以实现多路数平面化应用，而且采用一级合成的方式、微波损耗低，且工作带宽比较大，在实现应用于低损耗微波电路中有着非常好的传输性能。

为实现上述目的，本发明提供一种基于新型径向线波导的合路器，包括第一壳体与第二壳体，所述第一壳体为同轴线结构，所述第二壳体为径向线结构；

所述第一壳体的一端设有第一端口，另一端连接在所述第二壳体一端的中心位置，且所述第一壳体内具有环形筒状结构的第一空间通道；

所述第二壳体内由内至外依次具有第二空间通道、第三空间通道与第四空间通道，所述第二空间通道为环台状结构，所述第三空间通道为环饼状结构，所述第二空间通道的顶端与所述第一空间通道相通，所述第二空间通道底端与所述第三空间通道的内环相通；

所述第四空间通道的数量为多个，且各所述第四空间通道沿周向间隔分布在所述第三空间通道外环的周围，且每一所述第四空间通道的一端均与所述第三空间通道的外环相通；

所述第二壳体的侧部设有若干与所述第四空间通道一一对应的第二端口，所述第二端口位于对应所述第四空间通道的另一端。

在另一个实施例，所述第一壳体包括内导体与外导体，所述外导体同轴套设在所述内导体外，并与所述内导体之间围成所述第一空间通道；

所述第二壳体包括底板、内导体过渡段、顶板、外导体过渡段与接头过渡段，所述底板与所述顶板平行，且所述顶板间隔位于所述底板的上方；

所述顶板的中心位置具有通孔，所述外导体过渡段的一端与所述通孔的孔壁固定相连，另一端与所述外导体的底端固定相连；

所述内导体过渡段的一端固定连接在所述底板的顶部中心位置，另一端穿过所述通孔后与所述内导体的底端固定相连，即所述外导体过渡段与一部分所述内导体过渡段围成所述第二空间通道；

所述接头过渡段的数量为多个，且每一所述接头过渡段内均具有一所述第四空间通道，多个所述接头过渡段依次相连围成封闭环状结构，所述封闭环状结构位于所述底板与所述顶板的外轮廓间隙内，即所述封闭环状结构与另一部分所述内导体过渡段围成所述第三空间通道。

在另一个实施例，还包括若干与所述第四空间通道一一对应的接头导杆，所述接头导杆的一端与所述内导体过渡段固定相连，另一端穿过所述第三空间通道后位于对应所述第四空间通道内。

在另一个实施例，每一所述接头导杆的长度方向均与所述第三空间通道的径向方向平行。

在另一个实施例，所述内导体过渡段的侧部沿周向间隔设有若干安装孔，且所述安装孔与所述接头导杆一一对应，所述接头导杆的端部固定嵌入对应所述安装孔。

在另一个实施例，所述内导体过渡段为一上下底均为圆的圆台型金属导体，且所述内导体过渡段的侧壁母线为四分之一圆弧或四分之一椭圆弧。

在另一个实施例，所述第四空间通道朝向所述第二端口的一端为圆形结构，朝向所述第三空间通道的一端为矩形结构。

在另一个实施例，所述第二端口的数量为12～20个。

与现有技术相比，本发明提供的一种基于新型径向线波导的合路器，具有如下有益技术效果：

1、本发明所提供的一种基于新型径向线波导的合路器的合路器结构中，信号从排列在第二壳体侧面12～20个第二端口输入，传播路径：第二端口→第四空间通道→第三空间通道→第二空间通道-第一空间通道→第一端口，到达同轴线结构的第一壳体输出，输入路数多，且输入接口在同一平面内，采用一级级联的方式；

2、本发明所提供的一种基于新型径向线波导的合路器的合路器结构中，输入、输出接口的可扩展性强，第四空间通道与同轴射频连接器内外导体尺寸匹配，可连接不同型号的射频同轴连接器；

3、本发明所提供的一种基于新型径向线波导的合路器的合路器结构中，关于z轴旋转对称，信号传输相位基本一致，端口驻波比小，传输性能好，可以在较宽频带范围实现良好的等幅同相功率分配。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中基于新型径向线波导的合路器的轴测图；

图2为本发明实施例中基于新型径向线波导的合路器的剖视图；

图3为本发明实施例中基于新型径向线波导的合路器的内部结构示意图；

图4为本发明实施例中基于新型径向线波导的合路器的整体尺寸示意图；

图5为本发明实施例中基于新型径向线波导的合路器的局部尺寸示意图；

图6为本发明实施例中基于新型径向线波导的合路器中内部空间通道的第一轴测图；

图7为本发明实施例中基于新型径向线波导的合路器中内部空间通道的第二轴测图；

图8为本发明实施例中S参数仿真结果示意图；

图9为本发明实施例中VSWR仿真结果示意图。

附图标号：第一空间通道101、第二空间通道102、第三空间通道103、第四空间通道104、第一端口105、第二端口106、内导体201与外导体202、底板301、内导体过渡段302、顶板303、外导体过渡段304与接头过渡段305、接头导杆306。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1-7所示为本实施例公开的一种基于新型径向线波导的合路器，包括第一壳体与第二壳体，其中，第一壳体为同轴线结构，第二壳体为径向线结构。具体地，第一壳体的一端设有第一端口105，另一端连接在第二壳体一端的中心位置，且第一壳体内具有环形筒状结构的第一空间通道101，即第一端口105位于第一空间通道101的顶端，第一空间通道101的底端与第二壳体内相通。第二壳体内由内至外依次具有第二空间通道102、第三空间通道103与第四空间通道104，第二空间通道102为环台状结构，第三空间通道103为环饼状结构，第二空间通道102的顶端与第一空间通道101的底端相通，第二空间通道102底端与第三空间通道103的内环相通。第四空间通道104的数量为多个，且各第四空间通道104沿周向间隔分布在第三空间通道103外环的周围，且每一第四空间通道104的一端均与第三空间通道103的外环相通，相邻的两个第四空间通道104之间互不相通。第二壳体的侧部设有若干与第四空间通道104一一对应的第二端口106，第二端口106位于对应第四空间通道104的另一端。即，第一壳体构成同轴线，第二壳体中的第三空间通道103与第四空间通道104构成径向线，第二空间通道102则构成同轴线与径向线之间的过渡区域。

本实施例中第二端口的数量为12～20个，具体为16个。信号从排列在第二壳体侧面16个第二端口106输入，传播路径：第二端口106→第四空间通道104→第三空间通道103→第二空间通道102-第一空间通道101→第一端口105，到达同轴线结构的第一壳体输出，输入路数多，且输入接口在同一平面内，采用一级级联的方式、微波损耗低，且工作带宽比较大，在实现应用于低损耗微波电路中有着非常好的传输性能。

本实施例中，第一壳体包括内导体201与外导体202，外导体202同轴套设在内导体201外，并与内导体201之间围成第一空间通道101。第二壳体包括底板301、内导体过渡段302、顶板303、外导体过渡段304与接头过渡段305，底板301与顶板303平行且均为圆板，顶板303间隔位于底板301的上方。顶板303的中心位置具有通孔，外导体过渡段304的一端与通孔的孔壁固定相连，另一端与外导体202的底端固定相连，即外导体过渡段304与顶板303一体成型。内导体过渡段302的一端固定连接在底板301的顶部中心位置，另一端穿过通孔后与内导体201的底端固定相连，即外导体过渡段304与一部分内导体过渡段302围成第二空间通道102。接头过渡段305的数量为多个，且每一接头过渡段305内均具有一个第四空间通道104，多个接头过渡段305依次相连围成封闭环状结构，封闭环状结构位于底板301与顶板303的外轮廓间隙内，即封闭环状结构与另一部分内导体过渡段302围成第三空间通道103。其中，第二壳体还包括若干与第四空间通道104一一对应的接头导杆306，接头导杆306的一端与内导体过渡段302固定相连，另一端穿过第三空间通道103后位于对应第四空间通道104内。

在具体实施过程中，第二端口106、第四空间通道104、接头过渡段305、接头导杆306的数量均为16个。每一接头导杆306的长度方向均与第三空间通道103的径向方向平行。接头导杆306是一段长为L1、半径为R1的圆柱形金属导体，接头导杆306半径R1与接头(同轴射频连接器)内导体半径相同，接头导杆306一端与接头内导体相连，另一端水平嵌入内导体过渡段302，接头导杆306与接头内导体处于同一中轴线上，且每一接头导杆306与顶板303、底板301的最近距离相同，长度为L4。16个与接口数量相同的接头导杆306沿径向均匀分布在第二壳体中。

接头过渡段305是一段长度为L2、处于顶板303与底板301之间的过渡单元，16个接头过渡段305均匀分布于底板301与顶板303的外轮廓间隙内。第四空间通道104位于接头过渡段305内，且第四空间通道104朝向第二端口106的一端为圆形结构，朝向第三空间通道103的一端为矩形结构。圆形结构的直径为H，且与顶板303、底板301的距离相同，H还为接头(同轴射频连接器)外导体202内径(直径)长度，与接头尺寸匹配。

底板301是一个半径为R2的圆形金属薄板，与顶板303的半径相同，间距为H，H的数值大小等于(R1+L4)的2倍，底板301与内导体过渡段302连接。顶板303是一个内径为R6、外径为R6+L3的圆环金属导体，R6还满足R6+L2+L3＝R2，外导体过渡段304是由半径为R3的四分之一圆弧绕z方向中轴线旋转360°而成。

内导体过渡段302为一上下底均为圆的圆台型金属导体，且内导体过渡段302的侧壁母线为四分之一圆弧或四分之一椭圆弧，上底圆面半径为R4，内导体过渡段302的侧部沿周向间隔设有若干安装孔，且安装孔与接头导杆306一一对应，接头导杆306的端部固定嵌入对应安装孔。外导体202是一个内径为R5的圆柱形金属薄壁，内导体201是一个半径为R4的圆柱形金属导体。内导体过渡段302下底面与底板301连接，上底面连接内导体201；外导体202与外导体过渡段304连接。

本实施例的工作模式是：合路器的输入端接头接口，即第二端口106在第二壳体侧面均匀排列，与接头导杆306、接头过渡段305连接，输入端口的扩展性较强，可连接L29、N型等多种型号的射频同轴连接器，本实施例中使用L29型号接头。输入端口接头内导体连接接头导杆306，接头导杆306与接头内导体半径相同，接头导杆306另一端沿径向嵌入内导体过渡段302，具有很高的对称性。合路器输入端口(即第二端口106)与第四通道的尺寸及特性阻抗没有连续性，为了降低输出端口的反射，接头过渡段305完成输入/输出阻抗匹配，采用锥形渐变的方式来实现阻抗匹配，以达到减小端口反射、增加带宽的目的。该接头过渡段305之间，保留有一定的间隔，可以增大输入端口间的隔离度，防止输入的信号产生干扰、增益，影响合路器工作稳定性。

合路器中径向线(即第四空间通道104与第三空间通道103)结构是一种特殊的波导，这种波导结构比较简单，主要由两个圆形上壁和下壁组成，上壁与下壁高度等于或者略大于接头外导体直径，电磁波在其中沿径向传播，还可通过增大径向线的半径，增大径向线表面积，从而可以连接较多的端口，是实现多路合成的关键。

本实施例中，同轴线与径向线所在平面垂直，电磁波通过这段结构，从径向线中传输到同轴线，该段结构剖面图是一个四分之一圆，此结构相比阶梯型结构的优点是可以获得较大的带宽，在仿真中通过优化得到该圆的半径以及径向线的半径。电磁波通过径向线与同轴线的过渡单元，到达同轴线，在同轴线内导体201与外导体202之间传输，同轴线中的工作主模为TEM模，同轴线输出端口还可接矩形波导或连接接头使用，输出端口电路的可扩展性强，且同轴结构的空间功率分配/合成网络对称性和带宽好。

合路器的插入损耗对合路器的性能也有着十分重要的影响，各个信号通过合路器来产生耦合，这就要求各端口之间隔离度要好，否则整个系统的工作稳定性会受到很大影响，这就要求要设计具有低插损，高隔离度特性的合路器，以保证整个系统可以进行正常工作。该合路器多路信号通道沿径向线均匀排列，端口平面化有利于连接电路。

下面结合具体的合路器空间通道仿真模型对本实施例作出进一步的说明。

输入端口连接L29型号的接头，L29(7/16)系列产品是一种较大型螺纹同轴连接器，具有坚固、稳定、低损耗、工作电压高等特点，且大部分具有防水结构，可用于户外作为中、高功率传输的连接器，广泛用于微波传输和移动通信系统中。L29型输入同轴接头与径向线之间有一渐变过渡单元，主要实现阻抗匹配与尺寸嵌套，16路通道沿周均匀分布在径向线外侧；径向线中心处过渡进入同轴线，以此达到将16路信号合成1路信号的目的。整个合路器及微波传输通道全部由铝合金材料制成，很大程度上降低了合路器的损耗，大大提高了能量利用率和功率容量。合路器工作频段在2GHz～3GHz，模型优化后，得到图8的S参数仿真结果与图9所示的VSWR仿真结果。可以看出，在2.3GHz～2.5GHz频带范围内，合路器S2,1在-11.8～-12.6dB范围内，传输性能较好，驻波比小于1.09，且各端口相位接近一致，说明该合路器在较大带宽内，可以实现良好的功率输出。

根据仿真，加工设计出16合1合路器，为了方便测试，设计并加工一段与第一端口相连的同轴渐变过渡段，目的是将同轴线输出端口连接L29接头，经过仿真优化得到合适的尺寸参数并加工出实物，经测试，整个合路器插损很小且传输参数理想。

使用双端口矢量网络分析仪对加过渡段的合路器进行测试，添加激励扫描，扫描点数设置为800，在响应中设置中频带宽1KHz，之后采用电校准的校准方式。端口1接合路器的一个N型接头输入端口，其他15个端口与标准同轴匹配负载连接，使微波功率全部吸收而无反射，输出端口在过渡段末端与L29型接头连接，经过测试得到如表1的测试结果。

表1

实测结果显示，对于1分16功分器，该发明在2.3GHz～2.5GHz频率范围内，S2,1传输系数理想且一致性好，相位不平衡度为±1°，表明该合路器可以在较宽频带范围实现良好的等幅同相功率分配。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种基于新型径向线波导的合路器，其特征在于，包括第一壳体与第二壳体，所述第一壳体为同轴线结构，所述第二壳体为径向线结构；

所述第二壳体的侧部设有若干与所述第四空间通道一一对应的第二端口，所述第二端口位于对应所述第四空间通道的另一端；

所述第四空间通道朝向所述第二端口的一端为圆形结构，朝向所述第三空间通道的一端为矩形结构。

2.根据权利要求1所述基于新型径向线波导的合路器，其特征在于，所述第一壳体包括内导体与外导体，所述外导体同轴套设在所述内导体外，并与所述内导体之间围成所述第一空间通道；

3.根据权利要求2所述基于新型径向线波导的合路器，其特征在于，还包括若干与所述第四空间通道一一对应的接头导杆，所述接头导杆的一端与所述内导体过渡段固定相连，另一端穿过所述第三空间通道后位于对应所述第四空间通道内。

4.根据权利要求3所述基于新型径向线波导的合路器，其特征在于，每一所述接头导杆的长度方向均与所述第三空间通道的径向方向平行。

5.根据权利要求3所述基于新型径向线波导的合路器，其特征在于，所述内导体过渡段的侧部沿周向间隔设有若干安装孔，且所述安装孔与所述接头导杆一一对应，所述接头导杆的端部固定嵌入对应所述安装孔。

6.根据权利要求2至5任一项所述基于新型径向线波导的合路器，其特征在于，所述内导体过渡段为一上下底均为圆的圆台型金属导体，且所述内导体过渡段的侧壁母线为四分之一圆弧或四分之一椭圆弧。

7.根据权利要求1至5任一项所述基于新型径向线波导的合路器，其特征在于，所述第二端口的数量为12～20个。