CN218783217U - 一种耦合波导功率合成器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于微波领域，特别涉及一种耦合波导功率合成器。所述合成器包括主波导、两路耦合波导和多路分支波导，主波导和两路耦合波导组成T型结；耦合波导上设置耦合缝隙，分支波导通过耦合缝隙与耦合波导连接。本实用新型具有效果：(1)主波导边沿采用圆弧过渡，能实现特性阻抗的渐变及扩宽带宽；(2)开有耦合缝隙的耦合波导，实现主波导到分支波导的直接耦合传输，能减小尺寸；(3)在耦合波导上设置中心膜片，可改善主波导传输信号的反射；(4)调整耦合缝隙到耦合波导短路面的距离，可调整合成器的频率；(5)采用三角锥和圆台，在宽频带内有更优的匹配效果；(6)调配柱可以实现能量的分配比例调整。
Description
技术领域
本实用新型涉及微波技术领域，特别涉及一种耦合波导功率合成器。
背景技术
随着微波毫米波技术在雷达、制导及通信等领域的广泛应用，对毫米波信号源的带宽、输出功率及指标都提出了越来越高的要求。微波毫米波固态功放芯片虽然具有尺寸小、重量轻、可靠性高及电路结构紧凑等优点，但由于目前单个固态器件的输出功率受自身半导体物理特性的影响以及散热、加工工艺、阻抗匹配等问题的限制而远远达不到实际工程中要求的输出功率，因而无法满足微波毫米波大功率通信系统的要求。因此，在单个器件输出功率有限的情况下，采用多个固态器件的功率合成技术是提高系统输出功率的有效方法。
功率分配合成器主要分为平面和空间两种形式，即平面电路合成器和基于波导的空间功率合成器，随着频率的升高，平面电路功率分配合成器插入损耗比较大，因此不适用于毫米波频段。鉴于在毫米波频段中金属波导是毫米波系统以及毫米波模块间连接的主要传输线，且因金属波导具有较低损耗、单模传输和高功率容量等特性，因此采用微波单片集成功率器件作为合成功率放大单元，实现的基于波导结构的毫米波功率合成技术成为了当前毫米波固态功率合成技术的重要方向。
目前空间功率分配合成技术主要采用波导内叠片方式，通过放置于每层叠片上的有源鳍线阵列实现功率的放大，功率的分配和合成借助于有源鳍线阵列在波导内实现。这种结构的优点是结构紧凑，但是其最大的缺点是在毫米波频段由于波导内空间非常狭小，叠层的数量非常有限，因此，该结构无法在频率较高的毫米波频段实现多路功率分配与合成。为实现多路功率分配合成，一般采用同轴-径向波导功分/合成方案，电磁波首先由同轴进入宽带径向波导，然后由径向波导进入矩形波导，完成功率分配，进入矩形波导的每一路信号通过矩形波导-微带探针阵列转换结构进入微带平面电路，进而完成了多路功率分配合成，但这种结构采用了同轴作为多路功率分配与合成的传输媒介，随着工作频率进入到40GHz乃至更高频段，采用同轴作为传输线，损耗较大，将严重影响合成器的合成效率。并且，现有的合成器功率合成波导网络中，一般从主波导开始，采用1→2→4→……2n的方式，逐级耦合连接至各个分支波导，波导网络的平铺尺寸较大，难以满足设备小型化设计的需要，且合成路数无法随意设置。
实用新型内容
因此，本实用新型提供一种耦合波导功率合成器，以解决传统功率合成器合成效率低、结构复杂、成本高和尺寸较大的问题。
本实用新型公开了一种耦合波导功率合成器，是通过以下技术方案来实现的：
一种耦合波导功率合成器，其特征在于，包括主波导、两路耦合波导和多路分支波导，所述主波导和所述两路耦合波导组成T型结；所述两路耦合波导上设置有多个耦合缝隙，所述多路分支波导分别通过一个所述耦合缝隙与所述两路耦合波导连接；所述分支波导与所述耦合缝隙一一对应；
所述T型结的拐角处采用圆弧渐变过渡；
所述主波导到与所述两路耦合波导的交汇处设置一个三角锥体，所述三角锥体的底面投影为等腰三角形，所述等腰三角形朝向所述功率合成器的合口方向的两个腰长于底边，所述三角锥体尖顶的底面投影位于所述耦合波导宽边的中心线上且处于底面投影区内。
优选地，所述两路耦合波导上远离所述主波导的内壁上设置有两个中心膜片，所述两个中心膜片关于所述主波导的纵向轴线对称。
优选地，每两个所述耦合缝隙之间的距离为所述功率合成器内传输信号的0.5倍波长。
优选地，任一所述耦合缝隙到其对应的耦合波导的短路面之间的距离为所述功率合成器内传输信号的0.5倍波长。
优选地，任一所述耦合缝隙与所述两路耦合波导的纵向轴线之间的角度可调。
优选地，在所述主波导远离所述两路耦合波导的一端设置至少一个过渡波导。
优选地，所述分支波导的数量与所述耦合缝隙的数量相同。
优选地，所述两路耦合波导中设置有多个调配柱。
优选地，所述主波导的输出端口处设置一个朝向所述两路耦合波导凸起的匹配圆台。
本实用新型具有以下有益效果：
(1)主波导和耦合波导组成的T型结的拐角处采用圆弧过渡，既能实现波导特性阻抗的渐变，达到扩宽带宽的效果，又便于机械编程和加工；
(2)在主波导上设置开有耦合缝隙的耦合波导，实现主波导到多个分支波导的直接耦合传输，使得主波导直接耦合连接多个分支波导。这种新的主波导与各个分支波导之间的耦合方式，能够减小设备尺寸，节省空间，并且输入端口的个数可以根据需要设置，可以为奇数个；
(3)在两个耦合波导的连接处的侧壁设置中心膜片，能够有效改善从主波导进入并传输的信号发生反射的情况，有利于提高整个功率合成器的信号传输能力；
(4)通过调整每个耦合波导最外侧的耦合缝隙到耦合波导短路面的距离，可以调整整个功率合成器的工作频率，拓展功率合成器的应用场景；
(5)匹配结构采用三角锥结构和圆台结构，与其他设计均不同，使得合成器在宽频带范围内具有更优的匹配效果，而且可以直接铣削在波导面上，无需调试，具有良好的一致性，便于批量应用；
(6)在耦合波导中设置调配柱，并且可以根据功率分配比例的不同需要，改变调配柱的半径、在耦合波导中的位置及插入耦合波导的深度，以实现波导内能量的分配比例调整。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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的附图。
图1为本实用新型提供的一种耦合波导功率合成器的平面结构图；
附图说明：
1-主波导；2-耦合波导；31-第一分支波导；
32-第二分支波导；33-第三分支波导；
34-第四分支波导；35-第五分支波导；
4-三角锥体；5-调配柱；6-中心膜片；7-耦合缝隙。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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实用新型中的具体含义。
此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
参照图1，本实施例公开了一种耦合波导功率合成器，包括：主波导1、两路耦合波导2、第一分支波导31、第二分支波导32、第三分支波导33、第四分支波导34、第五分支波导35、三角锥体4、调配柱5、中心膜片6和耦合缝隙7。
主波导1和两路耦合波导2组成T型结。两路耦合波导2上设置有5个耦合缝隙7，第一分支波导31、第二分支波导32、第三分支波导33、第四分支波导34、第五分支波导35与5个耦合缝隙7一一对应，分支波导的数量与耦合缝隙的数量相同，均为5个，每个分支波导分别通过一个耦合缝隙7与两路耦合波导2相连接。在优选的实施例中，耦合缝隙及分支波导的数量可以按照需要进行更改。
本实施例的功率合成器，从合口向分口过渡时，T型结的拐角处采用圆弧渐变过渡；而合口正对的T型结的端面上设置突起一个匹配结构，参照图1，该匹配结构为三角锥体4，其底面投影为等腰三角形，其向合口方向的两个腰长于底边，其三角锥尖顶的底面投影已位于波导宽边的中心线上，且处于底面投影区内，此匹配结构的高度不能过高，否则会影响到合口的端口驻波，从而增大插入损耗，降低合成效率，甚至影响系统指标。三角锥体4的加入使得合成器在全带宽范围内具有更优的匹配效果，并且可以直接铣削在波导面上，无需调试，具有良好的一致性，便于批量应用。
进一步地，每个相邻的耦合缝隙7可以呈镜像对称设置，这样设置能够使得这两个波导耦合缝隙7输出的信号相位相差180°。
具体地，两路耦合波导2在远离主波导1的内壁上设置有两个中心膜片6，两个中心膜片6关于主波导1的纵向中心轴线对称，能够有效改善从主波导1进入并传输的信号发生反射的情况，有利于提高整个功率合成器的信号传输能力。
在优选的实施例中，相邻两个耦合缝隙7之间的距离为功率合成器内所传输信号的0.5倍波导波长；任一耦合缝隙7到其对应的分支波导的短路面之间的距离为功率合成器内所传输信号的0.5倍波导波长。更进一步，通过调整每个耦合波导2最外侧的耦合缝隙7到耦合波导2短路面的距离，可以调整整个功率合成器的工作频率，拓展功率合成器的应用场景。在优选地的实施例中，耦合缝隙7的形状可以为跑道形(圆弧和直线的连接结构)、椭圆形、矩形或圆形。
耦合缝隙7与其对应的耦合波导2的纵向轴线之间的角度可调。一般，功率合成器中串接的分支波导越多，每个波导耦合缝隙与其对应的耦合波导的纵向轴线之间的角度越大(角度范围在0°至90°之间)，从而增强主波导1传输至各个分支波导中的信号能量。
当采用非标元器件设计功率合成器时，需要对主波导1的输入/输出端口进行改造，从而使主波导1的输入/输出端口与标准波导端口相适配，方便用户的使用。具体的，可以在主波导1远离两路耦合波导2的一端设置一个或多个过渡波导。在图1所示的功率合成器中，设置了两个过渡波导12和13。同时，为了节省空间，可以充分利用设备的上层空间，将过渡波导13的底面设置为与主波导1的底面齐平的形式。
进一步地，在主波导的远离耦合波导2的端口侧设置一个匹配圆台11，用于增强信号转换的匹配性能。
本实施例的功率合成器，还可以外加多个金属阻抗调配柱5，其作用除了可用于改善波导各端口的驻波外，同时，也可以根据功分比例的不同需要，通过改变两个调配柱5的半径、在耦合波导2中的位置及插入耦合波导2的深度，以实现耦合波导2内能量的分配比例。
本实用新型具有以下有益效果：
(1)主波导和耦合波导组成的T型结的拐角处采用圆弧过渡，既能实现波导特性阻抗的渐变，达到扩宽带宽的效果，又便于机械编程和加工；
(2)在主波导上设置开有耦合缝隙的耦合波导，实现主波导到多个分支波导的直接耦合传输，使得主波导直接耦合连接多个分支波导。这种新的主波导与各个分支波导之间的耦合方式，能够减小设备尺寸，节省空间，并且输入端口的个数可以根据需要设置，可以为奇数个；
(3)在两个耦合波导的连接处的侧壁设置中心膜片，能够有效改善从主波导进入并传输的信号发生反射的情况，有利于提高整个功率合成器的信号传输能力；
(4)通过调整每个耦合波导最外侧的耦合缝隙到耦合波导短路面的距离，可以调整整个功率合成器的工作频率，拓展功率合成器的应用场景；
(5)匹配结构采用三角锥结构和圆台结构，与其他设计均不同，使得合成器在宽频带范围内具有更优的匹配效果，而且可以直接铣削在波导面上，无需调试，具有良好的一致性，便于批量应用；
(6)在耦合波导中设置调配柱，并且可以根据功率分配比例的不同需要，改变调配柱的半径、在耦合波导中的位置及插入耦合波导的深度，以实现波导内能量的分配比例调整。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种耦合波导功率合成器，其特征在于，包括主波导、两路耦合波导和多路分支波导，所述主波导和所述两路耦合波导组成T型结；所述两路耦合波导上设置有多个耦合缝隙，所述多路分支波导分别通过一个所述耦合缝隙与所述两路耦合波导连接；所述分支波导与所述耦合缝隙一一对应；
所述T型结的拐角处采用圆弧渐变过渡；
所述主波导到与所述两路耦合波导的交汇处设置一个三角锥体，所述三角锥体的底面投影为等腰三角形，所述等腰三角形朝向所述功率合成器的合口方向的两个腰长于底边，所述三角锥体尖顶的底面投影位于所述耦合波导宽边的中心线上且处于底面投影区内。
2.根据权利要求1所述的一种耦合波导功率合成器，其特征在于，所述两路耦合波导上远离所述主波导的内壁上设置有两个中心膜片，所述两个中心膜片关于所述主波导的纵向轴线对称。
3.根据权利要求1所述的一种耦合波导功率合成器，其特征在于，每两个所述耦合缝隙之间的距离为所述功率合成器内传输信号的0.5倍波长。
4.根据权利要求1所述的一种耦合波导功率合成器，其特征在于，任一所述耦合缝隙到其对应的耦合波导的短路面之间的距离为所述功率合成器内传输信号的0.5倍波长。
5.根据权利要求1所述的一种耦合波导功率合成器，其特征在于，任一所述耦合缝隙与所述两路耦合波导的纵向轴线之间的角度可调。
6.根据权利要求1所述的一种耦合波导功率合成器，其特征在于，在所述主波导远离所述两路耦合波导的一端设置至少一个过渡波导。
7.根据权利要求1所述的一种耦合波导功率合成器，其特征在于，所述分支波导的数量与所述耦合缝隙的数量相同。
8.根据权利要求1所述的一种耦合波导功率合成器，其特征在于，所述两路耦合波导中设置有多个调配柱。
9.根据权利要求1所述的一种耦合波导功率合成器，其特征在于，所述主波导的输出端口处设置一个朝向所述两路耦合波导凸起的匹配圆台。
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