CN219436116U - 一种悬置带状线Gysel 4路功率合成器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种悬置带状线Gysel 4路功率合成器，包括：合成器腔体、4个输入端口、1个输出端口和4个外接匹配负载端口；4个输入端口等间距分布在所述合成器腔体的一侧壁上；1个输出端口设置在所述合成器腔体的另一侧壁中心位置上；4个外接匹配负载端口等间距分布在所述合成器腔体的盖板上；在合成器腔体内设有第一层结构和第二层结构；第一层结构由与输出端口相连的带状线和该带状线与4个输入端口相连的四路带状线组成；第二层结构由4个输入端口与4个外接匹配负载端口之间连接的四路带状线、4个外接匹配负载端口与带状线集中连接点之间连接的带状线组成；带状线通过支撑件与合成器腔体内壁保持一定间距。

Description

一种悬置带状线Gysel 4路功率合成器

技术领域

本实用新型属于电子信息/射频/广播电视无源器件领域，具体涉及一种悬置带状线Gysel 4路功率合成器。

背景技术

功率合成器是射频和无线发射系统中的重要组成部分，在基础科学研究、核物理、军事、农业、医疗、通信、广播电视等领域都有重要应用。功率合成器将多个功放模块的输出功率合成在一起，以达到系统应用需要的功率等级。

功率合成器有不同的结构形式，根据不同的技术指标可以划分为多种分类。根据功率合成器输入端口之间隔离度指标划分，功率合成器可以分为输入端口之间具备高隔离度结构(一般隔离度要求大于20dB)和输入端口之间不具备高隔离度结构(一般隔离度只有几个dB)。相比于输入端口之间不具备高隔离度结构的功率合成器，输入端口之间具备高隔离度的功率合成器在使用过程中，如果出现各输入端口输入功率不平衡的情况(例如某个功放模块输出功率降低，或者无输出功率)，由于输入不平衡而产生的功率会被功率合成器的平衡负载吸收掉，而不会反射回其它功放模块而对这些功放模块的正常工作造成影响，从而对整个射频系统产生保护作用。

输入端口之间具备高隔离度的功率合成器同样有多种实现结构，常见的包括Wilkinson功率合成器、3dB耦合器级联式功率合成器、耦合器链式功率合成器等。这些结构的功率合成器都有相应的特点，但同时也都存在一些应用上的限制。

Wilkinson功率合成器是最为常见的输入端口之间具备高隔离度的功率合成器结构。它在两路输入之间跨接了一个平衡负载，以实现输入端口的隔离度。这种结构的功率合成器应用广泛，但它最大的应用限制，就是在实现多路功率合成时需要设计复杂的平衡负载网络，这个负载网络一般是立体结构，很难在单一平面上实现，使得合成器无论在结构复杂性还是实际应用中都存在不便。

3dB耦合器级联式功率合成器是使用多个3dB耦合器完成多级的2合1，实现多路的功率合成。这种结构功率合成器的劣势在于，它只能实现2ⁿ数量的合成，而且多级合成造成更大的插入损耗和更低的合成效率，同时随着合成级数的增加，3dB耦合器需要配备的平衡负载的功率等级也越来越大，负载的体积和成本都会随之增大。

耦合器链式功率合成器有多个耦合度不同的定向耦合器构成，逐级实现1+1＝2、1+2＝3、1+3＝4……的功率合成。相比于3dB耦合器级联式功率合成器，链式功率合成器在合成路数上不受限制，任意整数数量的功放模块都可以被合成在一起。但耦合器链式功率合成器是典型的多级合成，合成器的插入损耗会随着合成路数的增多而增加，合成效率也会随之降低。同时，合成器中各个耦合器的耦合度均不相同，这就给合成器的设计和生产增加了更大的难度。

Gysel功率合成器在上述提到的各个方面都具备明显优势。首先，它是一个输入端口之间具备高隔离度的功率合成器，各输入端口之间的隔离度不低于20dB。Gysel功率合成器是单级合成的结构，多路输入一次性合成，合成器的插入损耗更低，合成效率更高。同时这也是这种结构功率合成器的一个突出优势，Gysel功率合成器的匹配负载为传输线外接式结构，可以通过传输线把匹配负载拉远，解决负载的散热问题，这样就可以根据合成器的实际需要，选择合适大小的匹配负载，从而设计生产出功率等级更高的合成器。

但常规Gysel功率合成器在结构复杂性还是实际应用中都存在较多改进之处，包括体积较大、复杂程度较高、实施难度较大等。

实用新型内容

实用新型目的：对现有Gysel功率合成器进行改进，使其能够在结构体积、结构复杂度、实施难度等方向上有所提升，本实用新型提出了一种悬置带状线Gysel 4路功率合成器。

技术方案：一种悬置带状线Gysel 4路功率合成器，包括：合成器腔体、4个输入端口、1个输出端口和4个外接匹配负载端口；

4个输入端口等间距分布在所述合成器腔体的一侧壁上；

1个输出端口设置在所述合成器腔体的另一侧壁中心位置上；

4个外接匹配负载端口等间距分布在所述合成器腔体的盖板上；

在所述合成器腔体内设有第一层结构和第二层结构；

所述第一层结构由与输出端口相连的带状线和该带状线与4个输入端口相连的四路带状线组成；

所述第二层结构由4个输入端口与4个外接匹配负载端口之间连接的四路带状线、4个外接匹配负载端口与带状线集中连接点之间连接的带状线组成；

第一层结构中的带状线和第二层结构中的带状线通过支撑件与合成器腔体内壁保持一定间距。

进一步的，将4个输入端口与4个外接匹配负载端口之间连接的四路带状线记为Z2第一路带状线、Z2第二路带状线、Z2第三路带状线和Z2第四路带状线；

所述Z2第一路带状线和Z2第四路带状线的传输长度为四分之七波长；所述Z2第二路带状线和Z2第三路带状线的传输长度为四分之三波长。

进一步的，所述的4个输入端口与4个外接匹配负载端口之间连接的四路带状线的结构相同，每路带状线的末端向上折弯与四个输入端口相连。

进一步的，所述的4个输入端口与4个外接匹配负载端口之间连接的四路带状线的结构相同，每路带状线的一端向下折弯与4个输入端口相连；且每路带状线的传输长度均为四分之一波长。

进一步的，将4个外接匹配负载端口与带状线集中连接点之间连接的带状线，记为Z4第一路带状线、Z4第二路带状线、Z4第三路带状线和Z4第四路带状线；

所述Z4第一路带状线和Z4第四路带状线的传输长度为四分之七波长；所述Z4第二路带状线和Z4第三路带状线的传输长度为四分之三波长。

进一步的，第一层结构中的带状线和第二层结构中的带状线的厚度均为1mm。

有益效果：本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：

(1)相比于定频率设计的功率合成器，本实用新型提出的悬置带状线Gysel四路功率合成器经过优化设计，实现了在2.4～2.5GHz范围内都具备良好指标，合成器在整个频段都可以正常使用；

(2)相比于单层结构的功率合成器，本实用新型提出的悬置带状线Gysel四路功率合成器采用多层结构，合成器长度方向的尺寸大为缩短，仅为单层结构的50％左右，方便合成器的使用；

(3)本实用新型提出的悬置带状线Gysel四路功率合成器使用混合传输线长以实现更大的端口间距，极大的降低了合成器实现的难度和成本；

(4)相比于需要3个合成单元才能实现4路功率合成的Wilkinson或者3dB耦合器的多级2合1合成单元级联结构，本实用新型提出的悬置带状线Gysel四路功率合成器能够一次实现4路输入功率的合成，极大的降低了合成器的体积和复杂程度；

(5)相比于其它输入端口不带高隔离度的功率合成器，本实用新型提出的悬置带状线Gysel四路功率合成器各输入端口之间具备高隔离度，各输入端口之间的隔离度不低于20dB；如果出现各输入端口输入功率不平衡的情况(例如某个功放模块输出功率降低，或者无输出功率)，由于输入不平衡而产生的功率会被功率合成器的平衡负载吸收掉，而不会反射回其它功放模块而对这些功放模块的正常工作造成影响，从而对整个射频系统产生保护作用；

(6)本实用新型提出的悬置带状线Gysel四路功率合成器为高功率结构设计，各路输入功率不小于800W，总输出功率不小于3.2kW，改变功率合成器的一些设计参数(如带状线的尺寸、输入输出端口规格、外接匹配负载端口规格等)，就可以设计得到不同频率、更多路数的功率合成器。

附图说明

图1为一种悬置带状线Gysel 4路功率合成器的原理图；

图2为一种悬置带状线Gysel 4路功率合成器的外形图；

图3为一种悬置带状线Gysel 4路功率合成器的外形图；

图4为一种悬置带状线Gysel 4路功率合成器的外形图；

图5为一种悬置带状线Gysel 4路功率合成器的第一层结构示意图；

图6为一种悬置带状线Gysel 4路功率合成器的第二层结构示意图。

具体实施方式

现结合附图和实施例进一步阐述本实用新型的技术方案。

如图2至图4所示，本实施例公开了一种2.45GHz悬置带状线Gysel四路功率合成器，从外观上而言，其主要包括：合成器腔体1、4个输入端口(DIN7/16(F))Pin、1个输出端口(DIN7/16(F))Pout和4个外接匹配负载端口(DIN7/16(F))P_负载；其中，4个输入端口Pin等间距分布在合成器腔体1一侧的侧壁上；1个输出端口Pout位于合成器腔体1另一侧侧壁的中心位置上；4个外接匹配负载端口P_负载等间距分布在合成器腔体1的上盖板上，使用时，发射机4个功放模块分别与功率合成器的4个输入端口Pin相连；功率合成器的4个匹配负载端口P_负载通过电缆，分别与4个外接负载相连；功率合成器的输出端口Pout接WR340波导法兰，再与其它设备(如负载)相连。合成器腔体1由铝板拼接而成，在合成器腔体内按照图1示出的原理图设置传输线。

在本实施例中，传输线为悬置带状线结构，为方便表述，在下文中简称为带状线；带状线的厚度为1mm，完全可以满足合成器在功率容量方面的要求。通过对各段带状线的宽度和长度经过设计优化，使得合成器的各技术指标达到最佳。本实施例公开的2.45GHz悬置带状线Gysel四路功率合成器的带状线为双层结构，合成器长度方向的尺寸大为缩短，仅为单层结构的50％左右。

如图5所示，在本实施例中，与输出端口相连的带状线阻抗为Z1，以及该带状线与各输入端口相连的四路带状线的阻抗均为Z2，阻抗为Z2的四路带状线记为Z2第一路带状线TL1、Z2第二路带状线TL2、Z2第三路带状线TL3和Z2第四路带状线TL4；其中，Z2第一路带状线TL1和Z2第四路带状线TL4的传输长度为四分之七波长；Z2第二路带状线TL2和Z2第三路带状线TL3的传输长度为四分之三波长；阻抗为Z2的四路带状线的结构相同，包括带状线末端向上折弯与位于合成器腔体侧面的四个输入端口相连，以上结构构成图5所示的合成器的第一层结构。

如图6所示，各输入端口与各匹配端口之间连接的四路带状线的阻抗均为Z3，为方便表示，阻抗为Z3的四路带状线记为Z3第一路带状线、Z3第二路带状线、Z3第三路带状线和Z3第四路带状线；该阻抗为Z3的四路带状线的结构相同，包括带状线一端向下折弯与各输入端口相连，且每路带状线的传输长度均为四分之一波长。

各匹配负载端口与带状线集中连接点之间连接的带状线阻抗为Z4，阻抗值为Z4的四路带状线记为Z4第一路带状线TL5、Z4第二路带状线TL6、Z4第三路带状线TL7和Z4第四路带状线TL8，此处的带状线集中连接点指Z4第一路带状线TL5、Z4第二路带状线TL6、Z4第三路带状线TL7和Z4第四路带状线TL8的一端相交于一点处，该点称为带状线集中连接点；Z4第一路带状线TL5、Z4第二路带状线TL6、Z4第三路带状线TL7和Z4第四路带状线TL8的另一端分别与各匹配负载端口连接。

Z4第一路带状线TL5和Z4第四路带状线TL8的传输长度为四分之七波长，Z4第二路带状线TL6和Z4第三路带状线TL7的传输长度为四分之三波长，以上结构构成如图6所示的合成器的第二层结构。

为了确保各带状线与合成器腔体之间的间距和位置，第一层结构中的带状线和第二层结构中的带状线在适当位置通过Teflon支撑与合成器腔体之间保持一定的间距。

本实施例提出的2.45GHz悬置带状线Gysel四路功率合成器，其设计方法可以应用在其它频率的功率合成器中，或应用在其它输入路数的功率合成器上，比如6路或者8路功率合成器，或应用在其它功率等级的功率合成器上，比如5kW或者20kW功率合成器，或应用在其它端口间距的功率合成器上，比如端口间距88.9mm或者89.5mm的功率合成器。

本实施例提出的2.45GHz悬置带状线Gysel四路功率合成器一次实现4路输入功率的合成，极大的降低了合成器的体积和复杂程度；本实施例提出的2.45GHz悬置带状线Gysel四路功率合成器使用混合传输线长以实现更大的端口间距，极大的降低了合成器实现的难度和成本；本实施例提出的2.4GHz悬置带状线Gysel四路功率合成器采用多层结构，极大的减小了合成器的尺寸，方便合成器的使用。本实施例提出的2.45GHz悬置带状线Gysel四路功率合成器为高功率结构设计，输出端口接WR340波导，各路输入功率不小于800W，总输出功率不小于3.2kW。

Claims (6)

1.一种悬置带状线Gysel 4路功率合成器，其特征在于：包括：合成器腔体、4个输入端口、1个输出端口和4个外接匹配负载端口；

4个输入端口等间距分布在所述合成器腔体的一侧壁上；

1个输出端口设置在所述合成器腔体的另一侧壁中心位置上；

4个外接匹配负载端口等间距分布在所述合成器腔体的盖板上；

在所述合成器腔体内设有第一层结构和第二层结构；

所述第一层结构由与输出端口相连的带状线和该带状线与4个输入端口相连的四路带状线组成；

所述第二层结构由4个输入端口与4个外接匹配负载端口之间连接的四路带状线、4个外接匹配负载端口与带状线集中连接点之间连接的带状线组成；

第一层结构中的带状线和第二层结构中的带状线通过支撑件与合成器腔体内壁保持一定间距。

2.根据权利要求1所述的一种悬置带状线Gysel 4路功率合成器，其特征在于：将4个输入端口与4个外接匹配负载端口之间连接的四路带状线记为Z2第一路带状线、Z2第二路带状线、Z2第三路带状线和Z2第四路带状线；

所述Z2第一路带状线和Z2第四路带状线的传输长度为四分之七波长；所述Z2第二路带状线和Z2第三路带状线的传输长度为四分之三波长。

3.根据权利要求1所述的一种悬置带状线Gysel 4路功率合成器，其特征在于：所述的4个输入端口与4个外接匹配负载端口之间连接的四路带状线的结构相同，每路带状线的末端向上折弯与四个输入端口相连。

4.根据权利要求1所述的一种悬置带状线Gysel 4路功率合成器，其特征在于：所述的4个输入端口与4个外接匹配负载端口之间连接的四路带状线的结构相同，每路带状线的一端向下折弯与4个输入端口相连；且每路带状线的传输长度均为四分之一波长。

5.根据权利要求1所述的一种悬置带状线Gysel 4路功率合成器，其特征在于：将4个外接匹配负载端口与带状线集中连接点之间连接的带状线，记为Z4第一路带状线、Z4第二路带状线、Z4第三路带状线和Z4第四路带状线；

所述Z4第一路带状线和Z4第四路带状线的传输长度为四分之七波长；所述Z4第二路带状线和Z4第三路带状线的传输长度为四分之三波长。

6.根据权利要求1所述的一种悬置带状线Gysel 4路功率合成器，其特征在于：第一层结构中的带状线和第二层结构中的带状线的厚度均为1mm。