CN220209254U - 一种兆瓦级多路波导功率合成器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种兆瓦级多路波导功率合成器，包括：矩形波导管、若干输入端口组和一个输出端口；每个输入端口组由2个输入端口组成，若干输入端口组等间距设置在矩形波导管的一个宽边平面上；输入端口组的间距与功率源端口间距相同；在矩形波导管的输出位置设置一波导过渡器，得到所需规格的输出端口；本实用新型可以实现多路输入一次合成，减小功率合成器的插入损耗，提高合成效率；本实用新型通过在各输入端口之间增加了移相设计，保证合成器输入端口间距完全满足设计要求，使得后续功率源和合成器的硬馈连接会非常方便；本实用新型具有更宽的工作带宽。

Description

一种兆瓦级多路波导功率合成器

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，具体涉及一种兆瓦级多路波导功率合成器。

背景技术

超大功率合成器是超大功率射频系统中的重要组成部分，在基础科学研究、核物理、军事、农业、医疗等领域都有重要应用。超大功率合成器将多个功率源的输出功率合成在一起，功率可达上百千瓦乃至兆瓦等级。为了实现所需的功率等级，有的功率合成系统需要将几百个甚至几千个功放单元的输出功率合成到一起进行应用，这就需要开发具有多路输入的功率合成系统。

功率合成器具有多种结构和类型。按照功率等级分，功率合成器可以划分为芯片级功率合成器(Chip-level Combiners)、电路级功率合成器(Circuit-level Combiners)、空间功率合成器(Spacial Combiners)和其它功率合成器(Other Combiners)。其中，电路级功率合成器是功率等级适中的功率合成器类别，适合将多个功放模块的输出功率进行合成并加以应用。按照是否包含谐振腔进行划分，电路级功率合成器可以分为谐振腔式功率合成器(Resonant Cavity Combiners)和非谐振腔式功率合成器(Nonresonant CavityCombiners)。功率合成器的划分如图1所示。

矩形波导E面和H面功率合成器因为其工作原理简单易懂、插入损耗低、功率容量大等优点，被广泛的应用在大功率射频系统中。特别是当同轴硬馈管的功率容量无法满足系统要求的时候，矩形波导系统就成为功率合成、分配和传输的最佳选择。矩形波导E面和H面功率合成器都是3端口器件，包含2个输入端口和1个输出端口。典型的矩形波导E面和H面功率合成器如图2和图3所示。

当使用矩形波导E面和H面功率合成器作为合成单元，构建多路功率合成器时，这个结构的合成器存在以下劣势：

(1)矩形波导E面和H面功率合成器都是2路功率合成器单元，当系统需要实现多路功率合成时，需要将多个矩形波导E面或H面功率合成器级联起来，系统只能实现2ⁿ个输入的合成(如2个、4个、8个等)，但对于其它数量合成路数的需求，由矩形波导E面和H面功率合成器构成的合成系统就无法简单实现了。这时就需要设计3路功率合成单元，或通过其它技术手段(比如设计不等分功分比的2合1单元)实现3路功率合成。相比2路合成单元，3路合成单元的复杂程度和加工成本都会更高。

(2)由多个矩形波导E面和H面功率合成器构成的合成系统是多级合成结构，功率信号每经过一次2合1合成，都会产生一定程度的功率损耗。合成的级数越多，合成系统的损耗越大。

(3)由多个矩形波导E面和H面功率合成器构成的合成系统，各个单元之间都需要采用波导系统进行连接，包括波导管、波导弯头、波导波纹管、扭波导等等。对于多路的波导合成系统来说，整个系统的接头数量较多，这就必然对系统的可靠性和稳定性造成了不利影响。而且整个系统的体积很大，重量很重，安装和后期维护的工作量都比较大。

为直观理解采用矩形波导E面功率合成器构建多路功率合成器时存在的劣势，现以一套650MHz 12×100kW 12路功率合成系统为例进行说明。该套系统中包含12部650MHz100kW发射机，发射机的外形尺寸为950×1320×2000mm(宽×深×高)，发射机之间的间距保持为50mm。采用矩形波导E面功率合成器构建这套12路合成系统，整套系统如图4所示。其主要的技术缺点包括以下几点：

(1)整个12路功率合成系统包含15个E面波导2合1单元，其中包含11个等功分比的2合1单元，以及4个不等功分比的2合1单元。

(2)整个12路功率合成系统包含22个WR1500波导E面弯头，18根长度不同的WR1500波导管，系统的复杂程度相当高。

(3)整个12路功率合成系统高度超过2200mm，系统的尺寸、体积和重量都相当大。

(4)由于12路功率合成系统采用了E面波导2合1单元，因此整个功率合成系统的各路输入并非同相。准确的说，12台发射机中有6台功率源输出同相，另外6台功率源输出相位与其它6台反相，即输出相位相差180°。这个相位差需要在功率合成系统的前级(如信号源部分或功分器部分)进行补偿。这再一次的增加了整个功率系统的复杂性。

同轴波导功率合成器是一种结构简单、适合多路合成、方便更改输入路数的大功率合成器。使用同轴波导功率合成器，可以方便的实现多路大功率合成。普通结构的650MHz6路同轴波导功率合成器如图5所示。可以看到，相比用E面波导2合1单元构成的多路合成系统，同轴波导功率合成器的结构要简单的多。但是，普通结构的同轴波导功率合成器仍然存在一些问题和劣势。

普通的同轴波导功率合成器，合成器主体的波导管为标准波导规格。对于650MHz工作频率而言，一般采用WR1500矩形波导管，波导管内壁宽边尺寸为381mm，波导管内壁窄边尺寸为190.5mm。对于用标准波导管制成的同轴波导功率合成器，合成器输入端口的间距是由合成器指标确定的，而不能随意确定。对于要实现本实用新型的兆瓦级多路波导功率合成器，发射机端口间距需要保持1000mm，这个要求对于普通结构的同轴波导功率合成器是无法直接实现的。这时就需要通过弯头和硬馈连接，这无疑会增加系统的复杂程度，而且会有可能破坏功率合成器各输入端口同相的状态。

普通结构的同轴波导功率合成器，每隔一定间距会设计一个输入端口。如果需要实现12路功率合成，或者将上述6路合成器的波导管继续加长，合成器直接设计12个输入端口；或者采用两套6路合成器，之后再做一次波导的2合1合成。对于第一种做法，同轴波导功率合成器的输入路数越多，合成器的工作带宽越窄，而过窄的工作带宽可能会影响功率合成器的正常使用。对于第二种做法，虽然可以保证相对宽的工作带宽，但整套合成器采用二级合成的方案，系统的复杂程度又有所提高。

实用新型内容

实用新型目的：为解决现有普通的同轴波导功率合成器和矩形波导功率合成器存在的工作带宽窄、系统结构复杂等缺点，本实用新型公开了一种兆瓦级多路波导功率合成器。

技术方案：一种兆瓦级多路波导功率合成器，包括：矩形波导管、若干输入端口组和一个输出端口；每个所述输入端口组由2个输入端口组成，若干输入端口组等间距设置在所述矩形波导管的一个宽边平面上；输入端口组的间距与功率源端口间距相同；在所述矩形波导管的输出位置设置一波导过渡器，得到所需规格的输出端口。

进一步的，对于位于同一输入端口组的两个输入端口的间距为300mm。

进一步的，相邻两组输入端口组的间距为1000mm。

进一步的，所述矩形波导管的内壁宽边尺寸为585mm，该矩形波导管的内壁窄边尺寸为WR1500波导管相同。

进一步的，所述波导过渡器为WR1500转非标波导过渡器，所述WR1500转非标波导过渡器用于得到WR1500波导法兰规格的输出端口。

进一步的，每个所述输入端口为探针耦合结构。

进一步的，所述功率源端口为7 3/8”规格的端口，该端口的外导体内径为182.6mm，内导体外径为79.4mm。

进一步的，每个所述输入端口为7 3/8”规格的端口。

有益效果：本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：

(1)采用本实用新型的兆瓦级多路波导功率合成器，可以实现多路输入一次合成，减小功率合成器的插入损耗，提高合成效率；

(2)本实用新型的兆瓦级多路波导功率合成器，通过在各输入端口之间增加了移相设计，保证合成器输入端口间距完全满足设计要求(间距1000mm)，使得后续功率源和合成器的硬馈连接会非常方便；

(3)本实用新型的兆瓦级多路波导功率合成器在每个输入位置处设计了一组两个的输入端口，对于12路波导功率合成器，整套合成器只有6个输入端口位置，该12路波导功率合成器的工作带宽与普通结构的6路同轴波导功率合成器基本相当，比普通结构的12路同轴波导功率合成器的工作带宽明显更宽；

(4)本实用新型提出的兆瓦级多路波导功率合成器可应用在基础科学研究、核物理、军事、农业、医疗等领域。

附图说明

图1为功率合成器的划分示意图；

图2为矩形波导E面功率合成器示意图；

图3为矩形波导H面功率合成器示意图；

图4为普通结构的650MHz 6路同轴波导功率合成器结构示意图；

图5为一种12路同轴波导功率合成器侧视结构示意图；

图6为一种12路同轴波导功率合成器俯视结构示意图；

图7为一种12路同轴波导功率合成器的立体示意图；

图8为一种12路同轴波导功率合成器俯视结构示意图。

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。

实施例1：

本实施例公开了一种兆瓦级多路波导功率合成器，其主要包括：合成主体、多组输入端口和一个输出端口；每组输入端口由两个输入端口构成。

本实施例的合成主体为定制规格的矩形波导管，该矩形波导管的内壁宽边尺寸经过优化，最终确定为585mm；矩形波导管的内壁窄边尺寸与WR1500波导管相同，为190.5mm。实际上，通过对矩形波导管的内壁宽边尺寸进行优化，达到合成器各输入端口之间“移相”的作用，最终保证合成器输入端口间距与功率源端口间距相同，均为1000mm。

本实施例的输入端口均采用“蘑菇头”探针耦合的结构，每套探针耦合结构包含一个深入矩形波导管内部的同轴端口内导体，以及一个前端的“蘑菇头”。通过调整同轴端口内导体深入矩形波导管的深度以及“蘑菇头”的尺寸，即可调整功率合成器输入端口的耦合量，使之达到合成器的输入输出耦合相匹配的要求。

对于同一组的两个输入端口，该两个输入端口的间距为300mm，且相当于矩形波导管水平中心线呈对称分布，并位于矩形波导管的一个宽边平面上。多组输入端口等间距分布，且两组输入端口之间的间距均为1000mm。

本实施例的输出位置加装了一个WR1500转非标波导过渡器，使得本实施例整套功率合成器的输出端口为标准的WR1500波导法兰规格，方便功率合成器与系统中其它设备进行连接。本实施例的各输入端口到输出端口都是等相位的。

本实施例通过在各输入端口之间增加移相设计，可保证合成器输入端口间距能完全满足设计要求，以及使得后续功率源和合成器的硬馈连接会非常方便。本实施例在每个输入端口位置设计了一组两个输入端口，使得本实施例的合成器只有少量的输入端口位置，能实现更宽的工作带宽。

实施例2：

如图5至图8所示，本实施例公开了一种兆瓦级12路波导功率合成器，其主要包括：矩形波导管1、6组输入端口和1个输出端口3；本实施例的矩形波导管1的规格为定制的，通过对矩形波导管1的内壁宽边尺寸进行优化，最终确定为585mm；将矩形波导管1的内壁窄边尺寸保持与WR1500波导管一致，为190.5mm。实际上，通过对功率合成器主体的矩形波导管1的宽边尺寸进行优化，达到合成器各输入端口之间“移相”的作用，最终保证合成器输入端口2间距与功率源端口间距相同，均为1000mm。

单台功率源4需要输出100kW连续波功率，若采用标准的EIA 6 1/8”端口，在650MHz频率下不能承受这么大的连续波功率，端口和硬馈内导体会过热(超过100℃)，造成功率源和整个系统的部件损坏。因此，本实施例为单台功率源4设计了7 3/8”规格的端口，此规格端口外导体内径为182.6mm，内导体外径为79.4mm，在650MHz频率下连续波功率容量可达100kW，满足系统要求。

本实施例的6组输入端口对应12个输入端口2，即每一组输入端口由2个输入端口2组成，12个输入端口2采用了“蘑菇头”探针耦合的结构，每套探针耦合结构包含一个深入波导管内部的同轴端口内导体，以及一个前端的“蘑菇头”。通过调整同轴端口内导体深入波导管的深度以及“蘑菇头”的尺寸，即可调整功率合成器输入端口2的耦合量，使之达到合成器的输入输出耦合相匹配的要求。12个输入端口为7 3/8”法兰口规格。

作为同一组的两个输入端口2，两者之间的间距为300mm，且相对于矩形波导管1水平中心线呈对称分布，6组输入端口等间距分布在矩形波导管1的一个宽边平面上，间距均为1000mm。

本实施例通过在输出位置处加装一个WR1500转非标波导过渡器，使得输出端口3为标准的WR1500波导法兰规格，方便功率合成器与系统中其它设备进行连接。本实施例的各输入端口2到输出端口3都是等相位的。

本实施例在合成器的每个输入端口位置设计了一组两个输入端口，整套合成器只有6个输入端口位置，本实施例提出的12路合成器的工作带宽与普通结构的6路同轴波导功率合成器基本相当，比普通结构的12路同轴波导功率合成器的工作带宽明显更宽。

综上，本实施例提出的兆瓦级12路波导功率合成器的中心频率为650MHz，工作带宽不小于4MHz。与兆瓦级12路波导功率合成器连接的每台功率源输出功率不小于100kW(连续波)，该兆瓦级12路波导功率合成器的输出功率不小于1.2MW。本实施例的各路输入到输出的幅度为-10.79±0.1dB，幅度一致性极佳；且各路输入到输出的相位为同相，变化范围不超过±2°，幅度一致性极佳。本实施例的输出端口反射损耗在中心频率大于26dB，在整个通带内大于20dB，输出端口匹配优秀。本实施例的整体插入损耗小于0.1dB，合成效率极高。

实施例3：

本实施例在实施例2的基础上，通过增加带有同轴输入端口的波导管来增加输入端口的数量，增加的输入端口数量为2的的整数倍。

本实施例也可以在实施例2的基础上，减少输入端口数量，减少的输入端口数量为2的的整数倍；当需要减少输入端口数量时，从靠近合成器输出方向拆掉若干数量的输入端口，而后重新调整剩下输入端口的耦合量参数，即可将12路功率合成器更改为10路、8路、6路、4路或者2路合成器。

本实用新型公开的波导功率合成器的工作频率为650MHz，但不限于工作频率为650MHz的功率合成器使用本实用新型提出的结构，其他工作频率的功率合成器中也可采用本实用新型提出的结构。

本实用新型包括但不限于采用T型环耦合结构的输入端口，如可采用“蘑菇头”电容耦合结构的输入端口。这并不影响在其他耦合结构的功率合成器中采用本实用新型公开的结构。

本实用新型采用7 3/8”规格的输入端口和WR1800波导法兰接口规格的输出端口，但这并不影响在其它输入接口和输出接口规格的功率合成器中采用本实用新型公开的结构。

Claims (8)

1.一种兆瓦级多路波导功率合成器，其特征在于：包括：矩形波导管、若干输入端口组和一个输出端口；

每个所述输入端口组由2个输入端口组成，若干输入端口组等间距设置在所述矩形波导管的一个宽边平面上；输入端口组的间距与功率源端口间距相同；

在所述矩形波导管的输出位置设置一波导过渡器，得到所需规格的输出端口。

2.根据权利要求1所述的一种兆瓦级多路波导功率合成器，其特征在于：对于位于同一输入端口组的两个输入端口的间距为300mm。

3.根据权利要求1所述的一种兆瓦级多路波导功率合成器，其特征在于：相邻两组输入端口组的间距为1000mm。

4.根据权利要求1所述的一种兆瓦级多路波导功率合成器，其特征在于：所述矩形波导管的内壁宽边尺寸为585mm，该矩形波导管的内壁窄边尺寸为WR1500波导管相同，为190.5mm。

5.根据权利要求4所述的一种兆瓦级多路波导功率合成器，其特征在于：所述波导过渡器为WR1500转非标波导过渡器，所述WR1500转非标波导过渡器用于得到WR1500波导法兰规格的输出端口。

6.根据权利要求1所述的一种兆瓦级多路波导功率合成器，其特征在于：每个所述输入端口为探针耦合结构。

7.根据权利要求1所述的一种兆瓦级多路波导功率合成器，其特征在于：所述功率源端口为7 3/8”规格的端口，该端口的外导体内径为182.6mm，内导体外径为79.4mm。

8.根据权利要求7所述的一种兆瓦级多路波导功率合成器，其特征在于：每个所述输入端口为7 3/8”规格的端口。