CN2414550Y - 集成式高频功率合成与功率分配器 - Google Patents

Abstract

一种集成式高频功率合成与功率分配器,特征是:N路同轴线均布于N等分圆周上,其内导体的一端接金属盘的外沿,金属盘中心接主路同轴插座的内导体;N路同轴线的另一端,其内导体接N个支路同轴插座的内导体;N个支路同轴插座的内导体与同轴线内导体的连接端均接一电阻;电阻的另一端,接于对外导体绝缘的金属圆环上;上述金属盘的下面设有匹配金属块。很好的解决了WILKINSON电路的阻抗;及各路电气参数不一致的问题。

Description

集成式高频功率合成与功率分配器

本实用新型涉及一种高频功率合成与功率分配器，特别是用于高频功率源的高频功率合成与功率分配器。

图1所示的WILKINSON电路可用于功率合成和分配网络。在具体实施过程中，是将N路长度为λ／4(λ为工作波长)的同轴线的外导体相互连通接地，N路内导体的一端连通作为总输出端的内导体A(或总输入端的内导体)，N路内导体的另一端作为分路输入端的内导体(或分路输出端的内导体)，各输入内导体之间还可接有电阻，共有N路电阻。如作为功率合成器，N路分功率分别从N个输入端接入，合成后的总功率从总输出端A输出。作为功率分配器使用时，总功率从A端输入，分配后的功率从N个端口输出。实现上述电路的具体结构都为分离结构方式，是用电缆，或是用带状线实现。这种分离结构的问题在于：标准电缆的特性阻抗有限，没有适用于WILKINSON电路的阻抗。而且各路之间普遍存在的机械尺寸偏差，造成电气参数不一致，机械稳定性差，尺寸大，安装布置困难等。特别是电气参数不一致，将造成各路信号之间的幅度和相位差，影响最后的合成功率指标。

本实用新型的目的在于提供一种集成式功率合成与功率分配器件，是将各支路同轴线与总输出同轴器件及调谐匹配器做在一个固定的构件中，以提高全固态功率源的指标，便于制造低成本大功率的固态功率源。

本实用新型的上述目的是由以下技术方案来实现的。

一种集成式高频功率合成与功率分配器，有N路长度为λ／4的同轴线，该同轴线的外导体相互连通接地，N路内导体的一端连通作为总输出端(或总输入端)，N路内导体的另一端作为分路输入端(或分路输出端)，各输入内导体之间接有电阻，共有N路电阻，电阻的另一端互联；其特征在于：该N路同轴线均布于N等分的圆周上，N路同轴线的一端，其各路外导体相互连通，并与主路同轴插座的外导体相连通接地；N路同轴线的内导体的一端按圆周均布方式接到一金属盘的外沿，金属盘的中心接主路同轴插座的内导体；N路同轴线的另一端，其各路内导体接各支路同轴插座的内导体，其各路外导体接各支路同轴插座的外导体并接地，共有N个支路同轴插座；N个支路同轴插座的内导体与同轴线内导体的连接端接电阻，共有N路电阻；该N路电阻的另一端，接于对外导体绝缘的金属圆环上；上述金属盘的下面设有一个与金属盘间距可调的匹配金属块；金属盘、匹配金属块及金属圆环三者的中心在同一轴线上。

在具体实施过程中，除上述必要技术特征外，还可补充下述技术内容：

该集成式高频功率合成与功率分配器，设有一基体，该基体为一正N边形棱柱体，在每一棱柱侧平面的中间，沿轴向设有两端开通的等边矩形槽；基体的一端设有一孔，一金属圆环藉由二绝缘环压固于孔内，孔壁上设有与矩型槽相通的通孔；另一端也设有一孔，该孔底部中心设有一螺孔，孔壁上部开有与矩型槽相通的槽孔；有N块盖板，该盖板盖合于基体侧棱面的等边矩形槽上构成N个外导体，N个外导体内设有内导体，构成N路同轴线；盖板的近下端设有一通孔；有N个支路同轴插座，固设于盖板下端的通孔中，其内导体分别与对应的同轴线的内导体及电阻连接；有N个电阻，该电阻的另一端通过上述通孔与上述金属圆环相连接；在基体的另一端的孔内的螺孔中，螺装一匹配金属块，该匹配金属块的端面为平面，其下端为螺柱；N路同轴线内导体的另一端通过槽孔与一金属盘连接，该金属盘的中心设有一圆柱导体，该圆柱导体与设在上端板中心的主路同轴插座的内导体相连接；上端板螺固于基体的端部；有一下端板，下端板螺固于基体的另一端。

上述基体两端的孔与矩形槽相通的通孔和槽孔是由加大该部位孔径使与矩形槽相通而实现。

该基体还可设为一圆柱体，在圆柱体的侧面均布有N个沿轴向的平面，每个平面的中间沿轴向设有向两端开通的等边矩形槽，该基体的两端设有相应形状的上端板及下端板，其内部构造同前。

该集成式高频功率合成与功率分配器，设有一上安装板和一下安装板，并以上安装板和下安装板的中心为中心，适当半径圆周的N等分处设有供固设N个λ／4波长的同轴线的通孔，同轴线外导体藉由该通孔固设于该等上下安装板上而形成一框架；上安装板的中心设有一螺孔，下安装板的中心设有一安装孔；每个同轴线内导体的一端连接金属盘，金属盘的下面，在上安装板的中心螺孔中紧固一调谐金属块；金属盘的中心设有一圆柱导体，该圆柱导体与上端板上的主路同轴插座的内导体相连接；上端板的中心设有一主路同轴插座，上端板与上安装板之间还接有连接板(或连接杆)以实现电和机械连接；各内导体的另一端均分别与支路同轴插座的内导体连接，各支路同轴插座固设于下端板的等分圆周上；在下端板与下安装板之间装有一金属圆环，该金属圆环通过绝缘环固设于下安装板与下端板之间；有N个电阻，每个电阻的一端分别与内导体连接，电阻的另一端接金属圆环；下端板与下安装板之间还接有连接板或连接杆以实现电的连接。

下端板上还可设有冷却液进入管及冷却液排出管，供金属环通循环冷却液。

N为≥2的自然数中的任一个。

匹配金属块与基体的螺孔之间可设有调节垫圈。

为实现N路功率合成或将某一功率源分成N路。本实用新型整体式结构中，是将合成电路的N条传输线部分做成一个整体结构件，即在一根圆金属棒(或厚壁圆管)的外沿，沿圆周方向以均匀分布方式加工N个矩形槽。矩形槽的长度方向平行于圆棒的轴线，矩形槽的长度为λ／4，这里，λ为工作波长。然后在每个矩形槽上加盖板，形成N个矩形截面的波导管。其内装入圆形截面的内导体，最后形成N根λ／4长的同轴传输线。或是在框架式结构中，将N个λ／4长的同轴线外导体(或方型、或圆型)的两端各固设一可使N个同轴线均布于圆周上的上、下安装板中。

理想的WILKINSON电路的传输线特性阻抗为： $W=\sqrt{N}50\left(\mathrm{\Ω}\right)$

该装置被用来组成功合器时，在N个输入端都接上一只电阻，而电阻的另一端都接到一个对壳体(地)绝缘的金属环上。N个电阻在装置的一端成辐射状排列。在大功率使用条件下，为了使电阻及整个模块基体能够有效地散热，该合成器装置模块还可通以液体冷却，其中N个电阻的公共端的金属圆环，是冷却的重点部位之一，但不应因液态冷却及有关装置的加入而使其对地绝缘电阻降到影响网络正常工作的地步。冷却液的入口和出口都被装在模块这一端的同一端盖上，或直接装设在金属圆环上。

实际上电阻存在分布电容，因此必须对WILKINSON电路的长度和特性阻抗进行修正。为了改善功合器输出端的阻抗匹配状况，在功率合成端的金属圆片的一侧，加了一块接地的匹配金属块，调节匹配金属块与金属圆片之间的距离，即改变阻抗匹配状况；在输入端也可加金属片形成补偿电容。

本实用新型的优点在于：

1、可实现N路功率合成或N路功率分配，即在金属圆棒(或厚壁金属圆管)外表面纵向开N个方槽，加盖板置入内导体，或直接采用标准同轴线，可以得到所需的传输线的特性阻抗： $W=\sqrt{N}50\left(\mathrm{\Ω}\right)$

然后根据电阻分布电容的大小对其进行修正，很容易达到或接近理论值。

2、所加电阻集中呈辐射状排列在径向上，引线最短。

3、N个电阻共同端接在一个对地绝缘的金属环上，便于以液态方式冷却，从而能在较大的功率等级上普及应用。

4、在功合器与功分器模块内加入可调的金属块，可将阻抗匹配状况调到最佳。

5、功合器输出端(功分器输入端)N个传输线的内导体共同连接到一个金属盘上，金属盘中心连到输出插座的内导体上，这样增加了带宽，改善了匹配。

6、消除了各路间的机械尺寸偏差，各路电气参数一致。

7、结构紧凑，便于安装。

下面结合附图及实施例对本实用新型所提供的集成式功率合成与功率分配器的具体结构作进一步说明。

附图说明：

图1是用于N路功率合成(分配)的WILKINSON电路图。

图2是N路功率合成(分配)器整体式的总装配立体结构示意图。

图3是N路功率合成(分配)器整体式的总装配立体结构分解示意图。

图4是基体主视图。

图5是基体仰视图。

图6是基体俯视图。

图7是N路功率合成(分配)器框架式的总装配立体结构示意图。

图8是传输线结构横截面参数图。

由图2、图3可见，本实用新型所提供的集成式高频功率合成与功率分配器整体式结构是由基体3、上端板1、主路同轴插座2、接线金属盘4、内导体51、匹配金属块6、下端板11、支路同轴插座8、金属圆环9、电阻10、盖板7、绝缘环14、15、垫圈16组成。

其中基体3(如图4、图5、图6所示)为一正N边形棱柱体，在每一棱柱侧平面的中间，沿轴向设有两端开通的等边矩形槽35；基体3的下端设有孔31，该孔31为阶梯孔，孔31的孔壁上设有与矩型槽35相通的通孔33；基体3的另一端设有孔32，孔32底部中心设有一螺孔38，孔32孔壁上部(即基体上端部)开有与矩型槽35相通的槽孔34，在孔32的底部中心设有螺孔38。

金属圆环9藉由二绝缘环14、15压固于孔31内，有N块盖板7，该盖板7盖合于基体3侧棱面的等边矩形槽35上构成N个外导体52，N个外导体52内设有内导体51，构成N路支路同轴线5；盖板7的近下端设有一通孔71；有N个支路同轴插座8，固设于盖板7下端的通孔71中，N个支路同轴插座8的内导体分别与对应的同轴线5的内导体51连接，该接点还接电阻10，共有N个电阻10，电阻10的另一端通过通孔33与上述金属圆环9连接；在基体3的孔32内的螺孔38中，螺装一匹配金属块6，该匹配金属块6的端面61为平面，其下端设有一旋入螺孔的螺柱62；N路同轴线5的内导体51的另一端通过槽孔34与金属盘4连接，该金属盘4的中心设有一圆柱导体20，该圆柱导体20与上端板1中心固设的主路同轴插座2的内导体相连接；上端板1螺固于基体3的上端；该金属盘4的下表面与匹配金属块6的端面61相对，调节匹配金属块6的端面61与金属盘4的下表面的距离即可调节匹配阻抗，在匹配金属块6的下面可配有适当厚度的垫圈16；有一下端板11，下端板11螺固于基体3的下端，并使金属圆环9、绝缘环14、15压固于孔31内。用于大功率时，端板11上可设有冷却液入管12及冷却液出管13，以供冷却金属圆环及电阻。

上述基体两端的孔31、32与矩形槽35相通的通孔33和槽孔34是由加大该部位孔径使与矩形槽相通而实现，也可以不加大该部位孔径而直接由槽孔向中心加工实现，可以是矩形孔也可以是圆孔。

图7是集成式功率合成与功率分配器框架式结构图，是在以上安装板18和下安装板19的中心为中心适当半径的圆周的N等分处设有供固设长度为λ／4波长的同轴导体5的外导体51的通孔40、41。λ／4波长的同轴导体5的外导体52藉由通孔40、41固设于该等上、下安装板18、19上而形成一框架；上安装板18的中心设有一螺孔21，下安装板19的中心设有一安装孔(图中未示)；每个同轴外导体52的中心均藉由绝缘子固设一内导体51，该内导体51的一端连接金属盘4，金属盘4的下面，在上安装板18的中心螺孔21中紧固一调谐金属块6，在调谐金属块6与上安装板18之间可设有多个用于调节调谐金属块6与金属盘4之间距的垫圈16(如同整体式结构)；金属盘4的中心设有一圆柱导体20，在金属盘4的上部还设有一上端板1，该上端板1的中心设有一通孔26(如同整体式结构)，一主路同轴插座2藉由螺钉27通过该安装螺孔28固设于上端板1的中心通孔26中；该主路同轴插座2的内导体与金属盘4中心的导体20连接；上端板1与上安装板18之间还接有连接板24(或连接杆)以实现电和机械的连接，使主同轴插座2的外导体与各支路同轴导体5的外导体52等电位；各支路同轴导体5的内导体51的另一端均分别与支路同轴插座8的内导体连接；各支路同轴插座8固设于下端板11的等分圆周上；在下端板11与下安装板19之间装有金属圆环9，该金属圆环9通过绝缘环14、15固设于下安装板19与下端板11之间；有N个电阻10，每个电阻10的一端分别与内导体51连接，电阻10的另一端接金属圆环9；下端板11与下安装板19之间还接有连接板25(或连接杆)以实现电和机械的连接。

制成的N=8的功率合成和分配器。通过对不同的功合及功分特性的组合应用，已可以使最终合成功率达到20kw等级。

当N=8时，传输线的特性阻抗为： $W=\sqrt{N}\×50=\sqrt{8}\×50=141.42\left(\mathrm{\Ω}\right)$ $---------\left(1\right)$

当电阻分布电容为3．1pf时，频率为352MHz时，应修正为130。图8中D为传输线横截面边长(mm)，d为内导体直径(mm)。据此特性阻抗为：

W=138 lg 1．078(D／d)………………………………………(2)

令(1)、(2)式相等则得(D／d)=9．80，若取D=14．7(mm)，则d=1．50(mm)。

修正后，内导体用2．5mm²标准导线，即D=1．87mm，目前MOSFET UFH功率增益可达10dB左右，因此用一个模块推动8个模块是很经济的设计。

实际应用证明，这种功率合成与功率分配模块加工一致性好，性能稳定，运行可靠性高。

Claims (8)

1、一种集成式高频功率合成与功率分配器，有N路长度为λ／4的同轴线，该同轴线的外导体相互连通接地，N路内导体的一端连通作为总输出端(或总输入端)，N路内导体的另一端作为分路输入端(或分路输出端)，各输入内导体之间接有电阻，共有N路电阻，电阻的另一端互联；其特征在于：该N路同轴线均布于N等分的圆周上，N路同轴线的一端，其各路外导体相互连通，并与主路同轴插座的外导体相连通接地；N路同轴线的内导体的一端按圆周均布方式接到一金属盘的外沿，金属盘的中心接主路同轴插座的内导体；N路同轴线的另一端，其各路内导体接各支路同轴插座的内导体，其各路外导体接各支路同轴插座的外导体并接地，共有N个支路同轴插座；N个支路同轴插座的内导体与同轴线内导体的连接端接电阻，共有N路电阻；该N路电阻的另一端，接于对外导体绝缘的金属圆环上；上述金属盘的下面设有一个与金属盘间距可调的匹配金属块；金属盘、匹配金属块及金属圆环三者的中心在同一轴线上。

2、根据权利要求1所说的集成式高频功率合成与功率分配器，其特征在于：该集成式高频功率合成与功率分配器，设有一基体，该基体为一正N边形棱柱体，在每一棱柱侧平面的中间，沿轴向设有两端开通的等边矩形槽；基体的一端设有一孔，一金属圆环藉由二绝缘环压固于孔内，孔壁上设有与矩型槽相通的通孔；另一端也设有一孔，该孔底部中心设有一螺孔，孔壁上部开有与矩型槽相通的槽孔；有N块盖板，该盖板盖合于基体侧棱面的等边矩形槽上构成N个外导体，N个外导体内设有内导体，构成N路同轴线；盖板的近下端设有一通孔；有N个支路同轴插座，固设于盖板下端的通孔中，其内导体分别与对应的同轴线的内导体及电阻连接；共有N个电阻，该电阻的另一端通过上述通孔与上述金属圆环相连接；在基体的另一端的孔内的螺孔中，螺装一匹配金属块，该匹配金属块的端面为平面，其下端设有一个旋入螺孔的螺柱；N路同轴线内导体的另一端通过槽孔与一金属盘连接，该金属盘的中心设有一圆柱导体，该圆柱导体与上端板上的主路同轴插座的内导体相连接；上端板螺固于基体的端部；上端板的中心设有一主路同轴插座；有一下端板，下端板螺固于基体的另一端。

3、根据权利要求2所说的集成式高频功率合成与功率分配器，其特征在于：上述基体两端的孔与矩形槽相通的通孔和槽孔是由加大该部位孔径使与矩形槽相通而实现。

4、根据权利要求2所说的集成式高频功率合成与功率分配器，其特征在于：该基体还可设为一圆柱体，在圆柱体的侧面均布有N个沿轴向的平面，每个平面的中间沿轴向设有向两端开通的等边矩形槽，该基体的两端设有相应形状的上端板及下端板，其内部构造同前。

5、根据权利要求1所说的集成式高频功率合成与功率分配器，其特征在于：该集成式高频功率合成与功率分配器，设有一上安装板和一下安装板，并以上安装板和下安装板的中心为中心，适当半径圆周的N等分处设有供固设N个λ／4波长的同轴线的通孔，同轴线外导体藉由该通孔固设于该等上下安装板上而形成一框架；上安装板的中心设有一螺孔，下安装板的中心设有一安装孔；每个同轴线内导体的一端连接金属盘，金属盘的下面，在上安装板的中心螺孔中紧固一调谐金属块；金属盘的中心设有一圆柱导体，该圆柱导体与上端板上的主路同轴插座的内导体相连接；上端板的中心设有一主路同轴插座，上端板与上安装板之间还接有连接板(或连接杆)；各内导体的另一端均分别与支路同轴插座的内导体连接，各支路同轴插座固设于下端板的等分圆周上；在下端板与下安装板之间装有一金属圆环，该金属圆环通过绝缘环固设于下安装板与下端板之间；有N个电阻，每个电阻的一端分别与内导体连接，电阻的另一端接金属圆环；下端板与下安装板之间还接有连接板或连接杆以实现电的连接。

6、根据权利要求1或2或5所说的集成式高频功率合成与功率分配器，其特征在于：下端板上还可设有冷却液进入管及冷却液排出管。

7、根据权利要求1或2或5所说的集成式高频功率合成与功率分配器，其特征在于：N为≥2的自然数中的任一个。

8、根据权利要求1或2或5所说的集成式高频功率合成与功率分配器，其特征在于：匹配金属块与基体的螺孔之间可设有调节垫圈。

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