一种微波高功率分配/合成器

摘要

本发明公开了一种微波高功率分配/合成器，包括底板和盖板，盖板盖合在底板上，二者盖合后，盖板上端面设置有三个负载端口，四周设置有五个信号端口，所述的底板包括第一、第二、第三魔H单元和连接块，所述的连接块设置在三个魔H单元之间，且四者无间隙一体化设计。本发明在微波高功率容量结构魔H的基础上，通过三个魔H单元品字形组合，这种结构由两个连接在一起的传输线，馈入同一波导，耦合两种不同工作模式所形成的分支线耦合器，对此结构的参数进行仿真优化设计及样件加工调试后，使其能够应用在深空探测微波高功放中，在进行微波功率输出时，即降低级联滤波器空气击穿风险，又得到较高质量频谱高功率微波信号。

权利要求

1.一种微波高功率分配/合成器，其特征在于：

包括底板和盖板，盖板盖合在底板上，所述二者盖合后，盖板上端面设置有三个负载端口，二者外围接触边缘焊接固定，且四周设置有五个信号端口，所述的底板包括第一、第二、第三魔H单元和连接块，所述的连接块设置在三个魔H单元之间，且四者无间隙一体化设计；

所述的魔H单元为一个矩形混合接头结构，包括矩形基板，矩形基板的短边均设置有T型隔离窗片，矩形基板的两个长边的中间位置处分别对称设置有阶梯渐变结构，所述的阶梯渐变结构由外到内阶梯的长度依次变低；其中一个阶梯渐变结构的最底层阶梯的一端延伸设置且与在延伸方向上设置的T型隔离窗片的横部相接，且此横部向内延伸设置斜坡，此斜坡与盖板盖合后形成的端口为负载端，而阶梯渐变结构的最底层阶梯与T型隔离窗片横部之间空隙与盖板盖合后形成的端口为信号端，每个魔H单元具有三个信号端；其它三个的横部与竖部连接处均设置有一个等腰直角三角形连接部，且等腰直角三角形连接部的直角与T型隔离窗片的横部和竖部之间形成的直角贴合设置；

所述的三个魔H单元竖直排列以品字形排列，每个魔H单元的负载端均在上端或下端，第一魔H单元下端两个信号端口分别与第二魔H单元和第三魔H单元的与负载端具有900 相位差的信号端口相连通；且设置在连接块两侧的第二和第三魔H单元以连接块的中心轴线左右对称；

所述的盖板上端面与负载端口对应位置分别设置有法兰，侧端面与信号端口对应处也分别设置有法兰。

2.根据权利要求1所述的微波高功率分配/合成器，其特征在于：所述的第一魔H单元中矩形基板的一个短边设置有T型隔离窗片，另一个短边为半T型隔离窗片，所述半T型隔离窗片的竖部与一侧阶梯渐变结构的最底层阶梯的一端延伸后与T型隔离窗片的竖部之间相接构成向上出口的为负载端，与另一侧阶梯渐变结构的最底层阶梯的一端延伸后构成的向侧面出口的为信号端。

3.根据权利要求2所述的微波高功率分配/合成器，其特征在于：所述信号端口与法兰之间设置有过渡台阶，阶数为两阶。

4.根据权利要求3所述的微波高功率分配/合成器，其特征在于：所述的阶梯渐变结构中每阶的棱角为椭圆。

5.根据权利要求4所述的微波高功率分配/合成器，其特征在于：所述的法兰采用BJ70。

说明书

一种微波高功率分配/合成器

技术领域

[0001] 本发明涉及高功率微波应用技术领域，尤其涉及一种微波高功率分配/合成器。

背景技术

[0002] 随着全球信息化的推进，大量的信息需要通过射频、微波通信设备进行传输，随着传输距离的加大，对微波发射机输出功率提出了更高要求，一方面，由于单个微波源功率的限制，要想得到更高微波功率，必须采取功率分配/合成的形式实现，另一方面，为提高频谱质量，需要对高功率微波信号加载滤波器进行处理，由于高功率情况下滤波器自身功率容量有限制，需要对高功率微波信号进行先分配，再经滤波器处理，然后再进行功率合成，从而得到较高质量频谱的高功率微波信号。特别是在深空探测等高功率微波应用领域，连续波微波功率高达上百千瓦功率分配/合成器的作用更为突出，同时研制难度也大为提高。目前，相关领域的研究鲜有报道，因此研究小型化、高性能、超大功率容量的功率分配/合成器对当前高功率领域的射频、微波通信设备至关重要。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种微波高功率分配/合成器，能够应用在深空探测微波高功放中，使其在进行微波功率输出时，即降低级联滤波器空气击穿风险，又得到较高质量频谱高功率微波信号。

[0004] 本发明采用的技术方案为：

[0005] 一种微波高功率分配/合成器，

[0006] 包括底板和盖板，盖板盖合在底板上，所述二者盖合后，盖板上端面设置有三个负载端口，二者外围接触边缘焊接固定，且四周设置有五个信号端口，所述的底板包括第一、第二、第三魔H单元和连接块，所述的连接块设置在三个魔H单元之间，且四者无间隙一体化设计；

[0007] 所述的魔H单元为一个矩形混合接头结构，包括矩形基板，矩形基板的短边均设置有T型隔离窗片，矩形基板的两个长边的中间位置处分别对称设置有阶梯渐变结构，所述的阶梯渐变结构由外到内阶梯的长度依次变低；其中一个阶梯渐变结构的最底层阶梯的一端延伸设置且与在延伸方向上设置的T型隔离窗片的横部相接，且此横部向内延伸设置斜坡，此斜坡与盖板盖合后形成的端口为负载端，而阶梯渐变结构的最底层阶梯与T型隔离窗片横部之间空隙与盖板盖合后形成的端口为信号端，每个魔H单元具有三个信号端；其它三个的横部与竖部连接处均设置有一个等腰直角三角形连接部，且等腰直角三角形连接部的直角与T型隔离窗片的横部和竖部之间形成的直角贴合设置；

[0008] 所述的三个魔H单元竖直排列以品字形排列，每个魔H单元的负载端均在上端或下端，第一魔H单元下端两个信号端口分别与第二魔H单元和第三魔H单元的与负载端具有900 相位差的信号端口相连通；且设置在连接块两侧的第二和第三魔H单元以连接块的中心轴线左右对称；

[0009] 所述的盖板上端面与负载端口对应位置分别设置有法兰，侧端面与信号端口对应处也分别设置有法兰。

[0010] 所述的第一魔H单元中矩形基板的一个短边设置有T型隔离窗片，另一个短边为半T型隔离窗片，所述半T型隔离窗片的竖部与一侧阶梯渐变结构的最底层阶梯的一端延伸后与T型隔离窗片的竖部之间相接构成向上出口的为负载端，与另一侧阶梯渐变结构的最底层阶梯的一端延伸后构成的向侧面出口的为信号端。

[0011] 所述信号端口与法兰之间设置有过渡台阶，阶数为两阶。

[0012] 所述的阶梯渐变结构中每阶的棱角为椭圆。

[0013] 所述的法兰采用BJ70。

[0014] 本发明在微波高功率容量结构魔H的基础上，根据具体的需要，通过三个魔H单元品字形组合，这种结构由两个连接在一起的传输线，馈入同一波导，耦合两种不同工作模式所形成的分支线耦合器，对此结构的参数进行仿真优化设计及样件加工调试后，从而实现了高功率微波分路或合成功能，使其能够应用在深空探测微波高功放中，在进行微波功率输出时，即降低级联滤波器空气击穿风险，又得到较高质量频谱高功率微波信号。

附图说明

[0015] 图1为本发明所述第一魔H单元的结构示意图；

[0016] 图2为本发明所述第二魔H单元的结构示意图；

[0017] 图3为本发明所述第三魔H单元的结构示意图；

[0018] 图4为本发明所述盖板的结构示意图；

[0019] 图5为本发明所述底板的结构示意图。

具体实施方式

[0020] 如图4和5所示，本发明包括底板和盖板5，盖板5盖合在底板上，所述二者盖合后，盖板5上端面设置有三个负载端口，二者外围接触边缘焊接固定，通过焊接可以有效防止传输高功率微波信号情况下，微波能量泄露问题，从而避免微波信号对设备带来干扰或对人体危害。

[0021] 二者焊接外围的四周设置有五个信号端口，所述的底板包括第一、第二、第三魔H单元和连接块，所述的连接块设置在三个魔H单元之间，且四者无间隙一体化设计；本申请所述的魔H单元为基础单元，但是具体进行结合时会根据需要进行适当的变化，即负载端口的相对位置，其可以根据需要进行灵活设置，以下为详细的解释三者结合时的区别关系，对其端口分别进行了定义具体如下：第一魔H单元由端口1-1、1-2、1-3、1-4构成，其中1-1、1-2、1-4、为信号端口、1-3为负载端口；第二魔H单元由端口2-1、2-2、2-3、2-4构成，其中2-1、
2-2、2-3为信号端，2-4为负载端口；第三魔H单元由端口3-1、3-2、3-3、3-4，其中3-1、3-2、3-
4为信号端口，3-3为负载端口。

[0022] 所述的魔H单元为一个矩形混合接头结构，包括矩形基板4，矩形基板4的短边均设置有T型隔离窗片，矩形基板4的两个长边的中间位置处分别对称设置有阶梯渐变结构6，所述的阶梯渐变结构6由外到内阶梯的长度依次变低；其中一个阶梯渐变结构6的最底层阶梯7的一端延伸设置且与在延伸方向上设置的T型隔离窗片的横部1相接，且此横部向内延伸设置斜坡8，此斜坡8与盖板盖合后形成的端口为负载端，而阶梯渐变结构6的最底层阶梯7与T型隔离窗片横部1之间空隙与盖板盖合后形成的端口为信号端，每个魔H单元具有三个信号端；其它三个的横部1与竖部2连接处均设置有一个等腰直角三角形连接部3，且等腰直角三角形连接部3的直角与T型隔离窗片的横部1和竖部2之间形成的直角贴合设置；所述的T型隔离窗片与阶梯渐变结构6可用来匹配标准波导-过模波导-标准波导之间的传输特性，其具体功能和魔H一样，具体如下：

[0023] 所述的由T型隔离窗片和等腰直角三角形连接部3构成的这种结构，即分别与阶梯渐变结构6形成两个信号端口的T型隔离窗片和等腰直角三角形连接部3，关于电场方向有着平移对称结构，所以电场只在在魔H结构的上下底面震荡。而且对称结构使得在此处可以利用虚线框里的过模矩形波导24，增加过模矩形波导24的高度（上下底面距离），可以相对降低此处电场强度，同时不会影响散射参数矩阵。理论上讲，加大过模矩形波导高度，可以无限制的增大波导功率容量。

[0024] 过模矩形波导24宽度应该足够宽，使得TE01和TE02两种工作模式能够同时传输。由同一端口激励产生的两种电场工作模式有相同幅度及各自相对应的相位，这样就使得两种电场模式在贴近输入端口的一边得到叠加，而在另一边分离。这是由于他们的导向波数不同，并且两种模式各自的相位随着导向的传播不断改变。单一相位落后π，将会促使TM10波加强反相的TM20波，微波能量同时从远端口输出。因此，要想得到3dB的能量分配情况，这两种工作模式各自总的相位长度差应当为π/2的奇数倍。过模矩形波导的宽度比标准波导宽度的两倍要窄，这样可以使得TE30模式为截止模式，可以通过调节阶梯渐变结构6的每个阶梯的宽度，长度及隔离窗片5长度，最终实现3dB的能量分配情况。

[0025] 如图1所示，所述的第一魔H单元的矩形基板4的一个短边设置有T型隔离窗片，另一个短边为半T型隔离窗片，所述半T型隔离窗片的竖部2与一侧阶梯渐变结构的最底层阶梯11的一端延伸后与T型隔离窗片的竖部2之间相接构成向上出口的为负载端口1-3，与另一侧阶梯渐变结构的最底层阶梯7的一端延伸后构成的向侧面出口的为信号端口分别为1-1、1-2、1-4。；所述负载端口1-3的位置可以根据需要与信号端口1-4进行互换，灵活性大。

[0026] 如图2和图3所示，所述第二H单元和第三魔H单元之间仅仅负载端口的位置不同，即所述的第二魔H单元的负载端口2-4在右侧，第三魔H单元的负载端口3-3在左侧；所述的三个魔H单元竖直排列以品字形排列，每个魔H单元的负载端均在上端或下端（以视角的不同说法不同，但是其均在同一方向即可），第一魔H单元下端两个信号端口分别与第二魔H单元和第三魔H单元的与负载端具有90°相位差的信号端口相连通；且设置在连接块两侧的第二和第三魔H单元以连接块的中心轴线左右对称：即信号端口2-3与1-1焊接，1-2和3-3焊接从而三者端口连接实现高功率分配。

[0027] 所述的盖板5上端面与负载端口对应位置分别设置有法兰30，侧端面上与信号端口对应处也分别设置有法兰30。所述的法兰30采用BJ70。

[0028] 所述信号端口与法兰BJ70之间设置有过渡台阶33，过渡台阶33的阶数为两阶。每个信号端口的过度台阶33可以匹配端口阻抗特性，降低驻波比。负载端口能够吸收泄露微弱信号。

[0029] 所述的阶梯渐变结构6中每阶的棱角9为椭圆。

[0030] 本发明的基本单元是一个魔H结构，去掉盖板示意图如附图5所示，所述魔H是一个矩形混合接头结构，每个魔H单元都有四个标准波导端口，相对应的两个端口以第一魔H单元为例：1-2,1-3二者和1-1,1-4二者分别具有900相位差，并且具有良好的隔离度。这种结构由两个连接在一起的传输线，馈入同一波导，耦合两种不同工作模式所形成的分支线耦合器演变而来。

[0031] 盖板5结构比较简单，如附图4所示。主要包括五个BJ70法兰的部分结构即设置在侧面的与信号端口出对应，还有设置在上端面的三个完整BJ70法兰30，此三个完整的法兰30是外接高功率容量的吸收负载。这种设计，结构紧凑，有利于空间的合理化利用。

[0032] 本发明所设计的功率分配器具有如下有特点：

[0033] 综上所述，本发明体积相对较小，长宽高仅424mmx323mmx49mm，重量轻、结构紧凑，对于发射机系统小型化有重要意义；端口采用标准BJ70法兰接口，便于系统安装；采用魔H结构，极大地提高了功率合成/分配器的功率容量；插入损耗小于0.1dB,驻波小于1.1，大大提高性能指标优越；采用焊接方式将部件组成一体，有效防止传输高功率微波信号情况下，微波能量泄露问题；结构简单、新颖，加工方便；插入损耗小，端口驻波好，可靠性高，非常适合应用于高功率微波发射机领域。

[0034] 经过前期的论证、大量的理论计算与电磁场仿真，目前该功率分配器已加工、组装、调试完毕，经过测试，指标完全满足应用要求，为我国微波超高功率深空探测解决了又一技术瓶颈，并为后续相关工作的进行奠定了一项技术基础，同时该发明结构新颖小巧，重量轻，为后续系统的小型化提供了有利支持，安装方便，更有利于系统集成。