专利名称：热优化微波信道多路复用设备及具该设备的信号中继设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热优化微波信道多路复用设备(thermally optimized microwave channel multiplexing device)，并涉及包括至少一个多路复用设备的信号中继设备(signals
repetition device)。本发明特别应用于卫星远距离通信以及卫星上的信号中继设备的领 域。
背景技术：
例如，如图1所示，卫星2上的中继设备1通常包括用于在地面站和位于特定地 理区域中的用户之间传输、放大和发送信号的微波信号发射和接收链。接收后，由接收 天线3接收的信号通过接收滤波器5被发送到接收器4，然后被放大器6放大并在通过发 射滤波器7之后通过发射天线8被重新发射。由于放大技术上的原因，放大之前，接收信 号的带宽通过传统上被叫做IMUX(输入多路复用器)的多路分配器9被分成几个子带， 子带的宽度较小且等于用户信道的宽度，放大之后，被放大的信号被重新组合成单一带 宽的信号。通常通过传统上被叫做OMUX(输出多路复用器)的输出多路复用设备10来 执行多个信号至单一的输出宽带信号的重新组合，所述OMUX包括多个单元滤波器11， 每个单元滤波器具有预定的中心频率和带宽。例如，如图2所示，每个滤波器11包括信号输入端13和信号输出端14，滤波器 通过横向波导16平行地与公共输出端15连接，其中波导16被称为复式接头，其将所有 信道的输出14连接在一起。每个滤波器11包括至少一个谐振内腔或通过例如耦合挡板 (coupling irises)被耦合在一起的多个谐振内腔，以便形成RF射频信号通过的信道。通常OMUX的不同滤波器11被水平且彼此平行地固定到导热的、通常是金属的 公共支撑件12上，使得每个信道的纵轴Z基本上平行于支撑件12的平面。每个腔的纵 向壁直接或者通过固定支架7接触支撑件12，从而可以通过热传导来除去由滤波器11的 腔散发到支撑件12的热能。通常，热通量垂直于滤波器11朝向设置在卫星板上的热管 道穿过支撑件12。在对应于滤波器在对其进行标称的频带内的操作的额定操作模式中，该热能主 要来自于滤波器的壁中焦耳效应导致的表面效应(skineffect)所引起的损耗，这些损耗 通过传导从滤波器的内部散发到外部。在对应于OMUX的滤波器的发射频率附近的异 常的、被称为“带外(off-band)”的操作模式中，滤波器在对其进行标称的频带之外操 作。在这种带外操作模式中，滤波器吸收并耗散信号的大部分能量。在带外操作模式中 由滤波器耗散的功率比在额定操作模式中由滤波器耗散的功率高三个数量级。在OMUX 是热补偿型以及每个滤波器包括能够控制腔的体积从而以温度为函数调节操作频率的柔 性膜的情况下，由于柔性膜具有高阻抗并且产生强温度梯度，因此该大功率耗散对柔性 膜有不利影响。因此OMUX的滤波器的信道总是相对于带外模式被热标称。OMUX的水平结构非常适于控制信道的热梯度(thermal gradients)，但是其仍然不能满足在空间应用的结构中遇到的新要求，因为，一方面，在要求大于或等于500W的 很大功率的应用的情况下，这种结构在卫星板的热管道上的带外信道的接口处产生很大 的热通量密度，这意味着这些热管道有烧干的风险；另一方面，这种结构要求在支撑件 的平面中具有大安装区域，在有效载荷设置的体积非常有限的情况下，这是不利的。为了解决通量密度对于热管道的限制的问题，通常开发超标称 (overdimensioned)的热管道，这不利于卫星的有效载荷的设置。为了解决OMUX体积的问题以及优化其安装，垂直结构比水平结构更优选，但 是垂直结构比水平结构引起大得多的热梯度。目前，用于解决热梯度问题的已知方案包 括通过增大每个滤波器的壁的厚度来增大每个信道的传导截面。但是，这必然要求额外 的材料，从而显著增大了 OMUX的质量，这对于空间应用是不利的或者实际上是禁止 的。
发明内容
本发明的目的是制造一种质量优化的微波信道多路复用设备，能够减小带外信 道的接口处(at the interface of the off-band channel)的热通量密度，特别是在应用要求很大
功率的情况下。为此，本发明涉及一种微波信道多路复用设备，包括通过横向波导平行地与 公共输出端连接的多个单元滤波器(several elementary filters connected in parallel with a common output port by way of a transverse waveguide)，每个滤波器包括固定至Ll所有滤波器
的公共支撑件上的下端和远离支撑件的上端，外周壁，限定内信道的至少一个内腔，连 接到内腔的信号输入端和连接到横向波导的信号输出端，其特征在于，所述设备进一步 包括机械以及热连接到至少两个滤波器的传导辐射设备(conducto-radiative device)，该传 导辐射设备包括至少一个导热板，并且连接到所述至少两个滤波器的每一个的外周壁， 所述板被固定在滤波器的上端的水平。有利的，所述板包括与所述至少两个滤波器的外周壁配合的凹陷，使得所述滤 波器的外周壁装配在板的相应的凹陷中。优选地，每个滤波器包括固定到外周壁的外环形轴环，且板安装并固定到所述 至少两个滤波器的轴环。根据一个实施例，每个滤波器的上端包括用于封闭纵向信道的盖，且板固定在 环形轴环与所述至少两个滤波器的盖之间。有利的，板可装配有小型热管道(mini-heat pipes)，该小型热管道包括配备有用 于循环载热流体的回路的传导材料壁。根据一个实施例，板可以包括两个不同的壁，分别为下壁和上壁，且小型热管 道固定在两个壁之间。有利的，板由导热材料制成，该导热材料选自金属材料或具有通过传导纤维加 强的金属基体的合成材料。传导辐射设备可以包括单独的导热板，被连接并固定到所有滤波器的外周壁的 上。可选的，传导辐射设备可以包括分别连接到第一组至少两个滤波器和第二组至少两个滤波器的外周壁上的至少两个导热板。在传导辐射设备包括两块板的情况下，这 两块板可以相互热耦合。根据一个实施例，单元滤波器平行设置在公共支撑件上，且其纵轴垂直于公共 支撑件，传导辐射设备热耦合到滤波器的每个信道的单个的腔。根据另一个实施例，单元滤波器平行设置在公共支撑件上，且其纵轴平行于公 共支撑件，传导辐射设备热耦合到滤波器的每个信道的所有的腔。本发明还涉及包括至少一个所述多路复用设备的信号中继设备。
参考附图，通过以下仅仅为示例性的非限制性实例的描述，本发明的其他特征 和优点将更加明显，其中图1 示例性信号中继设备的基本视图；图2 根据现有技术的具有水平结构的示例性微波信道多路复用设备的视图；图3:组装过程中，根据本发明的示例性的具有垂直结构的热优化微波信道多 路复用设备的视图；图4a 根据本发明的包括两个腔的用于OMUX的示例性滤波器的示意性剖面 图；图4b和4c 根据本发明的用于OMUX的示例性滤波器的两个示意性侧视图；图5 根据本发明的配备有传导辐射板的具有垂直结构的OMUX的俯视细节 图；图6a和6b:组装过程中以及组装完毕后，根据本发明的具有垂直结构的热优化 微波信道多路复用设备的变化实施例的两幅视图；图7a和7b 根据本发明的传导辐射板的变化实施例的示意性详细透视图以及横 向剖面图；图8 根据本发明的示例性的具有水平结构的热优化微波信道多路复用设备的 视图；图9 根据本发明的包括两个传导辐射板的具有垂直结构的热优化微波信道多 路复用设备的变化实施例的视图。
具体实施例方式在图3的实例中显示的被称为OMUX的微波信道多路复用设备包括根据信道的 垂直结构而设置的一组五个滤波器11。在图4a、4b和4c的详细视图中显示的每个滤波 器11包括相对于纵轴Z的外周壁30、位于底座32中的下端31、包括上封闭盖34的上端 33，盖34可配备有柔性可变形部分以及固定轴环，在两个端31和33之间设置至少一个 内腔35、36。在图4a的非限制性实例中，所示滤波器包括沿Z轴叠加的两个内腔35、 36。在滤波器的变化布局中，腔的数量和几何形状可能不同。例如，可以使用具有三个 腔的滤波器，其中两个沿Z轴对齐，第三个垂直于Z轴耦合到一侧上。两个内腔通过未 显示的挡板电耦合在一起。滤波器11包括连接到上腔36的用于RF射频信号的输入接 口 13和连接到下腔35的用于RF射频信号的输出接口 14。OMUX的每个滤波器11的底座32固定到公共支撑件12，使得每个滤波器的纵轴基本上垂直于支撑件。每个滤波器 在预定的中心频率上操作，OMUX的一个滤波器与另一个滤波器的中心频率均不同。根 据所选技术的类型，滤波器可以由具有低热膨胀率的材料制成，例如因钢(Invar)，或者 可选地，滤波器可以是温度补偿的，和/或可选地包括介电谐振器。在图4b和4c的实 例中，所示滤波器是热补偿的，每个滤波器11的盖34包括温度补偿设备44，温度补偿设 备44能够以温度为函数自动改变滤波器11的内腔35、36的体积，从而稳定滤波器的操 作频率。垂直结构表现出的优点是与水平结构相比支撑件12更加紧凑，但是垂直结构的 缺点是在每个滤波器的腔的数量大于1的情况下，只有下腔35与支撑件12接触，难以除 去离支撑件12最远的部件的热。实际上，来自于上腔36中的能量耗散的热通量在被从 支撑件12中除去之前必须穿过下腔35。因此，与支撑件12接触的下腔35必须吸收其 自身的热通量以及上腔36散发的热通量，因此从信道的热控制的观点看，产生很强的限 制。因此，这种垂直结构表现出显著的热梯度，当滤波器之一位于带外操作模式中时， 热梯度的幅度显著增大。在这种情况下，带外信道的较高部分达到很高的温度，而操作 在额定模式下的邻近该带外信道的信道保持低得多的温度。为了改进热通量的扩散并减小带外模式中OMUX中的热梯度，本发明提出将信 道机械以及热耦合在一起，优选地在其最热部分的水平，以及增大与OMUX外部的环境 的辐射交换。图3所示的示例性实施例涉及信道的垂直结构的最严格的情况，但是在应 用要求很大功率的情况下，本发明也可以应用于水平结构，如图8的实例中所示。在图3的实例中，最热的部分是位于封闭每个滤波器11的上腔36的盖34的水 平处的信道的上部。本发明包括固定传导辐射设备，所述传导辐射设备包括滤波器的外 周壁30上的至少一个导热板38。根据图3所示实施例，被称为传导辐射板的板38包 括穿过其整个厚度的凹陷39，凹陷与每个滤波器11的外周壁配合从而每个滤波器11的 外周壁30装配在板38的相应的凹陷39中。有利地，外环形轴环40设置在每个滤波器 的外周壁上，例如在每个滤波器11的信道的上端33，所有滤波器的轴环40位于基本上 平行于支撑件12的平面的同一平面中，且板38组装并固定在轴环40上。然后，板38 覆盖OMUX的滤波器11的所有轴环40，如图5所示，因此与每个滤波器的周壁接触。 传导辐射板38由金属或合成的导热材料制成，例如与其它金属材料相比具有低密度以及 良好导热性优点的铝，或者具有通过高传导纤维加强的金属基体的合成材料。传导辐射 板38包括相对于每个滤波器11的信道相对设置的凹陷39，凹陷39的尺寸略大于每个信 道的直径，从而板38安装在信道的壁30周围并位于每个轴环40上。传导辐射板38在 轴环40上的安装可以利用诸如螺栓的固定装置来执行。然后，在传导辐射板38上方， 在每个信道的端部执行盖34和可选的温度补偿设备44的安装。在这种配置中，对应于 射频信号的输入腔的每个滤波器11的单个的腔36连接到传导辐射板38并热耦合到该板 38。板38与所有信道的外周壁30在上部接触，从而能够在所有信道最热的部分将所有 信道热耦合在一起，并且通过滤波器的周壁30中的热传导将在带外模式中操作的信道的 热通量朝在额定模式中操作的冷得多的信道引导，从而作为热沉(thermal sinks)。传导辐 射板38的外表面积大于被所有信道的总计的上部占据的面积，这能够增大OMUX 10的 不同信道的辐射面积，并增大OMUX 10的总的辐射热通量与其环境的共享。为了增大传导和辐射交换并在整块板38上以均勻的方式扩散热通量，传导辐射板38可以包括焊接 或粘结到其外表面上的热管道41，如图6a和6b所示。可选地，如图7a和7b所示，传 导辐射板38可以在下部和上部分别包括基本上互相平行的两个不同的壁42、43，热管道 41固定在板38的两个壁42、43之间。优选地，热管道41选自包括传导材料壁的微型热 管道(micro-heat pipes)或小型热管道(mini-heat pipes)，所述传导材料壁配备有用于循环 载热流体的回路。例如，构成壁和热管道的流体的一对材料可选自铜和水对、铝和乙醇 对、或者铝和甲醇对。由这些材料对构成的小型热管道和微型热管道的优点是对重力不 敏感，而且能够在任意位置操作，特别是对于地面试验很重要的垂直位置。在图8所示的示例性实施例中，OMUX 10的不同滤波器11水平且彼此平行地固 定在公共支撑件12上，使得每个滤波器的纵轴Z基本上平行于支撑件12的平面，支撑件 构成OMUX的下部。传导辐射板38装配并固定在滤波器11的纵向壁上，从而基本上平 行于支撑件12的平面，在OMUX的上部远离支撑件12。然后OMUX的滤波器被设置 在支撑件12和传导辐射板38之间。传导辐射板38包括环绕每个滤波器11的输入孔13 和输出孔14的壁的凹陷。在这种配置中，每个滤波器11的两个腔35、36被连接到传导 辐射板38并因此相互热耦合。在本发明的优选实施例中，传导辐射设备包括耦合到OMUX的所有滤波器的单 一传导辐射板38，但是特别地，在应用到包括长度基本不同的滤波器的OMUX的情况下 (如图9所示)，也可以使用包括分别耦合到OMUX的第一组至少两个滤波器和第二组至 少两个滤波器的多个传导辐射板的传导辐射设备。在OMUX包括多个传导辐射板38的 情况下，不同的板可以相互热耦合或者相互独立。虽然已经结合特定实施例描述了本发明，但是显然本发明并不限于所述的实施 例，本发明包括所述装置的所有技术等效方案及其在本发明的框架范围内的组合。
权利要求
1.一种微波信道多路复用设备，包括通过横向波导(16)平行地与公共输出端(15)连 接的多个单元滤波器(11)，每个滤波器(11)包括固定到所有滤波器的公共支撑件(12)上 的下端(31)和远离支撑件(12)的上端(33)，外周壁(30)，限定内信道的至少一个内腔 (35，36)，连接到内腔的信号输入端(13)和连接到横向波导(16)的信号输出端(14)， 所述设备进一步包括机械以及热耦合到至少两个滤波器(11)的传导辐射设备(38，41， 42，43)，该传导辐射设备(38，41，42，43)包括至少一个导热板(38)，并且连接到所 述至少两个滤波器(11)的每一个的外周壁(30)，所述板(38)固定在滤波器的上端(33) 的水平。
2.根据权利要求1所述的微波信道多路复用设备，其中所述板(38)包括与所述至少 两个滤波器(11)的外周壁(30)配合的凹陷(39)，使得所述滤波器(11)的外周壁(30)装 配在板(38)的相应的凹陷中。
3.根据权利要求1或2所述的微波信道多路复用设备，其中每个滤波器(11)包括固 定到外周壁(30)的外环形轴环(40)，且其中板(38)安装并固定到所述至少两个滤波器的 轴环(40)。
4.根据权利要求3所述的微波信道多路复用设备，其中每个滤波器(11)的上端(33) 包括用于封闭纵向信道的盖(34)，且其中板(38)固定在环形轴环(40)与所述至少两个滤 波器的盖(34)之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的微波信道多路复用设备，其中板(38)装配有小 型热管道(41)，该小型热管道包括配备有用于循环载热流体的回路的传导材料壁。
6.根据前述权利要求中任一项所述的微波信道多路复用设备，其中板(38)包括两个 不同的壁(42，43)，分别为下壁和上壁，且所述小型热管道(41)固定在两个壁之间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的微波信道多路复用设备，其中板(38)由导热材 料制成，所述导热材料选自金属材料或具有通过传导纤维加强的金属基体的合成材料。
8.根据前述权利要求中任一项所述的微波信道多路复用设备，其中所述传导辐射设 备(38，41，42，43)包括连接并固定到所有滤波器(11)的外周壁(30)上的单个的导热 板(38)。
9.根据权利要求1到7中任一项所述的微波信道多路复用设备，其中所述传导辐射设 备(38，41，42，43)包括分别连接到第一组至少两个滤波器(11)和第二组至少两个滤波 器(11)的外周壁(30)上的至少两个导热板(38)。
10.根据权利要求9所述的微波信道多路复用设备，其中两块板(38)相互热耦合。
11.根据前述权利要求中任一项所述的微波信道多路复用设备，其中单元滤波器(11) 平行设置在公共支撑件(12)上，且其纵轴(Z)垂直于公共支撑件(12)，其中传导辐射设 备(38，41，42，43)热耦合到滤波器(11)的每个信道的单个的腔。
12.根据权利要求1到10中任一项所述的微波信道多路复用设备，其中单元滤波器 (11)平行设置在公共支撑件(12)上，且其纵轴(Z)平行于公共支撑件(12)，其中传导辐 射设备(38，41，42，43)热耦合到滤波器(11)的每个信道的所有的腔。
13.一种信号中继设备，包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的微波信道多 路复用设备。
全文摘要
本发明涉及一种热优化微波信道多路复用设备及具该设备的信号中继设备。微波信道多路复用设备包括通过横向波导平行地与公共输出端连接的多个单元滤波器，每个滤波器包括固定到所有滤波器的公共支撑件上的下端和远离支撑件的上端，外周壁，限定内信道的至少一个内腔，连接到内腔的信号输入端和连接到横向波导的信号输出端。所述多路复用设备进一步包括机械以及热耦合到至少两个滤波器的传导辐射设备，该传导辐射设备包括至少一个导热板，并且连接到所述至少两个滤波器的每一个的外周壁，所述板固定在滤波器的上端的水平。本发明特别应用于卫星远距离通信以及卫星上的信号中继设备的领域。
文档编号H01P1/207GK102013915SQ201010257808
公开日2011年4月13日 申请日期2010年8月18日 优先权日2009年9月4日
发明者J·拉格洛瑟, J-C·拉孔布 申请人:泰勒斯公司