一种大功率波导链式合成器的制作方法

本发明涉及微波设备领域，特别是涉及一种大功率波导链式合成器。

背景技术：

由于大功率合成器的额定功率都很高，器件或芯片级的合成技术无法用在大功率合成器中。大功率合成器的技术方案主要包括多级合成技术(如树式或二进制式合成器、链式合成器等)和多路合成技术(如谐振式合成器、非谐振式合成器等)。

链式合成器属于多级合成器的一种，是由多个合成单元级联组成的。典型的链式合成器单元是由耦合器构成的。链式合成器最大的特点，就是可以实现任意路数n的合成，对n没有限制。而且，如果需要增加或减少合成的路数，只需增加或减少相应的合成单元即可，这一点成为链式合成器的最大优势之一。

但是传统的链式合成器，每个合成单元都需要加接一个匹配负载，当合成器输入不平衡时(比如某台发射机降功率或者关机)，就会有一部分功率被匹配负载吸收掉，这些匹配负载体积和重量都较大，且价格昂贵，制约了链式合成器的使用范围。

技术实现要素：

发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种大功率波导链式合成器，以解决体积较大的技术问题。

一种大功率波导链式合成器，包括多个定向耦合器，多个所述定向耦合器串联设置，定向耦合器为四端口的耦合器，多个所述定向耦合器包括第1定向耦合器、第2定向耦合器、……、第n定向耦合器，所述定向耦合器包括隔离端口、输入端口一、输入端口二及输出端口；

所述第1定向耦合器、所述第2定向耦合器、……、所述第n定向耦合器的所述隔离端口分别连接有短路器，所述第1定向耦合器、所述第2定向耦合器、……、所述第n定向耦合器的所述输入端口一、所述第1定向耦合器的所述输入端口二分别连接各发射机的输出端，所述第1定向耦合器、所述第2定向耦合器、……、所述第n-1定向耦合器的所述输出端口分别与所述第2定向耦合器、……、所述第n定向耦合器的所述输入端口二连接，所述第n定向耦合器的所述输出端口为总功率输出端口；

其中，n为大于零的自然数。

上述技术方案，由于在定向耦合器的隔离端口分别连接有短路器，形成短路回路，当各定位耦合器的输入功率不平衡时，在这些短路器端口就会有反射功率产生，这些反射功率会再次通过大功率波导链式合成器网络，分别被各台发射机吸收掉，没有功率损耗，且去掉了匹配负载，使大功率波导链式合成器的体积较小，且节约了成本。

在其中一个实施例中，n为1～15。

在其中一个实施例中，所述定向耦合器为耦合度可调的定向耦合器，包括耦合器壳体，所述耦合器壳体内设有主线波导腔和分支波导腔，所述主线波导腔和所述分支波导腔都为长方体结构，所述主线波导腔和所述分支波导腔之间设有耦合窗口，所述耦合窗口位置设有竖向的两个耦合主柱，两个耦合主柱之间留有间隙，所述主线波导腔内、所述分支波导腔内对应位置分别设有耦合副柱；

所述耦合主柱的上下端、所述耦合副柱的上下端分别安装在所述耦合器壳体上，所述耦合主柱的上下端、所述耦合副柱的上下端附近的所述耦合器壳体上都设有滑动槽，所述耦合主柱、所述耦合副柱沿匹配的所述滑动槽移动至预定位置，从而调节矩形波导定向耦合器的耦合度。

上述技术方案，由于设有耦合主柱和耦合副柱，通过调节耦合主柱和耦合副柱在滑动槽中的位置，从而调节矩形波导定向耦合器的耦合度，耦合度可调，避免了一种耦合度需要对应一种耦合器的情况，根据需要调节耦合度，使大功率波导链式合成器的研发成本较低，适应性更强。

在其中一个实施例中，还包括两个空心螺帽，两个所述空心螺帽分别位于所述耦合窗口上、下方的所述耦合器壳体上，两个所述空心螺帽上下对应设置，所述空心螺帽伸入所述耦合器壳体内或从所述耦合器壳体中抽出。

上述技术方案，由于设有空心螺帽，可以通过调节空心螺帽在耦合器壳体内的深度，从而调节定向耦合器的端口反射损耗、耦合度及方向性等性能指标，与耦合主柱、耦合副柱配合调节矩形波导定向耦合器的各项性能。

在其中一个实施例中，所述耦合窗口长度方向两端都设有窗口隔板，所述窗口隔板的厚度为1～20mm。

在其中一个实施例中，所述耦合副柱包括耦合副柱一、耦合副柱二及耦合副柱三，所述耦合副柱一、所述耦合副柱二及所述耦合副柱三都位于所述主线波导腔或所述分支波导腔内，与所述耦合副柱一、所述耦合副柱二及所述耦合副柱二匹配的滑动槽都为曲线槽。

在其中一个实施例中，所述耦合副柱包括两个所述耦合副柱一、两个所述耦合副柱二和两个所述耦合副柱三，两个所述耦合副柱一、两个所述耦合副柱二及两个所述耦合副柱三分别以所述耦合器壳体宽度方向的中心线为轴对称设置，且所述耦合副柱一位于靠近所述耦合器壳体宽度方向中心线的位置。

在其中一个实施例中，所述耦合主柱的直径为10～30mm，所述耦合副柱的直径为10～20mm。

有益效果：与现有技术相比，上述大功率波导链式合成器，具有以下优点：

1、由于在定向耦合器的隔离端口分别连接有短路器，形成短路回路，当各定位耦合器的输入功率不平衡时，在这些短路器端口就会有反射功率产生，这些反射功率会再次通过大功率波导链式合成器网络，分别被各台发射机吸收掉，且去掉了匹配负载，使大功率波导链式合成器的体积较小，且节约了成本。

2、由于设有耦合主柱和耦合副柱，通过调节耦合主柱和耦合副柱在滑动槽中的位置，从而调节矩形波导定向耦合器的耦合度，耦合度可调，避免了一种耦合度需要对应一种耦合器的情况，根据需要调节耦合度，使大功率波导链式合成器的研发成本较低，适应性更强。

附图说明

图1为实施例1的大功率波导链式合成器的原理结构图；

图2为实施例1的定向耦合器的结构示意图；

图3为实施例2的大功率波导链式合成器的原理结构图；

图4为实施例3的大功率波导链式合成器的原理结构图；

图5为实施例4的大功率波导链式合成器的原理结构图。

具体实施方式

实施例1

请参阅图1，一种大功率波导链式合成器，包括多个定向耦合器1，多个定向耦合器1串联设置，定向耦合器1为四端口的耦合器，多个定向耦合器1包括第1定向耦合器p1、第2定向耦合器p2、……、第n定向耦合器pn。其中，n为大于零的自然数。本实施例中，n为7。定向耦合器1共有7个。定向耦合器1包括隔离端口2、输入端口一3、输入端口二4及输出端口5。

第1定向耦合器p1、第2定向耦合器p2、……、第n定向耦合器pn的隔离端口2分别连接有短路器(图中未显示)，第1定向耦合器p1、第2定向耦合器p2、……、第n定向耦合器pn的输入端口一3、第1定向耦合器p1的输入端口二4分别连接各发射机的输出端，第1定向耦合器p1、第2定向耦合器p2、……、第n-1定向耦合器pn-1的输出端口5分别与第2定向耦合器p2、……、第n定向耦合器pn的输入端口二4连接，第n定向耦合器pn的输出端口5为总功率输出端口。

请参阅图2，定向耦合器1为耦合度可调的定向耦合器，包括耦合器壳体10，耦合器壳体10内设有主线波导腔11、分支波导腔12及两个空心螺帽16。主线波导腔11和分支波导腔12都为长方体结构，主线波导腔11和分支波导腔12之间设有耦合窗口13，耦合窗口13位置设有竖向的两个耦合主柱14，两个耦合主柱14之间留有间隙，主线波导腔11内、分支波导腔12内对应位置分别设有耦合副柱15。主线波导腔11内、分支波导腔12内对应位置分别设有耦合副柱15。耦合窗口13长度方向两端都设有窗口隔板17，窗口隔板17的厚度为1～20mm。耦合主柱14的直径为10～30mm，耦合副柱15的直径为10～20mm。本实施例中，窗口隔板17的厚度为8mm，耦合主柱14的直径为30mm，耦合副柱15的直径为20mm。

本实施例中，主线波导腔11、分支波导腔12为金属波导管，主线波导腔11、分支波导腔12的空腔尺寸(不含金属壁厚)均为：宽度391mm，高度190.5mm，波导管的金属外壁壁厚为3.81mm。这个尺寸的波导管对应的国标型号是bj6，对应国际标准的型号是wr1500。其他实施例中，可以采用其他型号的波导管进行耦合度的调节。

其中，耦合主柱14的上下两端、耦合副柱15的上下两端分别安装在耦合器壳体10的上、下表面上，耦合主柱14的上下两端、耦合副柱15的上下两端附近的耦合器壳体10的上、下表面上都设有滑动槽，耦合主柱14、耦合副柱15沿匹配的滑动槽移动至预定位置，从而调节矩形波导定向耦合器的耦合度。

本实施例中，位于主线波导腔11或分支波导腔12内的耦合副柱15分别包括耦合副柱一151、耦合副柱二152及耦合副柱三153，耦合副柱一151、耦合副柱二152及耦合副柱三153都分别位于主线波导腔11或分支波导腔12内，与耦合副柱一151、耦合副柱二152及耦合副柱三153匹配的滑动槽都为曲线槽。在其他实施例中，耦合副柱15匹配的滑动槽可为直线槽或其他曲线槽，根据实际需要进行设定。

其中，两个空心螺帽16分别位于耦合窗口13上、下方的耦合器壳体10上，两个空心螺帽16上下对应设置，空心螺帽16伸入耦合器壳体10内或从耦合器壳体10中抽出。空心螺帽16上设有调节装置，当将空心螺帽16上下移动至预定位置时，通过调节装置将空心螺帽16锁死，从而固定空心螺帽16的位置。优选的，两个耦合主柱14分别位于空心螺帽16的两侧。空心螺帽16包括螺帽本体和螺帽本体上设置的空心螺柱体，螺帽本体的直径为120mm，耦合器壳体10上与空心螺帽16匹配的通孔直径为100mm，空心螺柱体插入通孔内，通过调整空心螺柱体在通孔中的位置，从而调整空心螺帽的螺帽本体与耦合器壳体10的距离。

其中，位于主线波导腔11或分支波导腔12内的耦合副柱15分别包括两个耦合副柱一151、两个耦合副柱二152及两个耦合副柱三153，两个耦合副柱一151、两个耦合副柱二152、两个耦合副柱三153分别以耦合器壳体10宽度方向的中心线为轴对称设置，且耦合副柱一151位于靠近耦合器壳体10宽度方向中心线的位置。

目前，应用在各行业的超大功率源设备，总输出功率可以达到200kw甚至更高。对于由全固态功放模块构成的超大功率源设备，单个功率发射机的输出功率往往无法达到这么高的水平，这就需要将多个功率发射机的输出功率合成在一起使用。如果按照普通的定向耦合器单元级联构成链式合成器的方案设计功率合成器，则每个定向耦合器单元都需要配一个匹配负载，并且匹配负载的功率要达到单个功率发射机的输出功率等级。这种匹配负载往往需要水冷设计，体积和重量非常大，而且价格非常昂贵。例如，工作在600mhz频率的20kw匹配负载，目前市场价格大约在20万元左右。一个功率合成器往往需要多个匹配负载的话，会显著增加整套合成器的制造成本。

本实施例中，需要8合1功率合成器进行合成，即需要8个发射机、7个定向耦合器进行合成得到目标合成功率。其中，设定每一个定向耦合器的耦合度调节范围为-13～-3db。其中，第1定向耦合器p1的耦合度调至-3.01db，第2定向耦合器p2的耦合度调至-4.77db，第3定向耦合器p3的耦合度调至-6.02db，第4定向耦合器p4的耦合度调至-6.99db，第5定向耦合器p5的耦合度调至-7.78db，第6定向耦合器p6的耦合度调至-8.45db，第7定向耦合器p7的耦合度调至-9.03db。由于本实施例中的7个定向耦合器的规格都相同，可以极大的的降低大功率波导链式合成器的加工成本。在其他实施例中，可以根据目标合成功率的需求，增加或减少定向耦合器的个数，可操作性强，适用范围更广。

上述大功率波导链式合成器的工作原理为：根据不同位置定向耦合器的需要，通过调节定向耦合器的耦合主柱14、耦合副柱15的位置及两个空心螺帽16的深度，得到预定位置的定向耦合器的耦合度，后通过各发射机的输出功率，依次合成，得到目标合成功率，满足整个大功率波导链式合成器的需求。

对上述就行波导定向耦合器进行仿真模拟，得到不同耦合度时，耦合主柱14和耦合副柱15的位置关系表，如表1所示。

表1实施例1中不同耦合度时，耦合主柱、耦合副柱的位置关系表

由表1可知，通过调节耦合主柱、耦合副柱及空心螺帽的螺帽本体的位置，即可实现不同耦合度的调节，操作简单方便。根据表1中的耦合度调节范围内，-13～-3db内的其他耦合度数值对应的耦合主柱、耦合副柱的位置，可以通过表1中的整数耦合度的位置数值的线性插值得到。表1中，耦合副柱一距长度中心线距离为耦合副柱一距离耦合器壳体10长度方向中心线的距离，耦合副柱二、耦合副柱三也是以耦合器壳体10长度方向中心线为参照线。

其余定向耦合器的耦合度需求，同上方法进行调节，使定向耦合器的耦合度达到预定数值，全部调节完全即可通过控制发射机的输入功率，从而将功率进行合成，达到目标合成功率。

实施例2

请参阅图3，本实施例与实施例1的区别点在于：n为1，共需要2个发射机及1个定向耦合器。

本实施例中，是用于两路功率合成的大功率波动链式合成器。2个发射机的输出端分别连接第1定向耦合器p1的输入端口一3、输入端口二4，定向耦合器p1的隔离端口2连接有短路器，第1定向耦合器p1的输出端口5为两倍功率的总功率输出端口。

其中，将第1定向耦合器p1的耦合度调至-3.01db，后打开2个发射机，同时输入预定功率，进行功率合成，即可完成功率的合成工序。

实施例3

请参阅图4，本实施例与实施例1的区别点在于：n为3，共需要4个发射机及3个定向耦合器。

本实施例中，是用于四路功率合成的大功率波动链式合成器。其中，将第1定向耦合器p1的耦合度调至-3.01db，第2定向耦合器p2的耦合度调至-4.77db，第3定向耦合器p3的耦合度调至-6.02db，后打开4个发射机，同时输入预定功率，进行功率合成，即可完成功率的合成工序。

实施例4

请参阅图5，本实施例与实施例1的区别点在于：n为15，共需要16个发射机及15个定向耦合器。本实施例中，窗口隔板的厚度为8mm。

本实施例中，是用于十六路功率合成的大功率波动链式合成器。其中，将第1定向耦合器p1的耦合度调至-3.01db，第2定向耦合器p2的耦合度调至-4.77db，第3定向耦合器p3的耦合度调至-6.02db，第4定向耦合器p4的耦合度调至-6.99db，第5定向耦合器p5的耦合度调至-7.78db，第6定向耦合器p6的耦合度调至-8.45db，第7定向耦合器p7的耦合度调至-9.03db，第8定向耦合器p8的耦合度调至-9.54db，第9定向耦合器p9的耦合度调至-10.00db，第10定向耦合器p10的耦合度调至-10.41db，第11定向耦合器p11的耦合度调至-10.79db，第12定向耦合器p12的耦合度调至-11.14db，第13定向耦合器p13的耦合度调至-11.46db，第14定向耦合器p14的耦合度调至-11.76db，第15定向耦合器p15的耦合度调至-12.04db，后打开16个发射机，同时输入预定功率，进行功率合成，即可完成功率的合成工序。

本实施例中，由于后几级定向耦合器的耦合度较小，而且要求耦合度的精度很高，在工艺上较难达到，但是在理论上n是可以无穷大的，只要是能做到需求的耦合度并达到要求的精度，即可实现无穷多个定向耦合器的合成，实现功率的合成。