一种基于空气板线的高隔离度大功率合成器的制作方法

1.本发明涉及天线与微波技术领域，尤其涉及一种基于空气板线的高隔离度大功率合成 器。


背景技术：

2.现代雷达为了实现远距离目标探测，往往要求发射机提供较高的发射功率，这需要应 用功率合成技术实现高功率合成与输出。功率合成技术即通过叠加若干独立的低功率源来 获取更高的输出功率。近年来，随着gan宽能带隙半导体技术和高电子迁移率晶体管技术 的发展，使得微波集成电路的功率容量大幅提升，这也对功率合成器的耐功率提出更高的 要求。因此，无论是从发射系统级层面，还是从功率放大组件级层面，都亟待发展大功率 合成技术。
3.功率合成器是大功率合成技术的核心器件。目前常用的大功率合成器主要是同轴、波 导等形式。基于同轴传输线的径向合成器具有较好的幅相一致性，但是它们的输入端口的 隔离度较差，无法满足功率合成网络对高隔离度的需求。基于金属波导的定向耦合器和魔 t合成器具有高隔离、低损耗、高功率容量的优点，但是这种形式的合成器体积庞大、加 工成本高昂，且不易于与前后级组件级联，无法满足发射系统集成化、小型化、轻量化的 发展趋势。
4.目前基于空气板线的大功率合成器主要为t形结形式，存在隔离度差的缺点，容易导 致分口信号相互串扰，极易引发功放组件大面积故障。因此，研发一种性能优异——具有 高功率容量、高隔离度、低损耗、低幅度/相位不平衡度等，且结构紧凑、平面化、易集 成的大功率合成器已成为推进大功率合成技术发展的关键所在。


技术实现要素：

5.为解决现有的技术问题，本发明提供了一种基于空气板线的高隔离度大功率合成器， 适用于高功率有源功率合成组件和大规模天线阵。
6.本发明的具体内容如下：一种基于空气板线的高隔离度大功率合成器，括金属板线、 聚四氟乙烯支撑件、金属壳体、金属盖板，金属壳体和金属盖板紧密拧合，形成封闭式的 金属屏蔽腔体；金属板线通过聚四氟乙烯支撑件固定，悬置在金属屏蔽腔体中。
7.进一步的，金属板线与金属屏蔽腔体的内壁间距保持均匀，即与金属屏蔽腔体的内壁 水平距离保持一致，竖直距离保持一致。
8.进一步的，金属板线外表面、金属壳体和金属盖板内表面镀银。
9.进一步的，聚四氟乙烯支撑件包括下支撑件和上支撑件，下支撑件插入金属板线的支 撑件插入孔，与上支撑件嵌套。
10.进一步的，支撑件插入孔的直径为3
±
0.2mm。
11.进一步的，金属壳体和金属盖板内壁均设有定位孔，聚四氟乙烯支撑件的下支撑件和 上支撑件可以嵌入定位孔内。
12.进一步的，空气板线的传输模式为tem模。
13.进一步的，金属板线各枝节的线宽根据带状线的计算公式确定初始值：
[0014][0015]
其中，w表示板线宽度，b为高度，z0为特征阻抗，εr为相对介电常数。
[0016]
进一步的，分支线为高阻抗分支线，电长度均为四分之一波长。
[0017]
进一步的，合口、分口、隔离口均通过四分之一波长阻抗变换器匹配到50ω标准阻抗 线，四个端口对称且互易。
[0018]
本发明提出一种基于空气板线的高隔离度大功率合成器，充分结合传统90度电桥良好 的电性能和空气板线高功率传输特性，克服了传统介质基板合成器耐功率低的缺点，以及 同轴、波导合成器体积笨重、不易于与前后级组件级联的缺点，实现了高功率容量与紧凑 体积之间的平衡。同时，解决了现有基于空气板线的t形结式合成器隔离度差的问题。本 发明在实现功率合成的同时，能够获得分口信号间正交相位关系，满足特定应用场景中对 信号相位的需求。本发明实施例实现了一种具有高功率容量、高隔离度、低插损、低幅度 /相位不平衡度、结构紧凑且易于集成的大功率合成器，适用于高功率有源功率合成组件 和大规模天线阵。
附图说明
[0019]
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步阐明。
[0020]
图1为为本发明实施例的设计原理图；
[0021]
图2为本发明四分之一波长阻抗变换器原理图；
[0022]
图3为本发明的基于空气板线的高隔离度大功率合成器三维示意图；
[0023]
图4为本发明合成器xoy平面视图；
[0024]
图5为本发明合成器yoz平面视图；
[0025]
图6为本发明实施例端口电压驻波比示意图；
[0026]
图7为本发明实施例端口隔离度示意图；
[0027]
图8为本发明实施例分口幅度关系示意图；
[0028]
图9为本发明实施例分口相位关系示意图。
具体实施方式
[0029]
结合图1-图9，本发明的基于空气板线的高隔离度大功率合成器，将空气板线技术应 用到90度电桥设计中，充分利用了空气板线本身的高功率传输特性来克服传统微带/带线 90度电桥耐功率低的缺点。为了解决空气板线所导致的电桥连接处“t形结”结电抗效应 过高的问题，本发明采用高阻抗分支线，能够改善端口驻波、大幅降低分口间的幅度/相 位不平衡度、提升隔离度。
[0030]
本发明基于空气板线技术，空气板线传输模式为tem模。得益于较厚的板线，空气板 线具有高功率容量特性。得益于金属腔体内部为空气填充，空气板线具有极小的介质损耗。 通过在金属腔体内表面和板线表面镀银，可以进一步降低导体损耗。因此，空气板线具有 极低的传输损耗，适用于大功率射频器件。空气板线为封闭形式，具有良好的电磁屏蔽
特 性。
[0031]
本发明将空气板线技术应用到90度电桥设计中。图1所示为本发明设计原理图，其中 端口1为合口，端口2和端口3为分口，端口4为隔离口。空气板线各个枝节的阻抗和电长度 已经标注在图1。该设计的散射矩阵[s]：
[0032][0033]
在特定的阻抗和波长下，空气板线相比微带/带线具有较小的长宽比，因此，其“t形 结”的结电抗效应更高。为了解决该问题，本发明采用高阻抗分支线高阻抗分支线(zi＝85ω， )替代传统的低阻抗线(zi＝50ω，)，分支线的电长度均为四 分之一波长。结果表明，这种设计方案能够改善端口驻波、大幅降低分口间的幅度/相位 不平衡度、提升隔离度。
[0034]
本发明采用四分之一波长阻抗变换器将高阻抗分支线匹配到50ω标准阻抗线。图2为阻 抗匹配原理，匹配段的特征阻抗在设计频率f0处，四分之一波长匹配段 长度计算公式：
[0035][0036]
计算可得匹配段长度l。
[0037]
由于空气板线传输模式为tem模，因此可以根据公式确定在设计频率f0，vswr≤1.1 时，四分之一波长阻抗变换器的相对带宽，计算公式为：
[0038]
其中计算可得该阻抗变换器的相对带宽为40％，能够在s波段保持较好的性能。
[0039]
本发明具有高功率容量特性。通过电磁仿真得出，当端口1的激励功率为1w时，合成 器内部最大场强为6kv/m。由于空气的击穿场强为3mv/m，因此，该设计的最大可耐受功 率可以通过公式计算：
[0040][0041]
计算可得最大可耐受功率为p
br
＝250kw，能够为50kw级应用提供足够的功率余量。
[0042]
本发明基于空气板线的高隔离度大功率合成器，包括金属板线1、聚四氟乙烯支撑件 2、金属壳体3、金属盖板4、金属螺钉5，参考图3,基于空气板线的高隔离度大功率合成器 三维示意图。
[0043]
金属壳体3和金属盖板4通过金属螺钉5紧密拧合，形成金属腔体。金属腔体在为金属 板线1提供射频地的同时，实现良好的电磁屏蔽效果。
[0044]
聚四氟乙烯支撑件2由下支撑件和上支撑件组成，下支撑件插入金属板线1的穿
孔，与 上支撑件嵌套，能够为金属板线1提供很好的固定和支撑作用。聚四氟乙烯材料的击穿场 强为60mv/m，远大于空气击穿场强，能够满足耐功率要求。
[0045]
金属壳体3和金属盖板4内壁均设有定位孔，聚四氟乙烯支撑件2的下支撑件和上支 撑件可以嵌入定位孔内，从而防止金属板线1横向、纵向滑动。
[0046]
在以上基础上，以某一具体实施例来详细说明本技术的技术方案：
[0047]
金属板线2为对称结构，金属板线2和金属屏蔽腔体的内壁间距保持均匀，水平距离为 6mm，垂直距离为5mm。为了降低导体损耗，金属板线2外表面、金属壳体3和金属盖板4 内表面镀银。
[0048]
聚四氟乙烯支撑件3由下支撑件为两个圆柱叠加的形状，其中，位于上方的圆柱直径 小于下方的圆柱，上支撑件的直径与下支撑件下方的圆柱直径相同，且内部设有与上方的 圆柱直径相适应的孔。当聚四氟乙烯支撑件3从金属板线1的支撑件插入孔中伸出与上支撑 件组装后即可实现金属板线1的固定，支撑件插入孔的直径为3
±
0.2mm，本实施例中为直径 为3mm。
[0049]
图4给出了本发明实施例xoy平面视图,图5给出了本发明实施例yoz平面视图，详细标 注了本发明实施例的主要参数。参数数值在初始值基础上，经过仿真优化为：w0＝12mm， w1＝7.6mm，w2＝9.8mm，w3＝4.2mm，w4＝5mm，w5＝6mm；d0＝3mm，d1＝5mm；l0＝15mm， l1＝28.6mm，l2＝33.6mm，l3＝31.5mm；h1＝2mm，h2＝12mm。其中，w0为端口处第一部分金 属板线线宽，w1为端口2内侧第二部分金属板线线宽，w2为分支线线宽，w3为中间部分线 宽，w4为金属壳体厚度；d0为支撑件插入孔直径，d1为定位孔直径，l0为端口处第一部分 线长，l1端口内侧第二部分线长，l2为端口3和4处空气板线中心线距离，l3为中间部分线长， h1为线厚度，h2为金属屏蔽腔体内壁上下表面间距。
[0050]
图6为本发明实施例端口电压驻波比；图7为本发明实施例端口隔离度；图8为本发明 实施例分口幅度关系；图9为本发明实施例分口相位关系。相关指标归纳为：
[0051]
◆
vswr(驻波比)≤1.18；
[0052]
◆
端口隔离度≤-21.5db；
[0053]
◆
幅度不平衡度：
±
0.18db；
[0054]
◆
相位不平衡度：
±
0.4
°
；
[0055]
◆
功率容量：50kw。
[0056]
本发明具有如下有益效果：在s波段的所需工作频段实现了良好的端口驻波、高隔离 度、低损耗、低幅/相不平衡度、高功率容量等关键指标。本技术的基于空气板线的高隔 离度大功率合成器，相比现有的同类型t形结式空气板线合成器，具有高隔离度的电讯优 势；相比现有的其他同轴、波导形式的合成器，具有平面易集成的结构优势。
[0057]
本技术解决了合成器体积和功率容量相互制约的问题，实现了高功率容量与紧凑体积 之间的平衡。解决了现有t形结式空气板线合成器隔离度差的问题。本发明在实现百千瓦 级耐功率的同时，仍具有紧凑的尺寸和平面易于集成的结构优势。所提出的合成器的端口 间互易且对称，便于单元之间的相互级联，适用于大规模功率合成网络设计。
[0058]
本发明提出的基于空气板线的高隔离度大功率合成器在实现功率合成的同时，可以获 得分口信号间相位正交关系，能够满足特定应用场景下对信号相位的需求。
[0059]
本发明各部件之间相互嵌套，具有很强的结构鲁棒性；组成材料是金属和聚四氟
乙烯， 两者都能够耐受高温低寒，具有极强的环境适应性；器件整体由金属外壳和盖板包裹，具 有良好的抗辐射抗干扰能力和电磁屏蔽特性。
[0060]
本发明空气板线的传输模式为tem模，便于与微带、带线、同轴、波导等传输线进行 模式转换。
[0061]
加工、组装工艺成熟可靠，可维修性强，适用于大规模生产、装备。
[0062]
在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发 明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明 不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案 范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动 和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发 明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术 方案保护的范围内。