一种微波多路径向波导功率分配合成无源网络的制作方法

本发明涉及无源网络领域，尤其是涉及一种微波多路径向波导功率分配合成无源网络。

背景技术：

随着微波技术在雷达、通信等领域的迅速发展，对小体积、高效率的功率放大器的要求越来越高，小型化多路径向波导空间功率合成器作为微波通信系统的一个关键部件已经成为微波通信技术的一个重要研究方向。目前，在单个固态功放芯片输出功率有限的情况下，普遍采用功率合成技术提高发射机输出功率。各种形式的功率合成结构纷纷出现，近年来具有高效率、大功率的准光和空间功率合成技术逐渐成为了研究的热点。功率合成网络的体积和损耗直接决定着功率放大器体积和效率，因此小体积、低插入损耗合成网络设计是功率合成技术的核心。因此，研究小型化、宽频带、大功率容量的功率合成器对当前高功率领域的微波通信、电子对抗、航天测控设备至关重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种微波多路径向波导功率分配合成无源网络，实现网络路径损耗较低、功率容量较大、工作带宽较宽的目的。

本发明的技术方案是：

一种微波多路径向波导功率分配合成无源网络，包括两个端口部分，两个径向波导功率合成分配器侧面盖板，一个径向波导功率合成分配器主体结构，n个功放单元和两个支撑介质；两个端口部分的结构相同，两个径向波导功率合成分配器侧面盖板的结构相同；

径向波导功率合成分配器主体结构的中间部分为盘状，径向波导功率合成分配器主体结构的左右两侧对称各连接一个盘状的径向波导功率合成分配器侧面盖板，单个径向波导功率合成分配器侧面盖板的外侧中间位置连接一个端口部分；

径向波导功率合成分配器主体结构的左右侧面的中间位置设有多阶阻抗变换结构，多阶阻抗变换结构上设有圆锥形的圆锥过渡部，圆锥过渡部的顶端设有杆状的顶针；多阶阻抗变换结构、圆锥过渡部以及顶针的中心线均与径向波导功率合成分配器主体结构的中心线重合；

所述径向波导功率合成分配器主体结构的左右侧面上在环形凸台的外侧沿周向均设有n个斜劈隔板，斜劈隔板为楔形的板状，斜劈隔板包括尖部和与尖部位置相对的隔板底面，斜劈隔板的楔形的尖部朝向径向波导功率合成分配器主体结构的中心线，径向波导功率合成分配器主体结构的外侧周向侧面上设有n个相同形状的第一棱面，相邻的第一棱面之间为楞，朝向径向波导功率合成分配器主体结构外侧的隔板底面由两个相邻的第一棱面的延长平面所组成，即斜劈隔板的底面包括两个斜面，两个斜面分别与各自相邻的第一棱面平齐并一体连接；

径向波导功率合成分配器侧面盖板包括位于一侧的端口连接面和位于另一侧的分配器侧面，分配器侧面的中间位置设有向外侧凹陷的锥形凹陷部，锥形凹陷部与第一圆锥过渡部之间形状相适配，径向波导功率合成分配器侧面盖板的外侧周向设有n个与第一棱面形状和位置相同的第二棱面；锥形凹陷部的顶端在端口连接面上形成第一通孔，

在径向波导功率合成分配器主体结构的第一棱面和径向波导功率合成分配器侧面盖板的第二棱面所构成的平面上连接有功放单元；

端口连接面上连接有端口部分，端口部分朝向端口连接面的侧面上设有矩形波导槽。

功放单元的数量为n=24个。

第二棱面上设有第一安装孔，对应在功放单元上设有第二安装孔。

在分配器侧面上沿周向设有多个第三安装孔，各斜劈隔板上对应第三安装孔设有第四安装孔，第四安装孔的轴向与径向波导功率合成分配器主体结构的轴线平行。

顶针端部穿过第一通孔并穿设有支撑介质，支撑介质为中间位置设有上下通透的通孔的圆柱形；支撑介质位于矩形波导槽内。

相邻第一棱面的靠外一侧的夹角α大于180度。

支撑介质的材质为聚四氟乙烯，径向波导功率合成分配器侧面盖板、径向波导功率合成分配器主体结构、功放单元的材质为金属材料。

多阶阻抗变换结构为多个同轴设置的环形凸台，环形凸台的高度从外到内依次增加，圆锥形的圆锥过渡部设在最高处的环形凸台上。

径向波导功率合成分配器主体结构左侧的斜劈隔板的左侧面位于同一平面上，径向波导功率合成分配器主体结构右侧的斜劈隔板的右侧面位于同一平面上。

本发明是一种24路（不局限于24路，可多可少）微波径向波导功率分配合成无源网络，特别适用于微波通信、电子对抗、航天测控等领域。为达到发射机所需功率电平，根据应用需求，可通过多路径向功率分配器，将单路微波信号分成多路等幅同相微波小信号，其次，对每一路小信号经功放单元进行功率放大，然后在将经放大后的每路微波功率信号通过多路径向波导功率合成器进行空间功率合成，将经合成得到的大功率微波信号，输出到发射天线。

本发明在选材方面，除支撑介质采用聚四氟乙烯外，其它部件全部采用金属材料铝（但不限于铝材，也可以是铜等其他金属材料）加工而成。本发明采用单级多路径向波导功率分配合成方式，体积相对较小，重量轻、结构紧凑，对于功率放大器小型化有重要意义；采用多阶阻抗变换结构及模式过渡锥形结构，极大地扩展了合成器工作带宽；多路径向波导功率分配器或合成器的每两路相邻径向波导之间采用了斜劈隔板，增加了每两个支路之间的信号隔离，提高了功率合成的稳定性。合成器插入损耗小,驻波小，大大提高了功率放大器合成效率，降低了散热压力；探针采用聚四氟乙烯支撑介质，有效防止微小空间下探针触壁短路，提高了合成网络可靠性；专门对探针部分进行设计，有效提高了合成器功率容量；功放单元输入输出结构均为单探针波导微带转换结构，不需要焊接，可直接与径向功率分配器/合成器对接，这种结构不仅工作频带宽，而且功率损耗小。另外，采用分段加工，结构简单、安装方便，非常适合应用于小型化、宽频带、高功率合成应用领域。

本发明是针对某型号电子对抗系统宽频带高功率放大器需要进行的一项研究，目的在于设计一种多路微波径向波导功率合成网络，使多路微波小信号在进行多路功率分配及合成时，能够实现网络路径损耗较低、功率容量较大、工作带宽较宽等特性，同时又能够实现体积小、结构紧凑、安装方便等优点。这样，既减小了功率放大器整体体积、降低了功放整体散热压力，又极大地提高了设备的可靠性，同时又提高了功率放大器整机的效率，实现了宽带大功率微波信号输出要求。综上，本发明所涉及微波功率合成网络在未来微波高功率合成领域将有着很好的应用前景。

附图说明

图1为微波径向功率分配合成无源网络电路示意图；

图2为24路径向空间功率分配/合成器示意图；

图3为微波径向波导功率分配合成无源网络结构示意图（取出5个功放单元后）；

图4为径向波导功率合成分配器主体结构的结构示意图；

图5为径向波导功率合成分配器主体结构的另一角度的结构示意图；

图6为径向波导功率合成分配器侧面盖板的结构示意图；

图7为径向波导功率合成分配器侧面盖板的从右侧面看的结构示意图；

图8为端口部分的结构示意图；

图9为功放单元结构示意图；

图10为支撑介质结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，微波径向波导功率分配合成无源网络电路示意图。电路设计：从电路角度来讲，微波径向波导功率分配合成无源网络由输入波导、宽带波导同轴转换、径向波导空间功率分配器、功放单元波导微带转换结构（以下简称功放单元）、径向波导空间功率合成器、宽带波导同轴转换、输出波导组成。

其中：1、输入波导及输出波导为独立波导腔，可以承受较高的输入或输出功率电平；

2、宽带波导同轴转换，采用同轴线通过介质支撑将探针直接探入矩形波导槽内部，这种结构不仅功率容量高，结构简单，同时可实现较宽的工作带宽；

3、径向波导空间功率分配器采用多阶阻抗变换及模式转换结构，不仅可实现多路波导模式向同轴模式转换的功能，而且可以实现较宽的工作带宽；

4、功放单元输入输出结构均采用单探针波导微带转换结构，不需要焊接，可直接与径向功率分配器/合成器对接，这种结构不仅工作频带宽，而且功率损耗小。

如图2所示，径向波导空间功率分配器与径向波导空间功率合成器采用了相同的结构。该微波径向波导功率分配合成无源网络输入、输出端口均采用矩形波导（不限于矩形波导，也可以是同轴线或微带线），每路径向波导的端口采用了与输入波导及输出波导相同的矩形波导端口（可大于或小于输入波导及输出波导端口），所有径向波导沿圆周辐射状均匀分布。由于轴心对称结构具有良好的相位和幅度一致性，所以将24个（不局限于24个，可根据径向波导功率分配/合成器路数来定）功放单元均匀地分布在径向波导功率分配器及合成器圆周，每个功放单元的输入端及输出端分别对应着功率分配器及功率合成器的一个支路端口。

具体连接结构为：

如图3所示，本发明所涉及的微波多路径向功率合成无源网络，结构上包括五种共三十一个结构件：两个端口部分1，两个径向波导功率合成分配器侧面盖板2，一个径向波导功率合成分配器主体结构3，24个功放单元4，两个支撑介质5。两个端口部分2的结构相同，两个径向波导功率合成分配器侧面盖板2的结构相同；

如图4、5所示，径向波导功率合成分配器主体结构3的中间部分为盘状，径向波导功率合成分配器主体结构3的左右两侧对称各连接一个盘状的径向波导功率合成分配器侧面盖板2，单个径向波导功率合成分配器侧面盖板2的外侧中间位置连接一个端口部分1；

径向波导功率合成分配器主体结构3包括两个探针3-1（背面一个）、两个模式转换结构3-2（背面一个）、两个多阶阻抗变换3-3（背面一个）、二十四个斜劈隔板3-4、二十四个第四安装孔3-5、二十四个楞3-6。

径向波导功率合成分配器主体结构3的左右侧面的中间位置设有多阶阻抗变换结构3-3，多阶阻抗变换结构3-3为多个同轴设置的环形凸台，环形凸台的高度从外到内依次增加，最高处的环形凸台上设有圆锥形的圆锥过渡部3-2，圆锥过渡部3-2的顶端设有杆状的顶针3-1；环形凸台、圆锥过渡部3-2以及顶针3-1的中心线均与径向波导功率合成分配器主体结构3的中心线重合；

所述径向波导功率合成分配器主体结构3的左右侧面上在环形凸台的外侧沿周向均设有n个斜劈隔板3-4，斜劈隔板3-4为楔形的板状，斜劈隔板3-4包括尖部3-4-1和与尖部3-4-1位置相对的隔板底面3-4-2，楔形的尖部3-4-1朝向径向波导功率合成分配器主体结构3的中心线，径向波导功率合成分配器主体结构3的外侧周向侧面上设有n个相同形状的第一棱面3-7，相邻第一棱面3-7的靠外一侧的夹角α大于180度，相邻的第一棱面3-7之间为楞3-6，朝向径向波导功率合成分配器主体结构3外侧的隔板底面3-4-2由两个相邻的第一棱面3-7的延长平面所组成，即斜劈隔板3-4-2的底面包括两个斜面3-8，两个斜面3-8分别与各自相邻的第一棱面3-7平齐并一体连接。

同一侧的斜劈隔板3-4的侧面均位于同一平面上，左侧的斜劈隔板3-4的左侧面位于同一平面上，右侧的斜劈隔板3-4的右侧面位于同一平面上。

如图6、7所示，两个功率合成分配器2结构完全相同，其结构包括位于左侧的端口连接面2-7、部分法兰面2-1、锥形凹陷部2-2、两个法兰安装孔2-3、四十八个第三安装孔2-4、二十四个第一安装孔2-5、二十四个楞2-6。

径向波导功率合成分配器侧面盖板2包括位于左侧的端口连接面2-7和位于右侧的分配器侧面2-8，分配器侧面2-8的中间位置设有向外侧凹陷的锥形凹陷部2-2，锥形凹陷部2-2与圆锥过渡部2-2之间形状相适配，径向波导功率合成分配器侧面盖板2的外侧周向设有n个与第一棱面3-7形状和位置相同的第二棱面2-9；锥形凹陷部2-2的顶端在端口连接面2-7上形成第一通孔2-10。径向波导功率合成分配器侧面盖板2的形状为盘状。

在径向波导功率合成分配器主体结构3的第一棱面3-7和径向波导功率合成分配器侧面盖板2的第二棱面2-9所构成的平面上连接有功放单元4；

如图8所示，两个端口部分1完全相同，端口部分1包括部分法兰面1-1、两个法兰安装孔1-2、五个安装孔1-3、矩形波导槽1-4，

端口连接面2-7上连接有端口部分1，端口部分1朝向端口连接面2-7的侧面上设有矩形波导槽1-4。

如图9所示，功放单元4的数量为24个。二十四个功放单元4完全相同，功放单元4包括四个第一安装孔4-1、微带电路4-2。

第二棱面2-9上设有第一安装孔2-5，对应在功放单元4上设有第二安装孔4-1。

在分配器侧面2-7上沿周向设有多个第三安装孔2-4，各斜劈隔板3-4上对应第三安装孔2-4设有第四安装孔3-5，第四安装孔3-5的轴向与径向波导功率合成分配器主体结构3的轴线平行。

顶针3-1端部穿过第一通孔2-10并穿设有支撑介质5，如图10所示，两个支撑介质5完全相同，都为中空柱形结构。支撑介质5的中间位置设有上下通透的通孔的圆柱形；支撑介质5位于矩形波导槽1-4内。

安装过程为：

第一步，用螺钉通过五个安装孔3-1，将两个端口部分1分别装在两个功率合成分配器2上，装好后，1的部分法兰面1-1与2的部分法兰面2-1在同一平面上，组成波导法兰面及输入波导6和输出波导7；

第二步，将两个支撑介质5装在两个径向波导功率合成分配器主体结构3的两个探针3-1顶端，探针直接插入支撑介质5中空部分，保证支撑介质卡在探针3-1顶端槽中；

第三步，将两个由端口部分1与功率合成分配器2已经装好的结构件，一面一个扣在径向波导功率合成分配器主体结构3上，保证结构3-1、3-2插入功率合成分配器2的2-2中，同时保证二十四个安装孔2-5与二十四个安装孔3-5对齐，通过二十四个安装孔用螺钉将两个功率合成分配器2与径向波导功率合成分配器主体结构3紧固，安装后，每个楞2-6与楞3-6应在一条直线上，装好后，形成沿圆周分布的二十四对径向波导8，同时在探针3-1处形成波导未带探针转换结构，分布于内部；

第四步，将二十四个功放单元4沿径向波导功率分配/合成器部分3的圆周进行安装，每两个楞3-6之间安装一个功放单元4，每个功放单元4有四个安装孔4-1，安装时，每端两个安装孔4-1，与径向波导功率合成分配器侧面盖板2每两个楞2-6之间的安装孔对齐安装，径向波导功率合成分配器主体结构3的轴向尺寸l可根据功放单元尺寸长度来定。如图3所示(图中为显示内部结构，拿掉了5个功放单元4)，最终装配好的微波多路径向功率合成无源网络结构。

该技术实现方式：经过前期的论证、大量的理论计算与电磁场仿真，目前该微波径向波导功率分配合成无源网络已加工、组装、调试完毕，经过测试，指标完全满足应用要求，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。

本发明所设计的功率分配器具有如下优点：

本发明在选材方面，除支撑介质采用聚四氟乙烯外，其它部件全部采用金属材料铝（但不限于铝材，也可以是铜等其他金属材料）加工而成。本发明采用单级多路径向波导功率分配合成方式，体积相对较小，重量轻、结构紧凑，对于功率放大器小型化有重要意义；采用多阶阻抗变换结构及模式过渡锥形结构（圆锥过渡部3-2），极大地扩展了合成器工作带宽；径向波导功率合成分配器主体结构3的每两路相邻径向波导之间采用了斜劈隔板3-4，增加了每两个支路之间的信号隔离，提高了功率合成的稳定性。合成器插入损耗小,驻波小，大大提高了功率放大器合成效率，降低了散热压力；探针采用聚四氟乙烯支撑介质5，有效防止微小空间下探针触壁短路，提高了合成网络可靠性；专门对探针3-1部分进行设计，有效提高了合成器功率容量；功放单元4输入输出结构均为单探针波导微带转换结构，不需要焊接，可直接与径向功率分配器/合成器对接，这种结构不仅工作频带宽，而且功率损耗小。另外，采用分段加工，结构简单、安装方便，非常适合应用于小型化、宽频带、高功率合成应用领域。