《基於同軸波導的多路寬頻功率合成器》是廣州程星通信科技有限公司於2013年11月27日申請的專利，該專利的公布號為CN103633405A，授權公布日為2014年3月12日，發明人是賈鵬程、劉耿燁、李躍星。
《基於同軸波導的多路寬頻功率合成器》包括輸出端、多個輸入接頭以及將多個輸入接頭與輸出端連線的呈同軸阻抗階梯狀的第一內導體，第一內導體外設有第一外導體且第一外導體與第一內導體之間存在空隙，輸出端包括連線頭以及圓錐形的第二內導體，第二內導體外設有第二外導體且第二外導體與第二內導體之間存在空隙；第一內導體的階梯頂部與輸出端的第二內導體的錐底連線，第二內導體的錐頂與連線頭連線；第一外導體在靠近第一內導體的階梯底部處等間距地設定有多個通孔，輸入接頭穿過通孔後通過導電內芯固定在第一內導體上。該發明體積小、損耗小且工作頻寬較寬，可覆蓋多倍頻程，可廣泛套用於射頻領域中。
2021年11月，《基於同軸波導的多路寬頻功率合成器》獲得第八屆廣東專利獎優秀獎。
（概述圖為《基於同軸波導的多路寬頻功率合成器》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：基於同軸波導的多路寬頻功率合成器
- 申請人：廣州程星通信科技有限公司
- 申請日：2013年11月27日
- 申請號：2013106140186
- 公布號：CN103633405A
- 公布日：2014年3月12日
- 發明人：賈鵬程、劉耿燁、李躍星
- 地址：廣東省廣州市開發區科學城科學大道162號創意大廈B2區1302室
- 分類號：H01P5/12(2006.01)I
- 代理機構：廣州嘉權專利商標事務所有限公司
- 代理人：譚英強
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,權利要求,實施方式,操作內容,實施案例,榮譽表彰,
專利背景
功率合成器是一種能夠將多個單元的輸出功率有效疊加獲得更高輸出功率的器件，如果可以合成的路數越大，那么在合成端就可以得到更高的輸出功率。2013年前的功率合成器具有各種各樣的結構，適用於各種不同的場合，但是總的來說，傳統的基於平面的合成器在結構實現上都比較複雜，降低損耗和有效散熱問題都很難解決，因而合成效率和合成功率並不理想，而且沒有對於高頻端的寄生效應最佳化手段，具有損耗大、傳輸頻寬窄、功率承受能力低的缺點，不適合於大功率合成和高頻套用，而2013年前基於波導的矩形波導合成器雖然彌補了平面合成器的部分不足，具有較高的功率承受能力，但由於其頻寬窄，無法覆蓋多倍頻程。
因此，總的來說，2013年前的功率合成器技術所碰到的主要難題是如何同時解決損耗大、功率承受能力低以及無法覆蓋多倍頻程的缺點。
發明內容
專利目的
《基於同軸波導的多路寬頻功率合成器》的目的是提供一種損耗小、功率承受能力高且覆蓋多倍頻程的基於同軸波導的多路寬頻功率合成器。
技術方案
《基於同軸波導的多路寬頻功率合成器》包括輸出端、多個輸入接頭以及將多個輸入接頭與輸出端連線的呈同軸阻抗階梯狀的第一內導體，所述第一內導體外設有第一外導體且第一外導體與第一內導體之間存在空隙，所述輸出端包括連線頭以及圓錐形的第二內導體，所述第二內導體外設有第二外導體且第二外導體與第二內導體之間存在空隙；
所述第一內導體的階梯底部位於合成器的輸入端，所述第一內導體的階梯頂部與輸出端的第二內導體的錐底連線，所述第二內導體的錐頂與連線頭連線；所述第一外導體在靠近第一內導體的階梯底部處等間距地設定有多個通孔，且所述通孔的數量與輸入接頭的數量相等，所述輸入接頭穿過通孔後通過一導電內芯固定在第一內導體上。
進一步，所述呈同軸阻抗階梯狀的第一內導體是指第一內導體由多節同軸的圓柱形阻抗構成的階梯狀阻抗。進一步，所述由多節同軸的圓柱形阻抗構成的階梯狀阻抗是利用多節阻抗變換來展寬頻寬的。進一步，所述由多節同軸的圓柱形阻抗構成的階梯狀阻抗是符合Klopfenstein漸變線理論的。
進一步，所述第一內導體與第一外導體之間的空隙填充有絕緣介質。進一步，所述通孔內填充有絕緣介質。進一步，所述多個輸入接頭的數量為4個。
有益效果
《基於同軸波導的多路寬頻功率合成器》包括輸出端、多個輸入接頭及呈同軸阻抗階梯狀的第一內導體，第一內導體外設有第一外導體且第一外導體與第一內導體之間存在空隙，輸入接頭穿過第一外導體的通孔後固定在第一內導體上，輸出端包括連線頭、圓錐形的第二內導體以及第二外導體且第二外導體與第二內導體之間存在空隙，通過對呈同軸阻抗階梯狀的第一內導體進行阻抗匹配，可以使得合成器的長度最短化，實現合成器的小型化，而且通過有效的輸入輸出阻抗匹配最佳化，可以使得合成器工作在更高的微波頻段，即使得合成器的頻寬得到充分展寬，因此該功率合成器體積小、損耗小且工作頻寬較寬，可覆蓋多倍頻程。
同時，通過在輸入端的通孔內填充絕緣介質，並且通過控制該絕緣介質的長度和形狀來最佳化阻抗匹配，降低寄生效應，可以使合成器工作到更高的頻段。而且，通過在第一外導體與第一內導體之間的空隙填充絕緣介質，可以提高合成器的擊穿電壓，增加合成器的功率承受能力。
附圖說明
圖1是N路功率合成器的原理示意圖；
圖2是該發明的基於同軸波導的多路寬頻功率合成器的第一結構示意圖；
圖3是圖2所示的基於同軸波導的多路寬頻功率合成器的左視圖；
圖4是該發明的基於同軸波導的多路寬頻功率合成器的第二結構示意圖；
圖5是該發明的基於同軸波導的多路寬頻功率合成器的橫截面示意圖；
圖6是該發明的第一實施例中的圖5的A-A向局部剖視結構示意圖；
圖7是該發明的第二實施例中的圖5的A-A向局部剖視結構示意圖。
權利要求
1.《基於同軸波導的多路寬頻功率合成器》其特徵在於，包括輸出端、多個輸入接頭以及將多個輸入接頭與輸出端連線的呈同軸阻抗階梯狀的第一內導體，所述第一內導體外設有第一外導體且第一外導體與第一內導體之間存在空隙，所述輸出端包括連線頭以及圓錐形的第二內導體，所述第二內導體外設有第二外導體且第二外導體與第二內導體之間存在空隙；所述第一內導體的階梯底部位於合成器的輸入端，所述第一內導體的階梯頂部與輸出端的第二內導體的錐底連線，所述第二內導體的錐頂與連線頭連線；所述第一外導體在靠近第一內導體的階梯底部處等間距地設定有多個通孔，且所述通孔的數量與輸入接頭的數量相等，所述輸入接頭穿過通孔後通過一導電內芯固定在第一內導體上。
2.根據權利要求1所述的基於同軸波導的多路寬頻功率合成器，其特徵在於，所述呈同軸阻抗階梯狀的第一內導體是指第一內導體由多節同軸的圓柱形阻抗構成的階梯狀阻抗。
3.根據權利要求2所述的基於同軸波導的多路寬頻功率合成器，其特徵在於，所述由多節同軸的圓柱形阻抗構成的階梯狀阻抗是利用多節阻抗變換來展寬頻寬的。
4.根據權利要求3所述的基於同軸波導的多路寬頻功率合成器，其特徵在於，所述由多節同軸的圓柱形阻抗構成的階梯狀阻抗是符合Klopfenstein漸變線理論的。
5.根據權利要求1所述的基於同軸波導的多路寬頻功率合成器，其特徵在於，所述第一內導體與第一外導體之間的空隙填充有絕緣介質。
6.根據權利要求1所述的基於同軸波導的多路寬頻功率合成器，其特徵在於，所述通孔內填充有絕緣介質。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的基於同軸波導的多路寬頻功率合成器，其特徵在於，所述多個輸入接頭的數量為4個。
實施方式
操作內容
《基於同軸波導的多路寬頻功率合成器》包括輸出端、多個輸入接頭以及將多個輸入接頭與輸出端連線的呈同軸阻抗階梯狀的第一內導體，所述第一內導體外設有第一外導體且第一外導體與第一內導體之間存在空隙，所述輸出端包括連線頭以及圓錐形的第二內導體，所述第二內導體外設有第二外導體且第二外導體與第二內導體之間存在空隙；
所述第一內導體的階梯底部位於合成器的輸入端，所述第一內導體的階梯頂部與輸出端的第二內導體的錐底連線，所述第二內導體的錐頂與連線頭連線；所述第一外導體在靠近第一內導體的階梯底部處等間距地設定有多個通孔，且所述通孔的數量與輸入接頭的數量相等，所述輸入接頭穿過通孔後通過一導電內芯固定在第一內導體上。
進一步作為優選的實施方式，所述呈同軸阻抗階梯狀的第一內導體是指第一內導體由多節同軸的圓柱形阻抗構成的階梯狀阻抗。進一步作為優選的實施方式，所述由多節同軸的圓柱形阻抗構成的階梯狀阻抗是利用多節阻抗變換來展寬頻寬的。進一步作為優選的實施方式，所述由多節同軸的圓柱形阻抗構成的階梯狀阻抗是符合Klopfenstein漸變線理論的。
進一步作為優選的實施方式，所述第一內導體與第一外導體之間的空隙填充有絕緣介質。進一步作為優選的實施方式，所述通孔內填充有絕緣介質。進一步作為優選的實施方式，所述多個輸入接頭的數量為4個。
實施案例
實施例1
N路功率合成器的原理參照圖1所示，N路功率合成器有一個公共的輸出連線埠Pin，有N個輸入連線埠P1到PN，假設輸入連線埠的阻抗都一致為ZL，那么N路並聯後的阻抗為ZL/N，如果Zin和ZL到按照射頻阻抗的標準值50歐姆選取，Zin和ZL/N就有了N倍的差別，能量無法正常傳遞。
因為N路並聯後的阻抗為ZL/N，該實施例中的目的是將該阻抗通過阻抗變換，變大N倍，變為ZL，使得其與Zin一致都是50歐姆，從而實現能量的有效匹配傳輸。
參照圖2至圖6，一種基於同軸波導的多路寬頻功率合成器，包括輸出端1、多個輸入接頭2以及將多個輸入接頭與輸出端連線的呈同軸阻抗階梯狀的第一內導體3，第一內導體3外設有第一外導體4且第一外導體4與第一內導體3之間存在空隙5，輸出端1包括連線頭11以及圓錐形的第二內導體12，第二內導體12外設有第二外導體13且第二外導體13與第二內導體12之間存在空隙；第一內導體3的階梯底部位於合成器的輸入端，第一內導體3的階梯頂部與輸出端1的第二內導體12的錐底連線，第二內導體12的錐頂與連線頭11連線；第一外導體4在靠近第一內導體3的階梯底部處等間距地設定有多個通孔6，且通孔6的數量與輸入接頭2的數量相等，輸入接頭2穿過通孔6後通過一導電內芯7固定在第一內導體3上。
導電內芯7不僅具有將輸入接頭2固定在第一內導體3上的作用，其本身也是傳輸介質。該實施例中，輸入接頭2的內導體是一個圓柱形的簧片，導電內芯7可以插入該簧片中，實現與輸入接頭2的連線；第一內導體3上設有螺紋，導電內芯7通過該螺紋擰入並固定在第一內導體3上。
呈同軸阻抗階梯狀的第一內導體3是指第一內導體由多節同軸的圓柱形阻抗構成的階梯狀阻抗，它們是基於利用多節阻抗變換來展寬頻寬的理論的，其中Klopfenstein漸變線的設計方式具有最寬的頻寬和最優的阻抗匹配。基於Klopfenstein漸變線理論，可以使得合成器的長度最短化，實現合成器的小型化，而且使得合成器的頻寬得到充分展寬。相對於2013年前的平面合成方式來說，該合成器損耗更小，而相對於損耗較小的矩形波導合成方式來說，該合成器的工作頻寬更寬。
參見圖2、圖4及圖5所示，第一內導體3是由多節直徑逐漸變小的同軸的圓柱形阻抗匹配構成的階梯狀阻抗，第一內導體3的階梯底部是指圖2、圖4及圖5中第一內導體3的右邊部分，該部分較粗，而第一內導體3的階梯頂部是指圖2、圖4及圖5中第一內導體3的左邊部分，該部分比較細，第一內導體3越靠近合成器的輸出端就越細，越靠近輸入接頭就越粗。當然，合成器還具有封裝在第一外導體4以及第二外導體13等外部的外殼，以及必要的連線件等，這裡不一一贅述。
參照圖5中所示，在第一內導體3的末端即階梯底部處，為了保證末端電場不被短路，因此第一內導體3的末端距離合成器的外殼的底部有一段距離，以保證電場的存在。多個輸入接頭通過同軸接頭與第一內導體3連線，多個輸入接頭的內芯直接插入第一內導體3的末端中，第一內導體3的每節阻抗的長度和直徑是根據Klopfenstein漸變線理論經過仿真計算得出的，並沒有固定的數值，只要是符合Klopfenstein漸變線理論能夠實現該發明的阻抗匹配目的，且保證在頻寬範圍內可以有效抑制寄生效應即可。當該功率合成器套用在頻率要求高的場景時，可通過調整第一內導體3的阻抗節數與尺寸，以及最佳化第一外導體4上的通孔6與輸入接頭2內設的第二內導體12的尺寸來改善高頻端的匹配，使得合成器可以工作在較高的頻率段，即覆蓋較寬的工作頻寬，從而覆蓋多倍頻程。
參照圖2~圖6所示，該實施例中輸入接頭2的數量為4個，相應地，第一外導體4上的通孔數量也為4個，輸入接頭2均採用N型接頭，輸出端1的連線頭11採用N型連線埠。當然，輸入接頭2的數量也可以是8個、16個或者任意數量，此時，只要適當地改變第一內導體3的阻抗節數以及每節阻抗的長度和直徑即可。
實施例2
該實施例與實施例1基本類似，區別在於該實施例在通孔6內填充有絕緣介質，如圖7所示，即在導電內芯7的外部位於通孔6的部分填充有絕緣介質。實際中，在通孔6內填充絕緣介質時，也可以同時將導電內芯7的外部位於空隙5的位置處填充上絕緣介質。
填充絕緣介質後，通孔6的介電常數大於空氣的介電常數，可以提高合成器的擊穿電壓，增加合成器的功率承受能力，並進一步縮小合成器的長度。而且，通過控制填充的絕緣介質的長度和形狀來最佳化阻抗匹配，降低寄生效應，也改變了合成器在高頻端的匹配，使得合成器可以工作在更高的頻段，即覆蓋較寬的工作頻寬，從而覆蓋多倍頻程。一般來說，該合成器可以在6G以上的頻率中工作。
實施例3
該實施例與實施例1基本類似，區別在於該實施例在第一內導體3與第一外導體4之間的空隙5填充有絕緣介質，填充絕緣介質後，空隙5部分的介電常數大於空氣的介電常數，可以提高合成器的擊穿電壓，增加合成器的功率承受能力，並進一步縮小合成器的長度。而且因為在空隙5中填充了絕緣介質，也改變了合成器在高頻端的匹配，使得合成器可以工作在更高的頻率，即覆蓋較寬的工作頻寬，從而覆蓋多倍頻程。一般來說，該合成器可以在6G以上的頻率中工作。
實施例4
該實施例綜合了實施例2和實施例3，同時在通孔6和第一內導體3與第一外導體4之間的空隙5填充有絕緣介質，因而該實施例可以更好地提高合成器的擊穿電壓，增加合成器的功率承受能力，並進一步縮小合成器的長度，而且使得合成器可以工作在更高的頻率，即覆蓋較寬的工作頻寬，從而覆蓋多倍頻程。
榮譽表彰
2021年11月，《基於同軸波導的多路寬頻功率合成器》獲得第八屆廣東專利獎優秀獎。
