CN202172113U - C频段大跨度多通道输出多工器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了C频段大跨度多通道输出多工器，包括通道滤波器(1)、分歧矩形波导(2)、短路面(3)、紧固螺钉(6)、补偿ET节调谐螺钉(7)、相位膜片(8)。通道滤波器(1)通过相位膜片(8)与分歧矩形波导(2)的波导端口相连。补偿ET节调谐螺钉(7)安装于分歧矩形波导(2)的波导端口对面的中心位置。多个分歧矩形波导(2)相互连接形成一段，且在分歧波导(2)相连后的一个端口上安装有短路面(3)，未安装短路面(3)的端口为输出端口。本实用新型具有大功率、高Q值、工作范围宽等特点，可以满足现阶段日益增加的通信系统应用要求。

Description

C频段大跨度多通道输出多工器

技术领域

本实用新型涉及C频段大跨度多通道输出多工器，属于微波滤波器领域。

背景技术

在通信卫星转发器系统中，输出多工器是有效载荷的关键部件，位于高功率放大器之后，对经过高功率放大器放大后的多通道信号重新合并在一起，除去谐波和杂波后，再送往天线馈源系统并下行发射。输出多工器的功能一方面要保证合成每个信道的信号功率尽可能传输，另一方面要对其它通道的信号具有很高的抑制。随着通信卫星通信容量的不断增大，对输出多工器的工作频率范围、路数、承受功率的要求也越来越高。

C频段大跨度多通道输出多工器由单通道带通滤波器和分歧矩形波导组成，单通道带通滤波器采用殷钢薄壁圆腔双模滤波器，目前国际和国内常用的用于输出多工器的通道滤波器形式有介质滤波器，殷钢薄壁圆腔双模滤波器等，但介质滤波器承载的功率小于殷钢薄壁圆腔双模滤波器。由于C频段的殷钢薄壁圆腔双模输出多工器具有全频段(3.4GHz～4.2GHz)的工作频率范围和能够承受高功率，所以广泛应用于通信系统中。

实用新型内容

本实用新型的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种C频段大跨度多通道输出多工器。本实用新型所述输出多工器具有大功率、高Q值、工作范围宽等特点，可以满足现阶段日益增加的通信系统应用要求。

本实用新型的技术解决方案是：

C频段大跨度多通道输出多工器，包括：通道滤波器、分歧矩形波导、短路面、紧固螺钉、补偿ET节调谐螺钉、相位膜片，

所述通道滤波器通过相位膜片与分歧矩形波导的波导端口相连，并利用紧固螺钉固定，在每个分歧矩形波导上可以连接1至6个通道滤波器；

所述补偿ET节调谐螺钉安装于分歧矩形波导的波导端口对面的中心位置；

多个分歧矩形波导相互连接形成一段，且在分歧波导相连后的一个端口上安装有短路面，未安装短路面的端口为所述多工器的输出端口，其中，在两个分歧矩形波导相连的端口间以及分歧矩形波导与短路面相连的端口间安装有相位膜片。

超过10个通道滤波器分别连接于多个分歧矩形波导上。

所述分歧矩形波导上的波导端口可以位于分歧矩形波导的宽边或窄边上，且分歧矩形波导上的波导端口也可以位于分歧矩形波导的两侧或一侧。

所述通道滤波器包括输入谐振腔体、主波导连接的谐振腔体、中间膜片、输入接头、输入耦合环调节插针、调谐螺钉、紧固装置，

所述通道滤波器采用殷钢薄壁圆腔双模滤波器，为4阶滤波器，输入谐振腔体通过中间膜片与主波导连接的谐振腔体相连，并利用紧固装置连接在一起；

输入谐振腔体根据单膜工作带宽的需要选择圆柱圆腔或者阶梯圆柱圆腔；通道滤波器工作在模式TE111模，在输入谐振腔体和主波导连接的谐振腔体高度的中间和波导端口的宽边和窄边的同一方向的位置及这两个方向的角平分线位置安装有调谐螺钉；中间膜片和主波导连接的谐振腔体上圆腔与波导交接的交界处均为膜片结构，中心位置有长方形耦合孔，耦合孔的方向与波导相同；输入接头安装于输入谐振腔体的顶部，输入耦合环调节插针安装于输入谐振腔体的侧壁，输入接头和输入耦合环调节插针配合形成输入耦合环，耦合环所在平面与通道滤波器的波导宽边所在的方向垂直。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

(1)本实用新型通道滤波器采用殷钢薄壁圆腔双模滤波器，不同于常用的圆腔滤波器，谐振腔体根据单膜工作带宽的需要采用了阶梯圆柱圆腔代替常用的圆柱圆腔，在保证了谐振器Q值稍有提升和腔体易于加工生产的情况下，有效的拓展了多工器的工作带宽。

(2)通道数目的增加，将使多工器的电气仿真难度急剧增加，例如19路输出多工器的优化变量至少达到209个，其仿真和优化的难度非常高。而且在通道数目大，频带跨度大的情况下，要保证多工器仿真的精度就需要保证多工器的分歧矩形波导内各个通道的驻波匹配良好，普通的波导ET结很难满足频率大跨度下驻波的优良匹配，无法完成大跨度多通道输出多工器的设计，补偿式ET结是在普通的波导ET结中加入了补偿ET节调谐螺钉，通过调谐补偿ET节调谐螺钉可以有效的改善通道驻波，本实用新型首次采用补偿式ET结进行计算，解决了该技术难题。

(3)在C频段输出多工器上全新的设计了输入耦合，同轴接口设计采用了环耦合方式(以前采用探针耦合方式)，使在满足大功率设计的同时，改善了接头散热效率。

附图说明

图1是一个典型的四阶广义切比雪夫带两个传输零点的S参数幅度曲线；

图2是一个典型的C频段大跨度多通道输出多工器的传输特性仿真曲线。

图3是本实用新型C频段大跨度多通道输出多工器的整体结构示意图；

图4是本实用新型C频段大跨度多通道输出多工器通道滤波器的爆炸结构示意图；

图5是本实用新型通道滤波器仿真结构示意图；

图6是本实用新型通道滤波器的腔体正面示意图；

图7是本实用新型通道滤波器输出耦合孔计算模型；

图8是本实用新型通道滤波器输入/输出耦合群时延计算结果；

图9是本实用新型通道滤波器腔间耦合计算模型。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行进一步的详细描述。

设计高功率输出多工器，首先根据设计的中心频率和带宽选取合适的谐振模式，C频段输出多工器采用了TE111模，采用的通道滤波器为带一对传输零点的四阶广义切比雪夫滤波器，其耦合矩阵的综合与典型的广义切比雪夫滤波器相同，现有自编程序或商用软件可以得出指标要求的通道滤波器的耦合矩阵。

如图1为耦合矩阵求出的滤波器传输特性曲线。采用自编程序或商用软件以多路通道滤波器耦合矩阵和矩形波导传输特性为基础，进行优化设计，在整个通道内达到较好的匹配特性，如图2为优化得到的19路多工器传输特性曲线。

如图3、图4、图5所示，本实用新型提供了一种C频段大跨度多通道输出多工器，包括通道滤波器1、分歧矩形波导2、短路面3、底板4、支架5、紧固螺钉6、补偿ET节调谐螺钉7和相位膜片8。

所述通道滤波器1采用殷钢薄壁圆腔双模滤波器，为4阶滤波器，由输入谐振腔体11、主波导连接的谐振腔体12、中间膜片13、输入接头14、输入耦合环调节插针15、调谐螺钉16、紧固装置17、圆腔支架18组成。根据单模工作带宽的需要选择谐振腔体的形式，谐振腔体包括输入谐振腔体11和主波导连接的谐振腔体12，形式可以为一般的圆柱腔体或阶梯圆柱腔体，并根据谐振频率的要求选择腔体的直径与长度。一般的为了加工的方便和便于备份，同一台多工器上不同通道的通道滤波器1的谐振腔体尽可能的采用相同直径的谐振器，通过改变腔体的长度来调整滤波器谐振腔的谐振频率。

全频段的C频段输出多工器工作频率在3.4GHz～4.2GHz，谐振腔体的工作模式为两个互为兼并模的TE111模式，且在这个频段内要保证其它模式不能工作在这个频段内，和TE111模式相距最近的模式是TM010模式和TM011模式，其中TE111模和TM011模的谐振频率与腔长直径相关，而TM010模式的谐振频率仅与直径相关。对于一般的圆柱圆腔通过改变腔体的直径和腔体长度可以保证高于3.6GHz的通道单模工作带宽满足3.4GHz～4.2GHz，而对于低于3.6GHz的通道需要使用阶梯圆柱圆腔保证单模工作带宽满足3.4GHz～4.2GHz。在选择腔体直径时一般选择直径从60mm～78mm之间，一般的使TM010模式谐振频率低于TE111模式，使TM011模式谐振频率高于TE111模式。选择恰当的直径后再要求的谐振频率计算出腔体的长度。

如图5，调谐螺钉16的安装位置一般选择在位于谐振腔体高度的中间，和通道滤波器的波导口的宽边和窄边的同一方向的位置及这两个方向的角平分线位置。调谐螺钉16用于调节滤波器的频率和耦合。根据用户的要求可以把输入谐振腔体11的信号输入的方式，设计为同轴输入或波导输入，本实用新型给出的是同轴输入口，即采用接头的形式进行信号输入。输入接头14和输入耦合环调节插针15分别安装于输入谐振腔体(11)的顶部和侧壁，输入接头14与输入耦合环调节插针15配合形成输入耦合环，该耦合环所在平面与波导宽边方向垂直。一般的输入接头的形式为探针直接耦合，是电场耦合，探针悬空在腔体内部，在高功率的情况下，热量很难导出，由于热量集中，所以很容易烧毁接头，这就在一定程度上限制了多工器的功率容量。本实用新型采用的耦合环形式，是磁场耦合，接头伸入腔体后在连接到腔体侧壁上，不存在悬空状态，热量容易导出，满足了大功率设计的同时，改善了接头散热效率。

中间膜片13和主波导连接的谐振腔体12的上圆腔与波导交接的交界处均设计为膜片结构，中心位置均设计有长方形耦合孔，耦合孔的方向与波导相同。长方形耦合孔的设计有利于增加耦合孔的最小间隙，有利于增加微放电余量。

短路面3通过相位膜片8安装在分歧矩形波导2的一端并利用紧固螺钉6连接在一起，多段分歧矩形波导2通过相位膜片8由紧固螺钉6相互连接，另一端为多工器的输出端口。分歧矩形波导2的型号可以为标准的WR229波导，也可以为WR229减高波导，本例中使用的分歧矩形波导2为标准的WR229波导。在一段分歧矩形波导2上可以连接1至6个通道滤波器1，本例中使用的分歧矩形波导2连接了4或5个通道滤波器1。设计时，对分歧矩形波导2具体的分段需要根据通道间的相位决定，分歧矩形波导间的相位膜片8可以用来改变波导长度来调节波导内传播的电磁场的相位来保证多工器的整体性能，由于计算和加工精度的限制不建议连接6个以上的通道。

分歧矩形波导2上的波导端口可以位于宽边或窄边上，分歧矩形波导2上的波导端口可以位于分歧矩形波导2的两侧也可以位于分歧矩形波导2的一侧，分歧矩形波导2的端口间按照一定的相位距离排列，本例中分歧矩形波导2上的波导端口位于波导的宽边，更有利于多工器性能的实现，且波导端口位于分歧矩形波导2的两侧，可以有效的减小分歧矩形波导2的长度。

补偿式ET节调谐螺钉7安装于分歧矩形波导2的每个波导端口对面的中心位置处，它和相位膜片8共同起到调节通道滤波器1间相位的作用；本实用新型首次采用补偿式ET结完成了输出多工器电气仿真和优化，补偿式ET节有利于实现多工器在较宽频带内的匹配。补偿式ET结是在普通的波导ET结中加入了补偿ET节调谐螺钉，通过调谐补偿ET节调谐螺钉可以有效的改善通道驻波。

输出多工器涂覆有温控漆、导电胶、导热胶，并在内表面镀银。这样可以改善产品的散热特性，提高产品的防电磁泄漏特性，改善产品的电特性。其中通道滤波器1及分歧波导2使用的是殷钢材料，支架5使用了铝材料。

本实用新型的通道滤波器为带一对传输零点的四阶广义切比雪夫滤波器，其耦合矩阵的综合与典型的广义切比雪夫滤波器相同，现有自编程序可以得出满足指标要求的滤波器耦合矩阵。本实用新型滤波器，共有输入输出，主耦合，交叉耦合和四个自耦合共八个耦合量，都可以对应在6X6的耦合矩阵中找到相应耦合量。

本实用新型例子的多工器为19路输出多工器，包含了19个通道滤波器，19个补偿式ET节，根据需要设计了24个支架

C频段大跨度多通道输出多工器的仿真计算包括以下步骤：

1)如图6所示，商用仿真软件CST或者HFSS中利用特征模求解器，建立谐振腔模型，通过调整谐振腔直径和长度，使谐振腔谐振在所需频点，并具有良好的Q值和单模工作带宽。由于这里计算的为一个独立的谐振器，而实际上还需要开耦合窗，开耦合窗会降低谐振器的谐振频率，因此此处应该使谐振频率略高于所需频率。

2)为谐振腔体添加输入耦合环或输出耦合窗，利用群时延仿真法，对应耦合矩阵计算出的输入输出群时延，群时延与输入输出耦合量的关系为

其中M₀₁为输入或输出耦合，B_ω为带宽，τ(ω₀)为群时延；调整耦合窗大小，使仿真的群时延与耦合矩阵计算出的群时延相等。得出滤波器的输入耦合环或输出耦合窗口尺寸，如图7和图8。

3)腔间耦合窗的计算采用本征模求解方式。在仿真软件中建立两腔的模型，如图9，通过特征模求解器计算出两腔之间的耦合量。两腔之间的耦合量等于求解的模式之间的差值，该值应该等于耦合系数与设计带宽的乘积，即：Coup＝M_ij×B_ω，其中M_ij为对应耦合系数；B_ω为带宽，Coup为对应的实际耦合量。

4)上述步骤完成后，需要对通道滤波器进行整体仿真，通过步骤1)、步骤2)和步骤3)得到了初始的滤波器尺寸和窗口尺寸，可以反复调节各尺寸，通过比较S参数的优略来改变耦合窗口及频率螺钉的尺寸，最终达到优良的仿真结果。当然也可以采用其它方法进行整体仿真。

5)完成每个通道滤波器的仿真后，通过S参数级连可以得到整体多工器的性能特性，在对相位及滤波器参数进行微调，得到最终的多工器优良的仿真结果。

最终本实用新型的能够达到下列性能参数及指标，如表1所示：

表1

本实用新型未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.C频段大跨度多通道输出多工器，其特征在于包括：通道滤波器(1)、分歧矩形波导(2)、短路面(3)、紧固螺钉(6)、补偿ET节调谐螺钉(7)、相位膜片(8)，

所述通道滤波器(1)通过相位膜片(8)与分歧矩形波导(2)的波导端口相连，并利用紧固螺钉(6)固定，在每个分歧矩形波导(2)上可以连接1至6个通道滤波器(1)；

所述补偿ET节调谐螺钉(7)安装于分歧矩形波导(2)的波导端口对面的中心位置；

多个分歧矩形波导(2)相互连接形成一段，且在分歧波导(2)相连后的一个端口上安装有短路面(3)，未安装短路面(3)的端口为所述多工器的输出端口，其中，在两个分歧矩形波导(2)相连的端口间以及分歧矩形波导(2)与短路面(3)相连的端口间安装有相位膜片(8)。

2.根据权利要求1所述的C频段大跨度多通道输出多工器，其特征在于：超过10个通道滤波器(1)分别连接于多个分歧矩形波导(2)上。

3.根据权利要求1所述的C频段大跨度多通道输出多工器，其特征在于：所述分歧矩形波导(2)上的波导端口可以位于分歧矩形波导(2)的宽边或窄边上，且分歧矩形波导(2)上的波导端口也可以位于分歧矩形波导(2)的两侧或一侧。

4.根据权利要求1或2所述的C频段大跨度多通道输出多工器，其特征在于：所述通道滤波器(1)包括输入谐振腔体(11)、主波导连接的谐振腔体(12)、中间膜片(13)、输入接头(14)、输入耦合环调节插针(15)、调谐螺钉(16)、紧固装置(17)，

所述通道滤波器(1)采用殷钢薄壁圆腔双模滤波器，为4阶滤波器，输入谐振腔体(11)通过中间膜片(13)与主波导连接的谐振腔体(12)相连，并利用紧固装置(17)连接在一起；

输入谐振腔体(11)根据单膜工作带宽的需要选择圆柱圆腔或者阶梯圆柱圆腔；通道滤波器(1)工作在模式TE111模，在输入谐振腔体(11)和主波导连接的谐振腔体(12)高度的中间和波导端口的宽边和窄边的同一方向的位置及这两个方向的角平分线位置安装有调谐螺钉(16)；中间膜片(13)和主波导连接的谐振腔体(12)上圆腔与波导交接的交界处均为膜片结构，中心位置有长方形耦合孔，耦合孔的方向与波导相同；输入接头(14)安装于输入谐振腔体(11)的顶部，输入耦合环调节插针(15)安装于输入谐振腔体(11)的侧壁，输入接头(14)和输入耦合环调节插针(15)配合形成输入耦合环，耦合环所在平面与通道滤波器(1)的波导宽边所在的方向垂直。

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