充当高阶谐波滤波器的RF功率合成器

摘要

充当高阶谐波滤波器的RF功率合成器包括：至少一对共轴布置的盘状金属导体，所述导体中的至少一个具有中心轴线开口以容纳波导。所述盘状金属导体的面向表面相对于盘状金属导体的对称平面对称地成型，以形成多个连续的径向连通同心空腔，所述同心空腔具有等腰梯形，等腰梯形在截面中具有不同的基底。每个梯形的较小基底布置成更靠近中心轴线。同心空腔的数量是(2k+1)，其中，k是被过滤的信号谐波的数量。多个空腔的所有同心空腔具有相同的径向长度和在梯形基底处的不同角度，所述角度取决于径向传输线的由每个同心空腔形成的区段的波阻抗。RF功率合成器多个喇叭天线，其均匀地布置在所述盘状金属导体的周界周围。每个喇叭天线的外侧适于连接RF模块，所述RF模块是RF信号源。

说明书

技术领域

本发明涉及高阶谐波滤波器设计，具体地，涉及充当高阶谐波滤波器的RF功率合成器。

背景技术

需要高阶谐波滤波器来产生F类功率放大器。这些滤波器既需要通过反射由奇次谐波携带的功率来增加放大器的效率，又需要合成来自若干放大器(RF模块)的功率，并输送其负载。对于设计紧凑的高效RF发生器/放大器，对这种装置的需求尤其高。

当前，存在若干与该问题相关的专利：US4562409、US4926145、US6242984B1、US4238747等。所有提及的专利描述了解决并联电源与抑制非期望的高阶模式联合的问题，非期望的高阶模式以高于操作频率的频率传播。在所有的专利中均使用径向传输线和输出共轴线，多个RF模块连接到径向传输线。

US4238747公开了一种波型滤波器设备，利用位于滤波器谐振腔底部上的多个径向谐振槽来防止多模结构中的非期望模式。滤波器谐振腔的顶部包括可变高度的中心区段，以与谐振槽协作来提供模式选择。柱形滤波器谐振腔具有位于底板中的径向谐振槽图案和位于设备顶板中的可变高度中心部。可通过改变顶板的中心部的高度以及通过改变径向槽的长度、宽度和深度来控制波型滤波器设备的模式选择。还可通过用吸收材料填充径向槽至各深度来改变模式选择。

US4926145公开了径向功率合成器/分配器，其中，在径向传输线中对应于非期望高阶模式(包括m＝1和m＝2模式)的能量被有效地吸收。在所述径向功率合成器/分配器中，提供径向槽用于抑制非期望的模式，不能由径向槽恰当抑制的某些非期望的模式被允许在中心共轴传输线中传播，并在其中由外导体中的纵向槽抑制。在替代实施例中，合成器/分配器的中心传输线处于圆形波导的形式，抑制器件包括具有耗散材料的薄的间隔开的共轴柱体。

US4562409公开了谐振腔耦合式功率分配器/功率合成器，其可以小的插入损失在宽带宽上分配或合成微波电功率。谐振腔耦合式功率分配器/功率合成器包括以柱形TO,n,O模式共振的第一谐振腔以及布置在第一谐振腔周界上的多个第二谐振腔，多个第二谐振腔沿径向相对于第一谐振腔对称地延伸。第二谐振腔均具有相同形状和大小，使得在第一谐振腔和每个第二谐振腔之间确立磁场耦合，以在微波放大器中分配或合成微波功率。

在谐振腔中，利用径向线的导体中的径向缝和输出共轴线的外导体中的纵向缝抑制高次谐波，所有缝由吸收耗散材料填充。这些专利解决了功率合成和信号过滤的问题。在提及的专利中，高次谐波的功率在合成器壁或介质材料中耗散，但是不会像本发明公开所要求的那样被反射回RF模块。

US6242984涉及固态功率放大器(SSPA)模块，其将信号分为多个部分，使用分布式放大器放大所述部分，并将放大部分再次合成为信号输出。

根据本发明的SSPA模块包括信号输入和径向分裂器，径向分裂器连接到信号输入，包括多个径向延伸的分裂器波导。SSPA模块还包括信号输出和径向合成器，径向合成器连接到信号输出，包括多个径向延伸的合成器波导。分裂器和合成器之间的连接由多个竖直延伸的波导提供。SSPA模块还包括连接到合成器波导的多个处理电路，例如MMIC放大器。波导-微带过渡部还可用于将在波导中传播的信号连接到与处理电路连接的微带线，并从微带线连接波导中传播的信号。通常，过渡部包括波导区段，其具有顶部传导层，顶部传导层限定出第一缝和第二缝，第一缝和第二缝限制出抵接微带区段的过渡区域，以形成波导-微带过渡部。

如US6242984B1中，在专利US4562409中，来自每个RF模块的信号首先基于矩形波导被注入到谐振腔，矩形波导经由磁场耦合到具有共轴输出的径向线段。该设计包含有两个串联的共振器，这可用于三次谐波的反射。

发明内容

因此，滤波器既需要通过反射由奇次谐波携带的功率来增加放大器的效率，同时又需要合成来自若干放大器(RF模块)的功率，并输送其负载。

本发明之目的是提供一种径向RF滤波器，其解决了通过反射由奇次谐波携带的功率来增加放大器的效率，同时又合成来自若干放大器(RF模块)的功率，并输送其负载的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种充当高阶谐波滤波器的RF功率合成器，包括：

至少一对共轴布置的盘状金属导体，所述导体中的至少一个具有中心轴线开口以容纳波导，其中，盘状金属导体的面向表面相对于盘状金属导体的对称平面对称地成型，以形成多个连续的径向连通同心空腔，所述同心空腔具有等腰梯形，等腰梯形在截面中具有不同基底，每个梯形的较小基底布置成更靠近中心轴线，其中，

同心空腔的数量是(2k+1)，其中，k是正过滤的信号谐波的数量；

多个空腔的所有同心空腔具有相同的径向长度；

多个空腔的所有同心空腔在梯形基底处具有不同角度，所述角度取决于径向传输线的由每个同心空腔形成的区段的波阻抗；

多个喇叭天线，均匀地布置在盘状金属导体的周界周围，并连接到盘状金属导体，所述多个喇叭天线中的每个喇叭天线的空腔的径向长度等于同心空腔的径向长度，每个喇叭天线的外侧适于连接RF模块，RF模块是RF信号源，并具有条线形式的输出；

盘状金属导体中的同心空腔和喇叭天线的空腔形成径向非耗散传输线的区段，电磁T波在所述区段中传播，每个所述区段的阻抗幅度在平行于中心轴线的柱形部分中具有线阻抗的恒定值，对于分析的谐波，线阻抗的恒定值由RF模块的复输出阻抗的值确定。

根据本发明的另一个方面，提供了一种充当高阶谐波滤波器的RF功率合成器，包括：

至少一对共轴布置的盘状金属导体，所述导体中的至少一个具有中心轴线开口以容纳波导，其中，所述盘状金属导体的面向表面相对于盘状金属导体的对称平面对称地成型，以形成多个连续的径向连通同心空腔，所述同心空腔具有等腰梯形，等腰梯形在截面中具有不同的基底，每个梯形的较小基底布置成更靠近中心轴线，其中，

同心空腔的数量是(2k+1)，其中，k是被过滤的信号谐波的数量；

多个空腔的所有同心空腔具有相同的径向长度；

多个空腔的所有同心空腔在梯形基底处具有不同角度，所述角度取决于径向传输线的由每个同心空腔形成的区段的波阻抗；

多个喇叭天线，与所述盘状金属导体一体地制成，并均匀地布置在所述盘状金属导体的周界周围，所述多个喇叭天线中的每个喇叭天线的空腔的径向长度等于同心空腔的径向长度，每个喇叭天线的外侧适于连接RF模块，所述RF模块是RF信号源，并具有条线形式的输出；

所述盘状金属导体中的同心空腔和所述喇叭天线的空腔形成径向非耗散传输线的各区段，电磁T波在所述区段中传播，每个所述区段的阻抗幅度在平行于中心轴线的柱形部分中具有线阻抗的恒定值，对于被分析的谐波，线阻抗的恒定值由RF模块的复输出阻抗的值确定。

优选地，多个空腔中的同心空腔的数量是等于至少三的奇数。

优选地，盘状金属导体由铜制成。

优选地，喇叭天线的数量由所连接的RF模块的数量确定，所述RF模块均具有输出功率，所述RF模块的总输出功率是所述功率合成器的输出功率。

优选地，第二盘状金属导体包括用于连接波导的末端的单元。

优选地，当连接以共轴波导形式制成的波导的末端时，外导体连接到盘之一，内导体连接到另一盘。

优选地，当将波导连接到所述功率合成器时，金属导体两者均连接到共轴波导的外导体。

优选地，RF功率合成器包括中空柱体形式的壳体，用于容纳所述盘状金属导体，所述壳体与所述导体共轴地布置，并具有位于柱形侧壁中的多个窗口以将RF模块连接到喇叭天线以及位于至少一个端面中的中心开口以使共轴波导通过，所述壁的数量等于喇叭天线的数量。

优选地，RF功率合成器包括两对或更多对共轴布置的盘状金属导体。

获得的优点或对所要求方案的贡献是非谐振功率合成器和基于径向传输线的阶梯线滤波器的统一。所提出的发明的主要优点如下：

a)基于本发明的多个装置可易于结合到单个功率合成器设计；

b)奇次谐波反射回RF模块，以实现固态微波放大器的高效操作；

c)不具有共振空腔的径向滤波器的传导壁的几何形状产生低的有用功率耗散。

附图说明

参考在附图中示出的本发明的特定实施例，会呈现对所要求发明的实施例的更具体描述，特定实施例不应认为限制本发明的范围。通过使用附图，以额外的特异性和细节描述和说明本发明的各方面，附图中：

图1示出根据本发明，充当高阶谐波滤波器的RF功率合成器的示意图(纵向截面)；

图2示出根据本发明，形成在具有喇叭天线的RF功率合成器中的同心空腔的示意图；

图3示出根据本发明，盘状金属导体和与盘状金属导体一体形成的喇叭天线的透视图(局部剖视图)；

图4示出根据本发明，具有喇叭天线的盘状金属导体的顶视图；

图5示出根据本发明，形成在具有喇叭天线的RF功率合成器中的同心空腔的另一实施例的示意图(纵向截面)，该同心空腔具有与图1不同的形状；

图6示出根据本发明，形成在RF功率合成器中的RF功率合成器同心空腔的另一实施例的示意图(纵向截面)，同心空腔具有与图1不同的形状，其中，外导体连接到盘之一，内导体连接到盘的另一个；

图7示出根据本发明，充当高阶谐波滤波器的RF功率合成器的示意图(纵向截面)，其中，壳体包括两个开口，以使共轴波导通过；

图8示出根据本发明，充当高阶谐波的RF功率合成器的透视图；

图9示出根据本发明，包括两对共轴布置的盘状金属导体的RF功率合成器的示意图(纵向截面)；

具体实施方式

充当高阶谐波滤波器的RF功率合成器1(图1)包括共轴安置的至少一对共轴布置的盘状金属导体2、3。所述导体2中的至少一个具有中心轴线开口4，以容纳波导5。盘状金属导体2、3的面向表面相对于盘状金属导体的对称平面A-A对称地成型，以形成多个连续的径向连通同心空腔6、7、8，所述同心空腔具有等腰梯形(图2)，等腰梯形在截面中具有不同基底B-B1、C-C1、D-D1、E-E1、F-F1、G-G1，每个梯形的较小基底B-B1、D-D1、F-F1布置成更靠近中心轴线。

同心空腔的数量为(2k+1)，其中，k是正过滤的信号谐波的数量。在图2中，装置包括三个同心空腔6、7、8。

多个空腔的所有同心空腔6、7、8具有相同的径向长度L和在梯形基底处的不同角度α1、α2、α3，所述角度取决于径向传输线的由每个同心空腔形成的区段的波阻抗。

RF功率合成器1(图1)包括均匀地布置在盘状金属导体2、3周界周围并连接到盘状金属导体的多个喇叭天线9(图3)。所述多个喇叭天线的每个喇叭天线9的空腔的径向长度M(图2)等于同心空腔的径向长度L，每个喇叭天线9的外侧10适于连接RF模块，RF模块是RF信号源，并具有条线形式的输出。

盘状金属导体中的同心空腔6、7、8和喇叭天线9的空腔形成径向非耗散传输线的各区段，电磁T波在各区段中传播，每个区段的阻抗幅度具有线阻抗的恒定值，对于分析的谐波，线阻抗的恒定值由RF模块的复输出阻抗确定。箭头Y示出电场方向。

根据所要求发明的第二方面，充当高阶谐波滤波器的RF功率合成器1具有与第一实施例相同的构造，除了多个喇叭天线9与盘状金属导体一体地制成，并均匀地布置在盘状金属导体周界周围(图4)。与第一实施例类似，所述多个喇叭天线的每个喇叭天线9的空腔的径向长度M等于同心空腔的径向长度L，每个喇叭天线的外侧适于连接RF模块，RF模块是RF信号源，并具有条线形式的输出。

所述多个空腔中的同心空腔的数量是等于至少三的奇数。

优选地，盘状金属导体2和3由铜制成。另外，可由合金形成，例如具有铜涂层的铝。

总体上，喇叭天线9的数量由连接的RF模块10的数量确定，RF模块均具有输出功率，RF模块1的总输出功率是功率合成器的输出功率。

优选地，第二盘状金属导体包括连接波导5的末端13的单元12(图1、图5)。

当连接以共轴波导形式制成的波导5的末端时(图5、图6)，外导体14连接到盘之一2，内导体15连接到另一盘3。

在另一实施例中，当将波导5连接到功率合成器时，金属导体2、3两者连接到共轴波导5的外导体14。

RF功率合成器还包括中空柱体形式的壳体16(图1)，以容纳盘状金属导体2、3。所述壳体16与导体共轴地布置，并具有位于柱形侧壁17中的多个窗口18，使得将RF模块11连接到喇叭天线9，壁的数量等于喇叭天线9的数量。所述壳体16包括位于至少一个端面20中的中心开口19，以使共轴波导5通过。

在图7中示出，所述壳体16包括位于端面20、22中的两个中心开口19、21，相应地使共轴波导5通过。

图8示出充当高阶谐波的RF功率合成器1的透视图。

优选地，RF功率合成器1包括两对或更多对共轴布置的盘状金属导体。在图9中示出，RF功率合成器1包括两对共轴布置的盘状金属导体。

充当高阶谐波滤波器的RF功率合成器1以如下方式操作。

一次谐波被供给到RF模块11。所述RF模块11形成高阶谐波。所有谐波被供给到RF功率合成器1。

高阶谐波应当被过滤掉。

在充当高阶谐波滤波器的RF功率合成器1操作期间，一次谐波通过传输线的由喇叭天线和同心空腔形成的所有区段。来自所有RF模块的信号(仅由一次谐波组成)结合并被供给到输出共轴波导。

高阶谐波(数量根据传输线的由喇叭天线和同心空腔形成的区段的总数量确定)“同相”(反射波的相位等于入射波的相位)反射，然后被供给回每个RF模块。复反射系数由在T形波上激发的喇叭天线阻抗和同心空腔阻抗限定。