一种多入多出腔体输出多工器及设计方法与流程

1.本技术涉及一种多入多出腔体输出多工器及设计方法，属于微波滤波器、多工器领域。


背景技术：

2.输出多工器是卫星有效载荷转发器系统的重要组成部分，通常用以实现高功率信道的组合功能，其性能直接影响着转发器通道的通信品质。随着卫星事业的迅速发展，促进了宽带通信卫星(hts卫星)的发展，与传统的固定业务通信卫星(fss卫星)相比较，其具有多点波束覆盖、频率复用、高增益、抗干扰性能优越等诸多优点。多入多出输出多工器是有效载荷的关键部件，其主要功能是对射频通道进行分路、滤波与合路。
3.为了适应hts卫星的发展需求，多入多出输出多工器开始步入人们的视线，其可以将不同多路信号分解器(demux)输出的多个窄带信号任意合成，并进行输出。返向输出多工器通常包括一个输入端口，以及多个输出端口，多工器需要合路的输出端口通过隔离器与其他需要合路的输出端口连接，实现合路。传统设计无法实现多输入端口的分路-滤波-合路，且整体结构复杂，体积重量较大。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：克服现有技术不足，提供一种多入多出腔体输出多工器，针对空间大功率宽带通信系统，实现多路宽带信号的分路、滤波再合成是主要功能。本发明为一体化设计提出的多入多出输出多工器，可以通过电路综合、结构排列、仿真优化等手段在不降低设计效率和设计精度的前提下，去掉隔离器，并且仅需要设计一次信道滤波器，从而有效降低输出多工器整体的体积、质量和风险系数。产品具有体积更小，损耗小、质量轻、风险系数低，集成度高，并且不同信道可以灵活使用功率放大器，输出组合灵活等诸多优点。解决了宽带通信卫星灵活应用信道的难题。
5.本技术采用如下的技术方案：
6.一种多入多出腔体输出多工器，包括：至少两个多工器腔体，多工器腔体包括多分支波导、与多分支波导耦合的多个通道滤波器，多分支波导设有输入端口；不同多工器腔体的通道滤波器侧面并靠在一起，不同多工器腔体的需要合路的通道滤波器相对，且相对的需要合路的通道滤波器的输出端口连接同一合路器。
7.所述多工器腔体与合路器之间设有相位垫片。
8.宽带信号分别从所述多工器腔体的输入端口输入到多工器腔体内，通过多分支波导，由多个通道滤波器进行滤波器分路，分路后的窄带信号再根据应用要求实现频率合成，多入多出腔体输出多工器实现信号的分路、滤波和合路功能，多入多出腔体输出多工器包含了多个输入端口、多个输出端口及多路通道滤波器。
9.所述多工器腔体内部设计有多个通道滤波器对信号进行滤波，通道滤波器按照波束频率划分，可以把一个宽带信号按照频率划分为多个窄带信号。
10.不同所述多工器腔体的输入信号为互不相关的宽带信号，输入信号频率有交叠或各不相同。当信号从输入端口进入多工器腔体内部时，通过多分支波导分路进入通道滤波器内部进行滤波，部分信号从输出端口直接输出，部分信号通过合路器和其它频率信号进行合路后再从输出端口输出。
11.所述多工器腔体个数为2～5个，从每个通道滤波器的输入端口输入的宽带信号为2～5路，从输出端口输出的信号为2～16路。
12.每个所述多工器腔体包含的通道滤波器个数为2～10个；每个合路器连通2～4路的通道滤波器，即合路器合成2～4路通道滤波器的窄带信号。
13.所述通道滤波器为带倒角的方形谐振腔体或圆形谐振腔体，每个通道滤波器的谐振腔体个数选择3～5个，谐振腔体间产生耦合窗。谐振腔体选在同一平面上择水平或垂直或斜方向排列。
14.通道滤波器是由多个谐振器级联而成，本发明中的谐振器采用了腔体结构形式，所以叫谐振腔体。
15.所述多分支波导内设计有补偿柱，位于多分支波导侧壁正对于通道滤波器的谐振腔体。
16.相并靠的两个所述多工器腔体在一个结构件正反面加工而成。多工器腔体的输入端口为水平方向，多工器腔体的输出端口为垂直方向。输入端口和输出端口为波导形式，选择标准波导或减高波导，多入多出腔体输出多工器选择立式或者卧式安装。
17.所述通道滤波器的谐振器选择采用波导滤波器或介质滤波器或同轴滤波器。
18.一端耦合所述多分支波导、一端连接合路器的通道滤波器的输入耦合量与输出耦合量相等。
19.所述通道滤波器两端口的谐振腔室进行反向失谐，通道滤波器一端的谐振腔室的频率高于通道滤波器的中心频率，通道滤波器另一端的谐振腔室的频率低于通道滤波器的中心频率。
20.一般的，所述通道滤波器两端的谐振腔室的频率低于或高出通道滤波器的中心频率的量为变化值，变化值为通道滤波器带宽的30-70％。
21.各路所述通道滤波器的中心频率为3ghz～50ghz。
22.一种多入多出腔体输出多工器的设计方法，包括：
23.s1:通道滤波器的耦合矩阵的输入耦合量等于输出耦合量，并结合滤波器综合方法，获得通道滤波器的输入和输出耦合矩阵；
24.s2:结合通道滤波器的输入和输出耦合矩阵、通过特征模求解器计算得到通道滤波器的中心频率，根据通道滤波器的中心频率，对通道滤波器两端口的谐振腔室进行反向失谐，获得通道滤波器两端口的谐振腔的频率；
25.s3:由本征模求解方式得到通道滤波器的谐振腔体之间的腔间耦合窗，在商用仿真软件hfss中建立具有该腔间耦合窗的两腔的模型，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耦合系数与设计带宽的乘积，即：coup＝m
ij
×bw
，其中m
ij
为对应耦合系数，具体的m
ij
为通道滤波器的耦合矩阵第i行第j列的耦合系数；bw为设计带宽；coup为两腔之间的耦合量；
26.利用对应耦合矩阵计算获得通道滤波器的输入输出耦合窗口，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，得出滤波器的输入输出窗口耦合窗口尺寸；
27.s4:根据步骤s1-s3的计算结果，对通道滤波器进行整体仿真，根据仿真结果，设计多工器的具体结构。
28.综上所述，本技术至少包括以下有益技术效果：
29.(1)通过多入多出输出多工器设计技术把分路、滤波、合路等多个功能集合于一体，与传统技术相比省去了隔离器及合路时使用的滤波单元。
30.(2)通过多入多出输出多工器设计技术实现了系统灵活使用功率放大器，输出组合灵活的需求，转发器系统可以根据实际使用状态调整应用状态，实现系统柔性设计，根据使用状况提升了频率、功率的使用效率。
31.(3)一体化设计使整个物理结构非常紧凑，尺寸更小、质量更轻。
32.(4)通过多入多出输出多工器设计技术提升了电性能，降低了通道的插入损耗。
33.(5)本发明设计灵活，解决了系统在大功率条件下的集成化设计，满足了各种频率规划下的系统需求，使其可以满足现阶段日益增加的通信系统应用要求，其设计达到了国际水平，具有很强的竞争力；
34.(6)与实现相同功能的传统输出多工器相比较，此产品具有结构新颖、尺寸更小，质量更轻、可靠性更高、损耗更小，并且不同信道可以灵活使用功率放大器，输出组合灵活等诸多优点。
附图说明
35.图1是本技术实施例中的一种多入多出腔体输出多工器的爆炸结构图。
36.图2是本技术实施例中的一种多入多出腔体输出多工器的结构图。
37.图3是本技术实施例中的多工器一腔体的结构图。
38.图4是本技术实施例中的多工器二腔体的结构图。
39.图5是本技术实施例中的多工器三腔体的结构图。
40.图6是本技术实施例中的多工器盖板的结构图。
41.图7是本技术实施例中的第二合路器的结构图。
42.附图标记说明：
43.11、多工器一腔体；111、多分支波导；112、通道滤波器；1121、第一通道；1122、第二通道；1123、第三通道；1124、第四通道；1125、第五通道；
44.12、多工器二腔体；121、第六通道；122、第七通道；123、第八通道；124、第九通道；
45.13、多工器三腔体；131、第十通道；132、第十一通道；133、第十二通道；
46.21、第一合路器；22、第二合路器；221、合路器壳体；222、合路器盖板；223、合路器腔体；
47.31、第一结构件；32、第二结构件；
48.41、第一盖板；42、第二盖板；43、第三盖板；
49.5、补偿柱；
50.6、相位垫片；
51.7、输入端口。
具体实施方式
52.下面结合附图和具体实施例对本技术作进一步详细的描述：
53.本技术实施例公开一种多入多出腔体输出多工器，如图1和图2所示，包括至少两个多工器腔体，多工器腔体包括多分支波导111、与多分支波导111耦合的多个通道滤波器112，多分支波导111设有输入端口7，通道滤波器112设有输出端口；不同多工器腔体的通道滤波器112侧面并靠在一起，不同多工器腔体的需要合路的通道滤波器112之间相对，且相对的需要合路的通道滤波器112的输出端口连接同一合路器。将多工器腔体与和合路结构一体化，实现在在多工器的多路宽带信号的分路、滤波、再合成的功能，且结构简单。
54.如图1和图2所示，相并靠的两个多工器腔体可以分别位于一个结构件的正面和反面；也可以为：相并靠的两个多工器腔体分别位于一个结构件的一侧，两个结构件的一侧相并靠。合路器可以与形成多工器腔体的结构件一体设置，合路器内有连通不同通道滤波器112的合路器腔体223；也可以为：合路器包括合路器壳体221和合路器盖板222，合路器壳体221与设有多工器腔体的结构件机械连接，合路器盖板222盖设于合路器壳体221的开口位置形成合路器腔体223，合路器腔体223与通道滤波器112连通。合路器有两段直波导、两个标准直角波导拐弯和一个标准et结构成。
55.多个通道滤波器112和多支路波导可以机械加工而成，通道滤波器112采用传统的波导滤波器。通道滤波器112包括多个谐振腔体，谐振腔体为带倒角的方形谐振腔体或圆形谐振腔体，谐振腔体间产生耦合窗。盖板到腔体后形成多工器腔体。盖板上设置有调谐螺钉，调谐螺钉对通道滤波器112的频率及耦合进行调试，通过调试可以满足产品电性能需求。多工器腔体与合路器之间设有相位垫片6，通过更换相位垫片6的厚度可以微调由于加工和仿真带来的误差，得到较好的驻波特性。多分支波导111内设有补偿柱5，补偿柱5位于多分支波导111正对于通道滤波器112谐振腔体的侧壁。
56.对于多入多出腔体输出多工器的通道滤波器112的电路特性具有特点。常见的滤波器电路特性常常采用耦合矩阵进行数学描述。一般的，滤波器的耦合矩阵为双终端综合而成，可以得到较好的驻波比特性；用于邻接性输出多工器的通道滤波器112耦合矩阵为单终端综合而成。对于多入多出腔体输出多工器，其一端耦合多分支波导111、一端连接合路器的通道滤波器112的耦合矩阵具有自身的特点，其耦合矩阵中的耦合量趋向于输入输出相同。通道滤波器112两端口的谐振腔室进行反向失谐，通道滤波器112一端的谐振腔室的频率高于通道滤波器112的中心频率，通道滤波器112另一端的谐振腔室的频率低于通道滤波器112的中心频率。通道滤波器112两端的谐振腔室的频率低于或高出通道滤波器112的量为变化值，变化值为通道滤波器112带宽的30-70％。各路通道滤波器112的中心频率为3ghz～50ghz。采用这样的耦合矩阵进行优化仿真时可以较快的得到优良的电路特性，可以使合路器实现与多工器腔体之间的结构一体化。
57.在本实施例中，多工器包括3个多工器腔体和2个合路器，分别为多工器一腔体11、多工器二腔体12、多工器三腔体13，以及第一合路器21、第二合路器22。
58.具体的，如图1和图6所示，多工器包括第一结构件31、第二结构件32、第一盖板41、第二盖板42、第三盖板43、第一合路器21、第二合路器22。第一结构件31的正面设置有第一多分支波导111、以及与第一多分支波导111耦合的多个通道滤波器112，第一结构件31的反面设置有第二多分支波导111、以及与第二多分支波导111耦合的多个通道滤波器112，第一
盖板41和第二盖板42分别盖设于第一结构件31正面和反面，形成多工器一腔体11、多工器二腔体12；第二结构件32的一侧表面设置有第三多分支波导111、以及与第三多分支波导111耦合的多个通道滤波器112，第三盖板43盖设于第二结构件32设置多工器三腔体13的表面，形成多工器三腔体13。
59.如图3所示，多工器一腔体11具有5个通道滤波器112，分别为第一通道1121～第五通道1125，根据需求第一通道1121～第五通道1125，分别为带一个零点的四阶广义切比雪夫滤波器、带一个零点的四阶广义切比雪夫滤波器、一个四阶切比雪夫滤波器、一个四阶切比雪夫滤波器和一个三阶切比雪夫滤波器。通道滤波器112的耦合矩阵与典型的广义切比雪夫滤波器相同，现有自编程序通过综合及优化的方法可以得出满足指标要求的滤波器耦合矩阵，每个通道滤波器112均有输入输出，主耦合，交叉耦合和自耦合等多个耦合量，都可以对应在耦合矩阵中找到相应耦合量。通过自编程序综合出每个通道的耦合矩阵，并对多工器电路建模、仿真、优化得到多工器耦合矩阵。
60.如图4所示，多工器二腔体12具有4个通道滤波器112，分别为第六通道121～第九通道124，根据需求第六通道121～第九通道124，分别为带一个零点的三阶广义切比雪夫滤波器、带一个零点的四阶广义切比雪夫滤波器、一个四阶切比雪夫滤波器、一个四阶切比雪夫滤波。
61.如图5所示，多工器三腔体13具有3个通道滤波器112，根据需求3个通道滤波器112第十通道131～第十二通道133，分别为带一个零点的四阶广义切比雪夫滤波器、带一个零点的四阶广义切比雪夫滤波器、一个三阶切比雪夫滤波器。
62.如图7所示，第一合路器21的合路器壳体221和合路器盖板222与第一结构件31一体连接，第一合路器21的合路器腔体223连通第二通道1122和第八通道123；第二合路器22的合路器壳体221与第一结构件31和第二结构件32之间通过螺栓连接，第二合路器22的合路器盖板222盖设于合路器壳体221的开口位置形成合路器腔体223，第二合路器22的合路器腔体223连通第五通道1125和第十二通道133。
63.不同多工器腔体的输入信号为互不相关的宽带信号，输入信号频率有交叠或各不相同，三路宽带信号分别从三个多工器腔体的输入端口7输入到多工器腔体内，通过多分支波导111，由多个通道滤波器112进行滤波器分路，通道滤波器112按照波束频率划分，可以把一个宽带信号按照频率划分为多个窄带信号，分路后的窄带信号再根据应用要求通过合路器实现频率合成，多入多出腔体输出多工器实现信号的分路、滤波和合路功能。本实施例的多入多出腔体输出多工器包含了3个输入端口7、10个输出端口及12路通道滤波器112。
64.多工器的设计方法如下：
65.s1：多入多出输出多工器通道滤波器的耦合矩阵采用适用于多入多出形式的耦合矩阵，不同于传统多工器的通道滤波器，通道滤波器输入输出耦合量大小相同，并结合滤波器综合方法，。
66.s2:通道滤波器的中心频率由商用仿真软件hfss中建立谐振器模型，结合通道滤波器的耦合矩阵、通过特征模求解器计算得到。建立谐振腔模型，通过调整谐振腔直径和长度(长度和高度)，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0.5％。根据获得的中心频率、并结合通导滤
波器带宽对通道滤波器两端口的谐振腔室进行反向失谐。
67.s3:腔间耦合窗由本征模求解方式得到，在商用仿真软件hfss中建立两腔的模型，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
×bw
，其中m
ij
为对应耦合系数，具体的m
ij
为通道滤波器的耦合矩阵第i行第j列的耦合系数；bw为设计带宽；coup为对应的实际耦合量。通道滤波器的输入输出耦合窗口同样利用对应耦合矩阵计算，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，得出滤波器的输入输出窗口尺寸。
68.s4:步骤s1-s3完成后，对通道滤波器进行整体仿真，通过以上步骤得到的初始的滤波器尺寸和窗口尺寸，可以反复调节各尺寸，通过比较电特性的优劣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。
69.s5:根据仿真结果，设计出腔体滤波器的物理尺寸，多工器的盖板装在结构件上形成多工器腔体，多工器腔体上设有输入端口和输出端口。
70.合路器由两段直波导、两个标准直角波导拐弯和一个标准et结构成，采用商用仿真软件hfss中建立合路器的仿真模型。合路器需要和多工器在商用软件mician中联合仿真，通过调整合路器两段直波导的参数，可以仿真得到良好性能。
71.本技术的实施原理为：通过对合路器与多工器结构的一体化，形成具有多个输入端口和输出端口的多工器，宽带信号分别从不同多工器腔体的输入端口输入到多工器腔体内，通过多分支波导，由多个通道滤波器进行滤波器分路，通道滤波器按照波束频率划分，可以把一个宽带信号按照频率划分为多个窄带信号，分路后的窄带信号再根据应用要求通过合路器实现频率合成，实现了多入多出腔体输出多工器的信号的分路、滤波和合路功能。
72.以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。