CN102790252A

CN102790252A - 实现矩形波导和平行板波导相互过渡的装置和方法

Info

Publication number: CN102790252A
Application number: CN2012101140471A
Authority: CN
Inventors: 杨智友; 徐利军; 王文磊; 吴迪
Original assignee: BEIJING TIANGONG KAIZHENG TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING TIANGONG KAIZHENG TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-04-18
Filing date: 2012-04-18
Publication date: 2012-11-21

Abstract

本发明提供了一种用于矩形波导和平行板波导相互过渡的装置和方法。所述装置包括平行板波导和矩形波导，其中，在所述矩形波导的一个宽边上开有采用中心倾斜缝或纵向偏置缝的多个缝隙，所述平行板波导与所述矩形波导开有缝隙的一边紧密接触，并处于所述矩形波导的中心处。根据本发明的装置和方法具有以下优点：解决了矩形波导和平行板波导相互过渡的问题；解决了给平行板波导天线阵列馈电的问题，克服了现有技术中损耗大的缺点；当采用塑料表面电镀成型工艺时，具有成本低、重量轻、加工简单、大批量生产容易等优点。

Description

实现矩形波导和平行板波导相互过渡的装置和方法

技术领域

本发明涉及微波与天线领域，尤其涉及矩形波导和平行板波导相互过渡领域以及向平行板波导天线阵列馈电领域。

背景技术

矩形波导和平行板波导是两种常见的微波传输线，在微波传输系统中，将这两种不同类型的微波传输线连接在一起时，需要采用微波过渡元件实现传输线之间的变换。在天线系统中，也需要实现向平行板波导天线阵列馈电。

在欧洲专利“BROADBAND MICROSTRIP TO PARALLEL-PLATE-WAVEGUIDE TRANSITION”(申请号：99966071.5)中公开了一种向平行板波导馈电的方法和装置，但是其具有结构复杂、尺寸大、实现困难、损耗大的缺点。以上缺点极大地限制了平行板波导传输线和天线应用。

在于1974年8月12日提交的名称为“WAVEGUIDE FILTERS”的美国申请No.496,874中公开了一种低通滤波器，其包括一段矩形波导1，其具有使得能够在TE10模式中传播所选频带的尺寸。矩形波导1具有宽边2、3和窄边6，在宽边2上提供有多个等间距的缝隙4。在宽壁2的外部布置了沿矩形波导1的整个长度延伸的与窄边6平行的一对平行板5。平行板5分开的距离略微小于矩形波导1的宽边尺寸，并且缝隙之间的间距是在开始衰减所需要的频率处平行板波导中的TE₁₀模式的半个波长。然而，由于该专利文档是为了提供一种低通滤波器，所以其仅考虑了能通过特定频带的能量，而不能满足输入端口驻波和输出端口口面场分布性能的要求。

发明内容

为了解决现有技术中的上述缺点和问题而提出本发明。即，本发明的目的是提供一种实现矩形波导和平行板波导相互过渡的方法和装置，其解决了在微波传输系统中，矩形波导和平行板波导之间的变换问题，同时解决了向平行板波导天线阵列馈电的问题。

根据一个方面，提供了一种用于矩形波导和平行板波导相互过渡的装置，包括平行板波导和矩形波导，其中，在所述矩形波导的一个宽边上开有采用中心倾斜缝或纵向偏置缝的多个缝隙，所述平行板波导与所述矩形波导开有缝隙的一边紧密接触，并处于所述矩形波导的中心处。

优选地，所述装置进一步包括：馈电部分，所述馈电部分所述矩形波导的端部或中心处。

优选地，当所述平行板波导为平行板波导阵列天线时，所述装置进一步包括：波导功分器，所述波导功分器用于将多个矩形波导连接起来。

优选地，当工作带宽小于3％时，所述缝隙采用矩形缝隙；当工作带宽大于3％时，所述缝隙采用蝴蝶结形缝隙或哑铃形缝隙。

优选地，在所述平行板波导的宽度小于λ_g/2时，采用中心倾斜缝；当平行板波导的宽度大于λ_g/2时，采用纵向偏置缝。

优选地，每个所述缝隙的谐振长度和倾角被选择为使得优化所述装置的输入端口驻波和输出端口口面场分布性能。

优选地，所述矩形波导的宽边的尺寸是根据工作频率和所述平行板波导的宽度来确定的。

优选地，所述缝隙的个数是根据所述平行板波导的长度和波导波长来确定的。

优选地，所述缝隙的具体设计参数是根据所述过渡装置的输入端口驻波和输出端口口面场分布来确定的。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于矩形波导和平行板波导相互过渡的方法，包括：根据工作带宽来选择缝隙的类型；根据所述平行板波导的宽度来选择开缝方式；根据所述平行板波导的长度和波导波长来确定缝隙的个数；根据工作频率和所述平行板波导的宽度来确定矩形波导的宽边和窄边的尺寸；基于所选择的缝隙的类型、开缝方式以及所确定的缝隙的个数在所述矩形波导的宽边上开缝；以及使得所述平行板波导与所述矩形波导的开有缝隙的一边紧密接触，并处于矩形波导的中心处。

优选地，根据所述过渡装置的输入端口驻波和输出端口口面场分布来确定缝隙的具体设计参数。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明一些示范性实施例的上述和其他方面、特征和优点对于本领域技术人员来说将变得显而易见，其中：

图1(a)-图1(c)是根据本发明的用于矩形波导和平行板波导相互过渡的装置的结构图。

图2(a)至图2(c)是本发明可以采用的几种类型缝隙的示意图。

图3(a)和图3(b)是本发明可以采用的两种开缝方式的示意图。

图4(a)至图4(c)是本发明可以采用的两种矩形波导馈电方式的示意图。

图5(a)至图5(c)是本发明的向平行板波导天线阵列馈电的一个应用实例的示意图。

图6是根据本发明的用于矩形波导和平行板波导相互过渡的方法的流程图。

图7(a)至图7(d)是根据本发明的驻波和H面方向图的仿真结果和测试结果。

具体实施方式

提供参考附图的下面描述以帮助全面理解本发明的示范性实施例。其包括各种细节以助于理解，而应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本发明的范围和精神。同样，为了清楚和简明，省略了对公知功能和结构的描述。

下面将参考附图详细描述本发明。

图1是根据本发明的使得矩形波导和平行板波导能够相互过渡的装置，其中图1(a)是根据本发明的装置的俯视图，图1(b)是根据本发明的装置的侧视图，以及图1(c)是根据沿图1(b)所示的B-B线的剖视图。

从图1(a)至图1(c)中可以看出，根据本发明的装置包括平行板波导1和矩形波导2，其中，在矩形波导2的宽边a上开有采用中心倾斜缝或纵向偏置缝的多个缝隙3，平行板波导1与矩形波导2开有缝隙3的一边紧密接触，并处于矩形波导2的中心处，电磁波通过缝隙3由矩形波导2耦合到平行板波导1中，从而实现矩形波导2和平行板波导1之间的过渡。

而且，根据本发明的装置可以包括馈电部分，例如位于矩形波导2的端部或中心处，即矩形波导可以采用端馈或中心馈电的方式。具体地馈电部分可以采用中心倾斜缝、偏置纵向缝、T型接头(E面T型接口和H面T型接头)等多种方式中的任何一种来激励。下面将在图4的说明中进一步描述。

而且，当采用所述平行板波导为平行板波导阵列天线馈电(即同时需要多个平行板波导)时，根据本发明的装置可以进一步包括波导功分器，用于将多个过渡装置的矩形波导连接起来，实现由一个标准波导口到多个平行板波导的变换。下面将在图5的说明中进一步描述。

下面将参考图2描述缝隙3的类型的选择。

缝隙3的类型可以根据工作带宽来进行选择。例如，当工作带宽小于3％时，可以选择图2(a)中所示的矩形缝隙4，当工作带宽大于3％时，可以选择图2(b)中所示的蝴蝶结形缝隙5或图2(c)中所示的哑铃形缝隙6等类型的缝隙。

下面将参考图3描述缝隙3的开缝方式。

开缝方式可以根据平行板波导宽度来选择。例如，在平行板波导的宽度小于λ_g/2时，可以选择如图3(a)中所示的中心倾斜缝7；而当平行板波导的宽度大于λ_g/2时，可以选择如图3(b)中所示的纵向偏置缝8。如在图3中所示，本发明的中心倾斜缝是指在矩形波导2的宽边a上交替地排列向宽边的一端(图3(a)中的左端)倾斜和向宽边的另一端(图3(a)中的右端倾斜)的缝隙；本发明的纵向偏置缝是指在在矩形波导2的宽边a上排列两行以中心线对称的缝隙，并且两行中的缝隙交错开。优选地，在中心倾斜缝和偏置倾斜缝两种方式中，相邻两个缝隙中心的距离均为波导波长的一半。

当采用中心倾斜缝时，每个缝隙的谐振长度和倾角被选择为使得优化根据本发明的装置的驻波和口面场分布性能。

而当采用纵向偏置缝时，每个缝隙的谐振长度和偏置量被选择为使得优化根据本发明的装置的驻波和口面场分布性能。将在下面的方法描述中详细说明如何选择缝隙的谐振长度和偏置量。

下面将参考图4描述矩形波导的馈电方式。

矩形波导的馈电方式可以根据平行板波导的长度来选择。例如，当平行板波导的长度小于4*λ_g时，选择如图4(a)中所示的端馈9的方式；而当平行板波导的长度大于4*λ_g时，选用如图4(b)中所示的中心馈电10的方式。具体地，可以采用中心倾斜缝、偏置纵向缝、如图4(c)中所示的T型接头(包括E面和H面T型接头)等多种方式中的任何一种来激励。

图5是本发明的向平行板波导天线阵列馈电的一个应用实例的示意图。

如图5中所示，通过图5(b)中所示的波导功分器12将图5(a)中所示的平行板波导阵列天线11中的多个矩形波导连接起来，从而如图5(c)中所示能够实现由一个标准波导口12到多个平行板波导14的变换。

下面将描述几个参数的选择。

首先，根据工作频率f和平行板波导1的宽度w来确定矩形波导2的宽边a的尺寸。在一个实施例中，根据λ/2＜a＜λ(其中，λ＝c/f，c为光速)和w＜a来确定矩形波导2的宽边a的尺寸，从而保证矩形波导中不产生高次模。而且，优选地，窄边b的取值范围最好介于a/4和a/2之间。

可以根据平行板波导的长度l和波导波长λ_g，通过公式 (n-1)*λ_g/2＜l＜n*λ_g/2来确定缝隙的个数n。由于相邻两个缝隙中心的距离为波导波长的一半，因此对于中心馈电的情况，当开缝方式为中心倾斜缝时，矩形波导的总长为l_a＝(n+1)*λ_g/2；当开缝方式为偏置纵向缝时，矩形波导的总长为l_a＝(n-1)*λ_g/2。对于端馈的情况，两种开缝方式下，矩形波导的总长均比中心馈电时增加λ_g/2。

如图6中所示，在步骤S610中，根据工作带宽来选择缝隙的类型。例如，当工作带宽小于3％时，可以选择矩形缝隙；而当工作带宽大于3％时，可以选择蝴蝶结形缝隙或哑铃形缝隙。

在步骤S620中，根据平行板波导宽度来选择开缝方式。例如，在平行板波导的宽度小于λ_g/2时，可以选择中心倾斜缝(如图3(a)中所示)，而当平行板波导的宽度大于λ_g/2时，可以选择纵向偏置缝(如图3(b)中所示)。

在步骤S630中，根据平行板波导的长度和波导波长来确定缝隙的个数。

在步骤S640中，根据工作频率和平行板波导的宽度来确定矩形波导的宽边和窄边的尺寸。

在步骤S650中，基于所选择的缝隙的类型、开缝方式以及所确定的缝隙的个数在矩形波导的宽边上开缝。

在步骤S660中，使得平行板波导与矩形波导的开有缝隙的一边紧密接触，并处于矩形波导的中心处。

此外，根据本发明的方法可以进一步包括：当采用中心倾斜缝时，调整每个缝隙的谐振长度和倾角使得优化根据本发明的装置的驻波和口面场分布性能；而当采用纵向倾斜缝时，调整每个缝隙的谐振长度和偏置量使得优化根据本发明的装置的驻波和口面场分布性能。

具体地，可以根据所需的平行板天线阵远场方向图，选择合适的口面场分布，根据口面场分布和匹配条件计算得到每一个中心倾斜缝隙的阻抗(或纵向偏置缝隙的导纳)。

例如，假定缝隙的数量为N，开缝方式为中心倾斜缝隙，馈电方式为端馈，方向图的主瓣比旁瓣电平高20dB。当口面场分布选择为泰勒分布时，N个缝隙上的功率分别为P₁，P₂…P_N，设每一个缝隙的阻抗分别为Z₁，Z₂…Z_N，根据公式

和P₁：P₂…：P_N＝Z₁：Z₂…：Z_N，可以求得每一个缝隙的阻抗。通过软件(例如HFSS)可以根据中心倾斜缝隙的阻抗提取到每一个缝隙的谐振长度和倾角(或根据纵向偏置缝隙的导纳提取到缝隙的谐振长度和偏置量)，具体提取方法对于本领域技术人员是公知的，因此不进行详述。在得到每一个缝隙的谐振长度和倾角后，建立完整的过渡元件仿真模型，如附图1所示，平行板波导与矩形波导开有缝隙的一边紧密接触，并处于中心。微调每一个缝隙的谐振长度和倾角，优化该过渡元件的驻波和口面场分布性能。也就是说，根据过渡装置的输入端口驻波和输出端口口面场分布来确定缝隙的具体设计参数。

而且，当采用平行板波导为平行板波导阵列天线馈电(即同时需要多个平行板波导)时，根据本发明的方法可以进一步包括通过波导功分器将多个过度装置的矩形波导连接起来，实现由一个标准波导口到多个平行板波导的变换。

本发明的技术效果：解决了矩形波导和平行板波导相互过渡的问题；解决了给平行板波导天线阵列馈电的问题，并且由于波导结构的损耗远小于微带结构，本发明克服了现有技术中损耗大的缺点；由于本发明所述的矩形波导即可以采用金属机械加工成型，也可以采用塑料表面电镀成型，所以当采用塑料表面电镀成型工艺时，本发明具有成本低、重量轻、加工简单、大批量生产容易等优点。

应指出的是，上面分别对本发明的装置和方法实施例分别进行了描述，但是对一个实施例描述的细节也可应用于另一个实施例。

虽然在附图以及说明书中以特定次序描绘了方法的步骤，但是不应当将这理解为需要以所示的特定次序或者以连续次序执行这样的步骤、或者需要执行所有图示的操作才能达到期望的结果。本领域技术人员可以根据需要适当地调整各步骤的顺序。

虽然本说明书包含许多特定实施方式细节，但是不应当将这些细节解释为对任何发明或可以主张的内容的范围的限制，而应当解释为对可以特定于特定发明的特定实施例的特征的描述。还可以将在本说明书中在分离的实施例的情境中描述的某些特征组合在单个实施例中实现。相反地，也可以将在单个实施方式的情境中描述的各个特征分离地在多个实施方式中实现或在任何适当的子组合中实现。此外，尽管可能在上面将特征描述为在某些组合中起作用，甚至最初主张如此，但是可以在一些情况下将来自所主张的组合的一个或多个特征从组合中删去，并且可以将所主张的组合指向子组合或者子组合的变体。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims

1.一种用于矩形波导和平行板波导相互过渡的装置，包括平行板波导和矩形波导，其中，在所述矩形波导的一个宽边上开有采用中心倾斜缝或纵向偏置缝的多个缝隙，所述平行板波导与所述矩形波导开有缝隙的一边紧密接触，并处于所述矩形波导的中心处。

2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：馈电部分，所述馈电部分所述矩形波导的端部或中心处。

3.根据权利要求1所述的装置，当所述平行板波导为平行板波导阵列天线时，所述装置进一步包括：波导功分器，所述波导功分器用于将多个矩形波导连接起来。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，当工作带宽小于3％时时，所述缝隙采用矩形缝隙；当工作带宽大于3％时，所述缝隙采用蝴蝶结形缝隙或哑铃形缝隙。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，在所述平行板波导的宽度小于λ_g/2时，采用中心倾斜缝；当平行板波导的宽度大于λ_g/2时，采用纵向偏置缝。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，每个所述缝隙的谐振长度和倾角被选择为使得优化所述装置的驻波和口面场分布性能。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述矩形波导的宽边的尺寸是根据工作频率和所述平行板波导的宽度来确定的。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述缝隙的个数是根据所述平行板波导的长度和波导波长来确定的。

9.一种用于矩形波导和平行板波导相互过渡的方法，包括：

根据工作带宽来选择缝隙的类型；

根据所述平行板波导的宽度来选择开缝方式；

根据所述平行板波导的长度和波导波长来确定缝隙的个数；

根据工作频率和所述平行板波导的宽度来确定矩形波导的宽边和窄边的尺寸；

基于所选择的缝隙的类型、开缝方式以及所确定的缝隙的个数在所述矩形波导的宽边上开缝；以及

使得所述平行板波导与所述矩形波导的开有缝隙的一边紧密接触，并处于矩形波导的中心处。

10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：当采用中心倾斜缝时，调整每个缝隙的谐振长度和倾角使得优化驻波和口面场分布性能；当采用纵向偏置缝时，调整每个缝隙的谐振长度和偏置量使得优化驻波和口面场分布性能。

11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：当工作带宽小于3％时，所述缝隙采用矩形缝隙；当工作带宽大于3％时，所述缝隙采用蝴蝶结形缝隙或哑铃形缝隙。

12.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述平行板波导的宽度小于λ_g/2时，采用中心倾斜缝；当平行板波导的宽度大于λ_g/2时，采用纵向偏置缝。

13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述矩形波导的宽边的尺寸是根据工作频率和所述平行板波导的宽度来确定的。

14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述缝隙的个数是根据所述平行板波导的长度和波导波长来确定的。

15.根据权利要求9所述的方法，其中，根据口面场分布和驻波确定缝隙的具体设计参数。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述缝隙的具体设计参数是根据所述过渡装置的输入端口驻波和输出端口口面场分布来确定的。