CN102916252A - 任意功分比波导串馈网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及任意功分比波导串馈网络，在矩形波导宽边中心线上相隔一定距离插入若干微带探针，通过调整微带探针伸入矩形波导的长度改变探针从波导中耦合的能量，从而实现任意功分比，微带探针插入矩形波导会引起很强的反射，在微带探针附近相应位置紧贴波导的两个宽边对称放置两个调谐块，调节调谐块的尺寸可以抵消探针插入波导引起的反射，保证波导内主模的行波传输，本发明所述的波导串馈网络可以和微带、同轴、带状线和悬置带状线、共面波导等馈电网络连接，起到简化整个馈电网络的结构，降低馈电网络的损耗等作用，可作为频率较高的大规模微带阵列天线的馈电网络。

Description

任意功分比波导串馈网络

技术领域

本发明涉及一种可以实现任意功分比的波导串馈网络，可作为频率较高的大规模微带阵列天线的馈电网络。

背景技术

近年来，平面天线以其低轮廓、小型化以及易集成的特点满足了现代无线电系统发展的趋势和要求，因此得到了广泛的应用。

微带阵列天线作为平面天线的一种由于具有口径分布容易控制、结构紧凑、重量轻、便于加工、成本低等优点，被越来越广泛应用于机载、星载等各个领域。一般微带天线采用微带线、带状线、和悬置带状线作为主要的馈电网络。但是随着频率的升高，这些微带网络馈线的寄生辐射、色散效应等变得越来越明显，从而导致天线效率降低，限制了微带阵列天线在高频的应用。

而金属波导由于具有导体损耗和介质(管内介质一般为空气)损耗小、功率容量大、没有辐射损耗、结构简单、易于制造等优点，作为传输线广泛应用于毫米波系统中。但金属波导不能直接作为微带天线的馈电网络，因此需要一种馈电网络可以使波导与微带线等网络很好的结合起来，从而降低馈电网络的损耗，提高微带阵列天线的辐射效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供任意功分比波导串馈网络，用于和微带线、带状线和悬置带状线等馈电网络相结合，从整体上简化馈电网络的结构，降低馈电网络的损耗，从而提高微带阵列天线的辐射效率。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

任意功分比波导串馈网络，包括矩形波导、微带探针、波导窗、调谐块和传输线，其中矩形波导的宽边中心线上通过波导窗插入若干个微带探针，每个微带探针与矩形波导内部的两个调谐块相对应，所述两个调谐块对称设置在矩形波导的两个宽边的内表面，且两个调谐块所在的平面垂直于波导的宽边，传输线与若干个微带探针连接，通过调整微带探针插入矩形波导的长度改变耦合量，以实现任意功分比，调谐块用于匹配微带探针插入矩形波导引起的反射，保证波导内主模的行波传输。

在上述任意功分比波导串馈网络中，微带探针置于矩形波导宽边中心线上主模TE₁₀模电场强度的最大处。

在上述任意功分比波导串馈网络中，相邻两个微带探针之间相距一个波导波长或半个波导波长，在传输线中对相位进行补偿，当相邻两个微带探针之间相距一个波导波长时，为同相传输，

在上述任意功分比波导串馈网络中，微带探针插入矩形波导的长度与耦合的能量呈正比关系。

在上述任意功分比波导串馈网络中，调谐块的宽度L与微带探针插入矩形波导的长度有关，微带探针插入矩形波导的长度越大，调谐块的宽度L也越大。

在上述任意功分比波导串馈网络中，传输线为微带线、同轴线、带状线、悬置带状线或共面波导。

在上述任意功分比波导串馈网络中，微带探针可以采用同轴探针代替。

在上述任意功分比波导串馈网络中，调谐块与对应的微带探针之间的距离的大小与微带探针插入矩形波导的长度有关，微带探针插入矩形波导的长度越大，调谐块与对应的微带探针之间的距离越小，且调谐块为金属材质。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的矩形波导串馈网络，用于和微带线、同轴线、带状线和悬置带状线、共面波导等馈电网络相结合，可以实现任意功分比，且设计方法简单，从整体上简化馈电网络的结构，从而减小了微带阵列天线的网络损耗，大大提高了天线的辐射效率；

(2)本发明波导串馈网络在矩形波导宽边中心线上插入若干微带探针，通过调整微带探针伸入波导的长度改变探针从波导中耦合的能量，从而实现任意功分比；

(3)本发明波导串馈网络中微带探针插入矩形波导会引起很强的反射，对波导内的行波场产生很大的扰动，在微带探针附近相应位置紧贴矩形波导的两个宽边对称放置两个调谐块，调节调谐块的尺寸可以抵消探针插入波导引起的反射，保证波导内主模的行波传输；

(4)本发明波导串馈网络结构简单，损耗低，易于与天线阵列一体化加工，具有较强的实用性。

附图说明

图1为本发明波导串馈网络的结构示意图；

图2为本发明波导串馈网络的单元结构示意图；

图3为本发明波导串馈网络的单元S参数；

图4为本发明微带探针伸入矩形波导的长度与耦合功率的关系曲线；

图5为本发明微带探针伸入波导长度与匹配调谐块宽度L的关系曲线；

图6为本发明微带探针伸入波导长度与匹配调谐块位置的关系曲线；

图7为本发明波导串馈网络的S参数。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明波导串馈网络的结构示意图，由图可知本发明波导串馈网络，包括矩形波导1、微带探针2、波导窗3、调谐块4和传输线5，其中矩形波导1的宽边中心线上通过波导窗3插入若干个微带探针2，微带探针2置于矩形波导1主模TE₁₀模电场强度的最大处，且微带探针2插入矩形波导1的长度与耦合的能量呈正比关系。相邻两个微带探针2之间相距一个波导波长或半个波导波长，在传输线5中对相位进行补偿，当相邻两个微带探针2之间相距一个波导波长时，保证同相传输。

如图2所示为本发明波导串馈网络的单元结构示意图，每个微带探针2与矩形波导1内部的两个调谐块4相对应，两个调谐块4对称设置在矩形波导1的两个宽边的内表面，且两个调谐块4所在的平面垂直于波导1的宽边。调谐块4用于匹配微带探针2插入矩形波导1引起的反射，保证波导内主模的行波传输，调谐块4与对应的微带探针2之间距离的大小与微带探针2插入矩形波导1的长度有关，微带探针2插入矩形波导1的长度越大，调谐块4与对应的微带探针2之间的距离越小，且调谐块4为金属材质。调谐块4的宽度L与微带探针2插入矩形波导1的长度有关，一般微带探针2插入矩形波导1的长度越大，调谐块4的宽度L也越大。

通过调整微带探针2插入矩形波导1的长度改变耦合量，可以实现任意功分比，通过调节调谐块4的尺寸(宽度L、厚度M)，以匹配微带探针2插入波导引起的反射，保证波导内主模的行波传输。

传输线5与若干个微带探针2连接，传输线5为微带线、同轴线、带状线或悬置带状线、共面波导。微带探针2可以采用同轴探针代替。

矩形波导1中的能量通过波导窗3耦合到传输线5上。波导窗3窗口的尺寸需选择适当，以利于将能量集中在微带上并抑制高次模耦合到传输线5上，同时窗口要有足够的高度以避免影响微带场结构。

本发明波导串馈网络的原理如下：

微带探针2沿矩形波导1的电场方向插入微带波导1，沿微带探针2方向具有非零电场的波导模在探针表面激励起电流，根据互易定理，当微带线上的准TEM模电磁波向矩形波导1入射时产生的电流也同样激励起波导模。为了与矩形波导1的主模TE₁₀模耦合最紧，根据矩形波导1与微带模式的电场分布特点，微带探针2从波导的宽边中心插入，置于TE₁₀模电场强度的最大处。但是微带探针2插入矩形波导1会引起很强的反射，对矩形波导1内的行波场产生很大的扰动。因此利用金属膜片即调谐块4放入矩形波导1后产生的反射波来抵消微带探针2插入矩形波导1引起的反射波，从而保证了矩形波导1内部的行波传输。

图2是波导串联馈电网络中的一个单元模型，模型可视为一个三端口网络，其中A口是输入口，B、C口是输出口。以Ku频段为例。本发明实施例中组成微带探针2和传输线5的介质基板选用rogers5880基片，厚度为0.254mm。插入矩形波导1内部的组成微带探针2的基板宽4mm。微带探针2穿过矩形波导1安装，为基板定位提供保证。选取波导窗3长7mm，宽2mm，高2.4mm。50ohm传输线5宽度为0.8mm。

如图3所示为本发明波导串馈网络的单元S参数，是当微带探针2插入矩形波导1深度为3mm时的各个端口的S参数。计算微带探针2插入矩形波导1不同深度时各个端口的功率分配，可以得到微带探针2插入矩形波导1不同深度与耦合功率的函数关系曲线，如图4所示为本发明微带探针伸入矩形波导的长度与耦合功率的关系曲线，由图可知微带探针2伸入矩形波导1的长度越大，耦合功率越大。

微带探针2插入矩形波导1不同深度时要实现匹配对应的调谐块4的参数如图5、图6所示，图5为本发明微带探针伸入波导长度与匹配调谐块宽度L的关系曲线；图6为本发明微带探针伸入波导长度与匹配调谐块位置的关系曲线。由图5可知微带探针2伸入矩形波导1的长度越大，调谐块4的宽度L也越大。由图6可知微带探针2伸入矩形波导1的长度越大，调谐块4与对应的微带探针2之间的距离越小。调谐块4的厚度M选为0.5mm。已知功分比，根据以上关系曲线就可以得到对应的各部分结构尺寸。

如当功率分配相等时，对于串联馈电，第i个端口的归一化激励幅度为：U_i＝1/(N-i)，其中N为馈电端口总数。馈电功率P_i＝U_i*U_i.表1列出12个单元等功率分配时所对应的各个参数，12单元串联形成13端口的网络，仿真结果如图7所示，图7为本发明波导串馈网络的传输参数(S参数)，其中S11为反射参数，S12～S113为传输参数。结果表明，S12～S113各端口S参数基本相等，达到了等功率分配的目标。

表1

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.任意功分比波导串馈网络，其特征在于：包括矩形波导(1)、微带探针(2)、波导窗(3)、调谐块(4)和传输线(5)，其中矩形波导(1)的宽边中心线上通过波导窗(3)插入若干个微带探针(2)，每个微带探针(2)与矩形波导(1)内部的两个调谐块(4)相对应，所述两个调谐块(4)对称设置在矩形波导(1)的两个宽边的内表面，且两个调谐块(4)所在的平面垂直于波导(1)的宽边，传输线(5)与若干个微带探针(2)连接，通过调整微带探针(2)插入矩形波导(1)的长度改变耦合量，以实现任意功分比，调谐块(4)用于匹配微带探针(2)插入矩形波导(1)引起的反射，保证波导内主模的行波传输。

2.根据权利要求1所述的任意功分比波导串馈网络，其特征在于：所述微带探针(2)置于矩形波导(1)宽边中心线上主模TE10模电场强度的最大处。

3.根据权利要求1或2所述的任意功分比波导串馈网络，其特征在于：所述相邻两个微带探针(2)之间相距一个波导波长或半个波导波长，在传输线(5)中对相位进行补偿，当相邻两个微带探针(2)之间相距一个波导波长时，为同相传输。

4.根据权利要求1所述的任意功分比波导串馈网络，其特征在于：所述微带探针(2)插入矩形波导(1)的长度与耦合的能量呈正比关系。

5.根据权利要求1所述的任意功分比波导串馈网络，其特征在于：所述调谐块(4)的宽度L与微带探针(2)插入矩形波导(1)的长度有关，微带探针(2)插入矩形波导(1)的长度越大，调谐块(4)的宽度L也越大。

6.根据权利要求1所述的任意功分比波导串馈网络，其特征在于：所述传输线(5)为微带线、同轴线、带状线、悬置带状线或共面波导。

7.根据权利要求1所述的任意功分比波导串馈网络，其特征在于：所述微带探针(2)可以采用同轴探针代替。

8.根据权利要求1所述的任意功分比波导串馈网络，其特征在于：所述 调谐块(4)与对应的微带探针(2)之间的距离的大小与微带探针(2)插入矩形波导(1)的长度有关，微带探针(2)插入矩形波导(1)的长度越大，调谐块(4)与对应的微带探针(2)之间的距离越小，且调谐块(4)为金属材质。 

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