CN103107399A - π型五端口E面功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种π型五端口E面功分器，包括耦合腔，还包括与耦合腔连通的输入端口、隔离端口B、隔离端口C与输出端口A、输出端口B；所述输入端口位于耦合腔的前端面，输出端口A、输出端口B位于耦合腔的后端面，前端面和后端面均为耦合腔互相对立的两个对立面，隔离端口B和隔离端口C分别位于输入端口的两侧，输出端口A、输出端口B分别位于耦合腔轴线的两侧。本发明可以实现覆盖波导全带宽的等幅等相的功分器。多只该功分器串接构成大规模网络时，主要结构可以分为对成型和非对称性，采用对称结构时构成的等幅等相功分器的最大特点是两个输出端之间的理论相位差和幅度差为零，远远小于普遍采用的H-面波导裂缝电桥的相位差。

Description

π型五端口E面功分器

技术领域

本发明涉及一种功分器,具体地说，是涉及一种宽带五端口功公器。 

背景技术

功分器是现代微波通信和军事电子系统中的一种通用原件。波导功分器由于其功率容量高、插入损耗低等特点， 应用十分广泛。二路波导功分器既可以单独使用，也可以通过串接构成多路功分网络，用于相控阵雷达、天线阵以及功率合成等领域。已有的二路波导功分器主要包括E-面T型分支， H-面T型分支，波导魔T，H-面波导裂缝电桥等。其中前两种器件由于两个输出端之间隔离度低，任意一个输出端口的失配都会严重影响功率分配的幅度和相位精度。 波导魔T的输出端口之间有很好的隔离，而且两个输出端口之间的相位相同，但其四个波导的轴线方向分别指向三个互相垂直的方向，成复杂的三维立体结构，加工难，成本高，而且器件在长宽高三个方面都比较大，不利于器件的小型化。特别是波导魔T不适合作为单元串接构成多路功分网络。H-面波导裂缝电桥的输入输出波导的轴线位于同一平面内，由此可以串接构成所有波导轴线位于同一平面的多路功分网络。这种功分网络可以分为底座和盖板，分别利用传统的数控铣切技术一次性方便地加工，加工精度大大提高，加工成本大大降低。但是，已有的H-面波导裂缝电桥的两个输出端口之间存在固有的90度相位差。在要求同相位输出的情况下，特别是在串接构成多路功分网络时，需要对各级功分器输出端口的相位之间进行宽带补偿。特别是在多路功分网络小型化设计时，相位补偿电路会使器件体积和设计难度大大提高。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽带的五端口等幅等相的π型五端口E面功分器。 

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：π型五端口E面功分器，包括耦合腔，1个输入端口，输出端口A、输出端口B、隔离端口A和隔离端口B，所述输入端口位于耦合腔的前端面，输出端口A和输出端口B位于耦合腔的左端面和右端面，左端面和右端面为耦合腔互相对立的两个对立面，耦合腔在水平面上某一方向的尺寸小于或等于该π型五端口E面功分器的最高工作频率对应的自由空间波长的一半，输入端口，输出端口A、输出端口B、隔离端口A和隔离端口B中至少3个端口电场的水平分量大于其垂直分量。 

输入端口，输出端口A、输出端口B、隔离端口A和隔离端口B中至少3个端口在水平面上的投影的最大尺寸小于该端口垂直方向的最大高度。 

输入端口，输出端口A、输出端口B、隔离端口A和隔离端口B的法线方向与水平面之间的夹角小于30度，输出端口A和隔离端口A在水平面上的投影均在输入端口在水平面上的投影的左侧；输出端口B和隔离端口B在水平面上的投影都在输入端口在水平面上的投影的右侧。 

输出端口A、输出端口B的法线在水平面上的投影与输入端口的法线或输入端口的法线的反方向在水平面上的投影之间的夹角大于60度小于120度，隔离端口A和隔离端口B位于耦合腔的后端面，隔离端口A和隔离端口B的法线在水平面上的投影与输入端口的法线或输入端口的法线反方向在水平面上的投影之间的夹角大于60度小于120度。 

所述耦合腔为单连通空腔结构，即该耦合腔内部的任何封闭曲线都可以在该耦合腔内连续收敛到一个点。 

上述水平面是指耦合腔的上底面或平行于耦合腔上底面的水平面；垂直方向是指垂直于水平面的方向。某一方向是指垂直于水平面的方向或垂直于输入端法线方向且平行于水平面的方向。 

在本发明中，与传统的波导功分器相比，一般的功分器只具备三个端口，本发明采用5个端口作为输入和输出、以及隔离用的端口，同时配合内部的耦合结构，这样可提升其耦合效果，另外传统的功分器一般的输出端和输入端时设置在相对立的两个面上，那么在其轴线方向的长度势必会增加，在某些特殊的器件中使用功分器时有时会要求长度方向需要缩小，而一般的功分器是不能满足这样的需求的，因此为了配合这类的需求，本发明特根据本发明的设计思路对端口的位置做出相应的限定，而本发明采用将，输出端口A位于耦合腔的左端面，输出端口B位于耦合腔的右端面，这样可直接去掉后端面的端口，以减小前后向轴线方向的体积。 

所述耦合腔，输入端口，输出端口A、输出端口B、隔离端口A、隔离端口B、匹配体、凹槽A、凹槽B、金属凸台A、金属凸台B和凸起相对于输入端的法线方向呈左右镜像对称排布。 

所述的输入端口、输出端口A、输出端口A、隔离端口A、隔离端口B为空波导或脊波导或带线或同轴结构。 

在所述耦合腔的左内壁和右内壁设置有凸台A或凹槽A，且凸台A的凸起方向指向耦合腔内部，凹槽A的开口方向指向耦合腔内部；所述耦合腔为左右对称形状，凸台A与凹槽B相对于输入端法线呈左右对称排布。 

所述耦合腔上内壁或\和下内壁设置有至少一个调节耦合用的耦合体，上内壁和下内壁均为耦合腔互相对立的两个对立面；耦合体为凹槽B或金属凸台B；所述凹槽B的开口方向指向耦合腔内部，所述金属凸台B的凸起方向指向耦合腔内部；耦合腔内相对于输入端的耦合腔的内壁上设置有匹配体，匹配体只在上端或/和下端或/和侧面与耦合腔内壁连接；在隔离端口A、隔离端口B中设置有金属体，该金属体为金属体。 

在隔离端口B、隔离端口C的上内壁或\和下内壁设置有至少一个调节耦合用的金属凸起。 

所述输入端口的横截面、隔离端口A的横截面、隔离端口B的横截面、输出端口A的横截面、输出端口B的横截面均为矩形。 

所述输入端口的上表面、隔离端口A的上表面、隔离端口B的上表面以及输出端口A的上表面、输出端口B的上表面均与耦合腔的上表面齐平。 

具体实现时，本发明设计的π型五端口E面功分器，包括耦合腔，与耦合腔连通的输入端口、隔离端口A、隔离端口B与输出端口A、输出端口B；所述输入端口位于耦合腔的前端面，输出端口A、输出端口B分别位于耦合腔的左端面和右端面，左端面和右端面均为耦合腔互相对立的两个对立面，隔离端口B和隔离端口C 分别位于输入端口的两侧。在所述耦合腔的左右内壁设置有凸台A或凹槽A，且凸台B的凸起方向指向耦合腔内部，凹槽A的开口方向指向耦合腔的内部。所述耦合腔左右内壁设置的凸台A与凹槽A相对于输入端的法线方向呈左右对称排布。 

所述耦合腔的后端面设置有一个调节阻抗匹配用的匹配体，匹配体的形状可以是任意的形状。一般的匹配体在耦合腔上端面的投影形状为三角形或矩形。 

所述隔离端口B和隔离端口C设置有至少一个调节耦合用的偶合体，耦合体为金属凸起，金属凸起的凸起方向指向隔离端口的内部。 

为了方便加工生产，优先将所述输入端口的横截面、隔离端口A的横截面、隔离端口B的横截面、输出端口A的横截面、输出端口B的横截面设计为矩形。 

输入端口、隔离端口A、隔离端口B、输出端口A、输出端口B上均设置有过渡段。 

该π型五端口E面功分器相对于输入端口的前后向轴线为左右对称结构。前后向轴线为前端面指向后端面的轴线。 

为了方便设计计算，耦合腔以矩形体结构为佳，输入端口的横截面、隔离端口A的横截面、隔离端口B的横截面、输出端口A的横截面、输出端口B的横截面均以矩形为佳。 

对于给定的设计指标，包括反射系数，隔离度，总插入损耗等，为了获得更宽的工作带宽，耦合腔的宽度沿输入端口的前后向轴线可以按照一定规律变化，即在所述耦合腔的左右内壁设置有凸台A或凹槽A，且凸台A的凸起方向指向耦合腔内部,凹槽A的开口方向指向耦合腔的内部；所述耦合腔的左右内壁设置有凸台A或凹槽A相对于耦合腔进行对称排布。这样设置可获得更宽的工作带宽。 

为了进一步展宽该π型五端口E面功分器的工作带宽，耦合腔内部设置有一个或多个凹槽B或金属凸台B，而且所有的凹槽B或金属凸台B以输入端口的前后向轴线成左右对称分布。 

为了改善该π型五端口E面功分器的各端口的匹配，输入端口、隔离端口A、隔离端口B与输出端口A、输出端口B上均设置有过渡段。过渡段的宽度为变化的、也可以为宽度固定不变的。 

为了便于采用普通的铣切加工，所有结构，包括耦合腔以及所述输入输出端口的上表面位于同一个平面内，即所述输入端口的上表面、隔离端口A的上表面、隔离端口B的上表面以及隔输出端口A的上表面、输出端口B的上表面均与耦合腔的上表面位于同一个平面内。 

本发明可以采用非对称结构，也可以采用对称结构。采用对称结构时构成的等幅等相功分器的最大特点是两个输出端之间的理论相位差和幅度差为零，远远小于普遍采用的H-面波导裂缝电桥的相位差，即输出端口A、输出端口B之间的相位差远远小于普遍采用的H-面波导裂缝电桥的相位差。不对称结构时理论相位差可以比H-面波导裂缝电桥的90度相位差小，使相位补偿容易、带宽更宽。两输出端口的隔离度远远优于普遍采用的T型结、Y型结功分器。由于H-面波导裂缝电桥的两个输出端口与输入端之间位置上的明显差异，其两个输出端的相位差在整个工作频带内都在90度左右。在波导功分器中，我们常常需要功分器的两个输出端之间相位差在整个工作频带内小于一定值，比如3度或5度。为了满足这个等相位要求，最常用的方法是在H-面波导裂缝电桥的两个输出端连接波导相位补偿电路。该补偿电路存在工作带宽窄和增大功分器体积的问题。特别是在采用多级H-面波导裂缝电桥构成多路功分网络时，上述问题更加严重。采用的T型结、Y型结功分器两输出端口的几乎没有隔离，从而会导致量输出端口之间相互影响。本发明的功分器，输出端口A、输出端口B相对于输入端口对称性好，保证了输出端口A、输出端口B的功率和相位完全相同。又由于隔离端口A和隔离端口B的存在，从而保证了两输出端口的隔离度非常高。因此，本发明提供的π型五端口E面功分器的输出端口A、输出端口B相位可以做到完全相同，输出端口A、输出端口B之间具有20dB以的良好隔离，可以作为单个功分器使用，特别是可以串接构成多路功分网络使用。器件在性能、工作带宽和体积方面具有明显优势。 

本发明的工作原理可以在对称型矩形耦合腔和矩形输入输出波导的情况下简述如下。横截面为矩形的输入端口在通过E面耦合的矩形体结构的耦合腔中主要激励起两个波导工作模式，即TE10模式和TE30模式。该两个模式的波都将沿输入波导轴线方向传播。由于该两个模式的波导波长不同，在耦合腔的另一端，输出端口A和输出端口B从耦合腔中耦合出来的功率是分别从两个工作模式TE10模式和TE30模式的波中耦合出来的功率的和。通过选取耦合腔的宽度和长度，以及输入端口、隔离端口B、隔离端口C以及输出端口A、输出端口B的尺寸和位置，可以使输出端口A和输出端口B处反射很小。这时，基本上所有能量都从输出端口A和输出端口B耦合输出。由于输入端口激励的两个工作模式TE10模式和TE30在隔离端口A、隔离端口B处自然满足反相相消，从隔离端口A、隔离端口B耦合出来的功率都很小，从而使隔离端口A、隔离端口B作为隔离端使用。 为了进一步拓宽器件的工作带宽，耦合腔的形状，特别是宽度沿输入端口的前后向轴线可以适当变化，还可以在耦合腔内增加凹槽A或金属凸台A（金属柱）。各输入输出端都可以增加一级或多级匹配段。耦合腔和输入端口、隔离端口A、隔离端口B以及输出端口A、输出端口B的形状为其它变形时，该π型五端口E面功分器的工作原理也可以根据以上内容加以阐述和理解。 

本发明的两个输出端口的输出功率和相位在比较宽的工作频带内相同，可以用作幅相一致性优良的波导功分器，特别适合串接构成多路功分网络。本发明还具有结构简单、体积小，加工难度低的特点。本发明可以广泛用于天线阵、相控阵雷达和功率合成、导弹制导、通信等军事及民用领域。 

附图说明

图1为本发明的俯视图。 

图2为实施实例1的俯视图。 

图3为实施实例1的计算结果曲线。 

图4为实施实例2的俯视图。 

附图中标号对应名称：1-输入端口；2-隔离端口A；4-隔离端口B， 3-输出端口A，5-输出端口B， ６-耦合腔，７-匹配体，8-金属凸起，10-过渡段，91-凹槽A；92-凸台A，11-金属凸台B，12-金属凹槽B。 

图中↓箭头表示前方向，↑箭头表示后方向，←箭头表示左方向，→箭头表示右方向。前后向轴线指由前方向指向后方向的轴直线。 

具体实施方式

实施实例1

如图2所示，

π型五端口E面功分器，包括耦合腔6，1个输入端口1，输出端口A3、输出端口B5、隔离端口A2和隔离端口B4，所述输入端口1位于耦合腔6的前端面，输出端口A3和输出端口B5位于耦合腔6的左端面和右端面，左端面和右端面为耦合腔6互相对立的两个对立面，耦合腔6在水平面上某一方向的尺寸小于或等于该π型五端口E面功分器的最高工作频率对应的自由空间波长的一半，输入端口1，输出端口A3、输出端口B5、隔离端口A2和隔离端口B4中至少3个端口电场的水平分量大于其垂直分量。

输入端口1，输出端口A3、输出端口B5、隔离端口A2和隔离端口B4的法线方向与水平面之间的夹角小于30度，输出端口A3、输出端口B5在水平面上的投影分别在输入端口1在水平面上的投影的左边和右边；或者隔离端口A2和隔离端口B4在水平面上的投影分别在输入端口1在水平面上的投影的左边和右边。 

输出端口A3、输出端口B5的法线在水平面上的投影与输入端口1的法线或输入端口1的法线的反方向在水平面上的投影之间的夹角大于60度小于120度，隔离端口A2和隔离端口B4位于耦合腔6的后端面，隔离端口A2和隔离端口B4的法线在水平面上的投影与输入端口1的法线或输入端口1的法线反方向在水平面上的投影之间的夹角大于60度小于120度。 

所述耦合腔6为单连通空腔结构，即该耦合腔6内部的任何封闭曲线都可以在该耦合腔6内连续收敛到一个点。 

上述π型五端口E面功分器，包括耦合腔6，与耦合腔6连通的输入端口1、隔离端口A2、隔离端口B4与输出端口A3、输出端口B5，耦合腔6在水平面上某一方向的尺寸小于或等于该π型五端口E面功分器的最高工作频率对应的自由空间波长的一半，输入端口1，输出端口A3、输出端口B5、隔离端口A2和隔离端口B4中至少3个端口中心处电场垂直分量大于水平分量。 

各个端口的设置情况如下： 

第一种情况：输入端口1，输出端口A3、输出端口B5、隔离端口A2和隔离端口B4的发线方向与水平面之间的夹角小于30度，输出端口A3、输出端口B5在水平面上的投影分别在输入端口1在水平面上的投影的左边和右边；或者隔离端口A2和隔离端口B4在水平面上的投影分别在输入端口1在水平面上的投影的左边和右边。

第二种情况：所述输入端口1位于耦合腔6的前端面，输出端口A3和输出端口B5位于耦合腔6的后端面，前端面和后端面为耦合腔6互相对立的两个对立面，输出端口A3、输出端口B5的法线在水平面上的投影与输入端口1的法线或输入端口1的法线反方向在水平面上的投影之间的夹角小于30度，隔离端口A2和隔离端口B4的法线在水平面上的投影与输入端口1的法线或输入端口1的法线反方向在水平面上的投影之间的夹角小于30度。 

特别的是，本发明的耦合腔内部不存在其他装置和空间，即所述耦合腔6为单连通空腔结构，即该耦合腔6内部的任何封闭曲线都可以在该耦合腔6内连续收敛到一个点。 

该π型五端口E面功分器相对于输入端口1的法线为左右对称结构。 

耦合腔6的基本形状为矩形体结构，输入端口1的横截面、隔离端口A2的横截面、隔离端口B4的横截面、输出端口A3的横截面、输出端口A3、的横截面输出端口B5的横截面均为矩形。 

耦合腔6的左内壁和右内壁设置有多个凹槽A91或凸台A92，所述凹槽A91或凸台A92相对于输入端1的法线对称排布在耦合腔6的左内壁和右内壁上。 

耦合腔6的后端面设置有阻抗匹配体，即匹配体7，匹配体7为尖形，其在耦合腔上端面的投影为三角形。隔离端口A2、隔离端口B4下内壁设有调节耦合用的金属体。 

该π型五端口E面功分器的所有结构的上表面位于同一个平面内，即所述输入端口1的上表面、隔离端口A2的上表面、隔离端口B4的上表面以及输出端口A3的上表面、输出端口B5的上表面均与耦合腔6的上表面位于同一个平面内。 

如图3所示，其中图3中的S11表示输入端口1的反射系数，S21表示输入端口1至隔离端口A2的传输系数，S21表示输入端口1至隔离端口B4的传输系数，S31表示为输入端口1至输出端口A3的传输系数，S51表示为输入端口1至输出端口B5的传输系数，S53表示输出端口B5和输出端口A3的隔离系数。 

根据实施实例1的结构计算得到的该π型五端口E面功分器的S参数从中可以看出，在32.5到34.5GHz的工作带宽内，输入端口1的反射系数高于17dB，输出端口A3和输出端口B5之间的隔离度高于13dB。隔离端口A2和隔离端口B4的传输系数均低于19dB,而输出端口A3的S参数高于-3.3dB。考虑到该功分器为左右对称结构，其它端口的S参数容易得到。因此，该实施实例提供了一只相对工作带宽6%，插损低于0.3dB, 隔离好于13dB的等幅同相波导功分器。 

实施实例2

如图4.与实施实例1的区别仅在于，在耦合腔6的下内壁设置了一调节耦合的耦合体，即金属凸台B 11。

上述仅为举例。实际生产中，耦合腔6的侧面既可以为一根或多根直线段，也可以为光滑曲线，构成俯视方向的矩形、梯形或其他更复杂的图型。各输入输出端口既可以为简单的矩形波导，也可以轴线弯曲的各种形状的其他形状。 

基于上述结构即可实现本发明。 

Claims (10)

1.π型五端口E面功分器，其特征在于,包括耦合腔（6），1个输入端口（1），输出端口A（3）、输出端口B（5）、隔离端口A（2）和隔离端口B（4），所述输入端口（1）位于耦合腔（6）的前端面，输出端口A（3）和输出端口B（5）位于耦合腔（6）的左端面和右端面，左端面和右端面为耦合腔（6）互相对立的两个对立面，耦合腔（6）在水平面上某一方向的尺寸小于或等于该π型五端口E面功分器的最高工作频率对应的自由空间波长的一半，输入端口（1），输出端口A（3）、输出端口B（5）、隔离端口A（2）和隔离端口B（4）中至少3个端口电场的水平分量大于其垂直分量。

2.根据权利要求1所述的π型五端口E面功分器，其特征在于，输入端口（1），输出端口A（3）、输出端口B（5）、隔离端口A（2）和隔离端口B（4）的法线方向与水平面之间的夹角小于30度，输出端口A（3）和隔离端口A（2）在水平面上的投影均在输入端口（1）在水平面上的投影的左侧；输出端口B（5）和隔离端口B（4）在水平面上的投影都在输入端口（1）在水平面上的投影的右侧。

3.根据权利要求2所述的π型五端口E面功分器，其特征在于，输出端口A（3）、输出端口B（5）的法线在水平面上的投影与输入端口（1）的法线或输入端口（1）的法线的反方向在水平面上的投影之间的夹角大于60度小于120度，隔离端口A（2）和隔离端口B（4）位于耦合腔（6）的后端面，隔离端口A（2）和隔离端口B（4）的法线在水平面上的投影与输入端口（1）的法线或输入端口（1）的法线反方向在水平面上的投影之间的夹角大于60度小于120度。

4.根据权利要求2所述的π型五端口E面功分器，其特征在于，所述耦合腔（6）为单连通空腔结构，即该耦合腔（6）内部的任何封闭曲线都可以在该耦合腔（6）内连续收敛到一个点。

5.根据权利要求2所述的π型五端口E面功分器，其特征在于，在所述耦合腔(6)的左内壁和右内壁设置有凹槽A（91）或凸台A（92），且凹槽A（91）的开口方向指向耦合腔（6）内部，凸台A（92）的凸起方向指向耦合腔（6）内部。

6.根据权利要求5所述的π型五端口E面功分器，其特征在于，所述耦合腔（6）上内壁或\和下内壁设置有至少一个调节耦合用的耦合体，上内壁和下内壁均为耦合腔（6）互相对立的两个对立面；耦合体为凹槽B（12）或金属凸台B（11）；所述凹槽B（12）的开口方向指向耦合腔（6）内部，所述金属凸台B（11）的凸起方向指向耦合腔（6）内部；耦合腔（6）内相对于输入端（1）的耦合腔（6）的内壁上设置有匹配体（7），匹配体（7）只在上端或/和下端或/和侧面与耦合腔内壁连接；在隔离端口A（2）、隔离端口B（4）中设置有金属体，该金属体为金属体（8）。

7.根据权利要求6所述的π型五端口E面功分器，其特征在于，所述耦合腔（6），输入端口（1），输出端口A（3）、输出端口B（5）、隔离端口A（2）、隔离端口B（4）、匹配体（7)、凹槽B（12）、金属凸台B（11）、金属凸起（8）、凹槽A（91）和凸台A（92）相对于输入端的法线方向呈左右镜像对称排布。

8.根据权利要求1-6中任意一项所述的π型五端口E面功分器，其特征在于，所述的输入端口（1）、输出端口A（3）、输出端口A（3）、隔离端口A（2）、隔离端口B（4）为空波导或脊波导或带线或同轴结构。

9.根据权利要求1-6中任意一项所述的π型五端口E面功分器，其特征在于，所述输入端口（1）的横截面、隔离端口A（2）的横截面、隔离端口B（4）的横截面、输出端口A（3）的横截面、输出端口B（5）的横截面均为矩形。

10.根据权利要求1-6中任意一项所述的π型五端口E面功分器，其特征在于，所述输入端口（1）的上表面、隔离端口A（2）的上表面、隔离端口B（4）的上表面以及输出端口A（3）的上表面、输出端口B（5）的上表面均与耦合腔（6）的上表面齐平。

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