CN103107403A - 加载型功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公布了加载型功分器，包括耦合腔，与耦合腔连通的输入端、输出端、耦合端、隔离端；输入端和隔离端位于耦合腔的前端面，耦合端和输出端位于耦合腔的后端面，隔离端位于输入端的右侧，耦合端位于输出端右侧；耦合腔中设置有柱状体，柱状体沿输入端的前后向轴线方向排布成至少3行、且柱状体沿与输入端的前后向轴线垂直的方向排布成至少2列，所述柱状体与耦合腔的上内壁或下内壁连接。本发明的功分器具有59%以上的相对工作带宽，同时具有结构简单、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。

Description

加载型功分器

技术领域

本发明涉及一种功分器。具体地说，是涉及一种加载有多根柱状体的宽带二路功分器，即加载型功分器。

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，但其四个波导的轴线方向分别指向三个互相垂直的方向，构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向都比较大，不利于器件的小型化。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，但存在带宽太窄的缺点。已经报道的H-面波导裂缝电桥的相对工作带宽小于25%。

发明内容

本发明的目的在于克服由于波导跨接、交叉需要立体的复杂结构而造成交叉处体积增大、加工精度降低等一系列问题，提供了一种在一个平面上即可实现波导跨接、交叉传输且宽带级数高的加载型功分器。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：加载型功分器，包括耦合腔，与耦合腔连通的输入端、输出端、耦合端、隔离端；输入端和隔离端位于耦合腔的前端面，耦合端和输出端位于耦合腔的后端面，前端面和后端面为耦合腔互相对立的两个端面，隔离端位于输入端的右侧，耦合端位于输出端右侧；耦合腔中设置有柱状体，柱状体沿输入端的前后向轴线方向排布成至少3行、且柱状体沿与输入端的前后向轴线垂直的方向排布成至少2列；所述柱状体与耦合腔的上内壁或下内壁连接。

所述耦合腔的左侧面和右侧面均设置有金属凸起，金属凸起的凸起方向指向耦合腔内或者耦合腔外。

为了改善输入输出端与耦合腔之间的匹配，输入端、输出端、耦合端、隔离端均通过至少一段匹配波导与耦合腔连接。

为了调节耦合效果，所述匹配波导内设置有与匹配波导内底面连接的金属脊。

为了调节耦合效果和进一步展宽器件的工作频带，输入端、输出端、耦合端、隔离端都为脊波导。脊波导包括矩形波导空腔体、以及设置在矩形波导空腔体上内壁或\和下内壁的加载导体脊。

为了调节耦合效果，所述加载导体脊与金属脊之间存在零间隙。

进一步的，为了便于加工和装配，降低加工要求，输入端的上表面、输出端的上表面、耦合端的上表面、隔离端的上表面、耦合腔的上表面、匹配波导的上表面均位于同一个平面内。

进一步的，为了调节耦合效果，相邻的柱状体之间存在零间隙，并且柱状体为金属柱或者为介质柱。作为替代方案，本发明中柱状体还可以为其他在功分器中具备调节耦合性和\或增强带宽性的柱状体。

进一步的，为了便于加工和装配，降低加工要求，柱状体在俯视方向上的横截面为圆形或矩形。

进一步的，为了便于加工和装配，降低加工要求，耦合腔、输入端、输出端、耦合端、隔离端均为矩形体。

为了展宽器件的工作带宽、以及增强其耦合效果使得功分器达到3dB功分器的效果，耦合腔中设置有柱状体，柱状体沿输入端的前后向轴线方向排布成至少3行、且柱状体沿与输入端的前后向轴线垂直的方向排布成至少2列所述柱状体与耦合腔的上内壁或下内壁连接。

耦合腔的宽度沿输入端的轴线方向有至少1次变化。即所述耦合腔的左内侧面和右内侧面均设置有金属凸起，金属凸起的凸起方向指向耦合腔内。金属凸起为任意变化的，可为矩形柱、圆形柱、或其他异形体。

本发明的最大特点是在耦合腔中设置了至少6根柱状体，通过柱状体调节耦合腔中信号的不同模式之间的相速与耦合，使器件的工作带宽得到大大提高。

本发明的工作原理可以在矩形的耦合腔和矩形的输入输出波导的情况下简述如下：此处所述的输入输出波导，即输入输出端，具体是指输入端、输出端、耦合端、隔离端，矩形的输入端在矩形的耦合腔中主要激励起两个波导工作模式，即TE10模式和TE20模式。该两个模式的波都将沿输入端前后向轴线方向传播。由于该两个模式的波导波长不同，在耦合腔的另一端，输出端和耦合端处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TE20模式的波中耦合出来的功率和。通过选取耦合腔的宽度和长度，以及各输入输出端的尺寸和位置，可以使耦合端分别从两个工作模式耦合出来的功率之和满足一定设计要求，同时使隔离端分别从两个工作模式耦合出来的功率相位相差为180度，相互抵消。 这时，基本上所有能量都从输出端和耦合端输出，而不从输入端反射，也不从隔离端输出。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的轴线可以适当变化，尤其是在耦合腔的底部或顶部增加柱状体。各输入输出端都可以增加一级或多级脊波导匹配波导。

上述前后向轴线为由前端面指向后端面的耦合腔轴线。

本发明的优点在于：在一个平面上即可实现波导跨接、交叉传输、宽带级数高，本发明的功分器具有59%以上的相对工作带宽，同时具有结构简单、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（去除盖板后）的俯视图。

图2为实施实例1的计算结果曲线。

图3为实施实例2（去除盖板后）的俯视图。

图中的标号分别表示为：1、输入端：2、输出端；3、耦合端；4、隔离端；5、耦合腔；6、加载导体脊；7、匹配波导；8、金属脊；9、柱状体。

具体实施方式

实施实例1

如图1所示，加载型功分器，包括耦合腔5，与耦合腔5连通的输入输出端，即与耦合腔5连通的输入端1、输出端2、耦合端3、隔离端4。输入端1和隔离端4位于耦合腔5的前端面，耦合端3和输出端2位于耦合腔5的后端面，前端面和后端面为耦合腔互相对立的两个端面。隔离端4位于输入端1的右侧，耦合端3位于输出端2右侧。耦合腔5中设置有柱状体9，柱状体9沿输入端1的前后向轴线方向排布成5行、且柱状体9沿与输入端1的前后向轴线垂直的方向排布成3列，共12根矩形柱状体9，所述柱状体9与耦合腔5的上内壁或下内壁连接。所述耦合腔5的宽度沿输入端1的轴线方向有2次变化。具体的变化为耦合腔5的左内侧面和右内侧面均设置有金属凸起，金属凸起的凸起方向指向耦合腔5内。

输入端1、输出端2、耦合端3、隔离端4均通过一段匹配波导7与耦合腔5连接。匹配波导7内设置有与匹配波导7内表面连接的金属脊8，金属脊8优先设置在匹配波导7的内底面。输入端1、输出端2、耦合端3、隔离端4都为脊波导，脊波导包括矩形波导空腔体、以及设置在矩形波导空腔体上内壁或\和下内壁的加载导体脊6。所述加载导体脊6与金属脊8之间存在零间隙。输入端1的上表面、输出端2的上表面、耦合端3的上表面、隔离端4的上表面、耦合腔5的上表面、匹配波导7的上表面均位于同一个平面内。

相邻的柱状体9之间存在零间隙。在本实施例中柱状体9选用金属材料制成的金属柱作为柱状体9的优选方案。同时柱状体9还可以为介质柱。

柱状体9在俯视方向上的横截面为矩形。耦合腔5、输入端1、输出端2、耦合端3、隔离端4均为矩形体。

矩形的输入端1在矩形的耦合腔5中主要激励起两个波导工作模式，即TE10模式和TE20模式。该两个模式的波都将沿输入端1前后向轴线方向传播。由于该两个模式的波导波长不同，在耦合腔5的另一端，输出端2和耦合端3处从耦合腔5中耦合出来的功率是分别从两个工作模式TE10模式和TE20模式的波中耦合出来的功率和。通过选取耦合腔5的宽度和长度，以及各输入输出端的尺寸和位置，可以使耦合端3分别从两个工作模式耦合出来的功率之和满足一定设计要求，同时使隔离端4分别从两个工作模式耦合出来的功率相位相差为180度，相互抵消。 这时，基本上所有能量都从输出端2和耦合端3输出，而不从输入端1反射，也不从隔离端4输出。为了进一步拓宽器件的工作带宽，耦合腔5的形状，特别是宽度沿输入端的轴线可以适当变化，尤其是在耦合腔5的底部或顶部增加柱状体9。各输入输出端都可以增加一级或多级脊波导匹配波导7。

图2为实施实例1的加载型功分器的模拟计算曲线。从中可以看出，在6~11GHz频率范围内，很好地实现了一款3dB功分器。图中S11表示输入端1的反射系数，S21表示输出端2的传输系数，S31表示耦合端3的耦合系数，S41表示隔离端4的隔离系数。由图中的曲线分布可以看出，该功分器的插损小于0.5dB，波动小于0.5dB。 各端口反射均低于-15dB，输出端之间的隔离度优于-15dB。该功分器的相对工作带宽为59%，超过了该波段标准矩形波导的41%的全部工作带宽。

实施实例2

如图3所示，与实施实例1的区别仅在于，采用12根圆柱形柱状体代替了12根矩形柱状体9。

上述仅为举例。实际生产中，耦合腔5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。柱状体9可以为矩形、圆形、椭圆形、或其他不规则形状。

Claims (10)

1.加载型功分器，其特征在于：包括耦合腔（5），与耦合腔（5）连通的输入端（1）、输出端（2）、耦合端（3）、隔离端（4）；输入端（1）和隔离端（4）位于耦合腔（5）的前端面，耦合端（3）和输出端（2）位于耦合腔（5）的后端面，前端面和后端面为耦合腔互相对立的两个端面，隔离端（4）位于输入端（1）的右侧，耦合端（3）位于输出端（2）右侧；耦合腔（5）中设置有柱状体（9），柱状体（9）沿输入端（1）的前后向轴线方向排布成至少3行、且柱状体（9）沿与输入端（1）的前后向轴线垂直的方向排布成至少2列；所述柱状体（9）与耦合腔（5）的上内壁或下内壁连接。

2.根据权利要求1所述的加载型功分器，其特征在于：所述耦合腔（5）的左侧面或\和右侧面均设置有金属凸起，金属凸起的凸起方向指向耦合腔（5）内或者耦合腔（5）外。

3.根据权利要1所述的加载型功分器，其特征在于：输入端（1）、输出端（2）、耦合端（3）、隔离端（4）均通过至少一段匹配波导（7）与耦合腔（5）连接。

4.根据权利要求3所述的加载型功分器，其特征在于，所述匹配波导（7）内设置有与匹配波导（7）内底面连接的金属脊（8）。

5.根据权利要求1所述的加载型功分器，其特征在于：输入端（1）、输出端（2）、耦合端（3）、隔离端（4）都为脊波导，脊波导包括矩形波导空腔体、以及设置在矩形波导空腔体上内壁或\和下内壁的加载导体脊（6）。

6.根据权利要求5所述的加载型功分器，其特征在于：所述加载导体脊（6）与金属脊（8）之间存在零间隙。

7.根据权利要求3-4中任意一项所述的加载型功分器，其特征在于：输入端（1）的上表面、输出端（2）的上表面、耦合端（3）的上表面、隔离端（4）的上表面、耦合腔（5）的上表面、匹配波导（7）的上表面均位于同一个平面内。

8.根据权利要求1-6中任意一项所述的加载型功分器，其特征在于：相邻的柱状体（9）之间存在零间隙，并且柱状体（9）为金属柱或者为介质柱。

9.根据权利要求1-6中任意一项所述的加载型功分器，其特征在于：柱状体（9）在俯视方向的横截面为圆形或矩形。

10.根据权利要求1-6中任意一项所述的加载型功分器，其特征在于：耦合腔（5）、输入端（1）、输出端（2）、耦合端（3）、隔离端（4）均为矩形体。

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