CN103151592A - H面波导不等分功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种H面波导不等分功分器，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、隔离端口A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，隔离端口A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分别位于隔离端口A两侧。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。

Description

H面波导不等分功分器

技术领域

本发明涉及一种功分器,具体地说，是涉及一种等相位H-面波导二路不等分功分器。

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，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相位幅度偏差在可允许的范围内的H面波导不等分功分器。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下： H面波导不等分功分器，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、隔离端口A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，隔离端口A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左右两侧，输出端口A、输出端口B分别位于隔离端口A左右两侧；耦合腔上内壁或\和下内壁设置有至少2个调节耦合用的耦合体，所有结构，包括耦合腔、输入端口、隔离端口B、隔离端口C、隔离端口A、输出端口A、输出端口B和耦合体中至少有一个位于输入端口的法线的左边部分和右边部分至少在一个方向上的尺寸大小相差超过10%；上内壁和下内壁均为耦合腔互相对立的两个对立面。

具体时，位于耦合腔前后向轴线左侧的耦合体与位于耦合腔前后向轴线右侧的耦合体的大小不一致；上内壁和下内壁均为耦合腔互相对立的两个对立面。大小不一致，即位于耦合腔前后向轴线左侧的耦合体的大小大于或小于位于耦合腔前后向轴线右侧的耦合体。为调节两输出端口的能量输出值，即为了得到不等分的能量值的输出，因此本发明将位于耦合腔前后向轴线左侧的耦合体与位于耦合腔前后向轴线右侧的耦合体的大小不一致；这样位于耦合腔前后向轴线左侧的耦合体和位于耦合腔前后向轴线右侧的耦合体造成的磁场强度不一致，使得能量耦合时发生不同的耦合效果，以得到不等分的能量值，例如：位于耦合腔前后向轴线左侧的耦合体的体积大于位于耦合腔前后向轴线右侧的耦合体的体积。

在所述耦合腔的左内壁设置有左凹槽B，且左凹槽B的开口方向指向耦合腔内部；在所述耦合腔的右内壁设置有右凹槽C，且右凹槽C的开口方向指向耦合腔内部。

耦合体为凹槽A或金属凸台；所述凹槽A的开口方向指向耦合腔内部，所述金属凸台的凸起方向指向耦合腔内部。

所述左凹槽B与右凹槽C相对于耦合腔左右对称排布。

上内壁和下内壁均为耦合腔互相对立的两个对立面；耦合体为凹槽或金属凸台；所述凹槽的开口方向指向耦合腔内部，所述金属凸台的凸起方向指向耦合腔内部。

凹槽A或金属凸台排布在耦合腔内输入端口的法线的左右的两侧。为进一步的调节两输出端口的耦合量不同的输出，凹槽A或金属凸台非对称的分布在输入端口的前后向轴线的两侧。

所述输入端口、隔离端口B、隔离端口C、隔离端口A、输出端口A、输出端口B均为矩形波导或脊波导或带线或同轴结构。一般的，输入端口的横截面、隔离端口B的横截面、隔离端口C的横截面、隔离端口A的横截面、输出端口A的横截面、输出端口B的横截面优先设置为矩形。

输入端口和隔离端口A为左右对称形状，所述输入端口的前后向轴线与隔离端口A的前后向轴线重合。

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

所述输入端口的上表面、隔离端口B的上表面、隔离端口C的上表面以及隔离端口A的上表面、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。 

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B的横截面、隔离端口C的横截面、隔离端口A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内壁设置有左凹槽B，且左凹槽B的开口方向指向耦合腔内部；在所述耦合腔的右内壁设置有右凹槽C，且右凹槽C的开口方向指向耦合腔内部；所述左凹槽B与右凹槽C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H面波导不等分功分器的工作带宽，耦合腔内部设置有一个或多个凹槽A或金属凸台，而且所有的凹槽A和金属凸台分布在以输入端口的前后向轴线的两侧。

为了改善该H面波导不等分功分器的各端口的匹配，输入端口、隔离端口B、隔离端口C、隔离端口A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B的上表面、隔离端口C的上表面以及隔离端口A的上表面、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。 

本发明的最大特点是：两个输出端之间的耦合量不同，可根据工程实际需求调节两端口之间耦合的能量值；两个输出端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，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。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。本发明的功分器，使输入端相对的端口变成隔离端，使输入端口相对的端口变成隔离端口A，输出端口A、输出端口B相对于输入端口对称性好。特别是当我们将整个功分器设计成相对于输入端口前后向轴线左右完全对称的结构时，输出端口A、输出端口B的功率和相位完全相同，但由于调节两输出端口的耦合量，耦合区域内的耦合体以耦合区域前后向轴线为界，位于前后向轴线左侧的耦合体与位于前后向轴线右侧的耦合体构成非对称的两个耦合体，即只要满足耦合体的大小不一致即可，从而会导致两输出端口存在一定的相位差。但这个差值比较小，在5度左右。这在功分器中是可接受的。因此，本发明提供的H面波导不等分功分器的输出端口A、输出端口B的耦合量可以为任意不比值，相位差也在可接受的范围内，输出端口A、输出端口B之间具有15dB甚至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。横切面为矩形的输入端口在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以及隔离端口A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以及隔离端口A、输出端口A、输出端口B的尺寸和位置，可以使隔离端口A分别从两个工作模式耦合出来的功率相位相差180度，相互抵消，同时使输出端口A和输出端口B分别从两个工作模式耦合出来的功率相位相差0度或360度的整数倍，相互叠加。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，而不从隔离端口A输出。通过改变输出端口A和输出端口B的大小、位置以及耦合体的位置与形状可以调节辆输出端口的耦合量。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B、隔离端口C处自然满足反相相消，从隔离端口B、隔离端口C耦合出来的功率都很小，从而使隔离端口B、隔离端口C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（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B、隔离端口C以及隔离端口A、输出端口A、输出端口B的形状为其它变形时，该H面波导不等分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可以进行不等分功率分配，其相位差也在功率分配器件可以接受的范围内，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，6-隔离端口C，3-输出端口A，5-输出端口B，7-耦合腔，8-凹槽A，9-金属凸台，10-过渡段，91-左凹槽B；92-右凹槽C。

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，一只H面波导不等分功分器，包括耦合腔7，与耦合腔7连通的输入端口1、隔离端口B4、隔离端口C6、隔离端口A2与输出端口A3、输出端口B5，所述输入端口1位于耦合腔7的前端面，隔离端口A2位于耦合腔7的后端面，前端面和后端面均为耦合腔7互相对立的两个对立面，隔离端口B4和隔离端口C 6分别位于输入端口1的左右两侧，输出端口A3、输出端口B5分别位于隔离端口A2左右两侧。输入端口1、隔离端口B4、隔离端口C6、隔离端口A2与输出端口A3、输出端口B5上均设置有过渡段10。耦合腔7上内壁或\和下内壁设置有至少2个调节耦合用的耦合体，位于耦合腔7前后向轴线左侧的耦合体与位于耦合腔7前后向轴线右侧的耦合体的大小不一致；上内壁和下内壁均为耦合腔7互相对立的两个对立面。为调节两输出端口的能量输出值，即为了得到不等分的能量值的输出，因此本发明将位于耦合腔7前后向轴线左侧的耦合体与位于耦合腔7前后向轴线右侧的耦合体的大小不一致；这样位于耦合腔7前后向轴线左侧的耦合体和位于耦合腔7前后向轴线右侧的耦合体造成的磁场强度不一致，使得能量耦合时发生不同的耦合效果，以得到不等分的能量值，例如：位于耦合腔7前后向轴线左侧的耦合体的体积大于位于耦合腔7前后向轴线右侧的耦合体的体积。

该H面波导不等分功分器相对于输入端口1的前后向轴线为左右不对称结构。

耦合腔7的基本形状为矩形体结构，输入端口1的横截面、隔离端口B4的横截面、隔离端口C6的横截面、隔离端口A2的横截面、输出端口A3的横截面、输出端口B5。

耦合腔7的宽度沿输入端1的轴线共有2次变化。即在所述耦合左内壁设置有左凹槽B91，且左凹槽B91的开口方向指向耦合腔7内部；在所述耦合腔7的右内壁设置有右凹槽C92，且右凹槽C92的开口方向指向耦合腔7内部。所述左凹槽B91与右凹槽C92相对于耦合腔7进行对称排布。

耦合腔7下内壁设置有四个凹槽A8，而且四个凹槽A8分布在输入端口1的前后向轴线的两侧。

该H面波导不等分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B4的上表面、隔离端口C6的上表面以及隔离端口A2的上表面、输出端口A3的上表面、输出端口B5的上表面均与耦合腔7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，S31表示为输入端口1至输出端口A3的传输系数，S41表示为输入端口1至隔离端口B4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H面波导不等分功分器的S参数从中可以看出，在8.7到9.7GHz的工作带宽内，输入端口1的反射，隔离端口A2和隔离端口B4的S参数都低于-20dB。输出端口A3和输出端口B5之间的隔离高于20dB。而输出端口A3的S参数高于-1.8dB, 输出端口A3的S参数高于--4.8dB。因此，该实施实例提供了一只相对工作带宽11%，插损低于0.5dB, 隔离好于20dB的波导不等分功分器。其性能均优于传统的功分器。

实施实例2

如图4.与实施实例1的区别仅在于，采用两根金属凸台9代替了两个凹槽8。 

上述仅为举例。实际生产中，耦合腔7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 (8)

1.H面波导不等分功分器，包括耦合腔（7），其特征在于,还包括与耦合腔（7）连通的输入端口（1）、隔离端口B（4）、隔离端口C（6）、隔离端口A（2）与输出端口A（3）、输出端口B（5）；所述输入端口（1）位于耦合腔（7）的前端面，隔离端口A（2）位于耦合腔（7）的后端面，前端面和后端面为耦合腔（7）互相对立的两个对立面，隔离端口B（4）和隔离端口C（6）分别位于输入端口（1）的左右两侧，输出端口A（3）、输出端口B（5）分别位于隔离端口A（2）左右两侧；耦合腔（7）上内壁或\和下内壁设置有至少2个调节耦合用的耦合体;所有结构，包括耦合腔（7）、输入端口（1）、隔离端口B（4）、隔离端口C（6）、隔离端口A（2）、输出端口A（3）、输出端口B（5）和耦合体中至少有一个位于输入端口(1)的法线的左边部分和右边部分至少在一个方向上的尺寸大小相差超过10%；上内壁和下内壁均为耦合腔（7）互相对立的两个对立面。

2.根据权利要求1所述的H面波导不等分功分器，其特征在于，在所述耦合腔(7)的左内壁设置有左凹槽B（91），且左凹槽B（91）的开口方向指向耦合腔（7）内部；在所述耦合腔（7）的右内壁设置有右凹槽C（92），且右凹槽C（92）的开口方向指向耦合腔（7）内部。

3.根据权利要求1所述的H面波导不等分功分器，其特征在于，耦合体为凹槽A（8）或金属凸台（9）；所述凹槽A（8）的开口方向指向耦合腔（7）内部，所述金属凸台（9）的凸起方向指向耦合腔（7）内部。

4.根据权利要求3所述的H面波导不等分功分器，其特征在于，凹槽A（8）或金属凸台（9）排布在耦合腔（7）内输入端口(1)的法线的左右的两侧。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的H面波导不等分功分器，其特征在于，所述输入端口（1）、隔离端口B（4）、隔离端口C（6）、隔离端口A（2）、输出端口A（3）、输出端口B（5）均为矩形波导或脊波导或带线或同轴结构。

6.根据权利要求1-4中任意一项所述的H面波导不等分功分器，其特征在于，输入端口（1）和隔离端口A（2）为左右对称形状，所述输入端口（1）的前后向轴线与隔离端口A（2）的前后向轴线重合。

7.根据权利要求1-4中任意一项所述的H面波导不等分功分器，其特征在于，输入端口（1）、隔离端口B（4）、隔离端口C（6）、隔离端口A（2）与输出端口A（3）、输出端口B（5）上均设置有过渡段（10）。

8.根据权利要求1-4中任意一项所述的H面波导不等分功分器，其特征在于，所述输入端口（1）的上表面、隔离端口B（4）的上表面、隔离端口C（6）的上表面以及隔离端口A（2）的上表面、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（7）的上表面位于同一个平面内。

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