CN103337684B - 紧凑型波导功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种紧凑型波导功分器，包括输入端1，过渡段2，和至少二个输出端3。通过控制输出端3的宽度和相邻输出端3之间隔壁的厚度，使之满足一定的比例关系，可以在波导全带宽内很好地按任意功率分配比例对输入功率进行两路到十路的等相分配。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

紧凑型波导功分器

技术领域

本发明涉及一种功分器。具体地说，是涉及一种幅度和相位在宽带范围内精度很高的二路或多路等分或不等分紧凑型波导功分器。

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。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。其中前两种器件可以实现很好的二路等分。二路不等分和多路功率分配时其功率和相位精度难以在宽带范围内得到保障。后面二种功分器均为二路功分器，体积不够紧凑。其中波导魔T为三维立体结构，有一个端口与其它三个端口垂直。上述功分器的另一个问题是工作带宽窄，难以实现覆盖波导全带宽。上述波导功分器构成波导功分网络时，分别存在带宽窄、功率分配比限制（难以实现不等分、三等分等）、结构复杂（特别是三维结构的波导魔T）等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽带等分或不等分二路或多路具有很好功率分配精度和相位精度的紧凑型波导功分器。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：紧凑型波导功分器，包括输入端，过渡段，和至少二个输出端。输入端位于过渡段左端，输出端位于过渡段的右端，输入端和输出端都与过渡段联通。

为了保证过渡段左边处工作模式主要为TE10模式，其它高次模的成分尽量低，所述过渡段的垂直其从左到右的中心线或轴线的任意横截面的形状为矩形。

所述过渡段的任意一个垂直于该过渡段从左至右的中心线或轴线的横截面的形状为矩形，而且该矩形的高度小于该矩形深度的2/3。

所述输入端和所有输出端的垂直于其从左至右的中心线或轴线的横截面为矩形，所述输出端在过渡段的右侧从上到下按第一个、第二个…最后一个的次序排列，所述过渡段的右端的上边沿高于第一个输出端的左端面的上边沿，所述过渡段的右端的下边沿低于最后一个输出端的左端面的下边沿。该特征的要求决定了该功分器工作时，其输出端沿过渡段的E-面排列。

为了保证功率分配比例和相位在宽带内的精度，各输出端口的高度设置有特殊要求：当第一个输出端的左端面的高度为k₁b，过渡段的右端的上边沿比第一个输出端的左端面的上边沿高k₁lb，则从第二个输出端开始的其余输出端的左端面的高度分别为k₂b，k₃b，…k_Nb，其余输出端的左端面中两两之间的隔壁的厚度从上到下依次为(k₁+k₂)lb，(k₂+k₃)lb，…，最后一个输出端的左端面的下边沿比过渡段的右端面的下边沿高k_Nlb，其中N为所述输出端的总数，k_i、l为比例系数，b为某一高度值，i为正整数。i为正整数，i=1,2，…N。

为了保证过渡段左边处工作模式主要为TE10模式，其它高次模的成分尽量低，还要求过渡段的右端面的高度小于该紧凑型波导功分器最高工作频率处的自由空间波长的2/3。

对于二路波导功分器，所述输出端的数目为2，所述两个输出端上各自设置有1个波导不连续性结构，该波导不连续性结构为波导阶梯、调谐螺钉、或能导致波导上反射系数大于-30dB且小于-15dB的其它凸起或凹陷，该两个波导不连续性结构的中心距过渡段的右边端面的电长度之和大于或等于60度且小于或等于120度。该特征要求使得这些反射不至于在过渡段右端口附近振荡，限制其对各输出端的功率分配比例和相位精度的影响。

对于三路或多于三路的多路波导功分器，所述输出端的数目为3或大于3，所述每个输出端上各自设置有波导不连续性结构，该波导不连续性结构为波导阶梯、调谐螺钉、或能导致波导上反射系数大于或等于-30dB且小于或等于-15dB的其它凸起或凹陷，该波导不连续性结构的中心距过渡段的右边端面的电长度大于30或等于度且小于或等于60度。该特征要求使得这些反射不至于在过渡段右端口附近振荡，限制其对各输出端的功率分配比例和相位精度的影响。

为了便于与其它微波器件连接，至少有一个输出端向远离其它输出端的方向弯曲。

为了便于加工，所述输入端，过渡段，和所有输出端的前端面齐平。

为了获得更好的指标，输入端和过渡段均与所有输出端的深度相同。

本发明的最大特点通过限定各输出端左端高度、第一个输出端上边沿距过渡段上边沿的距离、各输出端之间的隔壁的厚度，以及最后一个输出端下边沿距过渡段下边沿的距离，使不同的输出端从过渡段中耦合出来的能量的相位相同且功率的比例不随频率而变化。

本发明的工作原理可以在矩形输入端、过渡段和输出端的情况下简述如下。输入端激励过渡段。在该激励处，输入端的模式为TE10模式。最佳设计时，矩形输入端、过渡段和输出端的前端面齐平，深度相同，在该激励处附近，所有的模式都为TEn0模式。由于过渡段的高度选择，使得其中TE10模式为主要传播模式，其余TEn0模式都为截止的高次模。在过渡段的右端，从左到右传播的波的模式主要为TE10模式。通过限定各输出端左端高度、第一个输出端上边沿距过渡段上边沿的距离、各输出端之间的隔壁的厚度，以及最后一个输出端下边沿距过渡段下边沿的距离，使得所有的输出端及其隔壁厚度之间的比例关系相同。这种设置，使各输出端输出的信号在很宽的带宽范围内幅度符合一定比例要求，相位一致。

本发明公布的紧凑型波导功分器可以实现波导全带宽的幅度和相位精度高的等分或不等分二路或多路功率分配。该发明既可以单独使用，也可以相互集成，或与其他功分器集成，构成宽带、功率分配比灵活、相位精度高的功率分配网络。特别是可以与具有良好输出隔离的其他功分器集成，构成具有良好输出隔离的功分网络。该发明在相控阵雷达、导弹制导、功率合成，特别是在低副瓣天线阵等领域有重要应用。

附图说明

图1为本发明的前视图。

图2为实施实例1前视图。

图3为实施实例1中2个输出端口输出功率之比的对数曲线。

图4为实施实例1中2个输出端口相位差曲线。

图5为实施实例1中输入端口的反射系数的对数曲线。

图6为实施实例2前视图。

方向定义：

将纸面面向读者垂直放置，纸面的上下左右对应着本申请书中的上下左右。纸面朝向读者的一面为前面。纸面背向读者的一面为后面。由读者沿纸面垂直进入纸面的距离定义为深度。从下至上的距离定义为高度。

具体实施方式

实施实例1

如图2所示。

紧凑型波导功分器，包括输入端1，过渡段2，和至少二个输出端3，输入端1位于过渡段2左端，所有输出端3位于过渡段2的右端，输入端1和输出端3都与过渡段2联通。

所述过渡段2的垂直其从左到右的中心线或轴线的任意横截面的形状为矩形。

所述输入端1和输出端3在与所述过渡段2相连处的交界面的形状为过渡段2高度小于过渡段2深度的2/3的矩形，所述输出端3在过渡段2的右侧从上到下按第一个、第二个…最后一个的次序排列，所述过渡段2的右端的上边沿高于第一个输出端3的左端面的上边沿，所述过渡段2的右端的下边沿低于最后一个输出端3的左端面的下边沿。

当第一个输出端3的左端面的高度为k₁b,过渡段2的右端的上边沿与第一个输出端3的左端面的上边沿的间距为k₁lb，则从第二个输出端3开始的其余输出端3的左端面的高度分别为k₂b，k₃b，…k_Nb，其余输出端3的左端面中两两之间的隔壁的厚度从上到下依次为(k₁+k₂)lb，(k₂+k₃)lb…，最后一个输出端3的左端面的下边沿距过渡段2的右端面的下边沿高k_Nlb，其中N为所述输出端3的总数，k_i、l为比例系数，b为某一高度值，i为正整数。

所述过渡段2的右端面的高度小于该紧凑型波导功分器最高工作频率处的自由空间波长的2/3。

所述输出端3的数目为2，所述两个输出端3上各自设置有1个波导不连续性结构，该波导不连续性结构4为波导阶梯、调谐螺钉、或能导致波导上反射系数大于-30dB且小于-15dB的其它凸起或凹陷，该两个波导不连续性结构的中心距过渡段2的右边端面的电长度之和大于或等于60度且小于或等于120度。

至少有一个输出端3向远离其它输出端3的方向弯曲。

所述输入端1，过渡段2，和所有输出端3的前端面齐平。

所述输入端1和过渡段2均与所有输出端3的深度相同。

具体的，紧凑型波导功分器，包括输入端1，过渡段2，二个输出端3，输入端1位于过渡段2左端，所有输出端3位于过渡段2的右端，输入端1和输出端3都与过渡段2联通。

所述过渡段2右两段矩形波导构成。垂直其从左到右的中心线或轴线的任意横截面的形状为矩形。

输入端1，和输出端3在与所述过渡段2相连处的交界面为矩形，其高度为4.2毫米，深度为7.11毫米，二者之比为0.59，小于2/3。所述输出波导3在过渡段2的右侧从上到下按第一个、第二个的次序排列，所述过渡2的右端的上边沿高于第一个输出端3的左端面的上边沿，所述过渡2的右端的下边沿低于最后一个输出端3的左端面的下边沿。

选择k₁=1、b=0.8毫米，l=0.3/0.8，k₂=2，第一个输出端3的左端面的高度为k₁b=0.8毫米，过渡段2的右端的上边沿与第一个输出端3的左端面的上边沿的间距为k₁lb=0.3毫米。第二个输出端3的左端面的高度为k₂b=1.6毫米。两个输出端3的左端面之间的隔壁的厚度为（k₁+k₂）lb=0.9毫米。第二个输出端3的左端面的下边沿距过渡段2的右端面的下边沿k₂lb=0.6毫米。

所述过渡段2的右端面的高度为4.2毫米，小于该紧凑型波导功分器最高工作频率处的自由空间波长的2/3。

所述输入端1，过渡段2，和所有输出端3的前端面齐平。

所述输入端1，过渡段2，和所有输出端3的深度相同。

图3至图6为实施实例1的紧凑型波导功分器的模拟计算曲线。从中可以看出，在26.3～40GHz频率范围内，很好地实现了一款功率差为2.5dB的两路不等分功分器。该功分器幅度误差小于+/-0.3dB，相位误相差0～4度之内，输入端反射低于-12.8dB。该功分器的相对工作带宽为41%，为该波段标准矩形波导的全部工作带宽。其性能优于以前的功分器。

实施实例2

如图6.与实施实例1的主要区别在于，该功分器为三路功分器。所述输出端3的数目为3或大于3，所述每个输出端3上各自设置有波导不连续性结构，该波导不连续性结构为波导阶梯、调谐螺钉、或能导致波导上反射系数大于或等于-30dB且小于或等于-15dB的其它凸起或凹陷，该波导不连续性结构的中心距过渡段2的右边端面的电长度大于30或等于度且小于或等于60度。第一个和第三个输出端3向远离其它输出端3的方向弯曲。

上述仅为举例。实际生产中，输出端的数目可以为2路、3路、4路，一直到10路以上。

如上所述即可较好的实现本发明。

Claims (7)

1.紧凑型波导功分器，其特征在于，包括输入端（1），过渡段（2），和至少二个输出端（3）， 输入端（1）位于过渡段（2）左端，所有输出端（3）位于过渡段（2）的右端，输入端（1）和输出端（3）都与过渡段（2）联通；

所述过渡段（2）的任意一个垂直于该过渡段（2）从左至右的中心线或轴线的横截面的形状为矩形，而且该矩形的高度小于该矩形深度的2/3；

所述输入端（1）和所有输出端（3）的垂直于其从左至右的中心线或轴线的横截面为矩形，所述输出端（3）在过渡段（2）的右侧从上到下按第一个、第二个…最后一个的次序排列，所述过渡段（2）的右端的上边沿高于第一个输出端（3）的左端面的上边沿，所述过渡段（2）的右端的下边沿低于最后一个输出端（3）的左端面的下边沿；

当第一个输出端（3）的左端面的高度为k₁b，过渡段（2）的右端的上边沿比第一个输出端（3）的左端面的上边沿高k₁lb，则从第二个输出端（3）开始的其余输出端（3）的左端面的高度分别为k₂b， k₃b，…k_Nb，其余输出端（3）的左端面中两两之间的隔壁的厚度从上到下依次为(k₁+k₂) lb，(k₂+k₃) lb，…，最后一个输出端（3）的左端面的下边沿比过渡段（2）的右端面的下边沿高k_Nlb，其中N为所述输出端（3）的总数，k_i、l为比例系数，b为某一高度值，i为正整数。

2.根据权利要求1所述的紧凑型波导功分器，其特征在于，所述过渡段（2）的右端面的高度小于该紧凑型波导功分器最高工作频率处的自由空间波长的2/3。

3.根据权利要求1所述的紧凑型波导功分器，其特征在于，所述输出端（3）的数目为2，所述两个输出端（3）上各自设置有1个波导不连续性结构，该波导不连续性结构为波导阶梯或调谐螺钉或能导致波导上反射系数大于-30dB且小于-15dB的其它凸起或凹陷，该两个波导不连续性结构的中心距过渡段（2）的右边端面的电长度之和大于或等于60度且小于或等于120度。

4.根据权利要求1所述的紧凑型波导功分器，其特征在于，所述输出端（3）的数目为3或大于3，所述每个输出端（3）上各自设置有波导不连续性结构（4），该波导不连续性结构为波导阶梯或调谐螺钉或能导致波导上反射系数大于或等于-30dB且小于或等于-15dB的其它凸起或凹陷，该波导不连续性结构的中心距过渡段（2）的右边端面的电长度大于30且小于或等于60度。

5.根据权利要求1所述的紧凑型波导功分器，其特征在于，至少有一个输出端（3）向远离其它输出端（3）的方向弯曲。

6.根据权利要求1所述的紧凑型波导功分器，其特征在于，所述输入端（1），过渡段（2），和所有输出端（3）的前端面齐平。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的紧凑型波导功分器，其特征在于，所述输入端（1）和过渡段（2）均与所有输出端（3）的深度相同。