CN104092001B - E面巾字形功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种E面巾字形功分器，包括耦合腔，与耦合腔连通的输入端，输出端A，输出端B和匹配端。该器件可以为左右对称结构，输入端，输出端A，输出端B或匹配端在与耦合腔相连处的交界面中心处的法线方向都与耦合腔上表面之间的夹角都小于或等于30度。其中输入端的宽度大于其高度，匹配端，输出端A，输出端B的高度大于其宽度。耦合腔在耦合腔上表面上某一方向上的最大尺寸小于该E面巾字形功分器的最高工作频率对应的自由空间波长的一半。本发明的E面巾字形功分器具有结构简单紧凑、加工调试成本低、输出端之间隔离度好、输出端之间幅相精度高等特点，构成多路功分器、和差器、比较器等，用于雷达、导弹制导、通信等军事及民用领域。

Description

E面巾字形功分器

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一致性好的紧凑型宽带波导功率分配器。

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、E面波导环形电桥（RingHybrid或Rat-RaceHybrid）和H面波导环形电桥等。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，但其四个波导端口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。因此波导魔T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，更不适合作为单元串接构成多路功分网络。E-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而成，加工精度大大提高，加工成本大大降低。但是，已有的E-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，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。同时，E-面波导裂缝电桥的工作带宽比较窄。E面波导环形电桥（RingHybrid或Rat-RaceHybrid）和H面波导环形电桥也由于体积比较大，工作带宽比较窄，其用途受到限制，特别是在多路功分网络小型化设计时波导环形电桥很少被使用。

在制导系统中，上述波导魔T，H面波导裂缝电桥、E面波导环形电桥（RingHybrid或Rat-RaceHybrid）和H面波导环形电桥等经常还被单独作为和差器来使用，或作为元器件构成功能更复杂的和差器网络来使用。在这种情况下，这些器件的弱点仍然明显。

发明内容

本发明的目的在于提供一种幅度和相位一致性好，工作带很宽的紧凑型宽带波导功率分配器。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：E面巾字形功分器，包括耦合腔，与耦合腔连通的输入端、输出端A、输出端B和匹配端；匹配端远离耦合腔的一端连接匹配负载；输入端或\和输出端A或\和输出端B或\和匹配端与耦合腔相连处的交界面在其中心处的法线方向与耦合腔上端面之间的夹角都小于或等于30度，并且耦合腔在耦合腔上表面上某一方向上的最大尺寸小于或等于该E面巾字形功分器的最高工作频率对应的自由空间波长的一半。耦合腔上表面为平行于纸面方向的表面。

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于一个点。单连通空腔结构即单连通区域，单连通区域是数学的基本概念之一。设D是平面区域，如果D内任一闭曲线所围的部分都属于D，则称D为平面单连通区域。

输出端A、输出端B和匹配端均位于耦合腔的前端面，输入端位于耦合腔的后端面，所述前端面为纸面垂直放置时的上方，所述后端面为纸面垂直放置时的下方；前端面和后端面为耦合腔的两个相对的平面，输出端A、输出端B分别位于匹配端的两侧。

所述匹配端与耦合腔相连处的交界面的中心处的电场的水平分量的幅值大于其垂直分量的幅值；输入端与耦合腔相连处的交界面的中心处的电场的垂直分量的幅值大于其水平分量的幅值；输出端A与耦合腔相连处的交界面的中心处的电场的水平分量的幅值大于其垂直分量的幅值；输出端B与耦合腔相连处的交界面的中心处的电场的水平分量的幅值大于其垂直分量的幅值。

所述匹配端与耦合腔相连处的交界面中心处的法线方向和输出端A与耦合腔相连处交界面中心处的法线方向之间的夹角小于或等于30度；所述匹配端与耦合腔相连处的交界面中心处的法线方向和输出端B与耦合腔相连处交界面中心处的法线方向之间的夹角小于或等于30度。

对于二路功率等分功分器情况，所述耦合腔、输入端、输出端A、输出端B和匹配端所构成的结构呈左右镜像对称形状，输出端A和输出端B关于匹配端呈对称排布。

所述输入端与耦合腔相连处位于耦合腔外设置有至少一个只接触输入端底部或顶部的金属柱B，位于耦合腔内在与输入端相连处设置有至少一个只接触耦合腔底部或顶部的金属柱A。

所述耦合腔、输入端、输出端A、输出端B、匹配端的上表面齐平。

所述输入端、输出端A、输出端B远离耦合腔的一端均分别设置有端口宽度比相应的各端口宽度变化大于或等于10%的传输线，而且该传输线为空波导或脊波导或同轴线。

输入端为矩形波导或脊波导；输出端A、输出端B、匹配端为矩形波导；耦合腔为矩形体。

耦合腔上表面和水平面均为在俯视方向看到的耦合腔的平面。

上述E面巾字形功分器总的来说，包括耦合腔，与耦合腔连通的输入端、输出端A、输出端B和匹配端。匹配端外连接匹配负载，匹配负载用以吸收从耦合腔耦合到匹配端的所有微波能量。与已有的波导魔T中有一个端口与其余三个端口垂直相比，该发明的最大特点是输入端、输出端A、输出端B和匹配端在与耦合腔相连处的交界面的中心处的法线方向与耦合腔上表面之间的夹角可以为零度，从而使得该发明为准平面结构，大大简化了器件的结构，并简化了器件的加工和装配过程。与已有的E面波导环形电桥中的对应的耦合腔的尺度相比，耦合腔在耦合腔上表面上某一方向上的最大尺寸小于该E面巾字形功分器的最高工作频率对应的自由空间波长的一半。

与已有的H面和E面波导环形电桥的非对称特点相比，本发明中的耦合腔、输入端、输出端A、输出端B和匹配端所构成的结构呈左右镜像对称形状，即轴对称结构。这种形状的固有对称性保证了两个输出端的功率幅度和相位在理论上是完全一致的。

与已有的H面和E面波导环形电桥中的耦合腔为环形结构相比，本发明中的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于一个点。具体来说就是耦合腔内不存在任何其他空间。

对于各端口在水平面上的位置安排上，输出端A和输出端B在水平面上的位置分别在左边和右边与匹配端相邻，匹配端和输入端在水平面上被输出端A或输出端B隔开。

匹配端、输出端A和输出端B与耦合腔相连处的交界面的深度大于其在水平面上的宽度。输入端与耦合腔相连处的交界面的深度小于其在水平面上的宽度。由此保证了匹配端、输出端A和输出端B的电场的极化方向主要为水平极化，即与耦合腔相连处的交界面的中心处的电场的水平分量的幅值大于其垂直分量的幅值。同时又保证了输入端的电场的极化方向主要为垂直极化，即输入端与耦合腔相连处的交界面的中心处的电场的垂直分量的幅值大于其水平分量的幅值。深度是指耦合腔上表面指向下端面的高度。宽度是指由耦合腔左端面指向右端面的长度。

所述匹配端与耦合腔相连处的交界面的中心处的电场的水平分量的幅值大于其垂直分量的幅值；输入端与耦合腔相连处的交界面的中心处的电场的垂直分量的幅值大于其水平分量的幅值；输出端A与耦合腔相连处的交界面的中心处的电场的水平分量的幅值大于其垂直分量的幅值；输出端B与耦合腔相连处的交界面的中心处的电场的水平分量的幅值大于其垂直分量的幅值

匹配端与耦合腔相连处的交界面中心处的法线方向与输出端A与耦合腔相连处交界面中心处的法线方向之间的夹角以零度为佳，也可以设置为小于30度或等于30度的角度。匹配端与耦合腔相连处交界面中心处的法线方向和输出端B与耦合腔相连处交界面中心处的法线方向之间的夹角也以零度为佳，也可以设置为小于30度或等于30度的角度。

为了增加工作带宽，输入端在与耦合腔相连处设置有至少一个只接触其底部或顶部的金属，金属柱不延伸进耦合腔。同时，输入端、输出端A、输出端B外分别设置有宽度比相应的各端口宽度差别超过10%的传输线，所述输入端、输出端A、输出端B远离耦合腔的一端均分别设置有端口宽度比相应的各端口宽度变化大于或等于10%的传输线，而且该传输线为空波导或脊波导或同轴线。

为了便于将该器件分为底座和盖板，分别采用普通数控铣床一次性加工完成，简化加工，更好地保证加工精度，特别是在由此构成多路功分网络时，该E面巾字形功分器中的耦合腔、输入端、输出端A、输出端B、匹配端的上表面都齐平。

本发明提供了一种宽带、输出端之间具有良好隔离、幅相一致性好的波导功分器。由于该功分器可以分为底座和盖板，分别采用普通数控铣床一次性加工完成，在相互串接构成多路功分网络时，所有电路都可以分为底座和盖板，分别采用普通数控铣床一次性加工完成，由此大大简化了加工，同时更好地保证了加工精度。与已有的魔T相比，该发明为准平面结构。与已有的H面或E面波导环形电桥相比，该发明可以为对称结构，从结构上保证了器件的输出端A、输出端B幅度和相位在理论上是完全一致的，并同时具有更宽的工作带宽。该发明也可以采用左右不对称结构，从而使二路输出功率不相等。这时，由于两个输出端的固有相位差可以比90度小，其相位匹配比其他二路不等分功分器容易。

需要指出的是，该功分器在等幅均分时可以作为和差器使用。这时，信号由输出端A和输出端B分别同时输入所述功分器，两信号的差信号由匹配端输出，和信号则由输入端输出。此时匹配端处的匹配负载由差信号通道代替。

本发明的工作原理可以简述如下：当微波信号通过输入端进入到耦合腔中后，匹配端由于其极化方向与输入端的极化方向垂直，将没有能量输出。能量大部分从输出端A和输出端B上输出。当微波信号通过输出端A进入到耦合腔中后，部分能量将从输入端输出，另一部分能量从匹配端输出，而通过输出端B输出的能量很小。因此，很好地实现了输出端A和输出端B之间的隔离。通过调整输入端、输出端A、输出端B、匹配端和耦合腔的尺寸、形状和相对位置，并同时调节连接各个端口的传输线的尺寸，可以实现各端口的良好匹配、输出端之间的良好隔离，同时保证波导功分器在宽频带范围内的幅相精确度。

本发明的优点在于：总体占用体积小，输出隔离效果好，输出相位幅度可达到等相位输出。

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。

附图中标号对应名称：1-耦合腔，2-输入端，3-输出端A,4-输出端B,5-匹配端,6-金属柱B，7-匹配负载，8-传输线,9-金属柱A。

参见图1，所述前端面为纸面垂直放置时的上方，所述后端面为纸面垂直放置时的下方。上表面为平行于纸面指向外侧方向，下表面为平行于纸面指向内侧方向。

具体实施方式

实施实例1

如图1、2所示，E面巾字形功分器，包括耦合腔1，与耦合腔1连通的输入端2、输出端A3、输出端B4和匹配端5。匹配端5外连接匹配负载7，匹配负载7用以吸收从耦合腔1耦合到匹配端5的所有微波能量。输入端2、输出端A3、输出端B4或匹配端5在与耦合腔1相连处的交界面（图1中虚线示出）的中心处的法线方向与耦合腔1上表面之间的夹角可为零度或30度或15度，在图1和2中的夹角角度为零度。耦合腔1在水平面上沿输入端2的轴线方向上的最大尺寸为5毫米，仅为该E面巾字形功分器的最高工作频率9.3GHz对应的自由空间波长32毫米的5/32（小于1/2）。

耦合腔1为矩形体结构，是比较简单的单连通空腔结构。

对于各端口在水平面上的位置安排上，输出端A3和输出端B4在水平面上的位置分别在左边和右边与匹配端5相邻，匹配端5和输入端2在水平面上被输出端A3或输出端B4隔开。

匹配端5、输出端A3和输出端B4与耦合腔1相连处的交界面的深度大于其在水平面上的宽度。输入端2与耦合腔1相连处的交界面的深度小于其在水平面上的宽度。由此保证了匹配端5、输出端A3和输出端B4的电场的极化方向主要为水平极化，即匹配端5、输出端A3和输出端B4与耦合腔1相连处的交界面的中心处的电场的水平分量的幅值大于其垂直分量的幅值。同时又保证了输入端2的电场的极化方向主要为垂直极化，即输入端2与耦合腔1相连处的交界面的中心处的电场的垂直分量的幅值大于其水平分量的幅值。

匹配端5与耦合腔1相连处的交界面中心处的法线方向和输出端A3与耦合腔1相连处交界面中心处的法线方向之间的夹角为零度。匹配端5与耦合腔1相连处的交界面中心处的法线方向与输出端B4和耦合腔1相连处交界面中心处的法线方向之间的夹角也为零度。

该实施实例为等功率功分器，其中耦合腔1、输入端2、输出端A3、输出端B4和匹配端5所构成的结构呈左右镜像对称形状。

输入端2与耦合腔1相连处设置了一个其底部与输入端2接触的金属柱B6。同时，输入端2、输出端A3、输出端B4在远离耦合腔的一端分别设置有宽度比相应的各端口宽度宽10%以上的传输线8，输入端2外接脊波导，输出端A3、输出端B4外接波导。

耦合腔1、输入端2、输出端A3、输出端B4、匹配端5的上表面都齐平。

图3为该E面巾字形功分器的模拟曲线。图中，S11表示输入端的反射系数。S21表示输入端到输出端A的传输系数。S31表示输入端到输出端B的传输系数。S22表示输出端A的反射系数。S33表示输出端B的反射系数。S44表示匹配端的反射系数。S32表示输出端A和输出端B之间的隔离系数。

从图3中可以看出，从7.2G到9.3G的超过25%的相对带宽范围内，该器件各端口的反射系数都低于-15dB,两个输出端之间的隔离度大于18dB，输出端A3的输出介于-3dB和-3.2dB之间,波动小于0.2dB。由于器件为左右对称结构，两个输出端的幅度和相位都完全一致。

上述仅为举例,给出了本发明的较佳的实现方式之一。该发明也可以采用不对称结构，构成不等分功分器。同时，耦合腔1可以为各种形状的空腔，内部可以设置各种金属凸台或凹槽。

本发明的E面巾字形功分器具有结构简单紧凑。在等分情况下，可以实现高达25%的相对工作带宽。本发明还有加工调试成本低、输出端之间隔离度好、输出端之间幅相精度高等特点。特别是其准平面结构，既可以单独使用，更可以构成多路功分器、和差器、比较器等。这些器件都可以分为底座和盖板，分别采用普通数控铣床一次性加工完成，很好地保证了器件的加工精度。该器件可以广泛用于雷达、导弹制导、通信等军事及民用领域。

Claims (8)

1.E面巾字形功分器，其特征在于，包括耦合腔（1），与耦合腔（1）连通的输入端（2）、输出端A（3）、输出端B（4）和匹配端（5）；匹配端（5）远离耦合腔（1）的一端连接匹配负载（7）；输入端（2）或\和输出端A（3）或\和输出端B（4）或\和匹配端（5）与耦合腔（1）相连处的交界面在其中心处的法线方向与耦合腔(1)上端面之间的夹角都小于或等于30度；所述匹配端（5）与耦合腔（1）相连处的交界面的中心处的电场的水平分量的幅值大于其垂直分量的幅值；输入端（2）与耦合腔（1）相连处的交界面的中心处的电场的垂直分量的幅值大于其水平分量的幅值；输出端A（3）与耦合腔（1）相连处的交界面的中心处的电场的水平分量的幅值大于其垂直分量的幅值；输出端B（4）与耦合腔（1）相连处的交界面的中心处的电场的水平分量的幅值大于其垂直分量的幅值；输出端A（3）、输出端B（4）和匹配端（5）均位于耦合腔（1）的前端面，输入端（2）位于耦合腔（1）的后端面，所述前端面为纸面垂直放置时的上方，所述后端面为纸面垂直放置时的下方；前端面和后端面为耦合腔（1）的两个相对的平面，输出端A（3）、输出端B（4）分别位于匹配端（5）的两侧。

2.根据权利要求1所述的E面巾字形功分器，其特征在于，所述耦合腔（1）在耦合腔(1)上表面上某一方向上的最大尺寸小于或等于该E面巾字形功分器的最高工作频率对应的自由空间波长的一半。

3.根据权利要求1所述的E面巾字形功分器，其特征在于，所述耦合腔（1）为单连通空腔结构，即该耦合腔（1）内部的任何封闭曲线都可以在该耦合腔（1）内连续收敛于一个点。

4.根据权利要求1所述的E面巾字形功分器，其特征在于，所述匹配端（5）与耦合腔（1）相连处的交界面中心处的法线方向和输出端A（3）与耦合腔（1）相连处交界面中心处的法线方向之间的夹角小于或等于30度；所述匹配端（5）与耦合腔（1）相连处的交界面中心处的法线方向和输出端B（4）与耦合腔（1）相连处交界面中心处的法线方向之间的夹角小于或等于30度。

5.根据权利要求1所述的E面巾字形功分器，其特征在于，所述耦合腔（1）、输入端（2）、输出端A（3）、输出端B（4）和匹配端（5）所构成的结构呈左右镜像对称形状，输出端A（3）和输出端B（4）关于匹配端（5）呈对称排布。

6.根据权利要求1所述的E面巾字形功分器，其特征在于，在所述输入端（2）与耦合腔（1）相连处位于耦合腔（1）外设置有至少一个只接触输入端（2）底部或顶部的金属柱B（6），位于耦合腔（1）内在与输入端（2）相连处设置有至少一个只接触耦合腔（1）底部或顶部的金属柱A（9）。

7.根据权利要求1所述的E面巾字形功分器，其特征在于，所述输入端（2）、输出端A（3）、输出端B（4）在远离耦合腔（1）的一端均分别设置有端口宽度比相应的各端口宽度变化大于或等于10%的传输线（8），而且该传输线为空波导或脊波导或同轴线；所述耦合腔（1）、输入端（2）、输出端A（3）、输出端B（4）、匹配端（5）的上表面齐平。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的E面巾字形功分器，其特征在于，输入端（2）为矩形波导或脊波导；输出端A（3）、输出端B（4）、匹配端（5）为矩形波导；耦合腔（1）为矩形体。