CN104577284A - 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，包括一节或多节耦合段，与耦合段连通的1个输入端口，2个输出端口和3个隔离端口。所有的端口采用矩形波导时，其宽度小于其高度。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E面波导功分器，特别适合串接构成多路功分网络。本发明还具有结构简单、加工难度低的特点。特别地，所述端口波导的E面尺寸可以缩小成为减高波导，使得该功分器的体积在其它H面的功分器的基础上大大缩小，特别适合于构成紧凑型波导功分网络。？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，涉及一种输出端之间隔离度高的紧凑型等相位大功率波导二路功分器。

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元件。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两个输出端信号的幅度和相位精度。 波导魔T的输出端口之间有很好的隔离，而且两个输出端信号的幅度和相位都相同，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。同时，这种器件在长宽高三个方面都比较大，不利于器件的小型化。因此，波导魔T作为单元串接构成多路功分网络时， 结构复杂、加工成本高， 还将面临安装对位误差引起的性能下降问题。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的信号之间存在固有的90度相位差， 幅度也不相同。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。相位补偿电路会使器件体积增大并使设计难度大大提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种输出端之间隔离度高的紧凑型等相位大功率波导二路功分器。

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，包括一节或多节耦合段，与耦合段连通的输入端、输出端A和输出端B、隔离端A、隔离端B、隔离端C。所有的耦合段相互连通构成耦合腔。隔离端B和隔离端C位于输入端的右侧和左侧，隔离端A与输入端相对。输入端为柱状体，其轴线与输入端的法线方向平行。输出端A和输出端B与输入端相对并位于输入端轴线的右侧和左侧，其特征在于：在耦合段内，至少设置有至少两根短路金属柱；任意一根短路金属柱的上端在耦合段的顶部与耦合段的内壁相连，同时该短路金属柱的下端在耦合段的底部与耦合段的内壁相连。

为了实现两个输出端之间良好的隔离，在耦合腔中，沿着输出端的轴线方向，至少用两根短路将耦合器分为沿输入端轴线方向的前后两个单连通区域。为此，在耦合段内，至少设置有两根短路金属柱。任意一根短路金属柱只在在耦合段的底部和顶部与耦合段的内壁相连。单连通区域是指该区域内部的任何封闭曲线都可以在该耦合段内连续收敛于一个点。

隔离端A为短路。为了简化该紧凑型波导功分器的结构，隔离端A设置为短路，或选择不设该隔离端。

所述紧凑型波导功分器相对于输入端的轴线为左右对称结构。对于较佳的设计， 我们让两个输出端的功率和相位都相同。 为此，所述紧凑型波导功分器相对于输入端的轴线为左右对称结构。

为了便于利用铣切加工，所述耦合段为矩形体结构，输入端、 输出端A、输出端B、隔离端A、隔离端B和隔离端C的横截面均为矩形。

为了有利于器件的小型化，所述输入端的宽度小于其高度，输出端A的宽度小于其高度，输出端B的宽度小于其高度。也就是，该波导功分器为E面波导功分器。

为了拓展该紧凑型波导功分器的工作带宽，耦合段的数目为大于或等于2，不同耦合段的最大宽度沿输入端的轴线方向变化。同时，不同耦合段的高度沿输入端的轴线方向也可以变化。

为了进一步拓展该紧凑型波导功分器的工作带宽，所述耦合段内设置有若干根开路金属柱。所述的开路金属柱在耦合段的底部与耦合段的内壁相连，而且所述的开路金属柱在耦合段的顶部不与耦合段的内壁相连；或者，所述的开路金属柱在耦合段的顶部与耦合段的内壁相连，而且所述的开路金属柱在耦合段的底部不与耦合段的内壁相连。

开路金属柱与短路金属柱保持一定的间隙，开路金属柱也可以与短路金属柱保持零间隙。

所述输入端和/或输出端A和/或输出端B和/或隔离端A和/或隔离端B和/或隔离端C上设置有宽度变化的过渡段。以进一步拓展该紧凑型波导功分器的工作带宽。

为了便于将该紧凑型波导功分器的所有结构作为整体在一个金属底座上完成，所有结构，包括所有耦合段、输入端、 输出端A、输出端B、隔离端A、隔离端B和隔离端C的上表面位于同一个平面内。该结构同时便于该紧凑型波导功分器与其它紧凑型波导功分器一体化集成构成波导功分网络。

本发明的最大特点是两个输出端之间的相位差和幅度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，两个输出端口相对于输入端对称性好。特别是当我们将整个功分器设计成相对于输入端轴线左右完全对称的结构时，两个输出端的功率和相位完全相同。因此，本发明提供的紧凑型波导功分器的两个输出端相位可以做到完全相同，两个输出端之间具有15dB甚至20dB以的良好隔离。与H面的类似器件相比，该E面波导功分器可以采用减高波导，大大减小单个波导功分器占用的空间。 多个该器件串接构成多路波导功分器时，器件在性能、工作带宽和体积方面具有明显优势。

附图说明

图1为本发明的俯视示意图和实施实例1的俯视示意图。

图2为图1沿AA方向剖视示意图

图3为实施实例2的俯视示意图

图4为实施实例3的俯视示意图

附图中标号对应名称：1-输入端，2-隔离端A、3-输出端A ，4-隔离端B、5-输出端B，6-隔离端C， 7-耦合段，8-短路金属柱，9-开路金属柱，10-过渡段。

在图1、图3和图4中，几个方向定义：高度：所述结构在本文中垂直于纸面指向读者的方向上的长度。宽度：所述结构在本文中从左到右的方向上的长度。

具体实施方式

实施实例1

如图1和图2所示，

紧凑型波导功分器，包括由5节耦合段7构成的耦合腔，与耦合腔连通的输入端1、输出端A3和输出端B5、隔离端A2、隔离端B4、隔离端C6。5节耦合段7的高度都相同。输入端1为柱状体，其轴线与输入端1的法线方向平行。隔离端B4和隔离端C6位于输入端1的右侧和左侧，隔离端A2与输入端1相对。输出端A3和输出端B5与输入端1相对并位于输入端1轴线的右侧和左侧。在一节耦合段7内，设置有两根短路金属柱8。任意一根短路金属柱8的上端在耦合段7的顶部与耦合段7的内壁相连，同时该短路金属柱8的下端在耦合段7的底部与耦合段7的内壁相连。

为了实现两个输出端之间良好的隔离，在耦合段中，沿着输出端的轴线方向，将耦合器分为前后两个单连通区域。为此，在耦合段内设置有两根短路金属柱。任意一根短路金属柱只在在耦合段的底部和顶部与耦合段的内壁相连。单连通区域是指该区域内部的任何封闭曲线都可以在该耦合段1内连续收敛于一个点。

隔离端A2为短路。为了简化该紧凑型波导功分器的结构，隔离端A设置为短路。

所述紧凑型波导功分器相对于输入端1的轴线为左右对称结构。对于较佳的设计， 我们让两个输出端的功率和相位都相同。 为此，所述紧凑型波导功分器相对于输入端的轴线为左右对称结构。

为了便于利用铣切加工，所述耦合段7为矩形体结构，输入端1、 输出端A3、输出端B5、隔离端A2、隔离端B4和隔离端C6的横截面均为矩形。

为了有利于器件的小型化，所述输入端1的宽度小于其高度，输出端A3的宽度小于其高度，输出端B5的宽度小于其高度。也就是，该波导功分器为E面波导功分器。

为了拓展该紧凑型波导功分器的工作带宽，所述耦合段7的宽度沿输入端1的轴线变化。不同耦合段7的最大宽度沿输入端1的轴线方向变化。

为了进一步拓展该紧凑型波导功分器的工作带宽，所述耦合段7内设置有2根开路金属柱9。所述的开路金属柱9在耦合段7的底部与耦合段7的内壁相连，而且所述的开路金属柱9在耦合段7的顶部不与耦合段7的内壁相连。

开路金属柱9与短路金属柱8保持一定的间隙。

所述输入端1、输出端A3、输出端B5、隔离端A2、隔离端B4、隔离端C6上设置有宽度变化的过渡段10，以进一步拓展该紧凑型波导功分器的工作带宽。

为了便于将该紧凑型波导功分器的所有结构作为整体在一个金属底座上完成，所有结构，包括耦合段7、输入端1、 输出端A3、输出端B5、隔离端A2、隔离端B4和隔离端C6的上表面位于同一个平面内。该结构便于该紧凑型波导功分器与其它紧凑型波导功分器一体化集成构成波导功分网络。

该结构同时便于该紧凑型波导功分器与其它紧凑型波导功分器一体化集成构成波导功分网络。

实施实例2

如图3.与实施实例1的区别仅在于，采用一节矩形耦合段， 4根开路金属柱9，2根短路金属柱8。所述开路金属柱9与相邻的短路金属柱8在沿着输入端1的轴线方向连接。输入端1的轴线左侧有2根开路金属柱9和1根短路金属柱8。沿输入端1的轴线方向的排列顺序为：开路金属柱9、短路金属柱8、开路金属柱9。输入端1的轴线右侧有2根开路金属柱9和1根短路金属柱8。沿输入端1的轴线方向的排列顺序为：开路金属柱9、短路金属柱8、开路金属柱9。同时，隔离端2设置为短路。

实施实例3

如图4.与实施实例1的区别仅在于，共6节耦合段7，而且它们的高度和宽度都不相同。采用4根短路金属柱8。输入端1的轴线左侧有2根短路金属柱8。输入端1的轴线右侧有2根短路金属柱8。所述短路金属柱8之间都不连接。同时，隔离端2设置为长度为零的短路。6节耦合段7沿输入端1的轴线方向依次重叠放置。这6节耦合段7分别为一级耦合段、二级耦合段、三级耦合段、四级耦合段、五级耦合段、六级耦合段，在三级耦合段内设置有2根短路金属柱8，在五级耦合段内设置与2根短路金属柱8，其余耦合段内未放置短路金属柱8。

上述仅为举例。实际生产中，为了便于采用数控铣床加工，各耦合段之间的连接处需要倒角。这种改变属于器件加工中的普遍做法。同时，耦合腔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其他形状。

Claims (10)

1.紧凑型波导功分器，包括一节或多节耦合段（7），与耦合段（7）连通的输入端（1）、输出端A（3）和输出端B（5）、隔离端A（2）、隔离端B（4）、隔离端C（6）；所有的耦合段（7）相互连通构成耦合腔；隔离端B（4）和隔离端C（6）分别位于输入端（1）的右侧和左侧，隔离端A（2）与输入端（1）相对；输入端（1）为柱状体，其轴线与输入端（1）的法线方向平行；输出端A（3）和输出端B（5）与输入端（1）相对并分别位于输入端（1）轴线的右侧和左侧，其特征在于：在耦合段（7）内，至少设置有两根短路金属柱（8）；任意一根短路金属柱（8）的上端在耦合段（7）的顶部与耦合段（7）的内壁相连，同时该短路金属柱（8）的下端在耦合段（7）的底部与耦合段（7）的内壁相连。

2.根据权利要求1所述的紧凑型波导功分器，其特征在于，隔离端A（2）为短路。

3.根据权利要求1所述的紧凑型波导功分器，其特征在于，所述紧凑型波导功分器相对于输入端（1）的轴线为左右对称结构。

4.根据权利要求1所述的紧凑型波导功分器，其特征在于，所述耦合段（7）为矩形体结构，输入端（1）、 输出端A（3）、输出端B（5）、隔离端A（2）、隔离端B（4）和隔离端C（6）的横截面均为矩形。

5.根据权利要求4所述的紧凑型波导功分器，其特征在于，所述输入端（1）的宽度小于其高度，输出端A（3）的宽度小于其高度，输出端B（5）的宽度小于其高度。

6.根据权利要求1所述的紧凑型波导功分器，其特征在于，耦合段（7）的数目为大于或等于2，不同耦合段（7）的最大宽度沿输入端（1）的轴线方向变化。

7.根据权利要求1所述的紧凑型波导功分器，其特征在于，耦合段（7）的数目为大于或等于2，不同耦合段（7）的最大高度沿输入端（1）的轴线方向变化。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的紧凑型波导功分器，其特征在于，所述耦合段（7）内设置有至少一根开路金属柱（9），所述的开路金属柱（9）在耦合段（7）的底部与耦合段（7）的内壁相连，而且所述的开路金属柱（9）在耦合段（7）的顶部不与耦合段（7）的内壁相连；或者，所述的开路金属柱（9）在耦合段（7）的顶部与耦合段（7）的内壁相连，而且所述的开路金属柱（9）在耦合段（7）的底部不与耦合段（7）的内壁相连。

9.根据权利要求1至7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/或输出端A（3）和/或输出端B（5）和/或隔离端A（2）和/或隔离端B（4）和/或隔离端C（6）上设置有宽度变化的过渡段（10）。

10.根据权利要求1至7中任意一项所述的紧凑型波导功分器，其特征在于，所有结构，包括耦合段（7）、输入端（1）、 输出端A（3）、输出端B（5）、隔离端A（2）、隔离端B（4）和隔离端C（6）的上表面位于同一个平面内。