CN104900971A - 一种波导和差器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种波导和差器。整个结构排布在一个波导层平面内；包括第一、第二和第三3个四端口结构单元，1个三端口结构单元，以及连通所有结构单元的连接器；其中第一和第二四端口结构单元在平面内俯仰向上相对设置成镜像对称关系，分布在外侧的四个端口在阵面发射状态时为信号输出通道，在阵面接收状态时为信号输入通道；第三四端口结构单元与三端口结构单元在方位向上相对设置。结构紧凑，整个结构排布在一个波导层内，以其电路简单、结构新颖、便于加工和集成、无需调试为主要特点，且插入损耗小，功率容量大，端口驻波比好，和差通道隔离度高，性能可靠性高。

Description

一种波导和差器

技术领域

本发明涉及一种波导和差器，特别是涉及一种单层波导结构的紧凑型波导和差器。

背景技术

在电子设备与系统当中，尤其是天线阵雷达前端设备中，和差器是不可或缺的重要微波元件之一。和差器主要用于形成天线阵接收和波束、方位差波束、俯仰差波束输出与将发射激励信号分配给功分合成网络。已有的和差器按传输线形式分类有波导型和差器、带状线型和差器、微带型和差器之分，每一种和差器由于具体的用途和应用场合的不同，又将会有多种不同的具体形式。微带型和差器、带状线型和差器具有体积小、重量轻的优势，但无法应用在高功率要求的波导天线阵中；而对于报道中或工程上常用的波导和差器，大都采用四个魔T结构单元或三个魔T结构单元和一个H面T型结组合而成，为了减小体积，多采用折叠的魔T结构，但一个完整的和差器仍然需要3个波导层，难于实现结构的小型化和低成本的加工和装配，不利于系统集成设计。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构小型化，加工成本低，易于装配，利于系统集成设计，无需调试的波导和差器。

本发明采用的技术方案如下：一种波导和差器，其特征在于：整个结构排布在一个波导层平面内；包括第一、第二和第三3个四端口结构单元，1个三端口结构单元，以及连通所有结构单元的连接器；其中第一和第二四端口结构单元在平面内俯仰向上相对设置成镜像对称关系，分布在外侧的四个端口在阵面发射状态时为信号输出通道，在阵面接收状态时为信号输入通道；第三四端口结构单元与三端口结构单元在方位向上相对设置，分布在外侧的三个端口中，第三四端口结构单元侧分别为和通道和俯仰差通道，三端口结构单元侧为方位差通道；所述第一和第二四端口结构单元的同相和端口成镜像对称地分别与第三四端口结构单元的两个内侧端口匹配相接，反相和端口成镜像对称地分别与三端口结构单元的两个内侧端口匹配相接；所述每个四端口结构单元由一个或两个移相器和一个具有90度相位差的波导裂缝电桥来实现。

作为优选，所述三端口结构单元由一个H面T型结来实现。

作为优选，所述每个四端口结构单元、三端口结构单元和连接器为H面波导结构。

作为优选，所述每个四端口结构单元中，处于波导裂缝电桥直通端的移相器使其相位滞后相同波导长度M度，耦合端移相器使其相位超前相同波导长度N度；其中0≤M≤90，0≤N≤90，且M+N=90。

作为优选，所述每个四端口结构单元采用介质波导移相器或直接通过波导宽边的宽窄变换来达到移相的目的。

所述每个四端口结构单元通过波导宽边的宽窄变换来达到移相的目的时：在直通端采用一段波导宽边变宽，且阻抗匹配使相位比同样长度矩形空波导滞后M度；在耦合端通过采用波导宽边变窄，且阻抗匹配使相位比同样长度的矩形空波导超前N度。

作为优选，所述M=N=45。

作为优选，所述所有四端口结构单元和三端口结构单元相互连接的端口尺寸大小相同。

作为优选，所述所有四端口结构单元和三端口结构单元之间采用与其端口尺寸同样大小的弯波导和直通波导连接。

作为优选，所述第一和第二四端口结构单元的四个外接端口分布在方位向上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：结构紧凑，整个结构排布在一个波导层内，以其电路简单、结构新颖、便于加工和集成、无需调试为主要特点，且插入损耗小，功率容量大，端口驻波比好，和差通道隔离度高，性能可靠性高。

附图说明

图1为本发明技术方案结构的俯视原理示意图。

图2为本发明具体实施例一的俯视示意图。

图3为本发明具体实施例二的俯视示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本说明书（包括摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示的波导和差器，整个结构排布在一个波导层平面内；包括第一、第二和第三3个四端口结构单元1，1个三端口结构单元2，以及连通所有结构单元的连接器3；其中第一和第二四端口结构单元在平面内俯仰向上相对设置成镜像对称关系，分布在外侧的四个端口（A1、A2、A3和A4）在阵面发射状态时为信号输出通道，在阵面接收状态时为信号输入通道；第三四端口结构单元与三端口结构单元在方位向上相对设置，分布在外侧的三个端口（P4、P4和B3）中，第三四端口结构单元侧分别为和通道H和俯仰差通道C1，三端口结构单元侧为方位差通道C2；所述第一和第二四端口结构单元的同相和端口成镜像对称地分别与第三四端口结构单元的两个内侧端口匹配相接，反相和端口成镜像对称地分别与三端口结构单元的两个内侧端口匹配相接；所述每个四端口结构单元由一个或两个移相器和一个具有90度相位差的波导裂缝电桥来实现。

和差器所定义的俯仰向和方位向是根据与和差器相连所应用的天线阵来定义，且四端口结构单元的结构在满足各自特性的前提下，可根据天线阵的排布情况做相应改变。

对于第三四端口结构单元，当其外侧的P3和P4端口接匹配负载时，由内侧的P1和P2端口输入的等幅同相微波将进入P4端口（定义为同相和端口）而不进入P3端口；反之，由P1和P2端口输入等幅反相微波，其功率将由P3端口（定义为反相和端口）输出而不进入P4端口。根据互易原理，当P1和P2端口接匹配负载时，由P4端口输入微波时，其功率将平分同相进入P1和P2端口而不进入P3端口。

对于三端口结构单元，当其外侧的B3端口接匹配负载时，由外侧的B1和B2端口输入的等幅同相微波将进入B3端口。

综上所述，阵面被划分为A1、A2、A3、A4四个象限。阵面在发射状态时，进入和通道H的微波信号等幅同相从四端口结构单元的两个输出端口P1和P2输出，而第四端口P4（俯仰差通道C1）无输出，另两个四端口结构单元的同相和端口成镜像对称地分别与端口P1和P2相接，而反相和端口成镜像对称地分别与三端口结构单元的端口B1和B2相接。这样从和通道H输入的微波信号最终形成四路等幅同相信号馈入给A1、A2、A3、A4四个象限，且俯仰差通道C1和方位差通道C2无输出，实现了和差器在阵面发射状态时的功能；阵面在接收状态时，根据互易原理，等幅同相输入四个输入端口A1、A2、A3和A4（接收状态时）的微波信号，将以A1+A2+A3+A4的和信号从和通道H输出。根据四端口结构单元的特性，等幅同相输入四个输入端口A1、A2、A3和A4的微波信号，将以A1-A2和A3-A4的信号分别进入端口B1和B2，以A1+A2和A3+A4的信号分别进入端口P1和P2,再根据四端口结构单元和三端口结构单元的特性，进入B1和B2的信号将以A1+A3-A2-A4的信号从方位差通道C2输出，而进入P1和P2的信号将以A1+A2-A3-A4的信号从俯仰差通道C1输出，从而实现了和差器在阵面接收状态时的功能。

以往的波导和差器，大都通过4个魔T结构单元或3个魔T结构单元和1个H面T型结组合而成，主要有结构多层、加工装配精度要求高、体积较大等缺陷，难以在高集成的系统中实用，并限制了带有波导和差器的集成系统设备的发展。而本发明通过改变结构单元，使得该和差器在同一波导层内实现相应的性能，体积大为减小，且易于加工和装配，这是以往波导和差器所不能达到的技术。

具体的说，本发明的最大特点是摒弃了以往采用三维立体结构的魔T结构单元来组成和差器，而采用单层波导结构且具有魔T特性的结构单元，使和差器结构更为紧凑，且便于加工和装配，降低器件成本，更利于集成。

具体实施例一：

如图2所示，在本具体实施例中所述三端口结构单元由一个H面T型结来实现；每个四端口结构单元、三端口结构单元和连接器为H面波导结构。

由于波导裂缝电桥的两个输出端具有固有的90度相位差（耦合端相位滞后直通端90度），为使其等幅同相输出，需加入移相器，所述每个四端口结构单元中，处于波导裂缝电桥直通端的移相器使其相位滞后相同波导长度M度，耦合端移相器使其相位超前相同波导长度N度；其中0≤M≤90，0≤N≤90，且M+N=90。

所述每个四端口结构单元通过波导宽边的宽窄变换来达到移相的目的。

所述每个四端口结构单元通过波导宽边的宽窄变换来达到移相的目的时：在直通端采用一段波导宽边变宽，且阻抗匹配使相位比同样长度矩形空波导滞后M度；在耦合端通过采用波导宽边变窄，且阻抗匹配使相位比同样长度的矩形空波导超前N度。

在本具体实施例中，所述所有四端口结构单元和三端口结构单元相互连接的端口尺寸大小相同，这样可以与相同尺寸端口的连接器直接相连，实现更好的匹配。如果四端口结构单元的端口尺寸与三端口结构单元不一致，可采用连接它们的连接器通过阻抗变换方式来实现匹配。而整个和差器对外的端口尺寸可根据加工测试需要或与之系统集成的端口尺寸而定。

在本具体实施例中，为了更好的减小插损和提高功率容量，四端口结构单元中的移相器通过波导宽边的宽窄变换来达到移相的目的，在直通端采用一段波导宽边变宽且阻抗匹配使相位比同样长度矩形空波导滞后M度，M的取值范围为0度~90度，而在耦合端通过采用波导宽边变窄且阻抗匹配使相位比同样长度的矩形空波导超前N度，N的取值范围为0度~90度，且使M+N=90，从而达到从P4端口输入的微波信号同相地从P1和P2端口输出的目的。优选的，M=N=45，这样可使移相器部分结构更为紧凑。四端口结构单元和三端口结构单元之间为了更好的匹配，它们的端口选择同样大小的尺寸，这样使用一种同样尺寸大小的弯波导或直通波导即可将它们匹配地连接起来。

结构仿真可以得到紧凑型波导和差器的的S参数及相应通道的相位关系。在Ka波段34GHz到35GHz的工作带宽内，和通道、方位差通道、俯仰差通道的反射均小于-21dB，即驻波比小于1.2，它们相互之间的隔离大于24dB；通道间幅度一致性小于等于±0.75dB，通道间相位一致性小于等于±5度（俯仰差、方位差通道扣除180度固定相差考核），和通道插入损耗小于等于6.1dB±0.75dB，和差通道插入损耗不一致性小于等于1dB。因此，该发明很好地实现了和差器的功能。

具体实施例二：

如图3所示，与具体实施例一的区别仅在于，四端口结构单元做了简单变形，使和差器第一和第二四端口结构单元的四个外接端口（A1、A2、A3和A4）分布在方位向上，这样可以使和差器在俯仰向的尺寸大为减小，使和差器结构更为紧凑。

具体实施例三：

与具体实施例一和具体实施例二的区别在于：所述每个四端口结构单元采用介质波导移相器到移相的目的。

Claims (10)

1.一种波导和差器，其特征在于：整个结构排布在一个波导层平面内；包括第一、第二和第三3个四端口结构单元，1个三端口结构单元，以及连通所有结构单元的连接器；其中第一和第二四端口结构单元在平面内俯仰向上相对设置成镜像对称关系，分布在外侧的四个端口在阵面发射状态时为信号输出通道，在阵面接收状态时为信号输入通道；第三四端口结构单元与三端口结构单元在方位向上相对设置，分布在外侧的三个端口中，第三四端口结构单元侧分别为和通道和俯仰差通道，三端口结构单元侧为方位差通道；所述第一和第二四端口结构单元的同相和端口成镜像对称地分别与第三四端口结构单元的两个内侧端口匹配相接，反相和端口成镜像对称地分别与三端口结构单元的两个内侧端口匹配相接；所述每个四端口结构单元由一个或两个移相器和一个具有90度相位差的波导裂缝电桥来实现。

2.根据权利要求1所述的波导和差器，其特征在于：所述三端口结构单元由一个H面T型结来实现。

3.根据权利要求1所述的波导和差器，其特征在于：所述每个四端口结构单元、三端口结构单元和连接器为H面波导结构。

4.根据权利要求1所述的波导和差器，其特征在于：所述每个四端口结构单元中，处于波导裂缝电桥直通端的移相器使其相位滞后相同波导长度M度，耦合端移相器使其相位超前相同波导长度N度；其中0≤M≤90，0≤N≤90，且M+N=90。

5.根据权利要求4所述的波导和差器，其特征在于：所述每个四端口结构单元采用介质波导移相器或直接通过波导宽边的宽窄变换来达到移相的目的。

6.根据权利要求5所述的波导和差器，其特征在于：所述每个四端口结构单元通过波导宽边的宽窄变换来达到移相的目的时：在直通端采用一段波导宽边变宽，且阻抗匹配使相位比同样长度矩形空波导滞后M度；在耦合端通过采用波导宽边变窄，且阻抗匹配使相位比同样长度的矩形空波导超前N度。

7.根据权利要求4到6之一所述的波导和差器，其特征在于：所述M=N=45。

8.根据权利要求1所述的波导和差器，其特征在于：所述所有四端口结构单元和三端口结构单元相互连接的端口尺寸大小相同。

9.根据权利要求6所述的波导和差器，其特征在于：所述所有四端口结构单元和三端口结构单元之间采用与其端口尺寸同样大小的弯波导和直通波导连接。

10.根据权利要求1所述的波导和差器，其特征在于：所述第一和第二四端口结构单元的四个外接端口分布在方位向上。