CN106450643A - E面波导定向耦合器及应用该耦合器的十六路波导功分器 - Google Patents

E面波导定向耦合器及应用该耦合器的十六路波导功分器 Download PDF

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Abstract

本发明属于微波通信技术领域，具体涉及一种E面波导定向耦合器及应用该耦合器的十六路波导功分器。本发明的耦合器包括E面耦合构造的第一矩形波导和第二矩形波导，第二矩形波导上设置用于实现宽带补相功能的阶梯段，从而确保大功分比功分器各输出端口的低幅度波动性。应用所述耦合器的十六路波导功分器，则包括两组波导E面功分器；第一波导E面功分器的最末一级E‑T分支波导与前三级功分网络之间设置第一E面波导定向耦合器，两组波导E面功分器之间设置第二E面波导定向耦合器，从而有效的提升十六路功分器的幅度一致性和相位一致性，并同步解决大功分比功分器幅度起伏较大的问题和实现宽带化的设计需求。

Description

E面波导定向耦合器及应用该耦合器的十六路波导功分器
技术领域
本发明属于微波通信技术领域，具体涉及一种E面波导定向耦合器及应用该耦合器的十六路波导功分器。
背景技术
功率分配器是现代通信中广泛应用的天馈器件，传统的功率分配器有威尔金森、E-面波导型、H-面波导型等。威尔金森功分器剖面较低，具有小型化的优势，但是微带传输线的功率容量较低以及介质损耗较大，限制了其在大功率要求场合的应用。波导功分器则以其低损耗、高功率容量和较宽的传输带宽等优良特性备受青睐，广泛应用于雷达、卫星等大功率系统中。在波导功分器中：H-面功分器又因采用波导宽边进行分配，横向尺寸较大，因此有不易小型化的缺陷。E-面功分器采用波导窄边功率分配，兼具功率容量和小型化的优点，更符合目前的设备小型化和紧凑化的需求。然而，传统的E-面功分器存在着带宽较窄、幅度起伏较大、各端口的相位一致性较差的问题，这在应用至大功分比的功分器时，幅度起伏过大的问题尤为突出。是否能寻求一种兼具高宽带、大功分比、幅度起伏小且相位一致性好的波导E面功分器，从而有效的提升十六路功分器的幅度一致性和相位一致性，并同步解决大功分比功分器幅度起伏较大的问题和实现宽带化的设计需求，为本领域技术人员近年来所亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的其中一个目的为克服上述现有技术的不足，提供一种结构合理而实用的带有宽带补相特性的E面波导定向耦合器，从而确保大功分比功分器各输出端口的低幅度波动性；同时，本发明还提供了一种应用于上述E面波导定向耦合器的十六路波导E面功分器，其兼具高宽带、大功分比、幅度起伏小且相位一致性好的优点，可有效的提升十六路功分器的幅度一致性和相位一致性，并同步解决大功分比功分器幅度起伏较大的问题和实现宽带化的设计需求。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种E面波导定向耦合器，其特征在于：本耦合器包括彼此平行的第一矩形波导和第二矩形波导，第一矩形波导和第二矩形波导的耦合面处设置耦合缝隙并以彼此平行的用于形成上述耦合缝隙的三道分支线形成两波导间的E面耦合构造；第一矩形波导两端分别设置输入端口和直通端口，第二矩形波导两端分别设置隔离端口和耦合端口，且输入端口与隔离端口彼此同端；第二矩形波导上的耦合端口和与该耦合端口最相近的分支线之间的波导段处设置用于实现宽带补相功能的阶梯段，所述阶梯段由第二矩形波导上的相对耦合面的两侧板面呈阶梯状分布构成；阶梯段包括两组三段式阶梯结构，且该两段三段式阶梯结构的窄端彼此连接。
一种应用如权利要求1所述的E面波导定向耦合器的十六路波导功分器，其特征在于：本波导功分器包括一组不对称布置的第一波导E面功分器和一组对称布置的第二波导E面功分器；所述第一波导E面功分器为由不同功分比的E-T分支波导组合构成的四级功分网络，第二波导E面功分器为三级功分网络且均由不同功分比的E-T分支波导组合构成；第一波导E面功分器的最末一级E-T分支波导与前三级功分网络之间设置第一E面波导定向耦合器，两组波导E面功分器之间设置第二E面波导定向耦合器；第一E面波导定向耦合器的耦合端口连接第一波导E面功分器的前三级功分网络的输入端，而直通端口连接第一波导E面功分器的最末一级E-T分支波导的输入端；第二E面波导定向耦合器的耦合端口连接第一E面波导定向耦合器的输入端口，而直通端口连接第二波导E面功分器处的三级功分网络的输入端。
每个E-T分支波导处均设置有一对矩形凹口，矩形凹口分布于每个E-T分支波导上的分支臂与两条端臂的直角结合处，且该矩形凹口由两端臂的相应面铅垂凹设形成。
所述第一E面波导定向耦合器的耦合度为3.38dB；第二E面波导定向耦合器的耦合度为8.18dB。
各E-T分支波导上的L形拐角处均设置外倒角状的切角。
本发明的有益效果在于：
1)、本发明采用新型的带有宽带补相特性的E面波导定向耦合器，使用时，通过调节三道彼此平行的分支线的宽度，该宽度方向平行第一矩形波导长度方向，即可实现不同的耦合度调节功能。通过调节具有宽带补相特性的阶梯段处的波导宽边，也即阶梯段处阶梯的宽度大小和长度大小，即可确保耦合器直通端和耦合端的相位一致性。本耦合器结构简单而紧凑度高、易于加工、频带宽、损耗低、功率分配一致性好，使得整个网络大功分比处的设计性能得到了更好的保证，并有效的降低了幅度的起伏，同时也能有效的保证各端口相位的一致性。在上述耦合器的基础上，本发明还设计了应用该耦合器的新型十六路波导E面功分器，以求简单而高效的实现整个网络在大功分比下的平稳幅度工作目的。整个一分十六的波导功分器一方面采用E-T分支波导作为基础框架，使得整个网络的不同功分比实现起来较为简单；另一方面，通过采用基于泰勒分布的拓扑结构，使得不同的幅度加权方式得到了很好的实现；其输入端口VSWR较低，各输出端口幅度起伏较小，相位误差在±2°以内，可达到很好的一致性要求，整个功分网络可普遍适用于大功率的雷达、卫星等系统中。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是图1左侧处也即第一波导E面功分器的结构示意图；
图3是图1右侧处也即第二波导E面功分器的结构示意图；
图4是E-T分支波导的结构示意图；
图5是E面波导定向耦合器的结构示意图；
图6是本发明的阶梯段的结构示意图；
图7是本发明的幅度分布网络拓扑结构图；
图8是本发明的VSWR测试图；
图9是本发明的各端口幅度曲线测试图；
图10是本发明的各端口相位曲线测试图。
附图中各标号与本发明的各部件名称对应关系如下：
10a-第一E面波导定向耦合器 10b-第二E面波导定向耦合器
11-第一矩形波导 12-第二矩形波导 13-分支线 14-阶梯段
21-矩形凹口 22-切角
30-第一波导 E面功分器 40-第二波导 E面功分器
具体实施方式
为便于理解，此处结合附图对本发明的具体实施结构及工作流程作以下描述：
本发明的具体结构，如图1所示，此功分器主要由三个部分组成：位于图1左侧部分为一分八的第一波导E面功分器30、位于图1右侧部分为一分八的第二波导E面功分器40以及两个具备宽带补相特性的E面波导定向耦合器。
本发明的十六路波导功分器的具体组成和连接结构为：
第一波导E面功分器30，如图1-2所示，由六个不同功分比的E-T分支波导和一个具有宽带补相特性的第一E面波导定向耦合器10a组成。整个拓扑网络共有四级，前三级的五个E-T分支波导彼此形成不对称功分网络结构，而最末一级的E-T分支波导的输入端与前三级的功分网络的输入端间以第一E面波导定向耦合器10a连接。第一E面波导定向耦合器10a的耦合度为3.38dB。
第二波导E面功分器40如图1和图3所示，由七个不同功分比的E-T分支波导组成，拓扑网络共有三级且形成对称结构。
第二E面波导定向耦合器10b用于连接第一波导E面功分器30和第二波导E面功分器40，其耦合度为8.18dB。
具有宽带补相特性的E面波导定向耦合器，则如图5和图6所示，其中：C1为该耦合器的输入端口，C2为直通端口，C3为耦合端口，C4为隔离端口。使用时，通过连接第一矩形波导11和第二矩形波导12的耦合面的三道分支线13的宽度，可实现不同的耦合度调节。而用于实现宽带补相的阶梯段14的平面结构如图5所示，因为直通端口C2和耦合端口C3之间存在90°的相位差，所以采取改变波导宽边a的宽度使其阶梯过渡到a2、a1的宽度，并通过同步的调节相应段的长度L和△L来实现相位补偿，最终可确保直通端口C2和耦合端口C3的相位一致性。经实际实验优化后，可选取各值如下：a1＝19.86mm，a2＝20.86mm，L＝8mm，△L＝15mm。
对于组成上述各功分器的子单元的E-T分支波导，如图4所示，当能量从分支臂的输入端口输入时，通过调节矩形凹口21的宽度和高度，使得位于两端臂处的两输出端口输出不同的能量，即可实现功分网络的幅度分布调节。
十六路波导E面功分器的幅度加权分布可如图7所示，通过该幅度的加权分布，可以使与其配套的天线实现-30dB的副瓣设计，实现低副瓣的设计要求。
采用上述幅度加权分布及结构尺寸来制作测试件，对测试件的输入口s0的电压驻波比进行测试，测试结果如图8所示：从图8中可以看出在9.0～9.6GHz频段范围内，该功分器的驻波＜1.43，实现了较好的阻抗匹配特性。再对测试件的各输出端口s1-s16在其工作频段9.0～9.6GHz内的幅度和相位进行测试，测试结果分别如图9和图10所示：从图9可以看出，各输出端口(s1-s16)的幅度波动＜±0.3dB，实现了较好的幅度分布设计；从图10可以看出，各输出端口(s1-s16)的相位误差＜±2°，显然也实现了良好的相位一致性需求。

Claims (5)

1.一种E面波导定向耦合器，其特征在于：本耦合器包括彼此平行的第一矩形波导(11)和第二矩形波导(12)，第一矩形波导(11)和第二矩形波导(12)的耦合面处设置耦合缝隙并以彼此平行的三道分支线(13)形成两波导间的E面耦合构造；第一矩形波导(11)两端分别设置输入端口C1和直通端口C2，第二矩形波导(12)两端分别设置隔离端口C4和耦合端口C3，且输入端口C1与隔离端口C4彼此同端；第二矩形波导(12)上的耦合端口C3和与该耦合端口C3最相近的分支线(13)之间的波导段处设置用于实现宽带补相功能的阶梯段(14)，所述阶梯段(14)由第二矩形波导(12)上的相对耦合面的两侧板面呈阶梯状分布构成；阶梯段(14)包括两组三段式阶梯结构，且该两段三段式阶梯结构的窄端彼此连接。
2.一种应用如权利要求1所述的E面波导定向耦合器的十六路波导功分器，其特征在于：本波导功分器包括一组不对称布置的第一波导E面功分器(30)和一组对称布置的第二波导E面功分器(40)；所述第一波导E面功分器(30)为由不同功分比的E-T分支波导组合构成的四级功分网络，第二波导E面功分器(40)为三级功分网络且均由不同功分比的E-T分支波导组合构成；第一波导E面功分器(30)的最末一级E-T分支波导与前三级功分网络之间设置第一E面波导定向耦合器(10a)，两组波导E面功分器之间设置第二E面波导定向耦合器(10b)；第一E面波导定向耦合器(10a)的耦合端口C3连接第一波导E面功分器(30)的前三级功分网络的输入端，而直通端口C2连接第一波导E面功分器(30)的最末一级E-T分支波导的输入端；第二E面波导定向耦合器(10b)的耦合端口C3连接第一E面波导定向耦合器(10a)的输入端口C1，而直通端口C2连接第二波导E面功分器(40)处的三级功分网络的输入端。
3.根据权利要求2所述的十六路波导功分器，其特征在于：每个E-T分支波导处均设置有一对矩形凹口(21)，矩形凹口(21)分布于每个E-T分支波导上的分支臂与两条端臂的直角结合处，且该矩形凹口(21)由两端臂的相应面铅垂凹设形成。
4.根据权利要求2或3所述的十六路波导功分器，其特征在于：所述第一E面波导定向耦合器(10a)的耦合度为3.38dB；第二E面波导定向耦合器(10b)的耦合度为8.18dB。
5.根据权利要求2或3所述的十六路波导功分器，其特征在于：各E-T分支波导上的L形拐角处均设置外倒角状的切角(22)。
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