CN106785428A - 一种紧凑型微带线功率分配网络 - Google Patents

Abstract

本发明属于天线馈电技术领域，具体涉及一种紧凑型微带线功率分配网络。本功率分配网络包括一分六路的第一功率分配子网络和第二功率分配子网络；第一功率分配子网络与第二功率分配子网络之间通过带有移相器的威尔金森功分器相连接；第一功率分配子网络与第二功率分配子网络的其他分支端口处均连接有移相微带线段，八根同轴馈电探针分别相应布置于四根移相微带线段末端以及四组威尔金森功分器的总端口处且铅垂贯穿介质板从而连接至所述金属地处。本发明其兼具体积紧凑、各端口的幅度和相位误差小的优点，且可使得应用该功率分配网络的天线具备指向精度高和副瓣低的良好性能。

Description

一种紧凑型微带线功率分配网络

技术领域

本发明属于天线馈电技术领域，具体涉及一种紧凑型微带线功率分配网络。

背景技术

在移动通信、卫星通信、无线传感网节点和可穿戴无线设备中，需要减小设备体积或在有限空间内容纳更多的功能模块，因此阵列天线小型化是发展的必然趋势，而功率分配网络则是阵列天线中必不可少的重要组成部分。有鉴于此，加工方便、体积小、重量轻、带宽适中且易于集成的传统微带线型的功率分配网络应用极为广泛。然而，传统微带线型的功率分配网络在拥有上述优点的同时，在分配端口较多、频段较高的情况下的各端口一致性差、相邻端口之间的互耦效应强烈乃至影响各端口之间的幅度和相位特性的问题也较为突出。是否能寻求一种兼具体积紧凑和各端口的幅度及相位误差小的新型微带线功率分配网络，进而使得应用该功率分配网络的天线随之具备指向精度高和副瓣低的良好性能，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，提供一种可同时为两组阵列天线提供功率分配功能的紧凑型微带线功率分配网络，其兼具体积紧凑、各端口的幅度和相位误差小的优点，且可使得应用该功率分配网络的天线具备指向精度高和副瓣低的良好性能。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种紧凑型微带线功率分配网络，其特征在于：本功率分配网络包括一分六路的第一功率分配子网络和第二功率分配子网络，两组子网络为相同结构的三级的T型功分电路，且每组子网络的六个分支端口均按照切比雪夫25dB幅度加权分布；两组子网络的分支端口彼此相向；第一功率分配子网络的两条二级T型功分电路所形成的分支端口与第二功率分配子网络的其中一对三级T型功分电路所形成的分支端口之间，以及第二功率分配子网络的两条二级T型功分电路所形成的分支端口与第一功率分配子网络的其中一对三级T型功分电路所形成的分支端口之间均通过带有移相器的威尔金森功分器相连接；第一功率分配子网络的另一对三级T型功分电路所形成的分支端口与第二功率分配子网络的另一对三级T型功分电路所形成的分支端口处均连接有移相微带线段；所述各子网络、移相微带线段以及威尔金森功分器均处于同一微带面上且该微带面贴附于介质板的其中一侧板面处，介质板的另一侧板面处覆设金属地，八根同轴馈电探针分别相应布置于四根移相微带线段末端以及四组威尔金森功分器的总端口处且铅垂贯穿介质板从而连接至所述金属地处。

所述用于连接各子网络相应分支端口的移相器对称分布于威尔金森功分器的两个分支端口处，威尔金森功分器的两分支端口处还桥接有100Ω隔离电阻。

介质板上的用于贴附微带面的一侧板面凹设有槽腔，从而使得微带面与该槽腔共同围合形成空气背腔，所述空气背腔的走向与各子网络、移相微带线段以及威尔金森功分器的布置路径相一致。

以介质板厚度方向为空气背腔的腔体高度方向，所述空气背腔高度为3mm。

介质板所用材质为Rogers 4350板材，其介电常数为3.66，厚度为0.508mm。

本发明的有益效果在于：

1)、本发明有效的解决了传统微带线型的功率分配网络在分配端口较多、频段较高的情况下的端口一致性差、相邻端口之间的互耦效应强烈乃至影响各端口之间的幅度和相位特性的问题。通过上述方案，本发明通过两组一分六路的功率分配子网络配合移相微带线段以及威尔金森功分器，一方面，利用了两组一分六路的功率分配子网络的互用特性，使得装置整体体积更小，结构更为紧凑，并可同时为位于介质板的金属地一侧处的一组阵列天线所使用，即可以节省空间，又实现小型化设计，又可以实现天线的多功能化。另一方面，带有移相器的威尔金森功分器，又使得两组一分六路的功率分配子网络在互用网络的同时获得了很好的幅度特性和相位特性。其中，一分六路功率分配子网络均应当由三级的T型功分电路组成，而最终分配到六个端口的能量应当按照切比雪夫25dB幅度加权进行分布，并采用相位加权的方法展宽波束宽度。威尔金森功分器则由同轴馈电探针进行馈电，等幅输出或者说等幅输入的两个分支端口处各带有弧形片状的移相器，其目的是保证功分网络组合时的相位特性。移相微带线段作用是保证最终合成的微带线功率分配网络每个端口的相位符合波束展宽的相位值。

由上可知，本发明由于采用了上述匹配网络优化技术，从而使其兼具体积紧凑、各端口的幅度和相位误差小的优点，且可使得应用该功率分配网络的天线具备了覆盖范围广、指向精度高和副瓣低的良好性能。功率分配网络在工作频段内输入阻抗接近于50Ω，工作频段匹配良好、VSWR较低，可普遍应用于天馈线雷达系统中。

2)、作为上述方案的进一步优选方案，移相器可选用弧形微带线构成，并呈对的布置在威尔金森功分器的两分支端口处，从而作为连接威尔金森功分器的两分支端口与功率分配子网络各分支端口的衔接段。此外，由于微带面配合介质板处槽腔从而形成了空气背腔的构造，从而能有效地抑制空腔谐振带来的高次模和能量损失，使得端口之间的互耦影响较小，端口幅度、相位性能较好。

附图说明

图1为本发明正面结构示意图；

图2为图1的I部分局部放大图；

图3为金属地、介质板及微带面的复合层结构示意图；

图4为威尔金森功分器的结构原理图；

图5为威尔金森功分器的偶模分析原理图；

图6为本发明的第一功率分配子网络的总端口S1和第二功率分配子网络的总端口S2的电压驻波比测试图；

图7为当信号由总端口S1输入的情况下,第一功率分配子网络的各分支端口的幅度分布曲线；

图8为当信号由总端口S1输入的情况下,第一功率分配子网络的各分支端口的相位分布曲线；

图9为当信号由总端口S2输入的情况下,第一功率分配子网络的各分支端口的幅度分布曲线；

图10为当信号由总端口S2输入的情况下,第一功率分配子网络的各分支端口的相位分布曲线。

附图中各标号与本发明的各部件名称对应关系如下：

a-微带面

10-第一功率分配子网络 20-第二功率分配子网络

30-移相器 40-威尔金森功分器 41-100Ω隔离电阻

50-移相微带线段 60-介质板 61-空气背腔 70-金属地

80-同轴馈电探针

具体实施方式

为便于理解，此处以3D交通管理雷达系统的微带阵列接收天线的馈电网络结构为例，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：

上述3D交通管理雷达系统的微带阵列接收天线的馈电网络是一种微带线功率分配网络，其天线的具体组成和连接结构为：

参照图1，该微带线功率分配网络包括两组一分六路的功率分配子网络、四组带有移相器30的威尔金森功分器40和四条移相微带线段50。其中：两组一分六路的功率分配子网络的分支端口彼此相向，也即形成类似双手手指指尖对顶的构造。表现在图1中时，第一功率分配子网络10和第二功率分配子网络20的其中四组分支端口分别一一对应的处于同一直线上，而另外的两组分支端口则作为独立端口来布置。上述位于同一直线处的四组分支端口通过带有弧线状的移相器30的威尔金森功分器40来衔接彼此；而另外的独立端口则直接接驳移相微带线段50。需要说明的是：由于阵列天线兼具收发特性，因此在上述结构中,第一功率分配子网络10和第二功率分配子网络20的六组分支端口既可以作为输出端口来发出由总端口处发来的信号，又可以作为输入端口来接收由威尔金森功分器40处分支端口得来的信号进而由需分配的功率分配子网络的总端口发出；威尔金森功分器40处各分支端口及总端口工作状况同理。在威尔金森功分器40的总端口以及移相微带线段50相对衔接功率分配子网络的另一端也即末端处均设置贯穿孔，从而通过同轴馈电探针80穿过该贯穿孔并经由介质板60而延伸连接至位于介质板60另一面的金属地70处。金属地70位置可相应的设置阵列天线等，从而实现信息的收发功能。介质板60处可设置如图1-2所示的空气背腔61，从而抑制空腔谐振带来的高次模和能量损失，使得端口之间的互耦影响较小，并提升端口的幅度和相位性能。

而参照图1-2所示的，各子网络与相应的威尔金森功分器40及移相微带线段50的具体连接关系为：P1至P6分别为一分六路的各功率分配子网络的分支端口，将各分支端口按照图1所示构造来连接威尔金森功分器40及移相微带线段50的相应端口即可，最终的连接结构图如图1所示。此时，两组一分六路功率分配子网络采用幅度加权和相位加权进行设计，P1至P6端口的幅度相位分布如下表1所示。上述中，采用幅度加权是为了更好的降低天线的副瓣，而采用相位加权是为了进一步展宽天线的波束宽度。

表1

端口	归一化幅度分布(W)	归一化相位分布(°)
			P1	0.39	-35
P2	0.73	-12.5
			P3	1	0
P4	1	0
			P5	0.73	-12.5
P6	0.39	-35

图3中，可以看出微带线功率分配网络每一层的具体摆放位置：整个新型微带线功率分配网络所形成的微带面a位于介质板60的一侧，介质板60的另一侧为金属地70。

威尔金森功率功分器的电路原理图如图5所示，电路的偶模分析原理图如图6所示。图5-6中，能量由端口1输入，等幅同相的分配到端口2和端口3，隔离电阻41的阻值为100Ω。

本发明的效果可以通过以下实验测试进一步说明：

为表明工作性能，此处可采用以上结构及数据制作测试件，进行以下测试操作：

测试环境：微波调试室；

测试设备：矢量网络分析仪；

对测试件的第一功率分配子网络10总端口S1和第二功率分配子网络20总端口S2的电压驻波比，在24～24.3GHz频段范围内进行测试。测试结果如图6所示：从图6中可以看出，两个端口的驻波均＜1.4，实现了较好的阻抗匹配特性。当测试件的信号从总端口S1输入时，此时各分支端口形成输出端口，对各输出端口的幅度分布和相位分布进行测试，测试结果如图7和图8所示：从图7可以看出，在24～24.3GHz频段范围内，各端口的幅度分布误差小于±0.5dB，幅度波动小于±0.3dB。从图8可以看出，在24～24.3GHz频段范围内，各端口的相位分布误差小于±1°，端口P1与P6、P2与P5、P3与P4的相位一致性较好，幅度和相位均满足设计指标。当测试件的信号从总端口S2输入时，各分支端口的幅度分布和相位分布进行测试：此时各分支端口形成输出端口，测试结果如图9和图10所示。从图9可以看出，在24～24.3GHz频段范围内，各端口的幅度分布误差小于±0.5dB，幅度波动小于±0.3dB。从图10可以看出，在24～24.3GHz频段范围内，各端口的相位分布误差小于±1°，端口P1与P6、P2与P5、P3与P4的相位一致性较好，幅度和相位均满足设计指标。

综上，由测试件而对本发明的幅度分布和相位分布测试结果表明：两组一分六路功率分配子网络的配合性能好，具有较好的一致性，显然也具备批量生产的可行性。

Claims (5)

1.一种紧凑型微带线功率分配网络，其特征在于：本功率分配网络包括一分六路的第一功率分配子网络(10)和第二功率分配子网络(20)，两组子网络为相同结构的三级的T型功分电路，且每组子网络的六个分支端口均按照切比雪夫25dB幅度加权分布；两组子网络的分支端口彼此相向；第一功率分配子网络(10)的两条二级T型功分电路所形成的分支端口与第二功率分配子网络(20)的其中一对三级T型功分电路所形成的分支端口之间，以及第二功率分配子网络(20)的两条二级T型功分电路所形成的分支端口与第一功率分配子网络(10)的其中一对三级T型功分电路所形成的分支端口之间均通过带有移相器(30)的威尔金森功分器(40)相连接；第一功率分配子网络(10)的另一对三级T型功分电路所形成的分支端口与第二功率分配子网络(20)的另一对三级T型功分电路所形成的分支端口处均连接有移相微带线段(50)；所述各子网络、移相微带线段(50)以及威尔金森功分器(40)均处于同一微带面上且该微带面贴附于介质板(60)的其中一侧板面处，介质板(60)的另一侧板面处覆设金属地(70)，八根同轴馈电探针(80)分别相应布置于四根移相微带线段(50)末端以及四组威尔金森功分器(40)的总端口处且铅垂贯穿介质板(60)从而连接至所述金属地(70)处。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型微带线功率分配网络，其特征在于：所述用于连接各子网络相应分支端口的移相器(30)对称分布于威尔金森功分器(40)的两个分支端口处，威尔金森功分器(40)的两分支端口处还桥接有100Ω隔离电阻(41)。

3.根据权利要求1或2所述的一种紧凑型微带线功率分配网络，其特征在于：介质板(60)上的用于贴附微带面的一侧板面凹设有槽腔，从而使得微带面与该槽腔共同围合形成空气背腔(61)，所述空气背腔(61)的走向与各子网络、移相微带线段(50)以及威尔金森功分器(40)的布置路径相一致。

4.根据权利要求3所述的一种紧凑型微带线功率分配网络，其特征在于：以介质板(60)厚度方向为空气背腔(61)的腔体高度方向，所述空气背腔(61)高度为3mm。

5.根据权利要求1或2所述的一种紧凑型微带线功率分配网络，其特征在于：介质板(60)所用材质为Rogers 4350板材，其介电常数为3.66，厚度为0.508mm。