CN106856253A - 一种宽带任意功分比的波导功分器 - Google Patents
一种宽带任意功分比的波导功分器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种宽带任意功分比的波导功分器，包括和路矩形波导(1)、左支路矩形波导(2)、右支路矩形波导(3)、和路左金属体(4)、和路右金属体(5)、左支路金属体(6)和右支路金属体(7)。本发明的波导功分器，在现有的功分器内部增加一个金属体，结构简单，便于加工；同时显著提高了波导功分器的带宽，可以从不足10％的带宽扩展到40％以上，而且能够实现宽带内任意功分比，保证了支路的幅度不平衡度在±0.15dB以内，相位不平衡度在±15度以内。
Description
技术领域
本发明涉及微波技术领域，特别是涉及一种宽带任意功分比的波导功分器。
背景技术
波导功分器是一种重要的微波无源器件，广泛应用于通信和雷达的天线馈线网络等领域，其作用是把一路的微波输入功率按规定比例分成两路或多路输出，或者把两路或多路微波功率叠加起来从一路输出，具有损耗小、功率容量大等优点。
在很多文献或专业书籍中已经介绍了波导功分器的设计方法，例如2005年S.Yang和A.E.Fathy在《IEEE MTT-S Int.Microw.Symp.Dig.》中的“Synthesis of a compound T-junction for a two-way splitter witharbitrary power ratio”一文中运用等效电路模型对任意功分比的矩形波导功分器进行设计；2007年12月国防工业出版社出版的专著《相控阵雷达馈线技术》中给出了设计H面波导功分器的两种匹配方式，分别为反射式补差和电感柱补偿，如附图1和附图2所示。
但是，这些文献或专著中给出的方法或模型都是基于窄带的，带宽不超过10％，当带宽进一步增加时，功分器支路的幅度平坦度显著恶化，特别是支路功率分配差别较大时，可用的带宽就会进一步减小，这一缺点严重限制了波导功分器的使用范围。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供了一种结构简单的、带宽较宽、能实现任意功分比的一分二波导功分器。
考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术方案：
一种宽带任意功分比的波导功分器，包括和路矩形波导(1)、左支路矩形波导(2)、右支路矩形波导(3)、和路左金属体(4)、和路右金属体(5)、左支路金属体(6)和右支路金属体(7)；其中，和路左金属体(4)和和路右金属体(5)用于和路矩形波导(1)的宽带阻抗匹配调节；左支路金属体(6)和右支路金属体(7)用于和路矩形波导(1)的宽带阻抗匹配调节，以及支路波导功率分配的调节；
和路矩形波导(1)、左支路矩形波导(2)以及右支路矩形波导(3)构成三端口的波导T型结，完成微波从和路波导到支路波导的功率分配；
和路左金属体(4)为长方体，位于和路矩形波导(1)内部左边缘，并靠近左支路矩形波导(2)，高度与和路矩形波导(1)腔体高度相同，长和宽均为0.8mm至2mm；
和路右金属体(5)为长方体，位于和路矩形波导(1)内部右边缘，并靠近右支路矩形波导(3)，高度与和路矩形波导(1)腔体高度相同，长和宽均为0.8mm至2mm；
左支路金属体(6)为长方体，位于左支路矩形波导(2)内部上边缘，并且与和路矩形波导(1)中心线之间的距离根据支路波导功率分配来调节，长方体的长边与和路矩形波导(1)中心线平行，长度小于左支路矩形波导(2)宽度的一半，并根据支路波导功率分配和和路阻抗来调节，宽度为0.8mm至2mm，高度与左支路矩形波导(2)高度相同；
右支路金属体(7)为长方体，位于右支路矩形波导(3)内部上边缘，并且与和路矩形波导(1)中心线之间的距离根据支路波导功率分配来调节，长方体的长边与和路矩形波导(1)中心线平行，长度小于右支路矩形波导(3)宽度的一半，并根据支路波导功率分配和和路阻抗来调节，宽度为0.8mm至2mm，高度与右支路矩形波导(3)高度相同。
其特征在于，所述左支路金属体(6)和右支路金属体(7)的另一种替代形式为圆柱体，其中左支路金属体(6)位于左支路矩形波导(2)内部，与左支路矩形波导(2)上边缘的距离小于左支路矩形波导(2)宽度的一半，并根据支路波导功率分配和和路阻抗来调节，左支路金属体(6)与和路矩形波导(1)中心线之间的距离根据支路波导功率分配来调节；左支路金属体(6)半径为0.8mm至2mm，高度与左支路矩形波导(2)高度相同；
其特征在于，右支路金属体(7)位于右支路矩形波导(3)内部，与右支路矩形波导(3)上边缘的距离小于右支路矩形波导(3)宽度的一半，并根据支路波导功率分配和和路阻抗来调节，右支路金属体(7)与和路矩形波导(1)中心线之间的距离根据支路波导功率分配来调节，右支路金属体(7)半径为0.8mm至2mm，高度与右支路矩形波导(3)高度相同。
与现有的矩形波导功分器相比，本发明只是在现有的功分器内部增加了一个金属体，没有多级阻抗变换等复杂的匹配措施，因此结构简单，便于加工；同时显著提高了波导功分器的带宽，可以从不足10％的带宽扩展到40％以上，而且能够实现宽带内任意功分比，保证了支路的幅度不平衡度在±0.15dB以内，相位不平衡度在±15度以内。
本发明创造可广泛应用于通信和雷达的天线馈线网络等领域。
附图说明
图1是现有波导功分器的反射式匹配类型的示意图。
图2是现有波导功分器的电感柱匹配类型的示意图。
图3是本发明的波导功分器的反射式匹配类型的示意图。
图4是本发明的波导功分器的电感柱匹配类型的示意图。
图5是图3的立体图
图6是图4的立体图。
图7为实施例1的散射矩阵参数幅度示意图。
图8为实施例1的散射矩阵参数相位差示意图。
图9为实施例2的散射矩阵参数幅度示意图。
图10为实施例2的散射矩阵参数相位差示意图。
图11为实施例3的散射矩阵参数幅度示意图。
图12为实施例3的散射矩阵参数相位差示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
参见附图3-12，本发明的一种宽带任意功分比的波导功分器，其特征在于，包括和路矩形波导1、左支路矩形波导2、右支路矩形波导3、和路左金属体4、和路右金属体5、左支路金属体6和右支路金属体7；和路左金属体4和和路右金属体5用于和路矩形波导1的宽带阻抗匹配调节；左支路金属体6和右支路金属体7用于和路矩形波导1的宽带阻抗匹配调节，以及支路波导功率分配的调节；
和路矩形波导1、左支路矩形波导2以及右支路矩形波导3构成三端口的波导T型结，完成微波从和路波导到支路波导的功率分配；
和路左金属体4为长方体，位于和路矩形波导1内部左边缘，并靠近左支路矩形波导2，高度与和路矩形波导1腔体高度相同，长和宽均为0.8mm至2mm；
和路右金属体5为长方体，位于和路矩形波导1内部右边缘，并靠近右支路矩形波导3，高度与和路矩形波导1腔体高度相同，长和宽均为0.8mm至2mm；
左支路金属体6为长方体，属于波导功分器的反射式匹配类型，位于左支路矩形波导2内部上边缘，并且与和路矩形波导1中心线之间的距离根据支路波导功率分配来调节，长方体的长边与和路矩形波导1中心线平行，长度小于左支路矩形波导2宽度的一半，并根据支路波导功率分配和和路阻抗来调节，宽度为0.8mm至2mm，高度与左支路矩形波导2高度相同；
右支路金属体7为长方体，位于右支路矩形波导3内部上边缘，并且与和路矩形波导1中心线之间的距离根据支路波导功率分配来调节，长方体的长边与和路矩形波导1中心线平行，长度小于右支路矩形波导3宽度的一半，并根据支路波导功率分配和和路阻抗来调节，宽度为0.8mm至2mm，高度与右支路矩形波导3高度相同。
左支路金属体6和右支路金属体7的另一种替代形式为圆柱体，属于波导功分器的电感柱匹配类型，其中左支路金属体6位于左支路矩形波导2内部，与左支路矩形波导2上边缘的距离小于左支路矩形波导2宽度的一半，并根据支路波导功率分配和和路阻抗来调节，左支路金属体6与和路矩形波导1中心线之间的距离根据支路波导功率分配来调节；左支路金属体6半径为0.8mm至2mm，高度与左支路矩形波导2高度相同；
右支路金属体7位于右支路矩形波导3内部，与右支路矩形波导3上边缘的距离小于右支路矩形波导3宽度的一半，并根据支路波导功率分配和和路阻抗来调节，右支路金属体7与和路矩形波导1中心线之间的距离根据支路波导功率分配来调节，右支路金属体7半径为0.8mm至2mm，高度与右支路矩形波导3高度相同。
本发明的工作原理是：在现有的波导功分器中，两支路波导内共用一个金属体，当两支路功率分配相等时，金属体位于和路波导中心线上，左右两支路结构对称，这时功分器和路波导口阻抗带宽较宽，而且两支路的功率幅度和相位完全一致，但是当波导功分器两支路功率分配差别较大时，两支路波导内共用的金属体移动到功率分配较小的支路波导中，这种结构造成一条支路传输信号的波导宽度与另一条支路传输信号的波导宽度差别较大，从而导致两支路波导内的波导波长、阻抗特性等差别较大，因此，分配到两支路的功率幅度没有平坦度，而是两条斜率相反的曲线，而且功率分配差别越大，曲线就越陡峭，功分器的可用带宽就越窄。本发明的功分器在两支路波导中各放置一个金属体，当波导功分器两支路功率分配差别较大时，调整左右两个金属体的位置和大小，使得两支路波导内的波导波长、阻抗特性差别较小，从而保证了分配到两支路中的功率幅度的平坦度和相位的一致性，因此能够显著地扩展了功分器的带宽。此外，本发明的功分器与现有的功分器相比，仅多了一个金属体，而没有使用多级阻抗变换等复杂的匹配措施，因此结构简单、便于加工。
下面给出本发明3个具体实施例。
实施例1
如图3、图5、图7和图8所示，和路矩形波导1、左支路矩形波导2和右支路矩形波导3的宽均为22.86mm，高均为10.16mm；当左右两支路功率分配比为2:1时，和路左金属体4和和路右金属体5的长宽均为1.8mm，高均为10.16mm；左支路金属体6为长方体，长为3.8mm，宽为1mm，高为10.16mm，距离和路矩形波导1中心线5.5mm；右支路金属体6为长方体，长为11.6mm，宽为1mm，高为10.16mm，距离和路矩形波导1中心线1.8mm。从图7和图8的仿真结果可以看出，S11参数在8GHz～11.7GHz的频率范围内小于-15dB，在8.5GHz～10.5GHz的频率范围内小于-20dB，在8GHz～12GHz的频率范围内两支路功率幅度不平衡度小于±0.15dB，相位不平衡度在补偿15度后小于±8度。
实施例2
如图4、图6、图9和图10所示，和路矩形波导1、左支路矩形波导2和右支路矩形波导3的宽均为22.86mm，高均为10.16mm；当左右两支路功率分配比为2:1时，和路左金属体4和和路右金属体5的长宽均为1.8mm，高均为10.16mm；左支路金属体6为圆柱体，半径为0.8mm，高为10.16mm，距离和路矩形波导1中心线3.5mm，到远离和路矩形波导1的左支路矩形波导2一侧的距离为3.5mm；右支路金属体7为圆柱体，半径为0.8mm，高为10.16mm，距离和路矩形波导1中心线2.4mm，到远离和路矩形波导1的右支路矩形波导3一侧的距离为10.6mm。从图9和图10的仿真结果可以看出，S11参数在8GHz～12GHz的频率范围内小于-18dB；在8GHz～12GHz的频率范围内两支路功率幅度不平衡度小于±0.15dB，相位不平衡度在补偿16度后小于±8度。
实施例3
如图4、图6、图11和图12所示，和路矩形波导1、左支路矩形波导2和右支路矩形波导3的宽均为22.86mm，高均为10.16mm；当左右两支路功率分配比为4:1时，和路左金属体4和和路右金属体5的长宽均为1.8mm，高均为10.16mm；左支路金属体6为圆柱体，半径为0.8mm，高为10.16mm，距离和路矩形波导1中心线3.5mm，到远离和路矩形波导1的左支路矩形波导2一侧的距离为4.2mm；右支路金属体7为圆柱体，半径为0.8mm，高为10.16mm，距离和路矩形波导1中心线4mm，到远离和路矩形波导1的右支路矩形波导3一侧的距离为12mm。从图9和图10的仿真结果可以看出，S11参数在8GHz～12GHz的频率范围内小于-20dB；在8GHz～12GHz的频率范围内两支路功率幅度不平衡度小于±0.15dB，相位不平衡度在补偿29度后小于±11度。
Claims (2)
1.一种宽带任意功分比的波导功分器，包括和路矩形波导(1)、左支路矩形波导(2)、右支路矩形波导(3)、和路左金属体(4)、和路右金属体(5)、左支路金属体(6)和右支路金属体(7)；其中，和路左金属体(4)和和路右金属体(5)用于和路矩形波导(1)的宽带阻抗匹配调节；左支路金属体(6)和右支路金属体(7)用于和路矩形波导(1)的宽带阻抗匹配调节，以及支路波导功率分配的调节；
其特征在于，和路矩形波导(1)、左支路矩形波导(2)以及右支路矩形波导(3)构成三端口的波导T型结，完成微波从和路波导到支路波导的功率分配；
和路左金属体(4)为长方体，位于和路矩形波导(1)内部左边缘，并靠近左支路矩形波导(2)，高度与和路矩形波导(1)腔体高度相同，长和宽均为0.8mm至2mm；
和路右金属体(5)为长方体，位于和路矩形波导(1)内部右边缘，并靠近右支路矩形波导(3)，高度与和路矩形波导(1)腔体高度相同，长和宽均为0.8mm至2mm；
左支路金属体(6)为长方体，位于左支路矩形波导(2)内部上边缘，并且与和路矩形波导(1)中心线之间的距离根据支路波导功率分配来调节，长方体的长边与和路矩形波导(1)中心线平行，长度小于左支路矩形波导(2)宽度的一半，并根据支路波导功率分配和和路阻抗来调节，宽度为0.8mm至2mm，高度与左支路矩形波导(2)高度相同；
右支路金属体(7)为长方体，位于右支路矩形波导(3)内部上边缘，并且与和路矩形波导(1)中心线之间的距离根据支路波导功率分配来调节，长方体的长边与和路矩形波导(1)中心线平行，长度小于右支路矩形波导(3)宽度的一半，并根据支路波导功率分配和和路阻抗来调节，宽度为0.8mm至2mm，高度与右支路矩形波导(3)高度相同。
2.如权利要求1所述的一种宽带任意功分比的波导功分器，其特征在于：所述左支路金属体(6)和右支路金属体(7)的另一种替代形式为圆柱体，其中左支路金属体(6)位于左支路矩形波导(2)内部，与左支路矩形波导(2)上边缘的距离小于左支路矩形波导(2)宽度的一半，并根据支路波导功率分配和和路阻抗来调节，左支路金属体(6)与和路矩形波导(1)中心线之间的距离根据支路波导功率分配来调节；左支路金属体(6)半径为0.8mm至2mm，高度与左支路矩形波导(2)高度相同；
右支路金属体(7)位于右支路矩形波导(3)内部，与右支路矩形波导(3)上边缘的距离小于右支路矩形波导(3)宽度的一半，并根据支路波导功率分配和和路阻抗来调节，右支路金属体(7)与和路矩形波导(1)中心线之间的距离根据支路波导功率分配来调节，右支路金属体(7)半径为0.8mm至2mm，高度与右支路矩形波导(3)高度相同。
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