CN107342449A - 一种波导功分器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波导功分器，属于射频与微波合成技术领域，其包括波导耦合器、输出主波导和连接主波导，波导耦合器、连接主波导、输出主波导级联，其中连接主波导和输出主波导形成T型输出波导，所述T型输出波导的数量至少为一个。本发明的波导功分器针对现有的功分器结构不能实现奇数路或任意偶数路等幅同相位分配的弊端，采用波导T型结加波导耦合器级联的形式，通过改变波导T型结功分器三角形过渡结构的尺寸，以及改变波导耦合器耦合通孔的尺寸来控制输出端的能量分配，克服了传统威尔金森功分形式对分配路数必须为2的n次方的要求，最小限度的安排功率管数量，大大节约生产成本。

Description

一种波导功分器

技术领域

本发明属于射频与微波功率合成技术领域，尤其涉及一种波导功分器。

背景技术

随着微波毫米波技术在雷达探测、卫星通信、电子战、导航控制等领域的应用越来越广泛，对信号源的输出功率要求越来越高。只有获得足够高的输出功率，才能保证足够好的通信质量，足够远的传输距离，足够强的抗干扰能力。但是单一的固态功率器件往往输出功率有限，无法满足系统大功率输出的要求，这时就需要通过特定的电路将多个固态件的功率进行合成叠加，这种电路被称为功率合成电路。

为获得较大的功率，一般是先进行功率分配，得到多路等幅同相的功率流，再经过单管放大，最后将分别得到的功率合成起来，就能得到更大的输出功率。因此等幅同相位多路功分/功合器的设计成为功率合成中的关键技术，然而在现有技术中，对于功分器分配路数必须为2的n次方，在某些功率合成中，如仅需6路分配，而现有技术技术中，只能分配到至少8路，分配路数过多会导致合成芯片较多，因此成本增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种波导功分器，用于解决上述问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种波导功分器，其包括波导耦合器、输出主波导和连接主波导，波导耦合器、连接主波导、输出主波导级联，其中连接主波导和输出主波导形成T型输出波导，所述T型输出波导的数量至少为一个。

本发明一优选实施例中，所述波导功分器由单个输出主波导及T型输出主波导输出时，波导功分器的功分端口数量为2x+1，其中x为正整数。

本发明一优选实施例中，所述波导功分器仅由T型输出主波导输出时，波导功分器的功分端口数量为2x+2y，其中x、y均为正整数。

本发明的实施例中，T型输出主波包括连接主波导形成的波导T型结，在所述波导T型结中具有三角形过渡、次波导及过渡波导。

本发明的实施例中，连接主波导与输出主波导级联部位具有一定角度的切角。

本发明的实施例中，所述切角的范围为40°～50°。

本发明的优选实施例中，所述波导耦合器与波导T型结的距离为L1，所述波导耦合器与单波导的距离为L2，调节L1和L2使得单波导的相位与所述波导T型结的相位相同，且L1与L2的和为定值。

本发明的波导功分器针对现有的功分器结构不能实现奇数路或任意偶数路等幅同相位分配的弊端，采用波导T型结加波导耦合器级联的形式，通过改变波导T型结功分器三角形过渡结构的尺寸，以及改变波导耦合器耦合通孔的尺寸来控制输出端的能量分配，克服了传统威尔金森功分形式对分配路数必须为2的n次方的要求，即实现了路数只能为2、4、8、16、32等路数，不能实现本发明中的任意路数6(x＝2，y＝1)、10(x＝3,y＝2)等路数，可以根据固态发射机功率需求，最小限度的安排功率管数量，大大节约生产成本，对固态功率合成具有普遍的参考意义和实用推广性。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明一实施例的二路功分器拓扑框图；

图2为本发明一实施例的三路功分器拓扑框图；

图3为本发明一实施例的四路功分器拓扑框图；

图4为本发明一实施例的五路功分器拓扑框图；

图5为本发明一实施例的六路功分器拓扑框图；

图6为本发明一实施例的Ku波段五路功分结构图；

图7为本发明一实施例的Ku波段五路功分器端口幅度特性计算结果图；

图8为本发明一实施例的Ku波段五路功分器端口相位特性计算结果图；

图9为本发明一实施例的Ku波段五路功分/功合网络结构，如图9所示；

图10为本发明一实施例的Ku波段五路功分/功合网络端口幅度特性计算结果图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

如图2至图5所示，本发明的波导功分器，其包括波导耦合器、输出主波导和连接主波导，波导耦合器、连接主波导、输出主波导级联，其中连接主波导和输出主波导形成T型输出波导，所述T型输出波导的数量至少为一个。

对于图1所示的二路功分器拓扑结构，其包括了波导耦合器、输出主波导和连接主波导，但其输出主波导和连接主波导没有形成一个T型输出波导，其虽与上述的波导功分器结构具有差别，但也是本发明的一部分。

除上述两路的波导功分器之外，对于奇数路的波导功分器，波导功分器由单个输出主波导及T型输出主波导组成时，波导功分器的功分端口数量为2x+1，其中x为正整数。参照图2所示的三路功分器拓扑结构，三路功分器由一个T型输出主波导和一个输出主波导波导耦合器构成，波导耦合器接受电磁波(直线部分)，通过耦合器之后，分别与T型主波导和输出主波导级联，T型主波导和输出主波导的输出端口处可以设置芯片，芯片对面再设置波导功合器，即实现了波导的耦合。以及图4所示的五路功分器拓扑结构，五路功分器拓扑结构由两个个T型输出主波导和一个输出主波导波导耦合器构成，波导耦合器接受电磁波(直线部分)，通过耦合器之后，一路通过连接主波导与输出主波导级联进行输出，一路通过连接主波导之后分别与两个T型主波导级联，并实现输出，输出位置也设置芯片，芯片对面再设置波导功合器，即实现了波导的耦合。从上述例子中可以看到，在本实施例中的x为波导耦合器其中一侧最终的T型输出波导的个数(三路功分器中x＝1，五路功分器中x＝2)，在本发明的实施例中，对于更多奇数路的波导功分器不在赘述。

本发明中，所述波导功分器仅由T型输出主波导进行输出时，波导功分器的功分端口数量为2x+2y，其中x、y均为正整数。参照图3所示的四路功分器拓扑结构，在四路功分器中仅含有用于输出的T型输出主波导(两个)，而没有单独的输出主波导，功率耦合器输出的两端分别通过连接主波导级联在T型输出主波导，在两个T型输出主波导的输出端口处设置芯片，芯片对面再设置波导功合器，即实现了波导的耦合。参照图5所示的六路功分器拓扑结构，在六路功分器中仅含有用于输出的T型输出主波导(3个)，而没有单独的输出主波导，功率耦合器输出的一端通过连接主波导级联在T型输出主波导直接进行输出，另一端则通过连接主波导形成T型连接波导后分别级联到T型输出主波导，在没个T型输出主波导的输出端口处设置芯片，芯片对面再设置波导功合器，即实现了波导的耦合。在六路的功分器拓扑结构中，共有三个T型输出主波导及一个T型连接波导。从上述例子中可以看到，在本实施例中的x为波导耦合器其中一侧最终的T型输出波导的个数、y为波导耦合器另一侧最终的T型输出波导的个数(四路功分器中x＝1、y＝1，六路功分器中x＝2、y＝1)，在本发明中实施例中，对于更多路数(路数为8、10、12、14、16……)的波导功分器不在赘述。

另外，以下将对需要波导结构进一步说明与阐述，可参照图6所示的Ku波段五路功分结构，其包括波导耦合器1、五个输出主波导2(输出端口分别为D2至D6)及连接主波导3，输出主波导2与连接主波导3均为主波导，其功能均为电磁波的主要导向结构。波导耦合器输出端口为D1、端口D7不输出。波导耦合器1左侧通过较短的连接主波导向外输出，右侧通过较长的连接主波导向输出主波导输出，在较短的连接主波导向上输出过程中，通过波导T型结进一步向外级联到两个T型输出主波导，在波导T型结及T型输出主波导4(T型输出主波导本质就是一个波导T型结，区别在于波导T型结没有输出到芯片)中都具有三角形过渡、次波导及过渡波导5。如图6中的次波导及三角形过渡6。主波导采用标准的矩形波导，次波导的长边和主波导一致，次波导的宽边为主波导宽边的一半。通过改变三角形过渡的形状、尺寸，可以改变主次波导之间的信号耦合量，通过对耦合量的控制，来实现每路信号的等幅度输出，并通过过渡波导5实现信号的阻抗匹配。

如图6中右侧的较长连接主波导32与输出主波导级联部位具有一定角度的切角，而所述切角的范围一般为40°～50°。

此外，本发明中还利用波导耦合器1的高隔离度特性，改善波导功分/功合网络的驻波，通过改变波导耦合器通孔的数量和尺寸，实现波导功分/功合网络的宽频带以及输出端能量的任意分配。

为了现实功分信号的等相位输出，按照不同的拓扑结构对功分单元和波导耦合器级联，可以实现任意路信号的等幅同相位输出。

在等幅同相位输出时，所述波导耦合器与波导T型结的距离为L1，所述波导耦合器与单波导的距离为L2，调节L1和L2使得单波导的相位与所述波导T型结的相位相同，且L1与L2的和为定值。

下面以Ku波段五路功分器为例，进一步说明本发明的波导功分器的分配方法及效果。

如图6的波导功分器为五路功分结构，其由三个主次波导功分单元与一个波导耦合器级联而成，其中端口D1为输入端口，端口D2～D6为输出端口，端口D7为隔离端口。

在Ku波段，主波导为标准的BJ180波导,其中波导的长边为12.95mm宽边为6.477mm。

次波导的长边和主波导一致也为7.112mm，次波导的宽边为主波导宽边的一半为3.2385mm.

在微波仿真软件中，对主次波导功分单元进行倒角处理，从而建立起三角过渡结构，通过改变倒角的量，来改变三角过渡结构的尺寸，实现主次波导耦合量的控制，从而实现每路信号的等幅度输出。

在主次波导功分单元前面级联波导耦合器，通过改变波导耦合器通孔的数量和尺寸，实现波导功分/功合网络的宽频带以及输出端能量的任意分配。在这里采用3个耦合孔，并调整耦合孔的尺寸，使波导耦合器在工作频段内能量分配为4:1。

由于信号的相位与信号传输路径密切相关，为了实现每路输出信号的同相位，必须要求信号按照特定的拓扑结构进行传输，以保证信号从功分器的输入端到功分器的每个输出端所经过的路径长度一致。在这里通过调整波导耦合器两输出端的臂长，即图中短连接主波导31和长连接主波导32的相对长度，确保端口D6的相位与其它几个端口(D2～D5)的相位相同。

Ku波段五路功分器的幅度特性如图7所示，相位特性如图8所示，从图中可以看出幅度平坦度为0.5dB，相位误差为6度。

将五路功分器反转过来即为5路功合器，将五路功合器与五路功分器级联即为5路功分/功合网络，如图9所示。该五路功分/功合网络幅度特性如图10所示，从图中可以看出插入损耗为0.4dB。

同理，六路功分器级联形式可参照图6所示的拓扑框图。首先通过调整波导耦合器耦合孔的尺寸，使波导耦合器在工作频段内能量分配为2:1，然后在波导耦合器两臂上分别级联一分四等幅波导T型结和一分二等幅波导T型结，实现六个输出端口信号幅度一致。最后通过调整波导耦合器两臂的相对长度，实现六个输出端口信号相位一致。

本发明的波导功分器针对现有的功分器结构不能实现奇数路或任意偶数路等幅同相位分配的弊端，采用波导T型结加波导耦合器级联的形式，通过改变波导T型结功分器三角形过渡结构的尺寸，以及改变波导耦合器耦合通孔的尺寸来控制输出端的能量分配，克服了传统威尔金森功分形式对分配路数必须为2的n次方的要求，即实现了路数只能为2、4、8、16、32等路数，不能实现本发明中的任意路数6(x＝2，y＝1)、10(x＝3,y＝2)等路数，可以根据固态发射机功率需求，最小限度的安排功率管数量，大大节约生产成本，对固态功率合成具有普遍的参考意义和实用推广性。

以上所述，仅为本发明的最优具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种波导功分器，其特征在于，所示波导功分器包括波导耦合器、输出主波导和连接主波导，波导耦合器、连接主波导、输出主波导级联，其中连接主波导和输出主波导形成T型输出波导，所述T型输出波导的数量至少为一个。

2.根据权利要求1所述的波导功分器，其特征在于，所述波导功分器由单个输出主波导及T型输出主波导输出时，波导功分器的功分端口数量为2x+1，其中x为正整数。

3.根据权利要求1所述的波导功分器，其特征在于，所述波导功分器仅由T型输出主波导输出时，波导功分器的功分端口数量为2x+2y，其中x、y均为正整数。

4.根据权利要求1所述的波导功分器，其特征在于，T型输出主波包括连接主波导形成的波导T型结，在所述波导T型结中具有三角形过渡、次波导及过渡波导。

5.根据权利要求1所述的波导功分器，其特征在于，连接主波导与输出主波导级联部位具有一定角度的切角。

6.根据权利要求5所述的波导功分器，其特征在于，所述切角的范围为40°～50°。

7.根据权利要求1所述的波导功分器，其特征在于，所述波导耦合器与波导T型结的距离为L1，所述波导耦合器与单波导的距离为L2，调节L1和L2使得单波导的相位与所述波导T型结的相位相同，且L1与L2的和为定值。