CN107565202A - X波段宽边耦合波导慢波线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X波段宽边耦合波导慢波线，包括矩形主波导、矩形副波导、双十字耦合缝、180度弯头；微波能量从主波导输入，副波导通过宽边双十字缝隙耦合主波导能量，主、副波导相互隔离；双十字缝隙位于主波导和副波导公共壁的对角线上；180度弯头连接两主波导，实现主波导180度转向形成慢波传输结构；结合经典的窄边耦合理论公式和传输线理论，推导出宽边耦合慢波线的理论公式及设计方法；利用推导出设计方法，可以快速设计出满足电讯要求的慢波线结构，且具有结构紧凑、工作带宽宽、耦合能量大、幅相一致性高等优点，特别适用于工作频率高的频扫天线慢波线的设计。

Description

X波段宽边耦合波导慢波线

技术领域

本发明属于微波通信领域，特别涉及频扫雷达天线宽边耦合波导慢波线。

背景技术

频扫雷达相对于机械扫描雷达具有空间扫描快、数据率高的优点，相对于相控阵雷达则有结构简单、成本低的优势，因此得到广泛的应用。

慢波线是频扫雷达天馈系统中重要的组成部分，是完成频扫功能的核心部件。它为天线阵提供要求的幅度和相位分布，更为重要的是当频率发生变化时，使线源的等相位面发生偏移，从而改变波数指向，实现波束空间扫描。慢波线设计直接关系到天线的性能，因此对其精确设计是非常重要。

目前公知的慢波线均适用于S、C波段，并且采用三端口T型窄边耦合结构，对于X波段慢波线，波导尺寸小，T型窄边耦合结构的耦合能量小，不能满足慢波线设计要求。而双十字型宽边耦合比T型窄边耦合更容易实现大的耦合量，特别是在X波段以上的频率，波导尺寸很小，双十字宽边耦合比T型窄边耦合慢波线具有更广泛的应用价值。

另外，T型窄边耦合慢波线已有经典的理论设计公式，而双十字型宽边耦合慢波线的设计无文献报导及公式推导。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种宽边耦合X波段波导慢波线及其设计方法，由于其耦合量大，特别适用于X波段及以上频率慢波线，并推导出慢波线设计理论公式。

为了实现上述发明目的，本发明X波段宽边耦合波导慢波线包括：

矩形主波导、矩形副波导、双十字耦合缝、180度弯头；微波能量从主波导输入，矩形主波导与矩形副波导相互隔离，矩形主波导通过双十字缝隙与矩形副波导联通实现能量的耦合；双十字缝隙位于矩形主波导和矩形副波导公共壁的对角线上；180度弯头连接两主波导，实现主波导180度转向形成曲折慢波结构。

所说的设计方法是根据传输线理论并结合传统窄边耦合慢波线理论公式，推导出宽边耦合慢波线相关理论公式。在频扫雷达天线中，为了实现频率扫描，采用慢波线结构，结合工作频率和扫描范围，利用经典的慢波线理论公式可以计算出主波导的长度。在频扫雷达天线中，为了实现各耦合端口预定的分布，通过推导的慢波线理论公式可以计算出耦合端口的数量及耦合量大小；通过计算的各耦合量的大小，仿真计算出每个耦合端口的十字耦合缝的尺寸及位置。从而计算出整个所需慢波线结构尺寸。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用宽边耦合结构，耦合量更大，特别适用于X波段及以上频率慢波线；(2)该慢波线工作频率高，结构尺寸小；(3)根据传输线理论并结合传统窄边耦合慢波线理论，推导出宽边耦合慢波线相关理论公式，能快速设计出所需要的慢波线结构尺寸。

附图说明

图1为本发明中X波段宽边耦合波导慢波线立体示意图。

图2为本发明图1的奇数号双十字耦合器结构左视图。

图3为本发明图1的偶数号双十字耦合器结构左视图。

图4为本发明图1的180度弯头结构图。

图5为本发明慢波线能量分配示意图。

图6为实例一76个耦合端口的耦合量分布。

图7为实例一76个耦合端口幅度和相位计算的方向图。

具体实施方式

本发明为X波段宽边耦合波导慢波线，结合附图和具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1所示，波导慢波线由作为微波主通道的矩形主波导1和作为耦合通道的矩形副波导2、连接主波导的180度弯头3以及作为贯穿矩形主波导和矩形副波导的双十字耦合缝4构成；微波能量从主波导输入，小部分能量通过第一个双十字耦合缝耦合到副波导中，大部分剩余能量继续通过主波导，经过180度弯头反向后，小部分能量通过第二个双十字耦合缝耦合到副波导中，以此类推，大部分能量都会通过双十字耦合缝耦合到副波导中，实现耦合端口能量的分配。

如图2和3所示，双十字耦合缝隙位于主波导和副波导公共壁上并中心对称，耦合缝隙的大小和位置决定着耦合能量的大小。副波导一端是耦合端口一端是隔离端口，如图1所示，副波导上端是耦合端口，下端是隔离端口。

如图4所示，180度弯头采用偏心结构，即180度弯头外圆弧的圆心位于内圆弧的圆心下方，能实现低的驻波和损耗。

为了实现预定的分布，在频扫雷达天线中，由控制慢波线系统中各个耦合器的耦合量来实现的。

对于慢波线中各个耦合器的耦合量问题，由于在设计各个耦合器和波导弯头时，电性要求及其严格，一般要求电压驻波比在1.05以下，每个耦合器之间的波导段一般都有几个波导波长，因此可以忽略反射的影响，简单地视为直波导串馈行波阵列。

图5中，为耦合到第n个端口的功率，为输入到第n个耦合器的功率，为离开第n个耦合器的功率，P_gen为第n个耦合器的隔离功率。

设：

其中，q＝e^-αL，α为波导内衰减常数，L为阵中相邻馈线长度。

口径分布归一化于最后一个单元的辐射功率，分布系数定义为：

由式(2)(3)(4)可得递推公式：

得到一系列递推关系：

结合式(2)，可推导出最后一个耦合器耦合功率

结合式(4)、(6)和式(7)可以算出每一个端口的耦合量K

实例1：一个工作在X波段波导慢波线，要求慢波线实现-15°～55°的扫描，法向方向波宽为1.6°±0.2°，最大副瓣电平不大于-24dB(偏离方向5以外的电除外)。波导管选用BJ84标准波导，副波导采用BJ84压缩波导，波导窄边高度为4mm，耦合端口个数为76个。根据理论公式(8)可以计算出慢波线的耦合量。

图6为实例1的76个耦合端口耦合量分布。

图7为根据76个耦合端口幅度和相位计算的偏离法向10.4°方向图。

Claims (3)

1.X波段宽边耦合波导慢波线，其特征在于：包括作为微波主通道的矩形主波导(1)和作为耦合通道的矩形副波导(2)、连接主波导的180度弯头(3)、以及作为贯穿矩形主波导和矩形副波导的双十字耦合缝(4)；所述矩形主波导(1)和矩形副波导(2)均为截面呈矩形的规则金属波导制成，矩形主波导(1)为标准波导，矩形副波导(2)为与矩形主波导(1)宽边尺寸相同的压缩波导；矩形主波导(1)的主模H面与矩形副波导(2)的主模H面相交，矩形主波导(1)与矩形副波导(2)相互隔离；矩形主波导(1)通过两个十字耦合缝隙(4)与矩形副波导(2)连通，两十字耦合缝隙(3)位于矩形主波导(1)与矩形副波导(2)的公共壁的对角线上且呈中心对称。

2.根据权利要求1所述的X波段宽边耦合波导慢波线，其特征在于：所述的双十字宽边耦合缝，位于主波导与副波导公共宽边上，双十字缝的大小和位置根据耦合能量的大小进行调节，实现不同的耦合量。

3.根据权利要求1所述的X波段宽边耦合波导慢波线，其特征在于：所述的180度弯头采用偏心设计，即180度弯头内外圆心不在同一点上。