CN107706491A - 一种紧凑四端口波导差相移环行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种紧凑四端口波导差相移环行器。该环行器包括非互易传输线和两个E面波导3dB电桥；非互易传输线位于两个E面波导3dB电桥之间，并且分别与两个E面波导3dB电桥连接；E面波导3dB电桥包括第一矩形波导以及第一公共隔离板；第一公共隔离板安装在矩形波导内将第一矩形波导隔离成上方微波传输波导和下方微波传输波导；所述非互易传输线包括第二矩形波导以及第二公共隔离板；第二公共隔离板安装在第二矩形波导内将第二矩形波导隔离成上方的相位匹配波导与下方的铁氧体非互易移相器；本发明能够有效减小波导差相移环行器的截面尺寸，在较宽的带宽范围内实现低插入损耗及高隔离度，使波导差相移环行器适用场合更多。

Description

一种紧凑四端口波导差相移环行器

技术领域

本发明属于环行器领域，特别是一种紧凑四端口波导差相移环行器。

背景技术

环行器是最常用的微波元器件之一，在微波系统中，环行器常被用作天线的收发开关，实现收发隔离。环行器按传输线形式可分为微带、带线、同轴、波导等类型。波导式环行器，根据结构形式不同，又可分为结型以及差相移式等。其中，波导差相移式环行器功率容量最高，但同时截面尺寸也比较大，无法满足有限截面高功率微波系统的应用要求。

现有的波导式差相移环行器采用H面结构，由H面波导3dB电桥、铁氧体非互易移相器和魔T三部分组成，其结构原理见图1：

当微波从端口1注入时，经H面波导3dB电桥到达铁氧体非互易移相器时，两路信号幅度相同，相位相差90°，即I波导中的信号为II波导中的信号为经过铁氧体非互易移相器后，I波导中相位变化为φ1，II波导中相位变化为φ2，并且φ1-φ2＝π/2。则经过魔T后，端口2中的信号由两部分组成。一部分来源于I波导中，为1/2ejφ1；另一部分来源于II波导中，为1/2ejφ2+π/2。两路信号幅度、相位相同，合成后为1。端口4中的信号同样由两部分组成，I波导中的1/2ejφ1和II波导中的1/2ejφ2+3π/2。两路信号幅度相同，相位相反，合成后为0。因此，当信号由端口1输入时，实现从端口2输出，端口4隔离。

同理，当微波从端口4注入，经过魔T到达非互易移相器时，I波导中信号为II波导中信号为假设经过铁氧体移相器后，I波导中相位变化为φ1'，II波导中相位变化为φ2'，对于非互易移相器，有φ2'-φ1'＝π/2。于是经过3dB电桥后，端口1中的信号由I波导中的1/2ejφ1'和II波导中的1/2ejφ2'+3π/2两部分组成，两路信号幅度相位相同，合成后为1。端口3中的信号由I波导中的1/2ejφ1'+π/2和II波导中的1/2ejφ2'+π两部分组成，两路信号幅度相同，相位相反，合成后为0。因此，当信号由端口4输入时，实现从端口1输出，端口3隔离。

综上所述，此环行器可实现端口1→端口2→端口3→端口4→端口1的环行功能。这种形式的差相移环行器技术比较成熟，但其缺点在于截面尺寸比较大，难以应用于对截面尺寸有严格要求的场合。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种紧凑四端口波导差相移环行器，有效减小波导差相移环行器的截面尺寸，同时在较宽的带宽范围内实现低插入损耗及高隔离度，使得波导差相移环行器能够在对截面尺寸有严格要求的场合得以应用。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供了一种紧凑四端口波导差相移环行器，包括非互易传输线和两个E面波导3dB电桥；所述非互易传输线位于两个E面波导3dB电桥之间，并且分别与两个E面波导3dB电桥连接；

所述的E面波导3dB电桥包括第一矩形波导以及第一公共隔离板；第一公共隔离板安装在矩形波导内将第一矩形波导隔离成上方微波传输波导和下方微波传输波导；

第一公共隔离板沿着第一矩形波导的宽度方向开设有两个尺寸相同的U型缺口；两个U型缺口相对于第一矩形波导宽度方向中心线对称分布，并且两个U型缺口的开口侧分别与第一矩形波导两侧内壁贴合；

所述非互易传输线包括第二矩形波导以及第二公共隔离板；第二公共隔离板安装在第二矩形波导内将第二矩形波导隔离成上方的相位匹配波导与下方的铁氧体非互易移相器；

相位匹配波导沿微波的传输方向以相位匹配波导的宽度方向中心线对称设置有两个“凹”部；

铁氧体非互易移相器包括下方矩形波导以及位于下方矩形波导内的铁氧体；

铁氧体为“凸”型结构，铁氧体为四个，并且两个铁氧体并排布置构成一个铁氧体组；其中一个铁氧体组安装在第二公共隔离板上并且该组中两个铁氧体的突起部分均朝下，另外一个铁氧体组安装在下方矩形波导的内壁上并且该组中两个铁氧体的突起部分均朝上；

两个铁氧体组中铁氧体突起部分之间的高度差为4.16mm，每个铁氧体组中的两个铁氧体之间的距离为10.86mm。

进一步地，第一公共隔离板和第二公共隔离板均采用铜或铝制成，第一公共隔离板和第二公共隔离板的厚度均为3mm。

进一步地，E面波导3dB电桥的上、下微波传输通道的端口均采用BJ100波导端口。

具体来说，第一矩形波导的尺寸为22.86×19.92×55.27mm；所述U型缺口的尺寸为4.53mm×31.63mm；第二矩形波导尺寸为22.86mm×19.92mm×54.5mm；相位匹配波导尺寸为22.86mm×8.46mm×54.5mm；相位匹配波导的“凹”部尺寸为1.39mm×8.46mm×33.85mm；下方矩形波导的尺寸为22.86mm×8.46mm×54.5mm。

具体来说，波导差相移环行器的内腔截面尺寸为22.86mm×23.32mm，中心频率处其截面尺寸为0.65λ×0.66λ，其中，λ代表中心频率的波长。

优选地是，第一矩形波导和第二矩形波导为一体件，所述第一公共隔离板和第二公共隔离板为一体件。

本发明的有益效果是：

1、本发明的波导差相移环行器结构紧凑，在较宽带宽范围内能实现良好的隔离度以及较低的插入损耗，因此在对截面尺寸受限、功率容量要求高的微波系统中有广泛的应用。

2、本发明提出的E面波导3dB电桥中设置有U型缺口，这种设计实现功率分配，通过调节U型缺口尺寸，可调整功率分配比例并实现端口隔离。

3、本发明提出的波导差相移环行器通过采用E面波导3dB电桥取代传统环行器中的H面波导3dB电桥以及魔T，保证了环行器截面尺寸的结构紧凑性。

4、本发明提出的波导差相移环行器采用由铁氧体与矩形波导构成的非互易传输线保证了环行器的性能和较宽的工作带宽。

附图说明

图1为现有波导式差相移环行器的结构简图；

图2是本发明的立体结构图；

图3是本发明的主视图；

图4是本发明的俯视图；

图5是本发明的侧视图；

图6是非互易传输线结构图；

图7是E面波导3dB电桥的结构图；

图8是图3的剖面视图；

图9是本发明环行器正向传输情况中各端口间传输系数的示意图；

图10是本发明环行器反向传输情况中各端口间传输系数的示意图；

图11是本发明环行器各个端口反射系数、隔离度仿真结果曲线图；

图12是本发明环行器插入损耗仿真结果曲线图。

附图标记如下：

1-E面波导3dB电桥、11-第一矩形波导、111-上方微波传输波导、112-下方微波传输波导、12-第一公共隔离板、13-U型缺口、2-非互易传输线、21-第二矩形波导、22-第二公共隔离板、3-相位匹配波导、31-凹部、4-铁氧体非互易移相器、41-下方矩形波导、42-铁氧体。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。本发明提供一种新型紧凑四端口波导差相移环行器，从而使得波导差相移环行器能够在对截面尺寸有严格要求的场合得以应用。

参见图1至图8，本发明提出的环行器包括非互易传输线2和两个E面波导3dB电桥1；非互易传输线2位于两个E面波导3dB电桥1之间，并且分别与两个E面波导3dB电桥1连接；

E面波导3dB电桥1包括第一矩形波导11以及第一公共隔离板12；第一公共隔离板12安装在第一矩形波导11内将第一矩形波导11隔离成上方微波传输波导111和下方微波传输波导112；

第一公共隔离板12沿着第一矩形波导11的宽度方向开设有两个尺寸相同的U型缺口13；两个U型缺口13相对于第一矩形波导11宽度方向中心线对称分布；并且两个U型缺口的开口侧分别与第一矩形波导两侧内壁贴合；

非互易传输线2包括第二矩形波导21、第二公共隔离板22；第二公共隔离板22安装在第二矩形波导21内将第二矩形波21导隔离成上方的相位匹配波导3与下方的铁氧体非互易移相器4；

相位匹配波导3沿微波的传输方向以相位匹配波导的宽度方向中心线对称设置有两个“凹”部31；

铁氧体非互易移相器4包括下方矩形波导41以及位于下方矩形波导内的铁氧体42；

铁氧体42为“凸”型结构，铁氧体42为四个，并且两个铁氧体并排布置构成一个铁氧体组；其中一个铁氧体组安装在第二公共隔离板上并且该组中两个铁氧体的突起部分均朝下，另外一个铁氧体组安装在下方矩形波导的内壁上并且该组中两个铁氧体的突起部分均朝上；

两个铁氧体组中铁氧体突起部分之间的高度差为4.16mm，每个铁氧体组中的两个铁氧体之间的距离为10.86mm。

具体来说：E面波导3dB电桥由截面尺寸为22.86mm×19.92mm×55.27mm的第一矩形波导中间插入厚度为3mm的第一公共隔离板(金属板)构成。此时，第一矩形波导被分隔成两个截面尺寸为22.86mm×8.46mm×55.27mm的上方微波通道波导和下方微波通道波导。对于每一个微波通道波导，通过截面尺寸为22.86mm×9.26mm，长度为13.64mm的矩形波导进行阻抗变换，变换为截面尺寸为22.86mm×10.16mm的BJ100波导，使3dB电桥的输入端口变换为BJ100波导端口。在第一公共隔离板(金属板)上，沿着第一矩形波导的宽度方向开设有两个尺寸均为4.53mm×31.63mm的U型缺口；两个U型缺口相对于第一矩形波导宽度方向中心线对称分布，并且两个U型缺口的开口侧分别与第一矩形波导两侧内壁贴合；

非互易传输线位于两个E面波导3dB电桥中间，由截面尺寸为22.86mm×19.92mm的第二矩形波导中间插入厚度为3mm第二公共隔离板(金属板)构成。此时，第二矩形波导被第二公共隔离板(金属板)分隔成两个截面尺寸为22.86mm×8.46mm的矩形波导(一个为相位匹配波导，另一个为下方矩形波导，下方矩形波导内安装铁氧体)；

相位匹配波导为对尺寸为22.86mm×8.46mm矩形波导的长度部分进行宽度压缩一定的“凹”部所构成，“凹”部尺寸为1.39mm×8.46mm×33.85mm。

铁氧体是由一个中间铁氧体块和两个侧部铁氧体两块构成；中间铁氧体块的尺寸为3.5mm×3mm×22.76mm；侧部铁氧体块尺寸为3.5mm×2.01mm×10.87mm。

E面波导3dB电桥上有四个端口，分别为A1端口、A2端口、A3端口和A4端口，A1端口输入功率平均分配到A2、A4端口(通过第一公共隔离板上的两侧U型缺口进行微波的分配)，并且A2端口比A4端口相位领先90°；A1端口与A3端口相互隔离。

非互易传输线上有也包含四个端口，分别为B1端口、B2端口、B3端口和B4端口；当微波的传输方向是从B1端口到B2端口(正向传输)时，B2端口与B1端口之间的相位差、B4端口与B3端口之间的相位差相差180°；

当微波的传输方向是从B2端口到B1端口(反向传输)时，B1端口与B2端口之间的相位差、B3端口与B4端口之间的相位差相同。

如图9所示，正向传输情况可得到环行器的各个端口散射参量为：

同样地，有：S₂₃＝0，S₄₃＝1。

如图10所示，反向传输情况：可得到环行器的各个端口散射参量为：

同样地，有：S₁₄＝j，S₃₄＝0。于是，环行器的散射矩阵S为：

可见，本发明提供的紧凑四端口波导差相移环行器在功能原理上满足环行器设计要求。

环行器工作时，当端口1注入微波时，输入功率从端口2输出。同样，端口2输入时则由端口3输出，端口3输入时端口4输出，端口4输入又回到端口1输出，即微波功率在环行器各端口间环行传输。

为了验证本发明的设计方案波导差相移环行器的性能，本案通过仿真模拟，得到了以下结论：

参见图11和图12，从两幅图中可知s(1,1),s(2,2),s(1,2),s(2,1)的仿真结果表明在8.0-9.0GHz频率范围内，端口1和端口2的反射系数小于-18dB，端口1和端口2之间的隔离度大于15dB。端口1至端口2的传输系数小于-0.35dB。(即端口无反射，端口1至端口2传输，端口2至端口1隔离，其余端口间特性与此类似，本发明的结构设计满足波导差相移环行器的要求。)

该波导差相移环行器的内腔截面尺寸为22.86mm×23.32mm，中心频率处其截面尺寸为0.65λ×0.66λ，其中，λ代表中心频率的波长，其尺寸远小于传统的波导差相移环行器截面尺寸，且其端口2、端口4共面输出。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种紧凑四端口波导差相移环行器，其特征在于：包括非互易传输线和两个E面波导3dB电桥；所述非互易传输线位于两个E面波导3dB电桥之间，并且分别与两个E面波导3dB电桥连接；

所述的E面波导3dB电桥包括第一矩形波导以及第一公共隔离板；第一公共隔离板安装在矩形波导内将第一矩形波导隔离成上方微波传输波导和下方微波传输波导；

第一公共隔离板沿着第一矩形波导的宽度方向开设有两个尺寸相同的U型缺口；两个U型缺口相对于第一矩形波导宽度方向中心线对称分布，并且两个U型缺口的开口侧分别与第一矩形波导两侧内壁贴合；

所述非互易传输线包括第二矩形波导以及第二公共隔离板；第二公共隔离板安装在第二矩形波导内将第二矩形波导隔离成上方的相位匹配波导与下方的铁氧体非互易移相器；

相位匹配波导沿微波的传输方向以相位匹配波导的宽度方向中心线对称设置有两个“凹”部；

铁氧体非互易移相器包括下方矩形波导以及位于下方矩形波导内的铁氧体；

铁氧体为“凸”型结构，铁氧体为四个，并且两个铁氧体并排布置构成一个铁氧体组；其中一个铁氧体组安装在第二公共隔离板上并且该组中两个铁氧体的突起部分均朝下，另外一个铁氧体组安装在下方矩形波导的内壁上并且该组中两个铁氧体的突起部分均朝上；

两个铁氧体组中铁氧体突起部分之间的高度差为4.16mm，每个铁氧体组中的两个铁氧体之间的距离为10.86mm。

2.根据权利要求1所述的紧凑四端口波导差相移环行器，其特征在于：所述第一公共隔离板和第二公共隔离板均采用铜或铝制成，第一公共隔离板和第二公共隔离板的厚度均为3mm。

3.根据权利要求1或2所述的紧凑四端口波导差相移环行器，其特征在于：所述E面波导3dB电桥的上、下微波传输通道的端口均采用BJ100波导端口。

4.根据权利要求3所述的紧凑四端口波导差相移环行器，其特征在于：第一矩形波导的尺寸为22.86×19.92×55.27mm；所述U型缺口的尺寸为4.53mm×31.63mm；第二矩形波导尺寸为22.86mm×19.92mm×54.5mm；相位匹配波导尺寸为22.86mm×8.46mm×54.5mm；相位匹配波导的“凹”部尺寸为1.39mm×8.46mm×33.85mm；下方矩形波导的尺寸为22.86mm×8.46mm×54.5mm；

铁氧体是由一个中间铁氧体块和两个侧部铁氧体两块构成；中间铁氧体块的尺寸为3.5mm×3mm×22.76mm；侧部铁氧体块尺寸为3.5mm×2.01mm×10.87mm。

5.根据权利要求4所述的紧凑四端口波导差相移环行器，其特征在于：所述波导差相移环行器的内腔截面尺寸为22.86mm×23.32mm，中心频率处其截面尺寸为0.65λ×0.66λ，其中，λ代表中心频率的波长。

6.根据权利要求5所述的紧凑四端口波导差相移环行器，其特征在于：所述第一矩形波导和第二矩形波导为一体件，所述第一公共隔离板和第二公共隔离板为一体件。