CN110459851B - 一种小型化波导功分网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化波导功分网络，至少由两个一分多波导功分器组成，均采用双层波导结构，所述一分多波导功分器包含：第一层波导结构、第二层波导结构和至少一个第一类过渡机构，所述第一类过渡机构设有第一高度过渡部分和第二高度过渡部分，分别与所述第一层波导结构和第二层波导结构过渡连接，使得所述第一层波导结构和所述第二层波导结构处于不同高度的平面。其优点是：采用双层波导结构的波导功分器交替放置，充分利用了空间，减小了装置体积，对于大型相控阵馈电网络而言，在保证输出端口隔离度优，易于与电路集成安装的前提下，实现了波导功分网络的小型化，满足了现代相控阵技术对馈电网络小型化的要求。

Description

一种小型化波导功分网络

技术领域

本发明涉及微波器件领域，具体涉及一种小型化波导功分网络，用于相控阵天线的功率分配和定标馈电网络。

背景技术

近年来，随着相控阵技术的飞速发展，应用领域越来越广泛，对其体积重量也提出了更为苛刻的要求。因此，对相控阵馈电和内定标网络的小型化要求越来越高。此外，现代雷达对抗干扰性能要求越来越高，要求天线副瓣越来越低，带宽越来越宽。为了满足如此低的天线副瓣，如此宽的带宽，对相控阵馈电网络带宽、幅度和相位提出更高精度的要求。波导功分网络在较宽的频带内，具有功率容量大，传输损耗小，隔离度高，线性相位一致性好等优点而被广泛应用于雷达、卫星、通信等大功率领域的馈电网络，这种优点在毫米波频段尤为突出。

一方面，传统的大功率馈电网络一般是由多级波导功分器级联而成，这就给我们带来一个难题：对于多输出端口功分网络，必然会造成功分网络面积大，空间利用率低，体积笨重等缺点，必然导致馈电网络不易于与发射接收(Transmit and Receiving)组件集成安装，给大型相控阵馈电和定标网络的安装带来一定困难；不仅如此，庞大的馈电网络不仅成本高而且也不利于产品性能指标的实现。因此，小型化的馈电网络成为发展的必然趋势。

另一方面，随着相控阵技术的进一步发展，对馈电网络输出端口的幅度和相位一致性要求越来越高，频带宽度也越来越宽。然而，传统的功分网络已经不能满足所需要的性能指标，尤其毫米波频段。因此，急需提出一种相位和幅度一致性好、带宽宽的馈电波导功分网络，以提高相控阵整机性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型化波导功分网络，通过采用双层波导结构的波导功分器交替放置，充分利用了空间，减小了装置体积，所述单个一份十二波导结构紧凑，由四级波导功分器级联而成，通过分层技术，采用两层波导结构，在第一层波导结构输出端口通过E平面L型过渡波导垂直向上过渡到第二层波导结构，所有端口再次通过H平面L型过渡波导垂直向上使所有输出端口都在同一平面输出，易于与电路集成安装，且采用了宽带H面波导T型定向耦合器和H面波导阶梯阻抗变换结构来实现功率分配，具有带宽宽，结构紧凑，功率容量大，损耗小等优点。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种小型化波导功分网络，包含若干个一分多波导功分器，至少两个一分多波导功分器均采用双层波导结构，所述一分多波导功分器包含：

第一层波导结构、第二层波导结构和至少一个第一类过渡机构，所述第一类过渡机构设有第一高度过渡部分和第二高度过渡部分，分别与所述第一层波导结构和第二层波导结构过渡连接，使得所述第一层波导结构和所述第二层波导结构处于不同高度的平面；

所述至少两个一分多波导功分器交叉放置，使其中的第一个一分多波导功分器的第一层波导结构置于第二个一分多波导功分器的第二层波导结构之下以及所述第一个一分多波导功分器的第二层波导结构置于第二个一分多波导功分器的第一层波导结构之上。

优选地，所述第一类过渡机构包含：

E平面L型过渡波导、直波导和用于减小电磁波反射的切角。

优选地，所述第一层波导结构至少包含第一级波导功分器；

所述第一级波导功分器直接连接至所述第一类过渡机构并垂直向上过渡到第二层波导结构；

和/或，所述第一级波导功分器通过第二类过渡机构连接至所述第一类过渡机构并垂直向上过渡到第二层波导结构；

和/或，所述第一级波导功分器通过依次级联若干个下级波导功分器连接至所述第一类过渡机构并垂直向上过渡到第二层波导结构；

和/或，所述第一级波导功分器通过第二类过渡机构和级联的若干个下级波导功分器连接至所述第一类过渡机构并垂直向上过渡到第二层波导结构。

优选地，所述第二类过渡机构包含：

H平面L型过渡波导、直波导和用于减小电磁波反射的切角。

优选地，所述第一类过渡机构为N个；

与各第一类过渡机构相邻且位于第二层波导结构上的级联的一下级波导功分器，沿其排方向两侧继续级联若干个下级波导功分器；

所述第二层波导结构上级联的两个波导功分器之间直接连接和/或通过所述第二类过渡机构相互连接；

所述第二层波导结构上N排的各最后一级波导功分器的所有输出端口在同一平面输出。

优选地，所述一分多波导功分器为一分十二波导功分器；

所述至少两个一分多波导功分器包含用于功率分配网络的第一类一分十二波导功分器和用于内定标网络的第二类一分十二波导功分器；

所述第一类一分十二波导功分器包含12个功率分配输出端口，所述第二类一分十二波导功分器包含12个定标馈电输出端口。

优选地，所述第一类一分十二波导功分器和第二类一分十二波导功分器结构相同，所述第一类波导功分器和所述第二类波导功分器的每排输出端口交替排列，每排的功率分配输出端口和定标馈电输出端口交替排列。

优选地，所述第一类一分十二波导功分器包含：

至少一个位于第一层波导结构的第一级波导功分器、位于第一层波导结构上或位于第二层波导结构上的多个第二级波导功分器、位于第二层波导结构上的多个第三级波导功分器、位于第二层波导结构上的多个第四级波导功分器；

所述第一级波导功分器一端通过第一类过渡机构垂直向上过渡至第二层波导结构并级联一第二级波导功分器，该第二级波导功分器两端通过第二类过渡机构各级联一个第三级波导功分器，从而形成第一排功率分配输出端口；

所述第一级波导功分器另一端通过所述第二类过渡机构级联所述第二级波导功分器，所述第二级波导功分器两端各自通过第一类过渡机构垂直向上过渡至第二层波导结构并分别级联一第三级波导功分器，这两个第三级波导功分器各自的两端均分别通过所述第二类过渡机构级联一个第四级波导功分器，从而形成了第二排和第三排功率分配输出端口，且第二排和第三排功率分配输出端口位于第一排功率分配输出端口的同一侧；

各被级联的第三级波导功分器和第四级波导功分器的功率分配输出端口垂直向上在同一平面输出。

优选地，所述第一级波导功分器为功分比1:2波导功分器；

所述第二级波导功分器、第三级波导功分器、第四级波导功分器为功分比1:1波导功分器。

优选地，所述第一级波导功分器包含：

直波导、切角、宽带H面波导T型定向耦合器、H面阶梯阻抗变换器；

所述第一级波导功分器由定向耦合器窄边采用多级阶梯阻抗变换器连接直波导输出实现；

所述第二级波导功分器和/或第三级波导功分器和/或第四级波导功分器与所述第一级波导功分器结构相同，功分比不同，包含：

直波导、切角、宽带H面波导T型定向耦合器、H面阶梯阻抗变换器，通过调节定向耦合器的长度和宽度以调节任意功分比。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明的小型化波导功分网络在结构上创新地采用分层技术，采用双层波导结构的波导功分器交替放置，充分利用了空间，减小了装置体积，对于大型相控阵馈电网络而言，在保证输出端口隔离度优，易于与电路集成安装的前提下，实现了波导功分网络的小型化，满足了现代相控阵技术对馈电网络小型化的要求；

(2)本发明的所述单个一份十二波导结构紧凑，由四级波导功分器级联而成，通过分层技术，采用两层波导结构，在第一层波导结构输出端口通过E平面L型过渡波导垂直向上过渡到第二层波导结构，所有端口再次通过H平面L型过渡波导垂直向上使所有输出端口都在同一平面输出，采用所述E平面L型过渡波导和H平面L型过渡波导相结合，把一分十二波导功分器分成两层，易于与电路集成安装；

(3)本发明的小型化波导功分网络在适当增大厚度的情况下，减少馈电网络的面积，不仅实现了功分网络的小型化，而且保证了该功分网络所有输出端口交替排列并在同一平面内，具有结构紧凑、损耗小、易于与TR组件集成安装的优点；

(4)本发明的小型化波导功分网络基于波导结构，采用宽带H面波导T型定向耦合器和H面波导阶梯阻抗变换结构来实现功率分配，具有带宽宽，结构紧凑，功率容量大，损耗小等优点；

(5)本发明通过在各波导功分器输出端口连接传统直波导来调节输出端口的相位，并且通过带切角的H平面L型过渡波导级联到下一级波导功分器，调节该切角来减少电磁波的反射，从而调节功分器输出端口的输出驻波比，提高带宽，保证了所设计的功率分配器具有良好的幅度一致性和相位一致性；

(6)本发明满足了现代相控阵技术对馈电网络要求越来越小，天线副瓣要求越来越低，对抗干扰性能要求越来越高的性能指标。

附图说明

图1为本发明实施例的一种小型化波导功分网络的整体结构图；

图2为本发明的整体平面波导功分网络示意图；

图3为本发明的用于功率分配的单个一分十二波导功分器示意图；

图4为本发明的用于内定标网络的单个一分十二波导功分器示意图；

图5为本发明的第一类过渡机构示意图；

图6为本发明的第二类过渡机构示意图；

图7为本发明的第二级波导功分器示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，为本发明较佳实施例的一种小型化波导功分网络的整体结构图，从上到下依次设有上层金属盖板2、两个一分十二功分器主体3和下层金属盖板4，所述上层金属盖板2与下层金属盖板4用于支撑保护两个一分十二波导功分器主体3。

如图2、图3及图4结合所示，为本发明的小型化波导功分网络的主体结构，该装置包含两组一分十二波导功分器，分别为用于相控阵天线的功率分配网络的第一类一分十二波导功分器和用于相控阵天线的内定标网络的第二类一分十二波导功分器。无论对于第一类一分十二波导功分器还是第二类一分十二波导功分器而言，每个一分十二波导功分器在结构上都可以创新地采用分层技术，即采用双层波导结构，充分利用每个一分十二波导功分器的空间使其交替放置，减少馈电网络的面积，实现功分网络的小型化。

每个一分十二波导功分器包含：第一层波导结构和第二层波导结构，所述第一层波导结构输出端口通过第一类过渡机构12垂直向上过渡到第二层波导结构，所述第二层波导结构所有输出端口垂直向上在同一平面输出，其中，所述第一类过渡机构12具有高度不同的两部分，使所述第一层波导结构和所述第二层波导结构高度不同。

所述第一类一分十二波导功分器和第二类一分十二波导功分器反向且交叉放置，所述第一类一分十二波导功分器的第一层波导结构放置在所述第二类一分十二波导功分器的第二层波导结构之下，所述第一类一分十二波导功分器的第二层波导结构放置在第二类一分十二波导功分器的第一层波导结构之上，所述第一类一分十二波导功分器和第二类一分十二波导功分器的每排输出端口交替排列。该结构实现了两个一分十二波导功分器(一分十二波导功分网络)交替放置，充分利用了空间，减小了装置体积，对于大型相控阵馈电网络而言，在保证输出端口隔离度优，易于与电路集成安装的前提下，实现了波导功分网络的小型化，满足了现代相控阵技术对馈电网络小型化的要求。

在本实施例中，所述第一类一分十二波导功分器和第二类一分十二波导功分器的波导功分器主体3分别如图3和图4所示，所述第一类一分十二波导功分器包含12个功率分配输出端口1，所述第二类一分十二波导功分器包含12个定标馈电输出端口14。所述第一类一分十二波导功分器和第二类一分十二波导功分器结构相同(如图3和图4所示，例如，15-1和15-2相对应，具体不做赘述)，但是功能不同，两波导功分器每排功率分配输出端口1和定标馈电输出端口14交替排列并在同一平面上，具有结构紧凑，易于与电路集成安装的优点。

所述第一类一分十二波导功分器包含：至少一个第一级波导功分器15-1(位于第一层波导结构上)、多个第二级波导功分器11-1(位于第一层波导结构上或者位于第二层波导结构上)、多个第三级波导功分器11-2(位于第二层波导结构上)和多个第四级波导功分器11-3(位于第二层波导结构上)。

如图3所示，从第一层波导结构起，所述第一级波导功分器15-1一端(例如沿纵向方向)通过第一类过渡机构12垂直向上过渡至第二层波导结构并级联一第二级波导功分器11-1，该第二级波导功分器11-1两端(例如沿横向方向)通过第二类过渡机构13各级联一个第三级波导功分器11-2，从而形成第一排功率分配输出端口1。

同时，所述第一级波导功分器15-1另一端(例如沿纵向方向)通过所述第二类过渡机构13级联一第二级波导功分器11-1，所述第二级波导功分器11-1两端(例如沿纵向方向)各自通过第一类过渡机构12垂直向上过渡至第二层波导结构并分别级联一个第三级波导功分器11-2，这两个第三级波导功分器11-2各自的两端(例如沿横向方向)均分别通过所述第二类过渡机构13级联一个第四级波导功分器11-3，从而形成了第二排和第三排功率分配输出端口1，且第二排和第三排的功率分配输出端口1位于第一排的功率分配输出端口1的同一侧(沿纵向方向)。

因此，各被级联的第三级波导功分器11-2和第四级波导功分器11-3的输出端口(对于第一类一分十二波导功分器而言即功率分配输出端口1，对于第二类一分十二波导功分器而言即定标馈电输出端口14)垂直向上在同一平面输出，形成第二层波导结构。本发明采用此种结构可以在少许增加产品厚度的情况下，充分利用空间，两个一分十二波导功分器网络上下穿插放置，减少馈电网络的面积，不仅实现了波导功分网络的小型化，而且保证了波导功分器所有输出端口在同一平面内，易于集成安装。

具体地，本实施例的第二级波导功分器11-1、第三级波导功分器11-2、第四级波导功分器11-3结构相同。

如图7所示，为本实施例的第二级波导功分器11-1的结构示意图，所述第二级波导功分器11-1为功分比1:1波导功分器，其包含：直波导10、宽带H面波导T型定向耦合器6、H面波导阶梯阻抗变换器9和多个切角8，其中，所述宽带H面波导T型定向耦合器6和H面波导阶梯阻抗变换器9共同来实现功率分配或内定标网络，示例地，切角8切在各直角拐弯处，用于减小电磁波反射，这样不仅可以实现波导功分器的宽带性能，还可以通过优化定向耦合器6的宽度16、长度17以及多级阶梯阻抗变换器9的尺寸实现输出功率分配比和带宽，实现波导功分器的任意功率分配比。

具体地，如图5和图6结合所示，分别为本发明的第一类过渡机构12和第二类过渡机构13结构示意图。

所述第一类过渡机构12包含：带有切角8的E平面L型过渡波导5、直波导10；所述第二类过渡机构13包含：带有切角8的H平面L型过渡波导7、直波导10。示例地，切角8均切在各直角拐弯处，用于减小电磁波的反射。所述第一类过渡机构12因其含有E平面L型过渡波导5，把一分十二波导功分器分成高度不同的两层结构，所述第二类过渡机构13因其含有H平面L型过渡波导7使所有输出端口都在同一平面上。本发明通过在各波导功分器输出端口连接传统直波导10来调节输出端口的相位，并且通过带切角8的H平面L型过渡波导7级联到下一级波导功分器，调节该切角8来减少电磁波的反射，从而调节波导功分器输出端口的输出驻波比，保证了所设计的功率分配器具有良好的幅度一致性和相位一致性。

另外，所述第一级波导功分器15-1为功分比1:2波导功分器，其包含：直波导10、H面波导T型定向耦合器6、切角8、H面阶梯阻抗变换器9。所述第一级波导功分器15-1由定向耦合器6窄边采用多级阶梯阻抗变换器9连接直波导10输出实现。通过调节定向耦合器6的长度17和宽度16可以实现各级波导功分器的任意功分比。

综上所述，本发明的小型化波导功分网络在结构上创新地采用分层技术，采用双层波导结构的波导功分器交替放置，充分利用了空间，减小了装置体积，对于大型相控阵馈电网络而言，在保证输出端口隔离度优，易于与电路集成安装的前提下，实现了波导功分网络的小型化，满足了现代相控阵技术对馈电网络小型化的要求，且本发明通过在各波导功分器输出端口连接传统直波导来调节输出端口的相位，并且通过带切角的H平面L型过渡波导级联到下一级波导功分器，调节该切角来减少电磁波的反射，从而调节功分器输出端口的输出驻波比，提高带宽，保证了所设计的功率分配器具有良好的幅度一致性和相位一致性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种小型化波导功分网络，包含若干个一分多波导功分器，其特征在于，至少两个一分多波导功分器均采用双层波导结构，所述一分多波导功分器包含：

第一层波导结构、第二层波导结构和至少一个第一类过渡机构(12)，所述第一类过渡机构(12)设有第一高度过渡部分和第二高度过渡部分，分别与所述第一层波导结构和第二层波导结构过渡连接，使得所述第一层波导结构和所述第二层波导结构处于不同高度的平面；

所述至少两个一分多波导功分器交叉放置，使其中的第一个一分多波导功分器的第一层波导结构置于第二个一分多波导功分器的第二层波导结构之下以及所述第一个一分多波导功分器的第二层波导结构置于第二个一分多波导功分器的第一层波导结构之上；

所述第一类过渡机构(12)包含：

E平面L型过渡波导(5)、直波导(10)和用于减小电磁波反射的切角(8)；

所述第一层波导结构至少包含第一级波导功分器(15-1)；

所述第一级波导功分器(15-1)直接连接至所述第一类过渡机构(12)并垂直向上过渡到第二层波导结构；

和/或，所述第一级波导功分器(15-1)通过第二类过渡机构(13)连接至所述第一类过渡机构(12)并垂直向上过渡到第二层波导结构；

和/或，所述第一级波导功分器(15-1)通过依次级联若干个下级波导功分器连接至所述第一类过渡机构(12)并垂直向上过渡到第二层波导结构；

和/或，所述第一级波导功分器(15-1)通过第二类过渡机构(13)和级联的若干个下级波导功分器连接至所述第一类过渡机构(12)并垂直向上过渡到第二层波导结构。

2.如权利要求1所述的小型化波导功分网络，其特征在于，所述第二类过渡机构(13)包含：

H平面L型过渡波导(7)、直波导(10)和用于减小电磁波反射的切角(8)。

3.如权利要求1所述的小型化波导功分网络，其特征在于，

所述第一类过渡机构(12)为N个，N为不为0的常数；

与各第一类过渡机构(12)相邻且位于第二层波导结构上的级联的一下级波导功分器，沿其排方向两侧继续级联若干个下级波导功分器；

所述第二层波导结构上级联的两个波导功分器之间直接连接和/或通过所述第二类过渡机构(13)相互连接；

所述第二层波导结构上N排的各最后一级波导功分器的所有输出端口在同一平面输出。

4.如权利要求3所述的小型化波导功分网络，其特征在于，

所述一分多波导功分器为一分十二波导功分器；

至少两个所述一分多波导功分器包含用于功率分配网络的第一类一分十二波导功分器和用于内定标网络的第二类一分十二波导功分器；

所述第一类一分十二波导功分器包含12个功率分配输出端口(1)，所述第二类一分十二波导功分器包含12个定标馈电输出端口(14)。

5.如权利要求4所述的小型化波导功分网络，其特征在于，

所述第一类一分十二波导功分器和第二类一分十二波导功分器结构相同，所述第一类波导功分器和所述第二类波导功分器的每排输出端口交替排列，每排的功率分配输出端口(1)和定标馈电输出端口(14)交替排列。

6.如权利要求5所述的小型化波导功分网络，其特征在于，所述第一类一分十二波导功分器包含：

至少一个位于第一层波导结构的第一级波导功分器(15-1)、位于第一层波导结构上或位于第二层波导结构上的多个第二级波导功分器(11-1)、位于第二层波导结构上的多个第三级波导功分器(11-2)、位于第二层波导结构上的多个第四级波导功分器(11-3)；

所述第一级波导功分器(15-1)一端通过第一类过渡机构(12)垂直向上过渡至第二层波导结构并级联一第二级波导功分器(11-1)，该第二级波导功分器(11-1)两端通过第二类过渡机构(13)各级联一个第三级波导功分器(11-2)，从而形成第一排功率分配输出端口(1)；

所述第一级波导功分器(15-1)另一端通过所述第二类过渡机构(13)级联所述第二级波导功分器(11-1)，所述第二级波导功分器(11-1)两端各自通过第一类过渡机构(12)垂直向上过渡至第二层波导结构并分别级联一第三级波导功分器(11-2)，这两个第三级波导功分器(11-2)各自的两端均分别通过所述第二类过渡机构(13)级联一个第四级波导功分器(11-3)，从而形成了第二排和第三排功率分配输出端口(1)，且第二排和第三排功率分配输出端口(1)位于第一排功率分配输出端口(1)的同一侧；

各被级联的第三级波导功分器(11-2)和第四级波导功分器(11-3)的功率分配输出端口(1)垂直向上在同一平面输出。

7.如权利要求6所述的小型化波导功分网络，其特征在于，

所述第一级波导功分器(15-1)为功分比1:2波导功分器；

所述第二级波导功分器(11-1)、第三级波导功分器(11-2)、第四级波导功分器(11-3)为功分比1:1波导功分器。

8.如权利要求6或7所述的小型化波导功分网络，其特征在于，所述第一级波导功分器(15-1)包含：

直波导(10)、切角(8)、宽带H面波导T型定向耦合器(6)、H面阶梯阻抗变换器(9)；

所述第一级波导功分器(15-1)由定向耦合器(6)窄边采用多级阶梯阻抗变换器(9)连接直波导(10)输出实现；

所述第二级波导功分器(11-1)和/或第三级波导功分器(11-2)和/或第四级波导功分器(11-3)与所述第一级波导功分器(15-1)结构相同，功分比不同，包含：

直波导(10)、切角(8)、宽带H面波导T型定向耦合器(6)、H面阶梯阻抗变换器(9)，通过调节定向耦合器(6)的长度(17)和宽度(16)以调节任意功分比。

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