CN111029707B - 一种用于校准网络的多路波导耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于校准网络的多路波导耦合器，包括分支波导、耦合波导、耦合孔、阻抗调谐膜片、波导匹配负载。分支波导的窄边和耦合波导的宽边的公共壁上开有耦合孔，将耦合波导内的能量耦合到分支波导中。耦合波导内部在两个耦合孔之间增加阻抗调谐膜片，以抵消耦合孔在耦合波导内引起的反射。每个分支波导内也增加阻抗调谐膜片，用以抵消耦合孔在分支波导内引起的反射。从而保证多路波导耦合器的端口驻波比很小，不会对主传输信号带来影响。本发明具有耦合度易于控制、各路之间隔离度高、结构紧凑、便于组阵和生产等优点，幅相一致性和稳定性好，可以用于大型相控阵波导校准网络的设计。

Description

一种用于校准网络的多路波导耦合器

技术领域

本发明涉及一种用于校准网络的多路波导耦合器，可用于相控阵天线的监测校准网络，属于无源网络技术领域。

背景技术

相控阵天线由于具有辐射效率高、结构紧凑、易于实现低副瓣、性能稳定可靠等诸多优点，在弹载、机载等雷达设备中获得了广泛应用。

为了对有源相控阵天线进行故障判断、定位、性能评估等保障和维护，保证其在整个生命周期内的性能特性、可靠性和可维护性，一般在相控阵天线内部设计监测校准网络，其作用在于实现对每个射频通道的信号进行检测和校准。

监测校准网络一般由多个校准模块和多个功分单元级联而成，一般阵列规模越大，监测校准网络越复杂。同时要实现射频通道信号的检测和校准，对监测校准网络本身幅相稳定性和一致性提出了很高的要求。通常监测校准网络各支路之间的差异要尽量小，以保证在监测校准网络在不同温度下的稳定性。

传统的监测校准网络采用在天线单元和TR组件之间增加耦合器，每个通道之间再通过多级级联的方式，整体结构复杂，且校准通道不包含天线单元之间的差异。或者在天线单元的下方或侧面增加校准线，其稳定性很难保证。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的上述不足，提供一种用于校准网络的多路波导耦合器，本发明剖面低且结构紧凑，幅相一致性和稳定性好，为阵元为波导缝隙行波天线的大型相控阵校准网络设计提供一种新思路，新形式。

本发明的技术解决方案是：一种用于校准网络的多路波导耦合器，包括：分支波导、耦合波导、耦合孔、阻抗调谐膜片、耦合波导匹配负载，其中阻抗调谐膜片包括分支波导膜片与耦合波导膜片；

分支波导接入信号辐射链路中，分支波导的数量与实际耦合器的分路数量一致；

每组分支波导膜片位于分支波导内部，紧贴放置于分支波导的侧壁且以分支波导的轴心为中心对称分布，用以抵消耦合孔在分支波导内部引起的反射；所述分支波导的侧壁是与公共壁垂直的侧壁；

耦合孔开在分支波导和耦合波导的公共壁上；

耦合波导一端接校准网络的终端设备，另一端接耦合波导负载。从终端设备发射的耦合信号到耦合波导之后，一部分能量通过耦合孔到分支波导中，其他的能量被耦合波导负载吸收；

每组耦合波导膜片位于两个耦合孔的正中，位置紧贴耦合波导的侧壁且以耦合波导的轴心为中心对称分布，用以抵消两个相邻耦合孔在耦合波导内部引起的反射；所述耦合波导的侧壁与公共壁垂直的侧壁；

当多路耦合器用于接收校准时，能量从一端进入，被耦合孔耦合到分支波导内部，然后进入接收天线单元；当多路耦合器用于发射校准时，能量从发射天线单元进入分支波导，再通过耦合孔到耦合波导，再进入校准网络终端设备。

所述耦合孔的形状为圆孔型或隙缝型，耦合孔外轮廓尺寸不超过耦合波导和分支波导的内腔尺寸。

所述分支波导接入信号辐射链路的位置在有源组件和无源天线之间，或在无源天线末端。

所述耦合波导采用一段直波导，信号从一端进入到另一端；或采用波导T型结结构，信号从中间进入到两端。

所述耦合波导采用将T型结结构将两端折叠起来的形式，组成阵列结构。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明拓展了波导小孔耦合理论的应用。传统波导小孔耦合主要是在公共宽壁或公共窄壁上开孔，本发明将小孔耦合理论应用于波导宽边与波导窄边之间的耦合，实现了一种新的波导耦合结构。

(2)本发明将波导小孔耦合理论与波导阻抗匹配理论相结合，一般在波导公共壁上开孔或缝利用开孔的位置和尺寸实现阻抗匹配，本发明由于开孔的位置受限，仅仅依靠孔的位置和尺寸无法实现阻抗匹配，因此借用阻抗匹配理论，利用波导内部增加容性或感性膜片抵消开孔引起的反射，提出一种新型多路波导耦合器结构，为大型相控阵校准网络设计提供一种新思路，新形式。

(3)本发明一种用于校准网络的多路波导耦合器结构紧凑、集成度高、幅相一致性和稳定性好，结构可扩展性强。

附图说明

图1为本发明一种用于校准网络的多路波导耦合器结构示意图；

图2为本发明一种用于校准网络的多路波导耦合器剖面图；

图3为本发明一种用于校准网络的多路波导耦合器基本单元结构示意图；

图4为本发明一种用于校准网络的T型结多路波导耦合器结构示意图；

图5为本发明一种用于校准网络的T型结多路波导耦合器剖面图；

图6为本发明一种用于校准网络的可扩展T型结多路波导耦合器结构示意图；

图7为本发明一种用于校准网络的可扩展T型结多路波导耦合器剖面图；

图8为本发明一种用于校准网络的可扩展T型结八通道波导耦合器仿真耦合度；

图9为本发明一种用于校准网络的可扩展T型结八通道波导耦合器仿真驻波比曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

附图所示的一种用于校准网络的多路波导耦合器为一个八通道波导耦合器，可以根据实际所需耦合通道的数量很方便的扩展为16通道、32通道、64通道等。

如图1所示一种用于校准网络的多路波导耦合器，本发明包括：分支波导1、耦合波导2、耦合孔3、阻抗调谐膜片4、波导匹配负载5，其中阻抗调谐膜片分为分支波导膜片41与耦合波导膜片42。

分支波导1数量与实际耦合器的分路数量一致，图1所示八通道波导耦合器的分支波导1数量为8，可以根据实际耦合器的分路数量进行扩展。

每组分支波导膜片41位于分支波导1内部，紧贴放置于分支波导1的侧壁且以分支波导1的轴心为中心对称分布，用以抵消耦合孔3在分支波导内部引起的反射；所述分支波导1的侧壁是与公共壁垂直的侧壁；

耦合孔3开在分支波导和耦合波导的公共壁上，因此耦合孔3的数量与分支波导1的数量一致。耦合孔3的形状为圆孔型或隙缝型或其他形状，外轮廓尺寸不超过耦合波导和分支波导的内腔尺寸。

耦合波导2一端接校准网络的终端设备，另一端接耦合波导负载5，从终端设备发射的耦合信号到耦合波导2之后，一部分能量通过耦合孔3到分支波导1中，其他的能量被耦合波导负载5吸收。每组耦合波导膜片42位于两个耦合孔3的正中，位置紧贴耦合波导2的侧壁且以耦合波导2的轴心为中心对称分布，用以抵消两个相邻耦合孔3在耦合波导内部引起的反射；所述耦合波导2的侧壁与公共壁垂直的侧壁。

多路耦合器用于接收校准时，能量从一端进入，被耦合孔耦合到分支波导内部，然后进入接收天线单元。反之，多路耦合器用于发射校准时，能量从发射天线单元进入分支波导，再通过耦合孔到耦合波导，再进入校准网络终端设备。

所述分支波导1接入信号辐射链路的位置可以根据信号辐射链路的实际情况确定，可以是有源组件和无源天线之间，也可以是无源天线末端。

所述耦合波导2可以一段直波导，信号从一端进入到另一端；也可以是波导T型结结构，信号从中间进入到两端。

所述耦合波导2T型结结构将两端折叠起来，便于扩展，组成阵列结构。

如图2所示为本发明一种用于校准网络的多路波导耦合器的剖面图，由图可知本发明一种用于校准网络的多路波导耦合器中，分支波导1、耦合孔3一一对应，耦合孔3的大小由耦合器的耦合量参数决定，外轮廓尺寸不超过耦合波导和分支波导的内腔尺寸即可。

如图3所示为本发明一种用于校准网络的多路波导耦合器的基本单元结构示意图。耦合波导2内部两个耦合孔3的中间位置放置了耦合波导膜片5，用以抵消两个耦合孔3在耦合波导内部引起的反射，保证耦合波导端口驻波比小于1.1。只用一组膜片就可以匹配两个耦合孔的反射，简化了结构，使加工更简单。

如图4所示为本发明一种用于校准网络的多路波导耦合器，图5所示为其剖面图。耦合波导2可以设计成波导T型结结构，减小耦合波导到不同分支波导路径长度不一致的量，提高多路波导耦合器在不同温度环境下的稳定性要求。波导T型结与耦合波导的相对位置关系如图5所示。信号从T型结中间进入到两端。在T型结的两分支口末端加匹配负载，吸收未耦合到分支波导的能量。

如图6所示为本发明一种用于校准网络的多路波导耦合器，图7所示为其剖面图。耦合波导2设计成波导T型结结构，且末端折叠起来，即保证了多路波导耦合器在不同温度环境下的稳定性，还便于扩展，组成阵列结构。

对本发明一种用于校准网络的八通道波导耦合器在Ku频段进行了详细的仿真设计。仿真模型如图6所示。仿真的耦合度如图8所示，耦合度在22dB左右。仿真的驻波比如图9所示。其中总口驻波比为曲线1，驻波比小于1.2。各分路驻波比为曲线2～9，驻波比小于1.1。

本发明一种用于校准网络的多路波导耦合器的原理如下：

本发明拓展了波导小孔耦合理论的应用，将小孔耦合理论应用于波导宽边与波导窄边之间的耦合。然后将小孔耦合理论与阻抗匹配理论相结合，对于小孔耦合引起的反射，可在孔附近增加阻抗调谐膜片，保证耦合波导和分支波导的端口驻波比都小于1.1，不会对主传输信号带来影响。

本发明设计的一种用于校准网络的多路波导耦合器，提出了一种用于校准网络的多路波导耦合器的新形式，结构紧凑、集成度高、可扩展性强，幅相一致性和稳定性好，可以用于阵元为波导缝隙行波天线的大型相控阵校准网络的设计。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (5)

1.一种用于校准网络的多路波导耦合器，其特征在于包括：分支波导(1)、耦合波导(2)、耦合孔(3)、阻抗调谐膜片(4)、耦合波导匹配负载(5)，其中阻抗调谐膜片(4)包括分支波导膜片(41)与耦合波导膜片(42)；

分支波导(1)接入信号辐射链路中，分支波导(1)的数量与实际耦合器的分路数量一致；

耦合孔(3)开在分支波导(1)和耦合波导(2)的公共壁上；

每组分支波导膜片(41)位于分支波导(1)内部，紧贴放置于分支波导(1)的侧壁且以分支波导(1)的轴心为中心对称分布，用以抵消耦合孔(3)在分支波导内部引起的反射；所述分支波导(1)的侧壁是与公共壁垂直的侧壁；

耦合波导(2)一端接校准网络的终端设备，另一端接耦合波导负载(5)；从终端设备发射的耦合信号到耦合波导(2)之后，一部分能量通过耦合孔(3)到分支波导(1)中，其他的能量被耦合波导负载(5)吸收；

每组耦合波导膜片(42)位于两个耦合孔(3)的正中，位置紧贴耦合波导(2)的侧壁且以耦合波导(2)的轴心为中心对称分布，用以抵消两个相邻耦合孔(3)在耦合波导内部引起的反射；所述耦合波导(2)的侧壁与公共壁垂直的侧壁；

当多路耦合器用于接收校准时，能量从一端进入，被耦合孔(3)耦合到分支波导(1)内部，然后进入接收天线单元；当多路耦合器用于发射校准时，能量从发射天线单元进入分支波导(1)，再通过耦合孔(3)到耦合波导(2)，再进入校准网络终端设备。

2.根据权利要求1所述的一种用于校准网络的多路波导耦合器，其特征在于：所述耦合孔(3)的形状为圆孔型或隙缝型，耦合孔(3)外轮廓尺寸不超过耦合波导(2)和分支波导(1)的内腔尺寸。

3.根据权利要求1所述的一种用于校准网络的多路波导耦合器，其特征在于：所述分支波导(1)接入信号辐射链路的位置在有源组件和无源天线之间，或在无源天线末端。

4.根据权利要求1所述的一种用于校准网络的多路波导耦合器，其特征在于：所述耦合波导(2)采用一段直波导，信号从一端进入到另一端；或采用波导T型结结构，信号从中间进入到两端。

5.根据权利要求1所述的一种用于校准网络的多路波导耦合器，其特征在于：所述耦合波导(2)采用T型结结构将两端折叠起来的形式，组成阵列结构。

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