CN111463539B - 三维多路径向功分器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维多路径向功分器，电路的主体部分由一段直线型同轴波导与一段内外径渐变的同轴锥体连接而成，同轴锥体由实心金属锥体和锥形金属外壳构成，围成的波导腔为空气填充，功分器的前端中心安装同轴接头，作为信号输入端，功分器的终端设有金属短路面，功分器的输出端为沿锥体轴向排列的三维多级同轴探针阵列，每级探针阵列含有多个环绕锥体外壳横截面圆周等夹角分布的同轴探针，沿横截面径向插入至波导腔内。该功分器可实现多种不同幅相分布的馈电输出，同时大幅提高了输出信号的路数，通过调节输出探针的长度和连接天线单元的同轴线长度还进一步改变输出信号的幅度与相位，可用作大规模复杂口径场分布的相控阵天线馈电网络。

Description

三维多路径向功分器

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其是一种三维多路径向功分器。

背景技术

功分器是天线系统的重要组成部分，用于实现发射天线的信号功率分配或接收天线的信号功率合成。相控阵天线在通信、雷达以及无线微波输能等领域中应用广泛，针对各种不同的应用场合，需要相控阵天线实现多种甚至任意的口径场分布，而随着天线阵列规模的增大，相应馈电网络的设计与实现面临着诸多困难。

相控阵天线的馈电网络通常基于微带型功分器或波导型功分器实现。微带型功分器具有结构紧凑，易于加工，成本低廉等优点，通过附加枝节的设计来实现不同幅度和相位输出，取代了衰减器和移相器以降低系统的损耗和成本。但随着天线阵列规模的增大，微带型功分器的设计难度和损耗也相应增大，当天线需要实现特殊的口径场分布时，微带功分器较难实现复杂幅相分布的信号输出。与微带型功分器相比，波导型功分器具有相对更高的功率容量和更低的损耗，采用探针耦合的输出方式也使输出信号的幅度与相位更容易调节。波导型功分器一般基于矩形波导、径向波导或同轴波导等电路实现。矩形波导由于其非均匀的场工作模式和色散特性，在许多应用场合中受到了限制。而基于径向波导或同轴波导的功分器，其电路结构和场工作模式均具有轴对称性，工作带宽也相对较宽，因而更具应用潜力。2007年，Kaijun Song在《Broad-Band Power Divider Based On RadialWaveguide》一文中提出并设计实现了一款基于径向波导的4路功分器，这类结构的功分器可实现较多的输出路数，但电路的阻抗匹配相对困难。2013年，Kaijun Song等人在《Ultra-Wideband Ring-Cavity Multiple-Way Parallel Power Divider》一文中提出一种基于环形腔的32路径向功分器，在环形腔的顶部安装有32个输出探针，由于输出端口全部位于一个二维平面上，输出端口的数量直接受限于环形腔的半径尺寸。已有的微带型功分器和波导功分器，其输出端口一般位于电路结构中的某个二维平面上，输出端口数量直接受限于电路的尺寸，输出信号也多为等幅同相分布或某种单一、固定的分布，因而在大规模阵列天线的应用中受到限制。

为满足大规模相控阵天线的馈电需求，针对已有微带型功分器和波导型功分器受电路结构的制约而存在输出端口数量有限，输出信号幅度与相位分布相对单一、固定的问题，本发明提出一种新型的三维多路径向功分器，该功分器的输出端为三维结构的多级探针阵列，这种输出结构同时利用了波导的轴向和横向尺寸，突破了波导的二维横截面尺寸对输出端口数量的直接限制。同时，通过设计探针的结构和位置可以实现各种不同的输出信号幅度与相位，得到较为复杂的信号输出分布。在功分器设计完成后，调节同轴探针的长度可以进一步改变输出信号的幅度，调节与天线单元相连接的同轴线长度可以进一步改变输出信号的相位。因此，该三维径向功分器大幅提高了输出信号的路数，可以实现多种复杂的非等幅同相输出，并能够独立对输出信号的幅度和相位进行调节，为复杂口径分布的大规模阵列天线实现更加精确的馈电。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种可作为大规模阵列天线馈电网络的新型三维多路径向功分器，该电路的主体部分由一段直线型同轴波导与一段内外径渐变的同轴锥体连接而成。电路的输出端为沿轴向依次排列在同轴锥体表面的多级同轴探针阵列，与传统功分器的二维输出结构相比，这种三维的输出结构利用了波导的轴向尺寸，大幅提高了输出信号的路数，通过设计输出探针的结构和位置可以得到不同输出信号的幅度与相位分布。功分器设计完成后，进一步改变探针的长度可以调节输出信号的幅度，改变与天线单元相连接的同轴线长度调节输出信号的相位，实现输出信号幅度与相位的独立调节，满足复杂口径分布的大规模相控阵天线的馈电需求。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种三维多路径向功分器，电路的主体由一段直线型同轴波导与一段内外径渐变的同轴锥体连接而成，渐变同轴锥体由实心金属锥体4和在其外同轴设置的锥形金属外壳3构成，实心金属锥体4和锥形金属外壳3围成的波导腔5为空气填充，波导腔5的终端设有短路面6，在直线型同轴波导的左端中心安装一个同轴接头1，在锥形金属外壳上沿其轴向安装有N级同轴探针阵列，N≥1，每级同轴探针阵列含有若干同轴探针2，同一级所有同轴探针2沿该级探针所处锥形金属外壳的横截面圆周等夹角排列，所有同轴探针2沿该横截面径向插入至波导腔5内。

作为优选方式，直线型同轴波导的左端为信号输入端，采用同轴接头1中心馈电，信号的输出端为在渐变同轴锥体外壳上沿其轴向依次排列的N级同轴探针阵列，第i级同轴探针阵列由m_i个完全相同的同轴探针2构成，i＝1～N，每级同轴探针阵列包含的同轴探针数量m_i为整数值，且m_i≥2，同一级所有同轴探针环绕锥形金属外壳横截面的圆周等夹角分布，并沿该横截面的径向插入波导腔内，波导腔内采用主模TEM模的单模工作状态，电磁能量经每级同轴探针耦合输出后逐级衰减，在波导内传播的TEM波近似为行波，每一级同轴探针输出的电磁能量由该级同轴探针的耦合量和其前级所有同轴探针输出信号的幅度共同决定。

作为优选方式，波导腔5保证主模TEM模的单模工作状态，由于电路结构与波导腔内的电磁场分布均具有轴对称性，因此同一级所有同轴探针输出信号的幅度和相位完全相同。

作为优选方式，所述功分器为3级36路三维径向功分器，第1级至第3级同轴探针阵列沿渐变同轴锥体的轴向排列，每级同轴探针阵列包含的同轴探针数量依次为4、12、20，共计36路输出。

作为优选方式，同轴接头1采用N型同轴接头。

作为优选方式，同轴探针2采用SMA型同轴接头，SMA型同轴接头的内芯为长度可调节的内芯。

此外，渐变同轴锥体结构可以变形为其他形式的同轴波导结构，如标准同轴波导，过模同轴波导或其他结构的同轴波导等。

本发明采用沿波导轴向依次排列的三维多级同轴探针阵列输出结构，这种立体的输出结构利用了波导的轴向尺寸，突破了波导横截面尺寸对输出端口数量的直接限制，可以实现更多的信号输出路数。同时，调节探针的长度可以改变输出信号的幅度，调节连接天线单元的同轴线长度可以改变输出信号的相位，该三维多路径向功分器可满足复杂口径分布的大规模相控阵天线的馈电需求。

本发明所提出的三维多路径向功分器，该电路的主体部分由一段直线型同轴波导和一段内外径渐变的锥形同轴波导连接而成。渐变同轴锥体的横截面半径沿其轴向逐渐增大，三维的输出结构充分利用了渐变同轴锥体的轴向尺寸，从而可以大幅提高输出信号的路数，并可通过设计输出探针的结构和位置得到各种不同的输出信号幅度与相位分布。在设计三维径向功分器时，按照输出信号幅度与相位分布的要求，将基于传输线理论的等效电路模型与三维电磁仿真优化技术相结合，计算出最终的波导结构参数与探针的结构位置参数。

本发明的有益效果为：本发明提出的三维输出结构有效地利用了波导的轴向尺寸，与已有的波导型功分器相比较，不仅能够实现更多路数的输出，还可以通过设计输出探针的结构与位置得到多种不同的输出信号幅度与相位分布，从而实现各种复杂口径分布的阵列天线。该三维功分器的设计可将将基于传输线理论的等效电路模型与三维电磁仿真优化技术相结合，将阻抗匹配，工作频率和输出信号幅相分布作为优化目标，确定最终的波导结构参数和探针的结构位置参数。功分器设计完成后，进一步改变探针的长度和连接天线单元的同轴线长度可以对输出信号的幅度与相位进行独立调节。该三维多路径向功分器可以用作大规模相控阵天线的馈电网络，在微波无线输能，通信以及雷达等工程领域具有应用潜力。

附图说明

图1为本发明提出的三维多路径向功分器设计结构示意图；其中图1(a)为功分器结构的纵向切面图，图1(b)为功分器结构的横向切面图；

图2为本发明实施例的36路三维径向功分器的模型结构图；

图3为本发明实施例的36路三维径向功分器各端口仿真的传输系数与反射系数：其中图3(a)为传输系数与反射系数的幅度-频率响应曲线，图3(b)为传输系数的相位-频率响应曲线；

图4为本发明实施例的36路三维径向功分器各端口的输出信号在一定相位误差范围内可调节的幅度范围。

1为同轴接头，2为同轴探针，3为锥形金属外壳，4为实心金属锥体，5为波导腔，6为短路面。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

一种三维多路径向功分器，该电路的主体结构由一段直线型同轴波导与一段内外径渐变的同轴锥体连接而成，渐变同轴锥体由实心金属锥体4和在其外同轴设置的锥形金属外壳3构成，实心金属锥体4和锥形金属外壳3围成的波导腔5为空气填充，波导腔5的终端设有短路面6。在直线型同轴波导的左端中心安装一个同轴接头1，在锥形金属外壳上沿其轴向安装有N级同轴探针阵列，N≥1，每级同轴探针阵列含有若干同轴探针2，同一级所有同轴探针2沿该级探针所处锥形金属外壳的横截面圆周等夹角排列，所有同轴探针2沿该横截面径向插入至波导腔5内。

直线型同轴波导的左端为信号输入端，采用同轴接头1中心馈电。在渐变同轴锥体外壳上沿其轴向依次排列的N级同轴探针阵列，形成三维的输出结构，第i级同轴探针阵列由m_i个完全相同的同轴探针2构成，i＝1～N。每级同轴探针阵列包含的同轴探针数量m_i为整数值，且m_i≥2，同一级所有同轴探针环绕锥形金属外壳横截面的圆周等夹角分布，并沿该横截面的径向插入波导腔内。波导腔内采用主模TEM模的单模工作状态，电磁能量经每级同轴探针耦合输出后逐级衰减，TEM波在波导内的传播近似为行波，每一级同轴探针输出的电磁能量由该级同轴探针的耦合量和其前级所有同轴探针输出信号的幅度共同决定。

波导腔5保证主模TEM模的单模工作状态，由于电路结构和波导腔内的电磁场分布均具有轴对称性，因此同一级所有同轴探针输出信号的幅度与相位完全相同。

本实施例为一个C波段的三维3级36路径向功分器，第1级至第3级同轴探针阵列沿锥体轴向依次排列，每级同轴探针阵列包含的同轴探针数量依次为4、12、20，共计36路输出。

具体地，同轴接头1采用N型同轴接头。N型同轴接头的内导体经直线型同轴波导与同轴锥体始端相连，将TEM波馈入波导腔内。

同轴探针2采用SMA型同轴接头，SMA型同轴接头的内芯为长度可调节的内芯，内芯沿同轴锥体横截面径向插入波导腔内，将TEM波的电磁能量耦合输出。

此外，渐变同轴锥体结构可以变形为其他形式的同轴波导结构，如标准同轴波导，过模同轴波导或其他结构的同轴波导等。

渐变同轴锥体工作在主模TEM单模状态下，由于波导的电路结构和波导腔内的场分布具有轴对称性，并且每一级所有探针结构均相同且环绕锥形金属外壳表面圆周等夹角分布，因此同一级所有同轴探针输出的信号等幅同相。假定波导腔内TEM波的传播近似为行波，电磁能量经每级同轴探针耦合后衰减，每一级同轴探针输出信号的幅度由该级探针的耦合量和前级所有探针耦合出的信号幅度共同决定，而每级探针的耦合量由内芯的长度和探针阵列所在横截面处同轴锥体内外导体的半径共同决定。每级探针输出信号的相位由该级探针在波导腔内波传播方向上的位置决定，以某级探针的输出相位作为参考相位，各级输出信号的相位差由探针阵列之间的相对位置决定。

本实施例提出的新型功分器具有三维的输出结构，可在波导的外表面上容纳更多的探针，从而实现更多的输出路数。通过设计探针的结构和位置，可以得到不同幅度与相位的输出信号。此外，进一步调节探针的长度和与天线单元连接的同轴线长度，可以独立改变输出信号的幅度和相位，从而该功分器可用于实现具有多种复杂口径分布的大规模相控阵天线。

本实施例为一款三维3级36路径向功分器，该三维功分器为一个36单元的近场聚焦微带阵列天线馈电，天线的工作频率设计为5.8GHz，以发射天线口径所需的等幅聚焦相位分布作为功分器的设计目标。功分器各端口输出信号的理想幅度和相位分布由表1给出，同时还给出了在满足输入端反射系数|S₁₁|小于-20dB时，功分器各输出端口的传输系数和探针的耦合度。

表1三维36路径向功分器各级输出端口的理想幅相分布

由表1可看出，功分器所有端口输出信号的幅度相同，同一级所有同轴探针输出信号的相位相同，各级同轴探针输出信号之间的相位差满足微带阵列聚焦所需的相位分布。每级探针输出信号的幅度由探针长度、探针底部圆盘的面积和探针位置处同轴锥体内外导体的半径共同决定。波导采用主模TEM模的单模工作状态，波导腔内的TEM波经每级探针耦合后逐级衰减，所有探针输出的等幅信号应通过逐级增加探针的耦合量来实现。由于波导内的电磁场分布具有轴对称性，同一级所有探针完全相同且沿同轴锥体横截面圆周等夹角排列，因此，同一级所有探针为等幅同相输出。功分器各级探针输出信号的相位由输入端到该级探针沿电磁波传播方向上的距离决定。通过调节各级探针的位置，可以改变每级探针输出信号的相位。最后，为了减小功分器输入端的反射，调节输入端与同轴锥体始端之间直线型同轴波导的长度，以保证匹配良好。

三维径向功分器的最终设计结构图如图2所示。功分器的主体部分为一个空气填充的渐变同轴锥体，锥体总长度L₀等于d₁+d₂+d₃+d₄，输入端口为标准N型接头，N型接头的内导体外径和外导体内径分别为2R₈和2R₉，经长度为d₅的正常同轴波导与同轴锥体始端相连接，同轴锥体始端的内外径分别为2R₆和2R₇，终端为金属短路面，同轴锥体终端的内外径分别为2R₄和2R₅。输出端口为标准SMA型接头，SMA接头的内导体外径和外导体内径分别为2R₁₀和2R₁₁，内芯底端加载金属圆盘，用于提高耦合度，金属圆盘的直径和高度分别为2R₁₂和P_t。在探针位置处的同轴锥体横截面上，同轴锥体内外导体的间距依次为g₁、g₂、g₃，实心金属锥体横截面的半径依次为R₁、R₂、R₃。第1级探针所在横截面相对于同轴锥体始端的轴向距离为d₁，第2级探针与第1级探针所在横截面的轴向距离为d₂，第3级探针与第2级探针所在横截面、同轴锥体终端的轴向距离分别为d₃和d₄，每级探针的内芯长度依次为P₁、P₂、P₃。

根据表1所要求的输出信号的幅度与相位分布，利用电磁仿真软件对三维径向功分器建模并进行结构参数优化，最终确定的功分器结构参数由表2给出。图3绘制了三维36路径向功分器在频率5.3GHz～6.3GHz范围内各端口的反射系数与传输系数的仿真结果，可以看出，在5.8GHz时|S_1,1|<-20dB，第1级端口的传输系数|S_2,1|～|S_5,1|和第3级端口的传输系数|S_18,1|～|S_37,1|一致均为-15.7dB，第2级端口的传输系数为-15.4dB～-15.9dB。传输系数的相位输出符合表1所要求的相差分布，分别为-150°、-100°、-8°。在5.67GHz～5.93GHz频率范围内，|S_1,1|<-12dB，所有输出端口耦合系数的幅度差异小于1dB，相位差异基本不变，仍然与5.8GHz处的相差分布一致。

表2三维3级36路径向功分器的结构参数值(mm)

对实施例进行一定程度的调整，可以实现发射天线不同的口径场分布。发射天线口径的相位分布可以通过调节与功分器相连的同轴线长度实现，口径幅度分布可以通过调节SMA接头的内芯长度实现。在该实施例中，由于第3级探针数量最多，而且每级探针的实际输出幅度与前级所有探针的输出幅度大小有关，因此不同的幅度分布输出可以通过改变第1级和第2级探针的长度实现。

当对探针的长度进行调节时，功分器输入端口的反射系数和各级端口的输出相位也会受到一定影响，因此功分器能实现的幅度分布存在一定的有效范围。考虑四组参数下的功分器输出幅度分布，分别对应B₁:P₁＝3.6mm且P₂＝5.74mm、B₂:P₁＝3.6mm且P₂＝6.66mm、C₁:P₁＝4.3mm且P₂＝5.74mm、C₂:P₁＝4.3mm且P₂＝6.66mm。功分器输出幅度分布如表3和图4所示，由图4可知，B₀对应输出信号的等幅分布，由分布B₀和分布B₁、B₂所确定的覆盖面积为功分器输出信号的相差在10°以内所能实现的幅度分布范围；由分布B₀和分布C₁、C₂所确定的覆盖面积为输出信号的相差在20°以内所能实现的幅度分布范围。当相差控制在10°以内时，可实现的幅度分布最大能衰减至50％；当相差控制在20°以内时，可实现的幅度分布最大能衰减至35％。

表3三维3级36路径向功分器实现的几种不同幅度分布

分布	B<sub>0</sub>	B<sub>1</sub>	B<sub>2</sub>	C<sub>1</sub>	C<sub>2</sub>
						|S<sub>11</sub>|(dB)	-20.2	-16.2	-16.0	-11.9	-12.4
|T<sub>1</sub>|(dB)	-15.6	-13.0	-12.1	-10.7	-10
						|T<sub>2</sub>|(dB)	-15.6	-16.2	-14.8	-17.4	-16.18
|T<sub>3</sub>|(dB)	-15.6	-16.2	-17.9	-17.3	-19.18
						比例	1:1:1	1:0.7:0.7	1:0.73:0.51	1:0.47:0.47	1:0.49:0.35

渐变同轴锥体结构可以变形为其他形式的同轴波导结构，如标准同轴波导，过模同轴波导或其他结构的同轴波导等；输入接头可以变形为其他形式的馈电结构，输出探针可以变形为其他形式的输出结构。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种三维多路径向功分器，其特征在于：电路的主体由一段直线型同轴波导与一段内外径渐变的同轴锥体连接而成，同轴锥体由实心金属锥体（4）和在其外同轴设置的锥形金属外壳（3）构成，实心金属锥体（4）和锥形金属外壳（3）围成的波导腔（5）为空气填充，波导腔（5）的终端设有短路面（6），在直线型同轴波导的左端中心安装一个同轴接头（1），在锥形金属外壳上沿其轴向安装有N级同轴探针阵列，N＞1，每级同轴探针阵列含有若干同轴探针（2），同一级所有同轴探针（2）沿该级探针所处锥形金属外壳的横截面圆周等夹角排列，所有同轴探针（2）沿该横截面径向插入至波导腔（5）内；波导腔内为TEM单模行波传输状态，通过设计各级同轴探针的长度和探针沿轴向的位置，实现N级幅度与相位不相等的输出信号；通过调节同轴探针插入波导腔的长度，在一定相位差范围内独立改变输出信号的幅度。

2.根据权利要求1所述的一种三维多路径向功分器，其特征在于：直线型同轴波导的左端为信号输入端，采用同轴接头（1）中心馈电，在渐变同轴锥体外壳上沿其轴向依次排列的N级同轴探针阵列，形成三维的输出结构，第i级同轴探针阵列由m _i 个完全相同的同轴探针（2）构成，i =2 - N，每级同轴探针阵列包含的同轴探针数量m _i 为整数值，且m _i ≥2，同一级所有同轴探针环绕锥形金属外壳横截面的圆周等夹角分布，并沿该横截面的径向插入波导腔内，波导腔内采用主模TEM模的单模工作状态，电磁能量经每级同轴探针耦合输出后逐级衰减，TEM波在波导内的传播近似为行波，每一级同轴探针耦合出的电磁能量由该级同轴探针的耦合量和其前级所有同轴探针输出信号的幅度共同决定。

3.根据权利要求1所述的一种三维多路径向功分器，其特征在于：波导腔（5）保证主模TEM模的单模工作状态，由于电路结构与波导腔内的电磁场分布均具有轴对称性，因此同一级所有同轴探针输出信号的幅度和相位完全相同。

4.根据权利要求1所述的一种三维多路径向功分器，其特征在于：所述功分器为3级36路三维径向功分器，第1级至第3级同轴探针阵列沿同轴锥体的轴向依次排列，每级同轴探针阵列包含的同轴探针数量依次为4、12、20，共计36路输出。

5.根据权利要求1所述的一种三维多路径向功分器，其特征在于：同轴接头（1）采用N型同轴接头。

6.根据权利要求1所述的一种三维多路径向功分器，其特征在于：同轴探针（2）采用SMA型同轴接头，SMA型同轴接头的内芯为长度可调节的内芯。

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