CN112448112B - 一种加脊矩形波导的宽带3dB电桥 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加脊矩形波导的宽带3dB电桥，包括：主波导、连接结构、耦合结构、导体脊，其中，主波导，位于3dB电桥的四个角，采用两对相互平行的第一矩形波导；连接结构，采用两对相互平行并在末端合并的第二矩形波导，并分别对应与主波导的第一矩形波导连接；耦合结构，位于3dB电桥的中心，采用一第三矩形波导，并与左右两侧连接结构的第二矩形波导连接；导体脊，位于3dB电桥的中心且位于主波导、连接结构、耦合结构内，包括第一导体脊、第二导体脊、第三导体脊、第四导体脊，分别关于横向和纵向对称。本发明在电桥中采用矩形波导并设计导体脊，明显提升了电桥的带宽，解决了传统电桥带宽较窄的问题。

Description

一种加脊矩形波导的宽带3dB电桥

技术领域

本发明属于射频与微波技术领域，具体涉及一种加脊矩形波导的宽带3dB电桥。

背景技术

3dB电桥是一种特殊的定向3dB电桥，被广泛的应用在射频与微波电路设计中，是微波通信、测量电路和天馈网络等系统中重要的无源器件。随着通信技术的不断发展，对微波元件的性能也提出了更高的要求，因此在保持原有体积甚至缩小体积的情况下，设计出带宽更宽的3dB电桥就显得尤为重要。

3dB电桥是一种四端口无源器件，分别称为输入端，直通端，耦合端和隔离端，它可以将一路输入信号功率等分为两路具有固定相位差输出的电子器件，0度电桥能输出同幅同向信号，90度电桥能输出同幅正交信号，称为正交电桥，是实际工程中应用最多的电桥，180度电桥能输出同幅反向信号，称为反正定向3dB电桥。1935年4月，A.Mollath和H.O.Roosenstein申请的专利“高功率因数测量表”，专利号为1999250，被认为是最早的3dB电桥原理的应用。为了实现不同耦合度的3dB电桥，更便于设计3dB电桥，1963年，R.Levy等人发表的论文讨论了最优非对称3dB电桥的设计。之后E.G.Cristal和L.Young发表关于对称3dB电桥精确设计理论的论文，并给出了设计不同耦合度3dB电桥对应的参数表格。1966年J.Paul.Shelton发表论文讨论了宽边错位平行耦合结构的电路参数和物理参数之间的关系，大大促进了3dB电桥的物理实现。3dB电桥在如今的通信系统中应用十分普遍，其可以当做室内分布系统的同频合路，在天线馈电系统中可用作波束形成，在平衡放大器中可以改善输入输出驻波比，在正交相移键控发射机中可以确定其相位误差，也可以利用其进行收发隔离等，并且电桥的四端口都是匹配的，可以很方便的在系统中进行集成，因而是射频和微波通信系统中重要的组成部分。

现有3dB电桥其具有多方面的优势，但是现有的3dB电桥存在带宽较窄的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种加脊矩形波导的宽带3dB电桥。

本发明的一个实施例提供了一种加脊矩形波导的宽带3dB电桥，该加脊矩形波导的宽带3dB电桥包括：

主波导、连接结构、耦合结构、导体脊，其中，

所述主波导，位于所述3dB电桥的四个角，采用两对相互平行的第一矩形波导；

所述连接结构，采用两对相互平行并在末端合并的第二矩形波导，并分别对应与所述主波导的第一矩形波导连接；

所述耦合结构，位于所述3dB电桥的中心，采用一第三矩形波导，并与左右两侧所述连接结构的第二矩形波导连接；

所述导体脊，位于所述3dB电桥的中心且位于所述主波导、所述连接结构、所述耦合结构内，包括第一导体脊、第二导体脊、第三导体脊、第四导体脊，分别关于横向和纵向对称。

在本发明的一个实施例中，所述主波导，两对所述第一矩形波导分别位于所述宽带3dB电桥的四个角，与所述连接结构相连部分的外侧形成倒角结构，并在靠近连接结构的所述主波导的下壁加载所述导体脊。

在本发明的一个实施例中，所述连接结构，每一同侧的一对所述第二矩形波导在靠近所述耦合结构的内侧打通并将打通部分合并、外侧形成倒角结构，分别对应与所述主波导的第一矩形波导连接，且在所述连接结构的下壁加载所述导体脊。

在本发明的一个实施例中，所述耦合结构，左右两侧分别与所述连接结构的第二矩形波导连接，且在所述耦合结构的下壁加载所述导体脊。

在本发明的一个实施例中，所述第一导体脊，位于所述导体脊的四个角，所述第一导体脊的一部分位于所述主波导内，另一部分位于所述连接结构内且与所述第二导体脊连接，所述第一导体脊俯视方向的投影形状为矩形。

在本发明的一个实施例中，所述第二导体脊的一部分位于所述连接结构内且与所述第一导体脊连接，另一部分位于所述耦合结构内且与所述第三导体脊连接，所述第二导体脊俯视方向的投影形状为矩形。

在本发明的一个实施例中，所述第三导体脊位于所述耦合结构内，且包括上下部分、中间部分，所述上下部分的左右两侧分别与所述第二导体脊连接，所述中间部分的左右两侧与所述第四导体脊连接，在与所述第二导体脊和所述第四导体脊连接之间的部分进行半圆柱的挖空，挖空的圆弧分别与所述第二导体脊和所述第四导体脊的方向相切，所述第三导体脊俯视方向的投影形状为左右两侧各被挖掉两个半圆形区域的矩形。

在本发明的一个实施例中，所述第四导体脊位于所述第三导体脊中间部分的两侧，且一部分位于所述耦合结构内，另一部分位于所述连接结构内，所述第四导体脊俯视方向的投影形状为矩形。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提供的加脊矩形波导的宽带3dB电桥，在电桥中采用矩形波导并设计导体脊，明显提升了电桥的带宽，解决了传统电桥带宽较窄的问题，且通过采用矩形波导使得3dB电桥的功率容量更大、损耗更低，3dB电桥可以工作在更高的频率。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种加脊矩形波导的宽带3dB电桥的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种加脊矩形波导的宽带3dB电桥中主波导的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种加脊矩形波导的宽带3dB电桥中连接结构的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种加脊矩形波导的宽带3dB电桥中耦合结构的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种加脊矩形波导的宽带3dB电桥中导体脊结构的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种加脊矩形波导的宽带3dB电桥的S参数进行仿真的结果示意图；

图7是本发明实施例提供的一种加脊矩形波导的宽带3dB电桥的驻波比进行仿真的结果示意图；

图8是本发明实施例提供的一种加脊矩形波导的宽带3dB电桥的相位差进行仿真的结果示意图。

附图标记说明：

1-主波导；2-连接结构；3-耦合结构；4-导体脊；41-第一导体脊；42-第二导体脊；43-第三导体脊；44-第四导体脊。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

由于现有电桥存在带宽较窄的问题，因此，请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种加脊矩形波导的宽带3dB电桥的结构示意图。本实施例提供了一种加脊矩形波导的宽带3dB电桥，该加脊矩形波导的宽带3dB电桥包括主波导1、连接结构2、耦合结构3和导体脊4，具体地：

主波导1，位于3dB电桥整体结构的四个角，采用两对相互平行的第一矩形波导，用以实现与连接结构2的良好连接和能量传输；连接结构2，采用两对相互平行并在末端合并的第二矩形波导，并分别对应与主波导1的第一矩形波导连接，用以连接主波导1并实现能量的良好传输，以及实现与耦合结构3的连接与能量的良好传输；耦合结构3，位于所述3dB电桥整体结构的中心，采用一第三矩形波导，并与左右两侧连接结构2的第二矩形波导连接，用以实现端口与端口之间的能量耦合、直通和隔离；导体脊4，位于3dB电桥整体结构的中心且位于主波导1、连接结构2、耦合结构3内，包括第一导体脊41、第二导体脊42、第三导体脊43、第四导体脊44，且关于横向和纵向都对称，用以拓宽3dB电桥的带宽。

进一步地，本实施例主波导1采用两对相互平行的第一矩形波导，即四个第一矩形波导，且四个第一矩形波导分别位于3dB电桥整体结构的左上角、左下角、右上角、右下角四个角(四个端口)，在靠近连接结构2相连部分的外侧形成倒角结构，并在靠近连接结构2的主波导1的下壁加载导体脊4。请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种加脊矩形波导的宽带3dB电桥中主波导的结构示意图，本实施例主波导1的每个第一矩形波导为一平行矩形波导，并在连接结构2相连部分的外侧形成倒角结构，每个第一矩形波导的长度为L1、宽度为W1、高为H1(图中并未标注)，倒角结构可以为圆形倒角、直角型倒角、弧形倒角，具体倒角结构根据实际设计需要，本实施例以弧形倒角为例，倒角的大小为四分之一圆弧，与第一矩形波导相接的两个面相切，四个第一矩形波导对应切角圆弧的半径均为R1。

进一步地，本实施例连接结构2，采用两对相互平行的第二矩形波导，每一同侧的一对第二矩形波导在靠近耦合结构3的内侧打通并将打通部分合并、外侧成倒角结构，分别对应与主波导1的第一矩形波导连接，即四个第二矩形波导分别对应与主波导1的四个第一矩形波导连接，且在连接结构2的下壁加载导体脊4。请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种加脊矩形波导的宽带3dB电桥中连接结构的结构示意图，本实施例连接结构2的每个第二矩形波导为一平行矩形波导，并在耦合结构3相连部分的外侧形成倒角结构，同侧的第二矩形波导被部分打通，每个第二矩形波导的长度为L21、宽度为W21、高为H21，打通并合并部分整体的长度为L22、宽度为W22、高为H22，倒角结构同样可以为圆形倒角、直角型倒角、弧形倒角，具体倒角结构根据实际设计需要，本实施例以弧形倒角为例，倒角大小为四分之一圆弧，即第二矩形波导相接的两个面相切状态，四个第二矩形波导对应切角圆弧的半径均为R2。其中，同侧定义为第二矩形波导均在耦合结构3的左侧或右侧。

进一步地，本实施例耦合结构3，位于3dB电桥整体结构的中心，采用一第三矩形波导，该第三矩形波导左右两侧分别与左上角、左下角、右上角和右下角连接结构2的四个第二矩形波导连接，且在耦合结构3的下壁加载导体脊4。请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种加脊矩形波导的宽带3dB电桥中耦合结构的结构示意图，本实施例耦合结构3的第三矩形波导为平行矩形波导，第三矩形波导的长度为L3、宽度为W3、高为H3。

进一步地，本实施例导体脊4位于3dB电桥的中心，包括第一导体脊41、第二导体脊42、第三导体脊43、第四导体脊44，具体地：第一导体脊41，位于导体脊4整体结构的四个角，第一导体脊41的一部分位于主波导1内，另一部分位于连接结构2内且与第二导体脊42连接，第一导体脊41俯视方向的投影形状为矩形；第二导体脊42的一部分位于连接结构2内且与第一导体脊41连接，另一部分位于耦合结构3内且与第三导体脊43连接，第二导体脊42与第一导体脊41的宽度、高度可相同，可不同，第二导体脊42俯视方向的投影形状为矩形；第三导体脊43位于耦合结构3内，包括上下部分、中间部分，上下部分的左右两侧分别与第二导体脊42连接且与第二导体脊42的宽度、高度可相同，可不同，中间部分的左右两侧与第四导体脊44连接且与第四导体脊44的宽度、高度可相同，可不同，在与第二导体脊42和第四导体脊44连接之间的部分进行半圆柱的挖空，挖空的圆弧分别与第二导体脊42和第四导体脊44的方向相切，且与第二导体脊42连接的部分区域高度被削至与第二导体脊42高度可相同、可不同，与第四导体脊44连接的部分区域高度被削至与第四导体脊44高度可相同、可不同，第三导体脊43俯视方向的投影形状为左右两侧各被挖掉两个半圆形区域的矩形；第四导体脊44位于第三导体脊43中间部分的两侧且与第三导体脊43中间部分的宽度、高度可相同，可不同，且一部分位于耦合结构3内，另一部分位于合并的连接结构2内，第四导体脊44俯视方向的投影形状为矩形。请参见图5，图5是本发明实施例提供的一种加脊矩形波导的宽带3dB电桥中导体脊结构的结构示意图，本实施例导体脊4包括四组不同规格的导体脊，即第一导体脊41、第二导体脊42、第三导体脊43、第四导体脊44，其中，位于四个角的第一导体脊41的长度为L4、宽度为W4、高为H4，分别与四个第一导体脊41相连的第二导体脊42长度为L5、宽度为W5、高为H5，第三导体脊43的长度为L6、宽度为W6、高为H6，第四导体脊44在第三导体脊43中间部分的左右两侧，长度为L7、宽度为W7、高为H7，在第三导体脊43上做一个半圆柱的挖空，挖空部分位于第二导体脊42和第四导体脊44之间，挖空圆弧与第二导体脊42和第四导体脊44的方向相切，圆柱的半径均为R3。

本实施例加脊矩形波导的宽带3dB电桥，包括主波导1、连接结构2、耦合结构3和导体脊4：耦合结构3位于整体结构的中心；连接结构2分别连接耦合结构3的左上角、左下角、右上角和右下角并向上下拓宽，并在上下两侧中边缘的一侧进行倒角，连接结构2靠近耦合结构3的一部分打通并合并连接；主波导1接在连接结构2左右两侧中的远离中间的一侧，上下两侧中靠近中间一侧与连接结构2持平，另外一侧突出并在靠近连接结构2的外侧进行倒角；导体脊4位于主波导1、连接结构2和耦合结构3的下壁：导体脊4的中心是第三导体脊43，第三导体脊43中间部分的左右两侧连接第四导体脊44，上下部分的两侧连接第二导体脊42，第三导体脊43在与第四导体脊44和第二导体脊42相接之间的部分做半圆柱形的挖空，挖空圆弧与第二导体脊42和第四导体脊44的方向相切，第三导体脊43与第四导体脊44相接区域的高度部分削低，同理，第三导体脊43与第二导体脊42相接区域的高度部分削低，第三导体脊43位于连接结构2和耦合结构3的下壁；第二导体脊42位于第三导体脊43与第一导体脊41之间，且位于连接结构2和耦合结构3的下壁；第一导体脊41位于导体脊4的四个角，处于主波导1和连接结构2的下壁；第四导体脊44位于第三导体脊43中间部分的两侧，处于连接结构2和耦合结构3的下壁。

为了说明本实施例提出的一种加脊矩形波导的宽带3dB电桥的有效性，经过以下实验进行说明：

实验过程中，主波导1的四个第一矩形波导的尺寸为：L1＝2.958mm、W1＝4.775mm、H1＝2.388mm，在连接结构2相连部分的外侧形成倒角结构对应的切角圆弧的半径为R1＝0.550mm，连接结构的四个第二波导的尺寸为：L21＝3.377mm、W21＝4.225mm、H21＝2.388mm，在靠近耦合结构3的内侧打通部分的尺寸为：W22＝1.101mm、L22＝1.296mm、H22＝2.388mm，并在耦合结构3相连部分的外侧形成倒角结构对应的切角圆弧的半径为R2＝0.55mm，耦合结构3的第三矩形波导的尺寸为：L3＝3.619mm、W3＝7.656mm、H3＝2.388mm，在导体脊4中：第一导体脊41的尺寸为L4＝2.878mm、W4＝0.809mm、H4＝0.063mm，第二导体脊42的尺寸为L5＝1.564mm、W5＝0.809mm、H5＝0.277mm，第三导体脊43的尺寸为L6＝2.710mm、W＝64.880mm、H6＝0.404mm，第四导体脊44的尺寸为L7＝0.991mm，W7＝0.951mm，H7＝0.124mm。

仿真1、请参见图6，图6是本发明实施例提供的一种加脊矩形波导的宽带3dB电桥的S参数进行仿真的结果示意图，图6中横坐标为频率，单位为GHz，范围为从40～60GHz，纵坐标为S参数幅度的分贝值，单位为dB，范围为-35dB～0dB，其中，S11代表第一端口的反射系数，S21代表第一端口到第二端口的传输系数，S31代表第一端口到第三端口的耦合系数，S41代表第一端口到第四端口的隔离系数。由图6可知，在40.76～60GHz频段内，S11小于-20dB，说明端口的匹配较好，S21和S31均大于-3.5dB小于-2.5dB，这说明该3dB电桥从端口一输入的能量绝大部分都从端口二和端口三输出，且端口二和端口三输出的能量几乎相等。S41小于-20dB，说明本申请3dB电桥从端口四输出的能量很少，隔离很好，实现了优于传统3dB电桥的幅度带宽。

仿真2、请参见图7，图7是本发明实施例提供的一种加脊矩形波导的宽带3dB电桥的驻波比进行仿真的结果示意图，图7中横坐标为频率，单位为GHz，范围为从40～55GHz，纵坐标为驻波比的值，单位为1，范围1～4。由图7可知，在42.09～54.8GHz频段内，该3dB电桥的驻波比小于1.2，这说明在该频段内，本申请3dB电桥拥有良好的驻波带宽。

仿真3、请参见图8，图8是本发明实施例提供的一种加脊矩形波导的宽带3dB电桥的相位差进行仿真的结果示意图，图8中横坐标为频率，单位为GHz，范围为40～61GHz，纵坐标为相位差的值，单位为度，范围为-300度～100度。由图8可知，3dB电桥在41.77～60.4GHz时端口二和端口三输出的相位差大于89度小于91度，这表明本申请3dB电桥在41.77～60.4GHz拥有良好的相位带宽。

综上所述，本实施例提供了一种加脊矩形波导的宽带3dB电桥，在电桥中采用矩形波导并设计导体脊4，明显提升了电桥的带宽，解决了传统电桥带宽较窄的问题，且通过采用矩形波导使得3dB电桥的功率容量更大、损耗更低，3dB电桥可以工作在更高的频率；并且在连接区、耦合区和主波导上进行导体脊的加载，减小了3dB电桥的尺寸，降低了3dB电桥的重量。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种加脊矩形波导的宽带3dB电桥，其特征在于，包括：主波导(1)、连接结构(2)、耦合结构(3)、导体脊(4)，其中，

所述主波导(1)，位于所述3dB电桥的四个角，采用两对相互平行的第一矩形波导；

所述连接结构(2)，采用两对相互平行的第二矩形波导，每对第二矩形波导在末端连通，并分别对应与所述主波导(1)的第一矩形波导连接；

所述耦合结构(3)，位于所述3dB电桥的中心，采用一第三矩形波导，并与左右两侧所述连接结构(2)的第二矩形波导连接；

所述导体脊(4)，关于横向和纵向对称，位于所述3dB电桥的中心且位于所述主波导(1)、所述连接结构(2)、所述耦合结构(3)内，包括第一导体脊(41)、第二导体脊(42)、第三导体脊(43)、第四导体脊(44)；

所述导体脊(4)的中心是所述第三导体脊(43)，所述第三导体脊(43)位于所述耦合结构(3)内，所述第三导体脊(43)上下部分的两侧分别与所述第二导体脊(42)连接，所述第三导体脊(43)的中间部分的两侧与所述第四导体脊(44)连接，在与所述第二导体脊(42)和所述第四导体脊(44)连接之间的部分进行半圆柱的挖空，挖空的圆弧分别与所述第二导体脊(42)和所述第四导体脊(44)的方向相切，第三导体脊(43)的高度大于第二导体脊(42)的高度，第二导体脊(42)的高度大于第一导体脊(41)的高度，第三导体脊(43)的高度大于第四导体脊(44)的高度；第三导体脊(43)位于连接结构(2)和耦合结构(3)的下壁；第二导体脊(42)位于第三导体脊(43)与第一导体脊(41)之间，且位于连接结构(2)和耦合结构(3)的下壁；第一导体脊(41)位于导体脊(4)的四个角，处于主波导(1)和连接结构(2)的下壁；第四导体脊(44)位于第三导体脊(43)中间部分的两侧，处于连接结构2和耦合结构3的下壁；

所述第三导体脊(43)俯视方向的投影形状为两侧各被挖掉两个半圆形区域的矩形；

所述第一导体脊(41)，位于所述导体脊(4)的四个角，所述第一导体脊(41)的一部分位于所述主波导(1)内，另一部分位于所述连接结构(2)内且与所述第二导体脊(42)连接，所述第一导体脊(41)俯视方向的投影形状为矩形；

所述第二导体脊(42)的一部分位于所述连接结构(2)内且与所述第一导体脊(41)连接，另一部分位于所述耦合结构(3)内且与所述第三导体脊(43)连接，所述第二导体脊(42)俯视方向的投影形状为矩形；

所述第四导体脊(44)位于所述第三导体脊(43)中间部分的两侧，且一部分位于所述耦合结构(3)内，另一部分位于所述连接结构(2)内，所述第四导体脊(44)俯视方向的投影形状为矩形。

2.根据权利要求1所述的加脊矩形波导的宽带3dB电桥，其特征在于，所述主波导(1)，两对所述第一矩形波导分别位于所述宽带3dB电桥的四个角，与所述连接结构(2)相连部分的外侧形成倒角结构，并在靠近连接结构(2)的所述主波导(1)的下壁加载所述导体脊(4)。

3.根据权利要求1所述的加脊矩形波导的宽带3dB电桥，其特征在于，所述连接结构(2)，每一同侧的一对所述第二矩形波导在靠近所述耦合结构(3)的内侧打通并将打通部分合并、外侧形成倒角结构，分别对应与所述主波导(1)的第一矩形波导连接，且在所述连接结构(2)的下壁加载所述导体脊(4)。

4.根据权利要求1所述的加脊矩形波导的宽带3dB电桥，其特征在于，所述耦合结构(3)，左右两侧分别与所述连接结构(2)的第二矩形波导连接，且在所述耦合结构(3)的下壁加载所述导体脊(4)。

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