CN112864564A - 一种紧凑型功分网络 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种紧凑型功分网络的设计方案。本发明首先采用两根均匀传输线构成二路功分器以简化其结构并缩小其体积，然后由此二路功分器构成紧凑型功分网络。在设计该紧凑型功分网络时，变化每根均匀传输线的横截面尺寸和长度，变化各棱边的倒圆的半径，可以在较宽的带宽内实现很好的阻抗匹配。这种紧凑型功分网络在用于微波加热系统时，可以有效缩小加热腔和微波馈入电路的尺寸和微波损耗，增强微波与被加热材料之间的相互作用。同时，微波源可以在较宽的带宽内与微波加热设备实现阻抗匹配，从而显著提高微波加热设备的效率。该紧凑型功分网络具有结构紧凑的特点，也可以广泛用于各种高平均功率的微波系统中。

Description

一种紧凑型功分网络

技术领域

本发明涉及一种功率分配装置，具体地说，是涉及一种大功率容量、结构紧凑的紧凑型功分网络。

背景技术

微波功分网络是常见的微波器件之一。采用传统的方法设计的多路波导功分器具有以下两个问题。首先，为了设计多路功分器，需要先设计二路功分器。最常见的二路功分器是T形功分器。该功分器由两根传输线相互垂直连通构成。为了在较宽的频带范围内实现输入端的阻抗匹配，常常需要采用各种不连续性结构构成的一级或多级阻抗匹配电路。这种二路波导功分器的结构比较复杂，而且尺寸也比较大。采用这种二路功分器构成的波导功分网络的体积比较大，特别是所述功分网络的输入端到任意输出端的电长度比较大，导致采用该功分网络难以在较宽频带内将微波能量有效地输送到Q值较高的谐振电路中。其次，当多只输入端匹配的二路功分器连接构成多路功分网络时，相互级联的二路功分器的输入端和输出端之间的反射可能在工作频段内的某些频率叠加起来，导致功分网络的输入端的反射系数的恶化。这个问题在宽带功分网络时可能导致功分网络无法正常工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种紧凑的紧凑型功分网络。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种紧凑型功分网络，包括一个输入端和至少两个输出端。所述输入端的法线方向和输出端的法线方向都沿Y方向或-Y方向。所述紧凑型功分网络由至少3根轴线沿Y方向的竖向传输线和1根轴线沿X方向的横向传输线构成。所述X、Y和Z方向构成直角坐标系。

为了减小紧凑型功分网络的体积，我们采用最小数目的均匀传输线。构成所述紧凑型功分网络的所有传输线中，任何相互连通的两根传输线的轴线方向都互相垂直。也就是说，我们将沿同一方向的传输线的数目减少到最少，没有任何轴线方向一致的两根传输线相互连接的情况。

在这里，一根传输线是指没有任何不连续性的一段均匀传输线。横截面的任何改变，横向错位，轴向发生任何偏转等，都会在该传输线中导致不连续性，该传输线都不再是同一根传输线。有时这种不连续性是渐变的，该传输线也不再是同一根传输线。

必须指出一个例外：为了采用普通数控铣床加工，我们需要让构成所述紧凑型功分网络的所有传输线中相互端接连通的任意两根传输线的连接处的内部直角被倒圆。这时我们将这种连接处具有内部倒圆的传输线结构认为是由两根传输线构成的，虽然沿传输线轴线方向，在该两根传输线的连接处，传输线的横截面形状可能发生连续变化。

这样，我们让构成所述紧凑型功分网络的传输线的根数达到最小。这里的所述紧凑型功分网络为2ⁿ路对称型等分功分器。所述紧凑型功分网络由轴线沿Y方向的(2ⁿ⁺¹-1)根竖向传输线和轴线沿X方向的(2ⁿ-1)根横向传输线构成，其中n为大于等于1的任何正整数。

同时，我们将尽量减小相邻横向传输线的间距：沿微波传播方向，存在两根相邻的横向传输线，其轴线之间的间距小于工作微波的中心频率对应的自由空间中的波长的30％。较佳的设计，其轴线之间的间距小于工作微波的中心频率对应的自由空间中的波长的20％。

传统的设计方法常常采用横截面尺寸不同但轴线平行的多节传输线构成阻抗匹配电路，以获得较宽的工作带宽。一般来讲，最小的横向传输线的横截面尺寸往往受加工工艺等的限制，无法做到最小。采用不同横截面的但轴线平行的传输线串接构成的电路的横截面的最大尺寸一定会大于最小的横截面尺寸。这种结构将显著增大相邻横向传输线的轴线之间的间距，不利于器件的小型化。

所述紧凑型功分网络相对于YZ平面对称；所述紧凑型功分网络相对于XY平面对称。

所述传输线可以为微带线，或者为带线，或者为单脊波导，或者为双脊波导，或者为脊隙波导。

一种较佳的设计，所述传输线都为矩形波导，所述紧凑型功分网络为E面波导功分网络。构成所述紧凑型功分网络的所有二路功分器都为E面波导功分器。这时，矩形波导中的电场都与XY平面平行。所述紧凑型功分网络相对于YZ平面为镜像对称结构。所述紧凑型功分网络可以分为相对于XY平面镜像对称的前盖板和后盖板分别加工装配而成。这种安排可以有效避免微波泄露。因为所述紧凑型功分网络的前盖板和后盖板的结合面为所述紧凑型功分网络的对称面，没有电力线被该结合面割断。装配时，将将前盖板和后盖板对端采用少量安装螺钉装配，或者焊接在一起即可。

为了尽量减小所述波导功分网络从输入端到输出端的电长度，我们采用横截面宽边尺寸尽量小的矩形波导。这时，工作频率仅仅是略高于该矩形波导的截止频率，微波在一定长度的矩形波导中的电长度比较小。为此，我们让所述传输线中至少一根矩形波导横向传输线的横截面的宽边尺寸小于工作微波的中心频率对应的自由空间中的波长的55％。一般情况下，我们可以限制沿微波传播方向依次排列的多根矩形波导横向传输线中的中间的某根矩形波导的的横截面的宽边尺寸，让其截止频率靠近但略低于微波信号最低频频。

本发明具有的有益效果：

本发明公布了一种紧凑型功分网络的设计方案。普通方法设计多路波导功分网络时，首先设计阻抗匹配好的二路功分器，然后再由这些功分器级联构成多路功分网络。这种方法设计的二路功分器的结构比较复杂而且体积比较大。本发明采用最小数目的传输线构成功分网络以简化其结构并缩小其体积。沿着同一方向我们只用一根均匀的传输线，不采用任意两根同一方向的传输线相互连接的结构。为了便于采用铣床加工，垂直端接的两根传输线连接处的内直角都被倒圆。这样，构成紧凑型功分网络的结构被最大程度地简化。在构成紧凑型功分网络时，变化每根均匀传输线的横截面尺寸和长度，变化各垂直端接的两根传输线连接处内直角的倒圆的半径，可以在较宽的带宽内实现很好的阻抗匹配。这种紧凑型功分网络在用于微波加热系统时，可以有效缩小加热腔和微波馈入电路的尺寸和微波损耗，增强微波与被加热材料之间的相互作用，特别是被加热材料的微波损耗很小，难以被微波按普通加热方式加热的时候。同时，微波源可以在较宽的带宽内与微波加热设备实现阻抗匹配，从而显著提高微波加热设备的效率。该紧凑型功分网络具有结构紧凑的特点，可以广泛用于高平均功率的微波系统中，特别是微波能工业应用领域。

附图说明

图1为本发明和实施例1的示意图

图2为图1的沿-Y方向的俯视示意图

附图中标号对应名称：1-输入端，11-竖向传输线，12-横向传输线，2-输出端,3-后盖板，4-前盖板。

本说明书中部分名词规定如下：

横向方向，也就是X方向。

竖向方向，也就是与水平面垂直向上的方向，也就是Y方向。

具体实施方式

实施例1

如图1和2所示。

一种紧凑型功分网络，为对称型等分8路功分网络，包括一个输入端1和8个输出端2。所述输入端1的法线方向和输出端2的法线方向都沿Y方向或-Y方向；所述紧凑型功分网络由15根轴线沿Y方向的竖向传输线11和7根轴线沿X方向的横向传输线12构成。所述X、Y和Z方向构成直角坐标系。

构成所述紧凑型功分网络的所有传输线中，任何相互连通的两根传输线的轴线方向都互相垂直。也就是说，我们将沿同一方向的传输线的数目减少到最少，没有任何轴线方向一致的两根传输线相互连接的情况。

这里的所述紧凑型功分网络为2ⁿ路对称型等分功分器；所述紧凑型功分网络由轴线沿Y方向的(2ⁿ⁺¹-1)根竖向传输线11和轴线沿X方向的(2ⁿ-1)根横向传输线12构成，其中n＝3。

所述紧凑型功分网络相对于YZ平面对称；所述紧凑型功分网络相对于XY平面对称。

构成所述紧凑型功分网络的所述传输线都为矩形波导，所述紧凑型功分网络为E面波导功分网络。构成所述紧凑型功分网络的所有二路功分器都为E面波导功分器。所述紧凑型功分网络可以分为相对于XY平面镜像对称的前盖板4和后盖板3分别加工装配而成。

沿微波传播方向的3根横向传输线12中，任意相邻的两根横向传输线12的轴线之间的间距小于工作微波的中心频率对应的自由空间中的波长的20％。

沿微波传播方向的3根矩形波导管横向传输线12中，中间一根矩形波导横向传输线12的横截面的宽边尺寸小于工作微波的中心频率对应的自由空间中的波长的55％。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。比如，所述传输线也可以都为微带线，或者都为带线，或者都为单脊波导，或者都为双脊波导。这时，所有电路在XY平面内实现。当所述传输线为双脊波导时，可以将电路分为对称的两部分，分别在XY平面内实现，然后再对端采用安装螺钉装配。

Claims (10)

1.一种紧凑型功分网络，其特征在于，包括一个输入端(1)和至少两个输出端(2)；所述输入端(1)的法线方向和所有的所述输出端(2)的法线方向都沿Y方向或-Y方向；所述紧凑型功分网络由至少3根轴线沿Y方向的竖向传输线(11)和1根轴线沿X方向的横向传输线(12)构成；所述X、Y和Z方向构成直角坐标系。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型功分网络，其特征在于，沿着微波信号传输方向，至少在4根依次连通的构成所述紧凑型功分网络的传输线中，任意相邻的两根传输线的轴线都相互垂直。

3.根据权利要求1所述的一种紧凑型功分网络，其特征在于，沿微波传播方向，存在两根相邻的横向传输线(12)，其轴线之间的间距小于工作微波的中心频率对应的自由空间中的波长的30％。

4.根据权利要求1所述的一种紧凑型功分网络，其特征在于，沿微波传播方向，存在两根相邻的横向传输线(12)，其轴线之间的间距小于工作微波的中心频率对应的自由空间中的波长的20％。

5.根据权利要求2所述的一种紧凑型功分网络，其特征在于，所有的所述传输线都为矩形波导，所述紧凑型功分网络为E面波导功分网络。

6.根据权利要求3所述的一种紧凑型功分网络，其特征在于，所有的所述传输线都为矩形波导，所述紧凑型功分网络为E面波导功分网络。

7.根据权利要求5所述的一种紧凑型功分网络，其特征在于，至少一根矩形波导横向传输线(12)的横截面的宽边尺寸小于工作微波的中心频率对应的自由空间中的波长的55％。

8.根据权利要求5至7所述的一种紧凑型功分网络，其特征在于，所述紧凑型功分网络由相对于XY平面镜像对称的前盖板(4)和后盖板(3)构成。

9.根据权利要求2至4所述的一种紧凑型功分网络，其特征在于，所述传输线为微带线，或者为带线，或者为单脊波导，或者为双脊波导，或者为脊隙波导。

10.根据权利要求2至7所述的一种紧凑型功分网络，其特征在于，构成所述紧凑型功分网络的所有传输线中，所有相互端接连通的两根传输线的连接处的内部直角都被倒圆。

Images