CN112909471B - 一种高隔离度的矩形波导-微带功分器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高隔离度的矩形波导‑微带功分器，应用于微波器件领域，针对现有的矩形波导与微带线的混合型功率分配器微带分支端口间隔离度较差的问题，本发明的矩形波导其中一窄边作为功分器的输入端，在所述矩形波导两宽边对称设置微带线功分端口，这两个微带线功分端口作为功分器的输出端；矩形波导另一窄边为短路面，所述短路面设有一个微带线隔离端口，作为隔离端；两个微带线功分端口与微带线隔离端口构成T形耦合结构；微带线隔离端口的微带探针与矩形波导中传输的TE10模式电磁波的电场力线方向正交，不与波导信号产生耦合，并且可以吸收两端微带探针的输入信号，从而达到端口隔离的目的。

Description

一种高隔离度的矩形波导-微带功分器
技术领域
本发明属于微波器件领域，特别涉及一种高隔离度功分器技术。
背景技术
一般将频率高于300MHz的电磁波定义为微波，广泛应用于通信、雷达、电子对抗、遥测遥感、工业生产等领域。功分器是微波系统中应用最多的器件之一，其主要功能是将微波信号分为2路或以上不同功率大小的相干信号，同时也可反过来将多路不同功率的微波信号合成一路输出。整个过程中微波信号的频率无变化，只有幅度与相位发生了改变。
功分器的电路形式多种多样，常见的如Wilkinson电桥、Lange电桥，分支线电桥，T型节，魔T等。按应用的需求，可以采用包括微带线，带状线，同轴线，CPW，SIW，矩形波导等在内的多种微波传输线独立或混合实现。对于矩形波导与微带线的混合型功率分配器，其中矩形波导作为主端口具备高功率容量，微带线为分支端易于集成半导体器件。该类功率分配器是在波导内部插入多个对称分布的微带探针，实现矩形波导—微带过渡同时完成功率分配。因为是一次性过渡与功分，因而具备电路形式紧凑，插入损耗小等优点。但由于这种矩形波导与微带线的混合型功率分配器缺少隔离端口，造成微带分支端口间的隔离度理论上只有6dB，难以应用于相控阵馈线网络，平衡混频，高功率合成等对通道间隔离度有较高要求(通常要求≥15dB)的电路中。
现有的对于矩形波导-微带功率分配器，采用在矩形波导的两个宽边中心处背对背地插入微带探针，由于均位于其中传输的TE10模式的电场最强位置，实现了波导与微带线间信号的高效率转换，同时由于是插入了两个微带探针并且对称，因此，矩形波导中的射频信号被等分为了两路分别进入微带线中；在功分器的电路性能中，除了所述的功率分配特性以外，往往还需要分配的端口之间具有良好的隔离度，即要求两个微带探针的射频信号不能互相进入对方的微带线中；否则由于两个微带探针的输入信号会相互耦合，无法达到隔离的目的。
现有已知的提升隔离度的相关技术，例如申请号为202010380303.6的专利申请中公开了一种增加射频多通道间隔离度的方法及装置，针对多个通道设计在一块PCB板上的情形，通过在射频通道间增加微带谐振结构，利用微带谐振谐振腔特性，吸收通道间泄漏的射频信号，降低泄漏信号的能量，从而实现提高通道间隔离度的效果；但是该专利采用物理空间隔离的方式增加隔离度，仅针对泄露到空间中的信号阻断，并不适用于功分器电路的传输隔离，并且隔离度效果提升有限。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种高隔离度的矩形波导-微带功分器，基于微带功分探针与微带隔离探针构成的T形耦合电路对探针端面电场力线方向的影响，实现两个微带功分端口间隔离。
本发明采用的技术方案为：一种高隔离度的矩形波导-微带功分器，矩形波导其中一窄边作为功分器的输入端，在所述矩形波导两宽边对称设置微带线功分端口，这两个微带线功分端口作为功分器的输出端；矩形波导另一窄边为短路面，该短路面设有一个微带线隔离端口，作为功分器的隔离端；两个微带线功分端口与微带线隔离端口构成T形耦合结构。
两个微带线功分端口各包括一微带功分探针，所述微带功分探针平行于矩形波导TE10模式电场力线方向；微带线隔离端口包括微带隔离探针，所述微带隔离探针与矩形波导TE10模式电场力线方向正交。
两个微带线功分端口各自还包括：高阻抗短截线、微带线，两个微带线功分端口各自的微带功分探针经各自的高阻抗短截线与各自的微带线连接。
微带线隔离端口还包括：阻抗匹配线，微带线隔离端口的微带隔离探针经其阻抗匹配线后与其匹配负载连接。
所述T形耦合结构为非接触的T形耦合结构。
所述非接触的T形耦合结构，具体为：两个微带功分探针与微带隔离探针相邻的角斜切形成等间距耦合缝。
本发明的有益效果：本发明的功分器通过在传播TE10模式的矩形波导短路面一侧中心垂直加入微带隔离探针并端接匹配负载，由于微带隔离探针垂直于TE10电磁场模式的电场力线，因此正常情况矩形波导中TE10模式的射频信号不会进入这个微带隔离探针，即不会对功分器的正常功分特性造成任何影响；
当输入射频信号从一个微带功分探针202进入矩形波导后，探针端面的电场在T形耦合电路的影响下发生弯转，形成平行于微带隔离探针203的电场分量，使之被吸收从而无法进入与之背对背的另一个微带功分探针202，从而实现两个微带功分输出端207间隔离；
采用本发明的设计提升了矩形波导—微带功分器的整体性能指标；并且隔离端电路形式简单紧凑，结构加工与装配方便。
附图说明
图1为TE10模式的电场力线图；
图2为本发明提供的一种高隔离度的矩形波导-微带功分器的外形结构图；
图3为本发明的一种高隔离度的矩形波导-微带功分器的内部结构图；
图4为本发明的一种高隔离度的矩形波导-微带功分器电路实现原理图；
图5为本发明提供的一种高隔离度的矩形波导-微带功分器的端口回波，端口传输，端口隔离度效果。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的内容做进一步的阐述：
如图2所示，本发明的功分器结构，按波导输入端11与波导短路面12宽边的中心剖分为上腔体1，下腔体2，之间通过螺钉固连；射频信号由波导输入端11进入功分器，最后从两边50Ω微带线206端接的功分输出端207输出。
如图3所示，所述上腔体1至少包括矩形波导上腔101，微带线屏蔽腔102，主要作用是对下腔体2中的电路进行屏蔽；所述下腔体2至少包括矩形波导下腔201，微带功分探针202，微带隔离探针203，阻抗匹配线204，阻抗变换线205，50Ω微带线206，功分输出端207，50Ω负载208。
如图4所示，所述功分器的射频信号从波导输入端11进入，其中传输的TE10电磁场模式电场力线如图中箭头线所示(电场力线平行于矩形波导窄边)；两个背对背放置的微带功分探针202从剖分的波导宽边中心插入，由于其平行于TE10电磁场模式的电场力线并位于电场最强位置(波峰)，实现了波导与微带线间信号的高效率转换；由于插入了两个微带功分探针202并且对称，因此，矩形波导中的射频信号被等分为了两路分别进入功分输出端207，实现功分的效果；在矩形波导短路面12一侧的中间垂直加入端接匹配负载的微带隔离探针203，与微带功分探针202的端面构成非接触的T形耦合电路。为了增强耦合效果，对两个微带功分探针202与微带隔离探针203相邻的角斜切形成等间距耦合缝。
由于微带隔离探针203垂直于TE10电磁场模式的电场力线，因此正常情况矩形波导中TE10模式的射频信号不会进入这个微带隔离探针203，即不会对功分器的正常功分特性造成任何影响。当输入射频信号从一个微带功分探针202进入矩形波导后，探针端面的电场在T形耦合电路的影响下发生弯转(发生弯转后的电场矢量如图4中放大图中垂直于斜切面的剪头线)，形成平行于微带隔离探针203的电场分量(这里的平行于微带隔离探针203的电场分量，具体为：图4放大图中垂直于斜切面的箭头线就是发生弯转后的电场矢量线，按平行于功分探针与隔离探针两个方向可以将该矢量线分为平行于微带功分探针202的电场分量与平行于微带隔离探针203的电场分量)，使之被吸收从而无法进入与之背对背的另一个微带功分探针202，从而实现两个微带功分输出端207间隔离；当输入射频信号同时从两个微带功分探针202进入波导，都将会在T形耦合电路的影响下分别发生弯转，形成两个平行于微带隔离探针203，大小相等但方向相反的电场分量；因而发生相消而无法进入微带隔离探针203，其余与之垂直的电场分量将发生同向叠加激励出TE10模式，这其实就是功分器的逆过程——功率合成器。
如图4所示，微带功分探针202与功分输出端207之间还包括一段阻抗匹配线204、50Ω微带线206。微带探针202经过一段阻抗匹配线204后完成与50Ω微带线216的阻抗匹配并与之连接，最后端接特性阻抗同样为50Ω的SMA同轴连接器功分输出端207用于测试(本领域技术人员应注意，这里的50Ω特性阻抗为行业测试系统标准，因此需要匹配到50Ω)。
垂直于微带功分探针202的微带隔离探针203，经过一段阻抗变换线205后完成与50Ω负载208的阻抗匹配并与之端接(50Ω负载为行业标准阻抗，因此需要匹配到50Ω)。50Ω负载208用于完成对进入微带隔离探针203的射频信号的吸收，避免由于不匹配造成功率反射回到矩形波导中。
高隔离度矩形波导—微带功分器效果如图5中所示，波导输入端11回波优于-25dB，两个功分输出端207传输为相等的-3dB等功率分配，且回波优于-20dB，隔离度高于25dB。显然，采用本发明的功分器结构，输出端之间的隔离度满足相控阵馈线网络，平衡混频，高功率合成等电路的要求。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种高隔离度的矩形波导-微带功分器，其特征在于，矩形波导其中一窄边作为功分器的输入端，在所述矩形波导两宽边对称设置微带线功分端口，这两个微带线功分端口作为功分器的输出端；矩形波导另一窄边为短路面，该短路面设有一个微带线隔离端口，作为功分器的隔离端；两个微带线功分端口与微带线隔离端口构成非接触T形耦合结构；
两个微带线功分端口各包括一微带功分探针，所述微带功分探针平行于矩形波导TE10模式电场力线方向；微带线隔离端口包括微带隔离探针，所述微带隔离探针与矩形波导TE10模式电场力线方向正交；
所述非接触的T形耦合结构，具体为：两个微带功分探针与微带隔离探针相邻的角斜切形成等间距耦合缝；
当输入射频信号从一个微带功分探针进入矩形波导后，探针端面的电场在非接触T形耦合电路的影响下发生弯转，形成平行于微带隔离探针的电场分量；当输入射频信号同时从两个微带功分探针进入波导，将会在非接触T形耦合电路的影响下分别发生弯转，形成两个平行于微带隔离探针203，大小相等但方向相反的电场分量。
2.根据权利要求1所述的一种高隔离度的矩形波导-微带功分器，其特征在于，两个微带线功分端口各自还包括：高阻抗短截线、微带线，两个微带线功分端口各自的微带功分探针经各自的高阻抗短截线与各自的微带线连接。
3.根据权利要求2所述的一种高隔离度的矩形波导-微带功分器，其特征在于，所述微带线阻值为50Ω。
4.根据权利要求3所述的一种高隔离度的矩形波导-微带功分器，其特征在于，微带线隔离端口还包括：阻抗匹配线，微带线隔离端口的微带隔离探针经其阻抗匹配线后与其匹配负载连接。
5.根据权利要求4所述的一种高隔离度的矩形波导-微带功分器，其特征在于，匹配负载阻值为50Ω。
6.根据权利要求2所述的一种高隔离度的矩形波导-微带功分器，其特征在于，所述T形耦合结构为非接触的T形耦合结构。
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