CN113131167B - 小型化低损耗大间距毫米波功分网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种小型化低损耗大间距毫米波功分网络，包括壳体，壳体上设置有第一级一分二功分模块、第二级一分二功分模块、波导微带转换器、波导同轴转换器、一级波导传输线、二级波导传输线、三级波导传输线、连接器；一级波导传输线的第一端为总口；一级波导传输线与第一级一分二功分模块的总口微带连接；第一级一分二功分模块的两个分口微带分别连接至二级波导传输线的第一端；二级波导传输线的第二端与第二级一分二功分模块的总口微带连接；第二级一分二功分模块的两个分口微带分别通过一波导微带转换器连接至三级波导传输线的第一端；三级波导传输线的第二端为分口。本发明的优点在于：该毫米波功分网络体积小、重量小、损耗低。

Description

小型化低损耗大间距毫米波功分网络

技术领域

本发明涉及毫米波雷达、通信和电子对抗系统中功率分配合成网络技术领域，具体涉及一种等功分一进四出且输出口电磁波能量相互隔离的小型化低损耗大间距毫米波功分网络。

背景技术

功分网络在雷达、电子对抗、通信等军事、民用电子系统中有着广泛的应用。它是用作电磁波能量合成和分配的重要器件。在宇航领域使用的功分网络不仅要求可靠性高而且要求体积重量尽量小。

目前在毫米波段，作为能量合成和分配的功分网络，现有主要有三种形式：介质板线网络形式、微带网络形式和波导形式。现有技术中的波导形式功分器虽然承受损耗小、承受功率高，但体积重量过于庞大；介质板线形式功分网络虽然体积重量小，但损耗较大，而且调试困难；微带网络形式在毫米波段能实现体积小、重量轻的效果，加工方便、精度高、成本低易调试，但其缺点是损耗很大。

对宇航领域使用的分口大间距功分网络以上三种现有常规功分网络形式都不能满足体积重量尽量小、损耗小的设计指标要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：现有技术中毫米波功分网络体积大、重量大、损耗高的技术问题。

本发明是通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种小型化低损耗大间距毫米波功分网络，包括壳体，壳体上设置有第一级一分二功分模块、第二级一分二功分模块、波导微带转换器、波导同轴转换器、一级波导传输线、二级波导传输线、三级波导传输线、连接器；

一级波导传输线的第一端通过波导同轴转换器与连接器连接，一级波导传输线的第一端为该小型化低损耗大间距毫米波功分网络的总口；

一级波导传输线的第二端设置第一级一分二功分模块，一级波导传输线的第二端通过波导微带转换器与第一级一分二功分模块的总口微带连接；

第一级一分二功分模块的两侧各设置一个二级波导传输线，第一级一分二功分模块的两个分口微带分别通过一波导微带转换器连接至二级波导传输线的第一端；

二级波导传输线的第二端设置第二级一分二功分模块，二级波导传输线的第二端通过波导微带转换器与第二级一分二功分模块的总口微带连接；

第二级一分二功分模块的两侧各设置一个三级波导传输线，第二级一分二功分模块的两个分口微带分别通过一波导微带转换器连接至三级波导传输线的第一端；

三级波导传输线的第二端通过波导同轴转换器与连接器连接，三级波导传输线的第二端为该小型化低损耗大间距毫米波功分网络的分口。

本发明中的小型化低损耗大间距毫米波功分网络体积、重量更小，传统设计采用波导形式，虽然能满足损耗小的要求，但体积重量太庞大不能用于宇航领域。本发明功分网络相对波导功分网络体积、重量减少至少60％。且本发明功分网络相对现有设计技术的微带功分网络和介质带状线损耗更低，损耗相对现有设计技术的传统微带功分器减少81％，相对介质带状线功分器损耗减少70％，满足了系统对功分网络体积重量和损耗都要小的要求。

优化的，所述连接器采用SMP连接器。

SMP连接器体积小、使用频率高，在毫米波段具有一定优势。

优化的，所述一级波导传输线、二级波导传输线、三级波导传输线均为BJ320口径尺寸。

优化的，一级波导传输线、二级波导传输线、三级波导传输线均镀银。

本发明的一分四功分网络分口间距较大，有105毫米，整个一分四功分网络电磁波能量传输长度至少203毫米，如果整个一分四功分网络采用微带形式设计，虽然体积重量可以保证很小，但由于在毫米波段单位长度微带电路损耗较大，加上整个功分网络微带传输路径很长，导致功分网络损耗到大约8分贝，损耗很大，远远超过系统损耗指标要求，但是单位长度镀银波导传输线损耗远远小于微带电路，同样长度的镀银波导传输线损耗只有微带电路的大约2％，各个波导传输线镀银，传输损耗小。

优化的，所述壳体为金属壳体。

优化的，所述波导微带转换器、波导同轴转换器均为四节阶梯状镀银金属台阶结构。

优化的，所述波导微带转换器与总口微带之间、波导微带转换器与分口微带之间均设置有镀银楔形金属薄片。

波导微带转换器、波导同轴转换器均为四节阶梯状镀银金属台阶结构，其尺寸满足切比雪夫宽带匹配要求，且设置镀银楔形金属薄片，以保证与微带电路的宽带匹配，以及保证与连接器的宽带匹配，这样最利于电磁波传输的从波导模式向微带模式过渡，同时最利于电磁波传输从波导模式向同轴模式过渡。保证整个功分网络的电磁能量驻波小、传输顺畅。

优化的，所述第一级一分二功分模块、第二级一分二功分模块均采用微带威尔金森形式。

第一级一分二功分模块、第二级一分二功分模块均采用微带威尔金森形式设计，因为有隔离电阻，两个分口之间电磁波能量是互相隔离的，并且分口间隔很小，因此内部微带电路长度很短，所以虽然在毫米波段，单位长度微带电路损耗较大，但因为第一级一分二功分模块、第二级一分二功分模块尺寸很小，内部微带电路长度很短，所以三个模块损耗合计不大，本设计的32GHz频率左右10％带宽范围内，第一级一分二功分模块、第二级一分二功分模块损耗分别只有0.6分贝，串联合计只有1.2分贝，整体损耗较小。

优化的，所述一级波导传输线为直线形，二级波导传输线、三级波导传输线均为L形；

所述二级波导传输线对称分布在一级波导传输线的第二端两侧，且二级波导传输线的第一端垂直于一级波导传输线；

所述三级波导传输线对称分布在二级波导传输线第二端的两侧，三级波导传输线的第一端垂直于二级波导传输线第二端。

优化的，该小型化低损耗大间距毫米波功分网络总口的朝向与各个分口的朝向相反。

本发明的优点在于：

1.本发明中的小型化低损耗大间距毫米波功分网络体积、重量更小，传统设计采用波导形式，虽然能满足损耗小的要求，但体积重量太庞大不能用于宇航领域。本发明功分网络相对波导功分网络体积、重量减少至少60％。且本发明功分网络相对现有设计技术的微带功分网络和介质带状线损耗更低，损耗相对现有设计技术的传统微带功分器减少81％，相对介质带状线功分器损耗减少70％，满足了系统对功分网络体积重量和损耗都要小的要求。 SMP连接器体积小、使用频率高，在毫米波段具有一定优势。

2.本发明的一分四功分网络分口间距较大，有105毫米，整个一分四功分网络电磁波能量传输长度至少203毫米，如果整个一分四功分网络采用微带形式设计，虽然体积重量可以保证很小，但由于在毫米波段单位长度微带电路损耗较大，加上整个功分网络微带传输路径很长，导致功分网络损耗到大约8分贝，损耗很大，远远超过系统损耗指标要求，但是单位长度镀银波导传输线损耗远远小于微带电路，同样长度的镀银波导传输线损耗只有微带电路的大约2％，各个波导传输线镀银，传输损耗小。

3.波导微带转换器、波导同轴转换器均为四节阶梯状镀银金属台阶结构，其尺寸满足切比雪夫宽带匹配要求，且设置镀银楔形金属薄片，以保证与微带电路的宽带匹配，以及保证与连接器的宽带匹配，这样最利于电磁波传输的从波导模式向微带模式过渡，同时最利于电磁波传输从波导模式向同轴模式过渡。保证整个功分网络的电磁能量驻波小、传输顺畅。

4.第一级一分二功分模块、第二级一分二功分模块均采用微带威尔金森形式设计，因为有隔离电阻，两个分口之间电磁波能量是互相隔离的，并且分口间隔很小，因此内部微带电路长度很短，所以虽然在毫米波段，单位长度微带电路损耗较大，但因为第一级一分二功分模块、第二级一分二功分模块尺寸很小，内部微带电路长度很短，所以三个模块损耗合计不大，本设计的32GHz频率左右10％带宽范围内，第一级一分二功分模块、第二级一分二功分模块损耗分别只有0.6分贝，串联合计只有1.2分贝，整体损耗较小。

附图说明

图1为本发明实施例中小型化低损耗大间距毫米波功分网络的立体图；

图2、3分别为图1中A、B的局部放大图；

图4为本发明实施例中小型化低损耗大间距毫米波功分网络另一视角的立体图；

图5为图4中C的局部放大图；

图6为本发明实施例中小型化低损耗大间距毫米波功分网络的俯视图；其中，

第一级一分二功分模块-1；

第二级一分二功分模块-2；

波导微带转换器-3、镀银楔形金属薄片-31；

波导同轴转换器-4；

一级波导传输线-51、二级波导传输线-52、三级波导传输线-53；

连接器-6；

壳体-7。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种工作频率范围在以32GHz为中心10％带宽内的一进四出且输出口相互隔离的小型化低损耗大间距毫米波功分网络，包括壳体 7，所述壳体7为金属壳体。壳体7上设置有第一级一分二功分模块1、第二级一分二功分模块2、波导微带转换器3、波导同轴转换器4、一级波导传输线51、二级波导传输线52、三级波导传输线53、连接器6。

为便于描述及理解，以图6视角为俯视图的视角，其余方位以此为基准类推，应当理解，此方位设定仅是为了方便描述及理解，不能理解为对本发明的限制。

如图6所示，本实施例中，整体毫米波功分网络结构左右对称，具体的，结合图1、4，一级波导传输线51的第一端通过波导同轴转换器4与连接器6连接，一级波导传输线51的第一端为该小型化低损耗大间距毫米波功分网络的总口；一级波导传输线51的第二端设置第一级一分二功分模块 1，一级波导传输线51的第二端通过波导微带转换器3与第一级一分二功分模块1的总口微带连接。

如图1所示，第一级一分二功分模块1的两侧各设置一个二级波导传输线52，第一级一分二功分模块1的两个分口微带分别通过一波导微带转换器3连接至二级波导传输线52的第一端；二级波导传输线52的第二端设置第二级一分二功分模块2，二级波导传输线52的第二端通过波导微带转换器3与第二级一分二功分模块2的总口微带连接。

如图1所示，第二级一分二功分模块2的两侧各设置一个三级波导传输线53，第二级一分二功分模块2的两个分口微带分别通过一波导微带转换器3连接至三级波导传输线53的第一端；三级波导传输线53的第二端通过波导同轴转换器4与连接器6连接，三级波导传输线53的第二端为该小型化低损耗大间距毫米波功分网络的分口。

该小型化低损耗大间距毫米波功分网络总口的朝向与各个分口的朝向相反。具体是，总口朝后，各个分口均朝前，所述总口位于中间，相邻分口之间的间距相等，即该小型化低损耗大间距毫米波功分网络具有一个电磁波能量总口和四个等功率的分口。

如图2、3、5所示，所述波导微带转换器3、波导同轴转换器4均为四节阶梯状镀银金属台阶结构。所述波导微带转换器3与总口微带之间、波导微带转换器3与分口微带之间均设置有镀银楔形金属薄片31，镀银楔形金属薄片31的截面形状为三角形，优选为直角三角形，镀银楔形金属薄片 31与总口微带、分口微带通过焊接方式连接，镀银楔形金属薄片31与对应的波导微带转换器3之间也通过焊接方式连接。

如图6所示，所述一级波导传输线51为直线形，二级波导传输线52、三级波导传输线53均为L形；所述二级波导传输线52对称分布在一级波导传输线51的第二端两侧，且二级波导传输线52的第一端垂直于一级波导传输线51；所述三级波导传输线53对称分布在二级波导传输线52第二端的两侧，三级波导传输线53的第一端垂直于二级波导传输线52第二端。

所述一级波导传输线51、二级波导传输线52、三级波导传输线53均为BJ320口径尺寸。一级波导传输线51、二级波导传输线52、三级波导传输线53均镀银。所述连接器6采用SMP连接器。

具体的，所述第一级一分二功分模块1、第二级一分二功分模块2均采用微带威尔金森形式，即均为微带形式，其体积小重量轻。

如图1、2所示，所述第一级一分二功分模块1包括设置在一级波导传输线51前端的第一微带电路腔体，第一微带电路腔体位于两个二级波导传输线52之间，第一微带电路腔体中设置第一微带电路，第一微带电路的后端为第一级一分二功分模块1的总口微带，总口微带通过一镀银楔形金属薄片31与波导微带转换器3连接。第一微带电路的左右两端分别为分口微带，分口微带通过对应的镀银楔形金属薄片31与二级波导传输线52中的波导微带转换器3连接。

如图1、3所示，所述第二级一分二功分模块2包括设置在二级波导传输线52前端的第二微带电路腔体，第二微带电路腔体位于两个三级波导传输线53之间，第二微带电路腔体中设置有第二微带电路，第二微带电路的后端为第二级一分二功分模块2的总口微带，总口微带通过一镀银楔形金属薄片31与波导微带转换器3连接。第二微带电路的左右两端分别为分口微带，分口微带通过对应的镀银楔形金属薄片31与三级波导传输线53中的波导微带转换器3连接。

所述一级波导传输线51、二级波导传输线52、三级波导传输线53、第一微带电路腔体、第二微带电路腔体根据整个功分网络的尺寸布局要求设计并数控加工成型。

本发明中的小型化低损耗大间距毫米波功分网络体积、重量更小，传统设计采用波导形式，虽然能满足损耗小的要求，但体积重量太庞大不能用于宇航领域。本发明功分网络相对波导功分网络体积、重量减少至少60％。且本发明功分网络相对现有设计技术的微带功分网络和介质带状线损耗更低，损耗相对现有设计技术的传统微带功分器减少81％，相对介质带状线功分器损耗减少70％，满足了系统对功分网络体积重量和损耗都要小的要求。 SMP连接器体积小、使用频率高，在毫米波段具有一定优势。

本发明的一分四功分网络分口间距较大，有105毫米，整个一分四功分网络电磁波能量传输长度至少203毫米，如果整个一分四功分网络采用微带形式设计，虽然体积重量可以保证很小，但由于在毫米波段单位长度微带电路损耗较大，加上整个功分网络微带传输路径很长，导致功分网络损耗到大约8分贝，损耗很大，远远超过系统损耗指标要求，但是单位长度镀银波导传输线损耗远远小于微带电路，同样长度的镀银波导传输线损耗只有微带电路的大约2％，各个波导传输线镀银，传输损耗小。

波导微带转换器3、波导同轴转换器4均为四节阶梯状镀银金属台阶结构，其尺寸满足切比雪夫宽带匹配要求，且设置镀银楔形金属薄片31，以保证与微带电路的宽带匹配，以及保证与连接器的宽带匹配，这样最利于电磁波传输的从波导模式向微带模式过渡，同时最利于电磁波传输从波导模式向同轴模式过渡。保证整个功分网络的电磁能量驻波小、传输顺畅。

第一级一分二功分模块1、第二级一分二功分模块2均采用微带威尔金森形式设计，因为有隔离电阻，两个分口之间电磁波能量是互相隔离的，并且分口间隔很小，因此内部微带电路长度很短，所以虽然在毫米波段，单位长度微带电路损耗较大，但因为第一级一分二功分模块1、第二级一分二功分模块2尺寸很小，内部微带电路长度很短，所以三个模块损耗合计不大，本设计的32GHz频率左右10％带宽范围内，第一级一分二功分模块1、第二级一分二功分模块2损耗分别只有0.6分贝，串联合计只有1.2分贝，整体损耗较小。

系统要求一分四功分网络四个分口之间电磁能量互相隔离，由于第一级一分二功分模块1、第二级一分二功分模块2分口之间电磁能量是互相隔离的，所以保证了组合而成的一分四功分网络四个分口之间也是互相隔离的。

本发明采用一个小尺寸的第一级一分二功分模块1和两个小尺寸第二级一分二功分模块2组合成一分四功分网络，在二者之间的绝大部分传输路径上用镀银波导传输线代替微带电路，这样大大减少整个一分四功分网络的损耗，根据计算和实物测试，本发明中的一分四功分网络损耗只有1.5 分贝，而完全采用微带电路形式损耗大约8分贝，损耗减少约81％，满足系统损耗指标要求。

如果整个一分四功分网络采用波导形式，虽然损耗很小，但是体积重量会很庞大，无法满足航天系统尺寸重量指标要求。

如果采用介质带状线形式设计，整个一分四功分网络体积重量可以满足要求，但是损耗大约5分贝，数值较大无法满足系统指标要求，而且调试困难。

本发明既利用了微带功分器体积可以做的很小的特点，也利用了单位长度镀银波导传输损耗很小的特点，采用一个小尺寸第一级一分二功分模块1和两个小尺寸第二级一分二功分模块2组合成一分四功分网络，在二者之间的绝大部分传输路径上用镀银波导传输线代替微带，并且使用具有四节阶梯状镀银金属台阶和楔形金属薄片结构的波导微带转换器实现波导传输线和微带之间的宽带匹配连接，使用具有四节阶梯状镀银金属台阶结构的波导同轴转换器实现波导传输线和SMP连接器的宽带匹配连接，保证整个功分网络的电磁能量驻波小、传输顺畅。

这样既能满足大间隔分口的功分网络体积重量小的要求，又能满足低损耗要求，同时分口之间电磁能量也是互相隔离的，达到了传统单纯的微带功分器、波导功分器和介质带状线功分器所不能满足的系统指标要求。

根据以上设计制造的一分四小型化低损耗大间距毫米波功分网络性能测试结果如下：

工作频率32GHz左右10％带宽内的总口驻波≤1.5，分口驻波≤1.4，损耗1.5分贝，四个输出分口相互隔离度＞20dB。

本发明功分网络相对传统波导功分网络体积重量减少至少60％，相对传统微带功分器损耗减少81％，相对介质带状线功分器损耗减少70％，取得了小型化、轻型化且低损耗的目标设计效果。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种小型化低损耗大间距毫米波功分网络，其特征在于：包括壳体(7)，壳体(7)上设置有第一级一分二功分模块(1)、第二级一分二功分模块(2)、波导微带转换器(3)、波导同轴转换器(4)、一级波导传输线(51)、二级波导传输线(52)、三级波导传输线(53)、连接器(6)；

一级波导传输线(51)的第一端通过波导同轴转换器(4)与连接器(6)连接，一级波导传输线(51)的第一端为该小型化低损耗大间距毫米波功分网络的总口；

一级波导传输线(51)的第二端设置第一级一分二功分模块(1)，一级波导传输线(51)的第二端通过波导微带转换器(3)与第一级一分二功分模块(1)的总口微带连接；

第一级一分二功分模块(1)的两侧各设置一个二级波导传输线(52)，第一级一分二功分模块(1)的两个分口微带分别通过一波导微带转换器(3)连接至二级波导传输线(52)的第一端；

二级波导传输线(52)的第二端设置第二级一分二功分模块(2)，二级波导传输线(52)的第二端通过波导微带转换器(3)与第二级一分二功分模块(2)的总口微带连接；

第二级一分二功分模块(2)的两侧各设置一个三级波导传输线(53)，第二级一分二功分模块(2)的两个分口微带分别通过一波导微带转换器(3)连接至三级波导传输线(53)的第一端；

三级波导传输线(53)的第二端通过波导同轴转换器(4)与连接器(6)连接，三级波导传输线(53)的第二端为该小型化低损耗大间距毫米波功分网络的分口；

所述波导微带转换器(3)、波导同轴转换器(4)均为四节阶梯状镀银金属台阶结构。

2.根据权利要求1所述的小型化低损耗大间距毫米波功分网络，其特征在于：所述连接器(6)采用SMP连接器。

3.根据权利要求1所述的小型化低损耗大间距毫米波功分网络，其特征在于：所述一级波导传输线(51)、二级波导传输线(52)、三级波导传输线(53)均为BJ320口径尺寸。

4.根据权利要求1所述的小型化低损耗大间距毫米波功分网络，其特征在于：一级波导传输线(51)、二级波导传输线(52)、三级波导传输线(53)均镀银。

5.根据权利要求1所述的小型化低损耗大间距毫米波功分网络，其特征在于：所述壳体(7)为金属壳体。

6.根据权利要求1所述的小型化低损耗大间距毫米波功分网络，其特征在于：所述波导微带转换器(3)与总口微带之间、波导微带转换器(3)与分口微带之间均设置有镀银楔形金属薄片(31)。

7.根据权利要求1所述的小型化低损耗大间距毫米波功分网络，其特征在于：所述第一级一分二功分模块(1)、第二级一分二功分模块(2)均采用微带威尔金森形式。

8.根据权利要求1所述的小型化低损耗大间距毫米波功分网络，其特征在于：所述一级波导传输线(51)为直线形，二级波导传输线(52)、三级波导传输线(53)均为L形；

所述二级波导传输线(52)对称分布在一级波导传输线(51)的第二端两侧，且二级波导传输线(52)的第一端垂直于一级波导传输线(51)；

所述三级波导传输线(53)对称分布在二级波导传输线(52)第二端的两侧，三级波导传输线(53)的第一端垂直于二级波导传输线(52)第二端。

9.根据权利要求8所述的小型化低损耗大间距毫米波功分网络，其特征在于：该小型化低损耗大间距毫米波功分网络总口的朝向与各个分口的朝向相反。

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