CN113258244B - 矩形波导微带0°相差高隔离度宽带功分器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种矩形波导微带0°相差高隔离度宽带功分器，隔离度高，具有良好的幅度和相位平衡性。本发明通过下述技术方案实现：左波导体端平面上的“[”形槽以宽边中心剖分上波导体和下波导体，通过其中的“∟”形缺口与“[”形开口槽共同构成作为功分器射频信号输入的输入矩形波导，通过面对面两个微带功分线构成功分器的两个相位相等的0°相差功分输出端，输入矩形波导中传输的TE10电磁场模式电场力线垂直于薄膜电阻的表面，经两个对称的功分微带探针，通过微带功分线连接三段式阻抗的功分微带探针进行阻抗匹配，把输入矩形波导中的射频信号等分为两路，通过微带功分线分别功分进入0°相差功分输出端，实现功分的效果。
Description
技术领域
本发明属于微波器件领域，特别涉及一种可以广泛应用于通信、雷达、电子对抗、遥测遥感、工业生产等领域的高隔离度宽带矩形波导微带功分器技术。
背景技术
功率分配器即功分器是微波系统中应用最多的器件之一，是各种微波系统中的重要组成部件。功分器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时可也称为合路器。主要技术参数有功率损耗(包括插入损耗、分配损耗和反射损耗)、各端口的电压驻波比，分配支路端口间的隔离度、功率容量和频带宽度等。其中分配支路端口间的隔离度是功分器的一个重要指标，确保从每个分配支路端口输入功率只能从主路端口输出，而不应该从其他支路输出，这就要求支路之间有足够的隔离度。
近年来人们对新型功分器提出了更新更严格的要求：更小的体积，更高的功率容量，更便于集成芯片的功分器。波导微带功分器作为可以直接集成芯片的微波器件，在通讯系统、雷达阵列、以及遥测遥感等领域中，都扮演着不可或缺的地位。尤其是在需要大功率的系统中，单个芯片往往达不到所需的高功率，这就需要用功分器进行功率合成来达到需要的功率。使用过程中为了防止信号间的相互窜扰，这时就需要我们的功分器有更好的隔离度。用波导微带功分器进行功率合成，直接关系到整个系统的所能达到的最大功率，波导微带功分器的隔离度、相位一致性、插损等指标，直接关系到了大功率系统的功率合成效果。现在的微波电路在向着易于集成的趋势发展，但是波导微带功分器的高功率、低插损、高频段，起着用其它结构所制作而成的功分器不能替代的作用。
一般将工作频率高于300MHz的功分器定义为微波功分器，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，比如广泛应用于高功率场合，基于波导传输结构的功率分配器，如H面T分支、E面T分支、魔T等。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，Y型结构，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。T型结构等三端口功分器根据互易性定理可知其的隔离效果不会好，这就会导致输出端口的信号串扰，所以其一般用于功分网络的前端。Y性节相对于T型节的带宽不是很好，通常需要加一些匹配原件。为了获得好的魔T性能，现有技术除了在魔T接头处加入匹配元件外，还在E臂上加了金属膜片或金属柱体，这给魔T的制作增加了一定的难度。
各种导波结构可分为两大类，即平面结构和非平面结构。平面结构包括微带线、共面波导、槽线等等。传统平面传输线功分器(如威尔金森、分支线电桥、环形电桥等)，品质因数低，易实现宽带，但具有损耗大，功率容量小等缺点。非平面结构包括矩形波导、同轴线、介质波导等等。平面结构适合系统的混合集成，然而，这种结构也存在着自身的缺陷，由于导体损耗、辐射损耗、介质损耗的存在，使得平面结构不利于工作在毫米波频段，也无法构成高Q值的部件。作为一种立体结构，非平面结构很难与平面结构或有源器件有效集成。对于矩形波导与微带的混合型功率分配器，矩形波导的主模是TE10模；微带的主模是准TEM模。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。该类功率分配器常用的方法是在波导内部插入多个对称分布的微带探针，实现信号过渡的同时完成功率分配。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。但由于这种在矩形波导内单纯插入微带探针的功率分配器缺少隔离电路，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)的系统中。
按微带探针插入波导的位置与方向不同，现有的对于矩形波导微带功率分配器可分为0°、90°、180°相差三种。其中矩形波导微带0°相差功分器，采用在矩形波导的同一侧宽边的中心对称地插入微带探针，由于探针平行于其中传输的TE10模式电场力线，实现了波导与微带线间信号的高效率转换。同时由于是在矩形波导的同一侧宽边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同相位(0°相差)的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。
现有已知的提升波导微带功分器隔离度的相关技术，例如申请号为202110047178.1的专利申请中公开了一种增加隔离度的方法，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。但是该专利申请隔离的方式需要通过增加隔离端来实现，仅针对180°相差功分器有效，并不适用于波导微带0°相差功分器的端口隔离，并且隔离度实现带宽有限。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种隔离度高，具有良好的幅度和相位平衡性的矩形波导微带0°相差宽带功分器，通过在矩形波导内垂直于微带探针端面的位置引入薄膜电阻，对造成两个微带探针相互耦合的电场垂直分量进行吸收，从而实现两个微带功分端口间隔离。
本发明采用的技术方案为：一种矩形波导微带0°相差高隔离度宽带功分器，包括：按输入矩形波导4的窄边与宽边的中心，剖分为通过螺钉固连构成完整功分器的左波导体1、上波导体2和下波导体3，其中上波导体2与下波导体3背靠背镜像对称，其特征在于：左波导体1端平面上的“[”形槽以宽边中心剖分上波导体2和下波导体3，通过其中上下相向对称的“∟”形缺口与所述“[”形开口槽共同形成矩形槽，构成作为功分器射频信号输入的输入矩形波导4，并以同一侧宽边的中心为对称面，通过上波导体2与下波导体3面对面两个微带功分线10构成功分器的两个相位相等的0°相差功分输出端6，并在所述矩形槽的终端面朝功分微带探针9的位置上镶嵌有增强功分器隔离特性的支撑薄膜电阻8的陶瓷基板7，输入矩形波导4中传输的TE10电磁场模式电场力线垂直于薄膜电阻8的表面，经两个对称的功分微带探针9，通过微带功分线10连接三段式阻抗的功分微带探针9进行阻抗匹配，把输入矩形波导4中的射频信号等分为两路，通过微带功分线10分别功分进入0°相差功分输出端6，实现功分的效果。
本发明相比于现有技术具有如下的有益效果：
隔离度高。本发明采用按左波导体1端平面上的“[”形槽以宽边中心剖分上波导体2和下波导体3，其中上波导体2与下波导体3背靠背镜像对称，且0°相差功分输出端6通过上下终端中间开口槽，穿过同轴内导体5至微带功分线10。通过在传播TE10模式的输入矩形波导4中加入垂直于功分微带探针9端面的薄膜电阻8并用陶瓷基板7加以支撑，由于薄膜电阻垂直于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被薄膜电阻吸收，即不会对功分器的损耗以及正常功分特性造成影响。当输入射频信号从一个微带探针进入矩形波导后，探针端面电场在与之对称的另外一个微带探针影响下会发生耦合偏转，形成垂直于两个微带探针的电场分量。由于该耦合电场分量平行于薄膜电阻，因而被吸收无法进入与之面对面的另一个微带探针，从而实现两个微带功分输出端间隔离，由于陶瓷基板散热能力强因而具有功率容量大的特点。这种采用波导到微带过渡的同时实现功分,使功分器在保持较好回波损耗的同时具有较小的插入损耗。
本发明左波导体1端平面上的“[”形槽以宽边中心剖分上波导体2和下波导体3，通过其中上下相向对称的“∟”形缺口与所述“[”形开口槽共同形成矩形槽，构成作为功分器射频信号输入的输入矩形波导4，并以同一侧宽边的中心为对称面，通过上波导体2与下波导体3面对面两个微带功分线10构成功分器的两个相位相等的0°相差功分输出端6，并在所述矩形槽的终端面朝功分微带探针9的位置上镶嵌有增强功分器隔离特性的支撑薄膜电阻8的陶瓷基板7。采用微带功分线10连接三段式阻抗的功分微带探针9进行阻抗匹配；输入矩形波导4中传输的TE10电磁场模式电场力线垂直于薄膜电阻8的表面不受影响，经两个对称的功分微带探针9，把输入矩形波导4中的射频信号等分为两路，通过微带功分线10分别功分进入0°相差功分输出端6，实现功分的效果。两个0°相差功分输出端6的信号在两个对称功分微带探针9的端面发生电场耦合偏转，形成的电场分量平行于薄膜电阻8的表面被其吸收，实现两个微带线间信号功分的0°相差功分输出端间隔离，最终实现从两个0°相差功分输出端6隔离输出等功率同相位分配信号。
本发明两个0°相差功分输出端6的信号在两个对称功分微带探针9的端面发生电场耦合偏转，形成的电场分量平行于薄膜电阻8的表面被其吸收，实现两个微带线间信号功分的0°相差功分输出端间隔离。经两个对称的功分微带探针9，把输入矩形波导4中的射频信号等分为两路，通过微带功分线10分别功分进入0°相差功分输出端6，实现功分的效果，最后分别从0°相差功分输出端6端口隔离输出等功率分配信号。矩形波导微带0°相差功分器的隔离度在薄膜电阻8的作用下达到了很好的效果，同时提升了功率分配器的整体性能指标，在很宽的频带内实现了各端口的阻抗匹配；它与波导型定向耦合器相比,隔离度更好、尺寸更小、提高了带宽和性能,并且隔离电路形式简单紧凑，结构加工与装配方便。
附图说明
图1是本发明矩形波导微带0°相差高隔离度宽带功分器的构造示意图；
图2图1左波导体的构造示意图；
图3是图1上波导体的顶视三维示意图；
图4是图1下波导体的俯视三维示意图；
图5是图1电路原理示意图；
图6是图1的TE10模式的电场力线图；
图7是图1的端口回波，端口传输，端口隔离度效果。
图中：1.左波导体，2.上波导体，3.下波导体，4.输入矩形波导，5.同轴内导体，6.0°相差功分输出端，7.陶瓷基板，8.薄膜电阻，9.功分微带探针，10.微带功分线，11.波导法兰安装螺孔。
以下结合附图对本发明的内容做进一步的阐述。
具体实施方式
参阅图1-图6。在以下描述的优选实施例中，一种矩形波导微带0°相差高隔离度宽带功分器，包括：按输入矩形波导4的窄边与宽边的中心，剖分为通过螺钉固连构成完整功分器的左波导体1、上波导体2和下波导体3，其中上波导体2与下波导体3背靠背镜像对称，其特征在于：左波导体1端平面上的“[”形槽以宽边中心剖分上波导体2和下波导体3，通过其中上下相向对称的“∟”形缺口与所述“[”形开口槽共同形成矩形槽，构成作为功分器射频信号输入的输入矩形波导4，并以同一侧宽边的中心为对称面，通过上波导体2与下波导体3面对面两个微带功分线10构成功分器的两个相位相等的0°相差功分输出端6，并在所述矩形槽的终端面朝功分微带探针9的位置上镶嵌有增强功分器隔离特性的支撑薄膜电阻8的陶瓷基板7，输入矩形波导4中传输的TE10电磁场模式电场力线垂直于薄膜电阻8的表面不受影响，经两个对称的功分微带探针9，微带功分线10连接三段式阻抗的功分微带探针9进行阻抗匹配；把输入矩形波导4中的射频信号等分为两路，通过微带功分线10分别功分进入0°相差功分输出端6，实现功分的效果。
两个0°相差功分输出端6的信号在两个对称功分微带探针9的端面发生电场耦合偏转，形成的电场分量平行于薄膜电阻8的表面被其吸收，实现两个微带线间信号功分的0°相差功分输出端间隔离，最终实现从两个0°相差功分输出端6隔离输出等功率同相位分配信号。
相差功分输出端6通过上下终端中间开口槽，穿过同轴内导体5至微带功分线10。
所述陶瓷基板7采用氮化铝陶瓷，陶瓷基板7的固定采用在左波导体1窄边壁上开槽实现。
所述薄膜电阻8与功分微带探针9相互垂直且为非接触的，只对两个功分微带探针9间电场的垂直分量进行吸收。
功分微带探针9经过三段式阻抗变换线后完成与50Ω微带功分线10的阻抗匹配并与之连接。完成微带功分线10与测试同轴接头的互联后，端接特性阻抗同样为50Ω的同轴连接器0°相差功分输出端6功分输出测试(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)。在50Ω的微带功分线10的终端设计中间开孔，两个0°相差功分输出端6的同轴内导体5分别从上波导体2与下波导体3背面穿过开孔后焊接至微带功分线10上。左波导体1侧面设有波导法兰安装螺孔11。
输入矩形波导4中传输的TE10电磁场模式电场力线如图6中箭头线所示(电场力线平行于矩形波导窄边)；由于功分微带探针9平行于TE10电磁场模式的电场力线，实现了波导与微带线间信号的高效率转换；两个面对面放置的功分微带探针9，以输入矩形波导4宽边的中心呈对称排布，从输入矩形波导4端面送入射频信号，并在功分微带探针9端面中间的位置加入垂直向的陶瓷基板7支撑的薄膜电阻8，与功分微带探针9的端面构成非接触的耦合结构。当输入射频信号从两个功分微带探针9同时进入波导，两路端面电场都将在彼此的影响下发生弯转形成两个平行于薄膜电阻8的电场分量，由于大小相等但方向相反因而相互抵消，其余与之垂直的电场分量将发生同向叠加激励出TE10模式，这是功分器的逆过程——功率合成器。
由于薄膜电阻8正交于TE10电磁场模式的电场力线，因此正常情况波导输入端4中传输的TE10模式的射频信号不会被薄膜电阻8吸收，即不会对功分器的正常功分特性与损耗造成任何影响；当输入射频信号从功分微带探针9进入矩形波导1后，其端面电场在与之对称的另外一个功分微带探针9影响下会发生耦合偏转，形成如图5中箭头线所示的垂直于两个微带探针的电场分量。由于该耦合电场分量平行于薄膜电阻8，因而被吸收无法进入功分微带探针9，从而实现两个0°相差功分输出端6间隔离；当输入射频信号从功分微带探针9进入矩形波导1与之有相同的效果；当输入射频信号从功分微带探针9同时进入波导，两路端面电场都将在彼此的影响下发生弯转，形成两个平行于薄膜电阻8大小相等但方向相反的电场分量；因而发生相消而无法被薄膜电阻8吸收，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。
高隔离度的矩形波导微带0°相差功分器效果如图7中所示，波导输入端4回波优于-15dB，0°相差功分输出端6功分输出-3dB的等幅同相功率分配，且回波优于-18dB。隔离度高于15dB的相对带宽高达25％。显然，采用本发明的功分器结构，输出端之间的隔离度可以满足宽带相控阵馈线网络，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 (10)
1.一种矩形波导微带0°相差高隔离度宽带功分器，包括：按输入矩形波导（4）的窄边与宽边的中心，剖分为通过螺钉固连构成完整功分器的左波导体（1）、上波导体（2）和下波导体（3），其中上波导体（2）与下波导体（3）背靠背镜像对称，其特征在于：左波导体（1）和上波导体（2）、下波导体（3）相互独立，且上波导体（2）和下波导体（3）通过矩形槽的右半部分“[”形槽的宽边剖分，通过其中上下相向对称的“∟”形缺口与“[”形开口槽共同形成矩形槽，构成作为功分器射频信号输入的输入矩形波导（4），并以同一侧宽边的中心为对称面，通过上波导体（2）与下波导体（3）面对面两个微带功分线（10）构成功分器的两个相位相等的0°相差功分输出端（6），并在所述矩形槽的终端面朝功分微带探针（9）的位置上镶嵌有增强功分器隔离特性的支撑薄膜电阻（8）的陶瓷基板（7），输入矩形波导（4）中传输的TE10电磁场模式电场力线垂直于薄膜电阻（8）的表面，经两个对称的功分微带探针（9），通过微带功分线（10）连接三段式阻抗的功分微带探针（9）进行阻抗匹配，把输入矩形波导（4）中的射频信号等分为两路，通过微带功分线（10）分别功分进入0°相差功分输出端（6），实现功分的效果。
2.如权利要求1所述的矩形波导微带0°相差高隔离度宽带功分器，其特征在于：两个0°相差功分输出端（6）的信号在两个对称功分微带探针（9）的端面发生电场耦合偏转，形成的电场分量平行于薄膜电阻（8）的表面被其吸收，实现两个微带线间信号功分的0°相差功分输出端间隔离，最终实现从两个0°相差功分输出端（6）隔离输出等功率同相位分配信号。
3.如权利要求1所述的矩形波导微带0°相差高隔离度宽带功分器，其特征在于：相差功分输出端（6）通过上下终端中间开口槽，穿过同轴内导体（5）至微带功分线（10）。
4.如权利要求1所述的矩形波导微带0°相差高隔离度宽带功分器，其特征在于：所述陶瓷基板（7）采用氮化铝陶瓷，陶瓷基板（7）的固定采用在左波导体（1）窄边壁上开槽实现。
5.如权利要求1所述的矩形波导微带0°相差高隔离度宽带功分器，其特征在于：所述薄膜电阻（8）与功分微带探针（9）相互垂直且为非接触的，只对两个功分微带探针（9）间电场的垂直分量进行吸收。
6.如权利要求1所述的矩形波导微带0°相差高隔离度宽带功分器，其特征在于：功分微带探针（9）经过三段式阻抗变换线后完成与50Ω的微带功分线（10）阻抗匹配并与之连接。
7.如权利要求6所述的矩形波导微带0°相差高隔离度宽带功分器，其特征在于：完成微带功分线（10）与测试同轴接头的互联后，端接特性阻抗同样为50Ω的同轴连接器0°相差功分输出端（6）功分输出测试。
8.如权利要求7所述的矩形波导微带0°相差高隔离度宽带功分器，其特征在于：在50Ω的微带功分线（10）的终端设计中间开孔，两个0°相差功分输出端（6）的同轴内导体（5）分别从上波导体（2）与下波导体（3）背面穿过开孔后焊接至微带功分线（10）上。
9.如权利要求1所述的矩形波导微带0°相差高隔离度宽带功分器，其特征在于：射频信号从输入矩形波导（4）进入，其中传输的TE10电磁场模式电场力线平行于功分微带探针（9），实现波导与微带线间信号的高效率转换；当输入射频信号从两个功分微带探针（9）同时进入波导，两路端面电场都将在彼此的影响下发生弯转形成两个平行于薄膜电阻（8）的电场分量，由于大小相等但方向相反因而相互抵消，其余与之垂直的电场分量将发生同向叠加激励出TE10模式，这是功分器的逆过程——功率合成器。
10.如权利要求1所述的矩形波导微带0°相差高隔离度宽带功分器，其特征在于：两个面对面放置的功分微带探针（9），以输入矩形波导（4）宽边的中心呈对称排布，从输入矩形波导4端面送入射频信号，并在功分微带探针（9）端面中间的位置加入垂直向的陶瓷基板（7）支撑的薄膜电阻（8），与功分微带探针（9）的端面构成非接触的耦合结构。
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