CN113517524B - 一种基于对称馈电的e面波导十字型功分器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于对称馈电的E面波导十字型功分器及其设计方法，包括功分器，所述功分器呈十字型具有四个端口，所述端口包括输入端口1、输入端口4，输出端口2，输出端口3；所述的E面波导十字型功分器对称馈电，用于实现阵列规模为非2 n ×2 m (n,m=1,2,3...)单元波导缝隙阵列天线的并联馈电网络。通过调节膜片可以在功分器匹配下实现不同大小的功分比和不同相位差。功分器用于实现阵列规模为非2 n ×2 m (其中n,m=1,2,3...)单元波导缝隙阵列天线的并联馈电网络中，使得波导缝隙阵列天线具有宽频带、高增益、易加工和低成本等特点，且易于实现低副瓣、波束扫描和特殊波束赋形等，可广泛应用于点对点通信、电子对抗、航空航天，卫星通信等领域。

Description

一种基于对称馈电的E面波导十字型功分器
技术领域
本发明涉及波导缝隙阵列天线技术领域，具体为一种用于阵列规模为非2 n ×2 m (n,m=1,2,3...)单元波导缝隙阵列天线并联馈电网络中基于对称馈电的E面波导十字型功分器。
背景技术
当前，天线是发射和接收电磁波的重要装置，已经成为无线电通信、广播、导航、雷达等各种民用和军用无线电系统中必不可少的射频器件。由于天线在各领域应用的广泛性和重要性，因此实现宽频带、低损耗、低成本的高性能天线就具有重要的意义。微带贴片阵列天线和波导缝隙阵列天线是平面阵列天线中两种主要的形式，已广泛应用于各个频段的无线电系统。微带贴片天线具有结构紧凑、加工简单、成本较低且易于与有源电子器件集成等特点。然而在高频段下，微带线馈电网络会存在较高的欧姆损耗和介电损耗，并且以表面波形式存在的杂散辐射和泄漏是微带天线长期难以解决的问题。波导缝隙天线通常指的是在矩形波导或其谐振腔上开缝隙，电磁波通过缝隙向外部空间辐射的天线，它既没有电介质损耗也没有辐射损失，具有功率容量大、损耗低等优势。
波导缝隙阵列天线的带宽匹配会受到天线阵元和馈电网络的影响。波导缝隙阵列天线中的馈电网络主要分为串联馈电、并联馈电或者两者结合的部分并联馈电。串联馈电结构简单，空间利用性好，但是当阵列规模增大时，串联馈电天线会由于长线效应使得天线的带宽变窄，无法实现宽频带特性。并联馈电不存在长线效应，输入端口到各个子阵的电长度相等，输出的幅值和相位不随频率变化，其匹配和增益带宽较大。
通过对馈电网络的设计，实现对各个天线阵元的激励幅值和相位的加权，可以得到不同的天线方向图来满足不同情况的需求，如通过泰勒分布可以实现天线的低副瓣特性。因此，要求馈电网络的组成部分应该具备一些可调节性，以实现天线的不同分布。
并联馈电网络通常由T型功分器级联而成，理想阵列规模通常为2 n ×2 m (n,m=1,2,3...)，如4×2大小的阵列，可以由T型功分器级联组成。但在实际情况中，并不会存在刚好的天线尺寸使得天线阵列规模为2 n ×2 m (n,m=1,2,3...)，可能存在规模为非2 n ×2 m (n,m=1,2,3...)单元的天线阵列，如2×3单元的天线阵列，就无法通过简单的T型功分器级联得到并联馈电网络。
发明内容
（一）解决的技术问题
为了实现宽频带的并联馈电网络，仅使用T型功分器级联实现的馈电网络，端口数量和可馈电的阵元数只能局限为2 n ×2 m (n,m=1,2,3...)，针对实际情况中波导缝隙阵列天线阵元数目的多样性，提出了一种基于对称馈电的E面波导十字型功分器，可以用于特殊数目阵列天线的馈电网络，丰富阵列天线馈电网络的设计选择。
（二）技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于对称馈电的E面波导十字型功分器，包括功分器，所述功分器呈十字型具有四个端口，所述端口包括输入端口1、输入端口4，输出端口2，输出端口3；所述功分器的E面波导十字型对称馈电，用于实现阵列规模为非2 n ×2 m (n,m=1,2,3...)单元波导缝隙阵列天线的并联馈电网络。
进一步，所述输入端口1和输入端口4作为天线馈电网络的一部分与天线的馈电网络连接，输出端口2和输出端口3与天线的馈电网络或者天线的阵元相接，实现波导缝隙阵列天线的并联馈电。
进一步，在等幅同相馈电时，输出波导中央形成等效理想电导体（PEC）边界，将四个端口的器件简化为三个端口的器件进行仿真设计，三个端口为一个输入端口和两个输出端口，可大幅减少计算时间、降低设计难度。
进一步，所述功分器具备实现宽频带的等功率分配和不等功率分配的特性；所述功分器的输出波导为对称结构时，实现等功率输出；在输出端口2的波导内插入一对金属膜片后，即可实现不等功率输出。
进一步，通过调节位于输入端口1、输入端口4以及输出端口2波导内金属膜片的厚度，控制功分器的匹配和功分比；调节输入端口1和输入端口4的位置、金属膜片的位置以及输入端口1和输入端口4对应波导过渡到输出端口2和输出端口3对应波导的圆角的半径控制功分器两个输出端口之间的相位差，使得的功分器适用于不同幅值相位分布情况的天线阵列。
一种基于对称馈电的E面波导十字型功分器的设计方法，包括以下步骤：
步骤1：根据设计天线工作频段确定波导长边和短边的范围，再根据天线的加工以及阵元间距的限制等情况确定E面波导长边和短边的具体数值；
步骤2：根据功分器的对称性建立无金属膜片的等功分十字型的功分器的一半模型，即输入波导不变，输出波导短边大小为原来一半的E面T型的功分器；
步骤3：在步骤2中的E面T型功分器其中一个输出波导内，靠近输入波导侧加入一个金属膜片，实现不等功率分配，该输出波导对应的输出端口2为输出功率较小的端口，在输入波导内加入一对金属膜片，用于调节输入端口匹配；
步骤4：调节输出波导金属膜片的厚度实现E面T型功分器所需的功分比；
步骤5：调节输出波导金属膜片的位置、输入波导的位置以及输入波导与输出波导过渡圆角的半径控制功分器输出端口2与输出端口3之间的相位差；
步骤6：改变输入端口金属膜片的位置调节E面T型的功分器的匹配，使得中心频率为谐振点；
步骤7：重复步骤4-步骤6直到E面T型的功分器满足波导缝隙阵列天线馈电网络所要求的功分比、相位差以及匹配带宽；
步骤8：将两个相同的E面T型的功分器对称拼接组合成为所要求的十字型的功分器
有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种基于对称馈电的E面波导十字型功分器，具备以下有益效果：为阵列天线复杂的并联馈电网络提供了一种新的选择，丰富了并联馈电的设计方法，解决了特殊阵元数目天线的馈电网络设计问题，且该E面波导十字型功分器结构紧凑、加工简单、成本低，且可以实现宽频带匹配、稳定的输出特性和可调节功分比范围大等性能。
E面波导十字型的功分器，位于输入端口的膜片用于调节匹配，位于输出端口的膜片用于调节十字型功分器的输出功分比大小和相位差，通过调节膜片可以在功分器匹配下实现不同大小的功分比和不同相位差。功分器用于实现阵列规模为非2 n ×2 m (其中n,m=1,2,3...)单元波导缝隙阵列天线的并联馈电网络中，使得波导缝隙阵列天线具有宽频带、高增益、易加工和低成本等特点，且易于实现低副瓣、波束扫描和特殊波束赋形等，可广泛应用于点对点通信、电子对抗、航空航天，卫星通信等领域。
附图说明
图1是本发明的等功分E面波导十字型功分器一半模型的俯视图；
图2是本发明的等功分E面波导十字型功分器完整模型的俯视图；
图3是本发明的不等功分E面波导十字型功分器一半模型的俯视图；
图4是本发明的不等功分E面波导十字型功分器完整模型的俯视图；
图5是本发明的4×2阵元的天线阵列；
图6是本发明的3×2阵元的天线阵列；
图7是本发明的十字型功分器输入端口反射的曲线图；
图8是本发明的十字型功分器输出端口功分比的曲线图；
图9是本发明的十字型功分器输出端口相位差的曲线图。
具体实施办法
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
请参阅图1和图2，图1为等功分E面十字型功分器一半的E面T型功分器模型，图2为等功分E面十字型功分器的完整模型，具有上下左右对称的结构，由输入端口1和输入端口4馈电，输出端口2和输出端口3输出，输入输出端口可以互换。
请参阅图3和图4，图3为不等功分E面十字型功分器一半的E面T型功分器模型，图4为不等功分E面十字型功分器的完整模型。不等功分E面十字型功分器具有上下对称的结构，由输入端口1和输入端口4馈电，其波导内有两对金属膜片用于调节十字型功分器的匹配；输出端口2和输出端口3输出，共两个输出端口和两个输入端口，输出端口2的输出波导内有一对金属膜片控制两个输出端口输出功率及相位。
请参阅图5，阵列规模为2 n ×2 m (n,m=1,2,3...)单元的阵列天线，可以通过T型功分器简单级联进行并联馈电。
请参阅图6，阵列规模为非2 n ×2 m (n,m=1,2,3...)单元的阵列天线，无法通过T型功分器的简单级联进行并联馈电，需利用到十字型功分器才可以进行并联馈电。所设计的E面十字型功分器可以用于阵列规模为非2 n ×2 m (n,m=1,2,3...)单元的天线阵列，解决了特殊阵元数目天线阵列的馈电网络设计问题。
在本实施例中，使用ANSYS HFSS仿真软件对该阵列天线进行设计和仿真分析。具体设计步骤如下（在13GHz-16GHz频段举例设计一个等幅同向馈电，输出相位相反且左右功分比为2dB的E面十字型功分器）：
1. 根据设计天线工作频段确定波导长边和短边的范围，再根据实际情况，如天线的加工以及阵元间距的限制等情况确定E面波导长边和短边，取E面十字型功分器输入波导和输出波导的长边均为14mm，短边均为3.5mm；
2. 在等幅同向时，输出波导中央形成理想电导体（PEC）边界，将4端口的十字型功分器简化为3端口的T型功分器。建立等功分十字型功分器的一半模型，即输入波导不变，输出波导短边大小为原来一半的E面T型功分器，先不加入膜片，输出波导短边为3.5mm/2=1.75mm，如图1所示,将两个不加膜片的E面T型功分器对称组合成为等功分比的十字型功分器，如图2所示。
3. 在step2中的E面T型功分器其中一个输出波导内，靠近输入波导侧加入一个金属膜片，该输出波导对应的输出端口2为输出功率较小的端口，在输入波导内加入一对金属膜片，给金属膜片的位置以及厚度宽度设置一个初始值，如图3所示；
4. 调节输出波导内金属膜片的厚度实现E面T型功分器功分比为2dB；
5. 调节输出波导金属膜片的位置、输入波导的位置以及输入波导与输出波导过渡圆角的半径控制功分器输出端口的相位差为180度；
6. 改变输入端口金属膜片的位置调节E面T型功分器的匹配，使谐振中心在中心频率14.5GHz处；
7. 重复步骤4-6直到E面T型功分器结果满足功分比为2dB、相位差为180度且在13GHz-16GHz频段内实现匹配。满足所有条件时，E面T型功分器的各参数为膜片圆角半径fillet=1mm, 输入波导与输出波导过渡左右边圆角半径radius_L=0mm, radius_R=1mm,输入端口中心偏移值d=0.54mm，step_w=1mm, step_l=0.78mm, step_off=1mm,iris_w=1mm,iris_l=0.45mm,iris_off=1.39mm；
8. 将两个E面T型功分器组合成为所设计的十字型功分器，如图4所示。
请参阅图7为本设计实例的输入端口1和输入端口4的反射图像，S11<-25dB带宽为20.69%，S11<-20dB带宽为34.48%,具有良好的匹配带宽；图8为本设计实例输出端口3与输出端口2的功分比随频率变化图像，可以看出在中心频点功分比几乎接近2dB，随着频率变化功分比产生一定变化,功分比变化范围为±0.5dB的带宽为16.23%；图9为本设计实例输出端口3与输出端口2的相位差随频率变化图像，可以看出在中心频点相位差接近180°，相位差变化范围为±3°的带宽为16.03%，仍然具备良好的结果。
上述仅为举例，E面十字型功分器可以调节波导内膜片的位置和厚度以及调节输入波导与输出波导过渡左右边圆角半径实现其他不同功分比和不同相位差，其输入波导和输出波导的短边也可以根据实际需求设计成不同的大小，应用于实际设计过程中不同需求的波导缝隙阵列天线，丰富波导缝隙阵列天线的选择。
本发明公开了一种基于对称馈电的E面波导十字型功分器，其结构紧凑、加工简单、成本低，且可以实现宽频带匹配、稳定的输出特性和可调节功分比范围大等性能。所发明的E面波导十字型功分器可以通过数控机床加工完成，很好地保证了器件的加工精度，可广泛应用于点对点通信、电子对抗、航空航天，卫星通信等领域。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种基于对称馈电的E面波导十字型功分器，包括功分器，其特征在于：所述功分器为平面结构，呈十字型具有四个端口，所述端口包括第1输入端口（1）、第2输入端口（4）、第1输出端口（2）和第2输出端口（3）；所述的E面波导十字型功分器对称馈电，实现阵列规模为非2n×2m单元波导缝隙阵列天线的并联馈电网络，其中，n ,m =1 ,2 ,3 ...；
所述第1输入端口（1）和第2输入端口（4）作为天线馈电网络的一部分与天线的馈电网络连接，第1输出端口（2）和第2输出端口（3）与天线的馈电网络或者天线的阵元相接，实现波导缝隙阵列天线的并联馈电；
所述功分器具备实现宽频带的等功率分配和不等功率分配的特性；所述功分器的输出波导为对称结构时，实现等功率输出；在第1输出端口（2）的波导内插入一对金属膜片后，实现不等功率输出；
通过调节位于第1输入端口（1）、第2输入端口（4）以及第1输出端口（2）波导内金属膜片的厚度，控制功分器的匹配和功分比；调节第1输入端口（1）和第2输入端口（4）的位置、金属膜片的位置以及第1输入端口（1）和第2输入端口（4）对应波导过渡到第1输出端口（2）和第2输出端口（3）对应波导的圆角的半径来控制功分器两个输出端口之间的相位差，使得的功分器适用于不同幅值相位分布情况的天线阵列。
2.根据权利要求1所述的一种基于对称馈电的E面波导十字型功分器，其特征在于：在等幅同相馈电时，输出波导中央形成等效理想电导体边界，将四个端口的器件简化为三个端口的器件进行仿真设计，三个端口为一个输入端口和两个输出端口，可大幅减少计算时间、降低设计难度。
3.根据权利要求1～2任一项所述的一种基于对称馈电的E面波导十字型功分器的设计方法，包括以下步骤：
步骤1：根据设计天线工作频段确定波导长边和短边的范围，再根据天线的加工以及阵元间距的限制情况确定E面波导长边和短边的具体数值；
步骤2：根据功分器的对称性建立无金属膜片的等功分十字型的功分器的一半模型，输入波导不变，输出波导短边大小为原来一半的E面T型的功分器；
步骤3：在步骤2中的E面T型功分器其中一个输出波导内，靠近输入波导侧加入一个金属膜片，实现不等功率分配，该输出波导对应的第1输出端口（2）为输出功率较小的端口，在输入波导内加入一对金属膜片，用于调节输入端口匹配；
步骤4：调节输出波导金属膜片的厚度实现E面T型功分器所需的功分比；
步骤5：调节输出波导金属膜片的位置、输入波导的位置以及输入波导与输出波导过渡圆角的半径控制功分器输出端口的相位差；
步骤6：改变输入端口金属膜片的位置调节E面T型的功分器的匹配，使得中心频率为谐振点；
步骤7：重复步骤4～步骤6直到E面T型的功分器满足波导缝隙阵列天线馈电网络所要求的功分比、相位差以及匹配带宽；
步骤8：将两个相同的E面T型的功分器对称拼接组合成为所要求的十字型的功分器。
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