CN114744390B - 一种差分波导功分器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种差分波导功分器，包括至少两层层叠设置的波导结构，两层波导结构包括第一层波导结构和第二层波导结构；第一层波导结构包括第一波导壁和第一脊波导脊，第一波导壁上开设有波导入口，且其上形成有波导过渡槽，第一波导壁包括和第一脊波导脊相对间隔设置的脊波导短路壁；第二层波导结构包括第二波导壁和其上形成有功分耦合缝的第二脊波导脊；初始信号自波导入口进入第一层波导结构后，波导过渡槽和功分耦合缝用以将初始信号耦合为耦合信号，耦合信号的电场相对初始信号的电场形成180°相位差。本申请提供的差分波导功分器实现了输入输出波导口电场方向一致，通过脊波导实现了波导入口的尺寸缩小，实现了整体结构的小型化。

Description

一种差分波导功分器

技术领域

本申请涉及微波器件技术领域，尤其涉及一种小型化的差分波导功分器。

背景技术

卫星及5G等毫米波通信的蓬勃发展，促使紧凑型、小型化、高性能终端迎来技术革新。波导传输网络以其超低损耗的特点，在高性能终端设计中被广泛采用。带有宽带差分的功分器在降低终端天线交叉极化、降低系统干扰等方面发挥着重要作用。

传统的差分波导功分器通常采用TEH功分器(E面波导输入和H面波导输出)或THE功分器(H面波导输入和E面波导输出)，通过波导E-H面互相转换再做功率分配，可实现180°反向差分功分器设计。传统的差分波导功分器虽然可实现差分波导功分，但在实际使用过程中仍然存在许多缺陷：

1、不论是TEH功分器还是THE功分器都需要E-H面互相转换结构，且输入和输出波导面互相垂直，这导致E-H面互相转换结构尺寸较大，难以适应小型化终端的需求。

2、与波导口电场垂直的波导口宽度与波导内传输频率的波长相关，因此，差分波导功分器的波导口宽度较大，这导致差分波导功分器的结构尺寸进一步加大，难以适应小型化终端的需求。

因此，在较大的E-H面互相转换结构及较大的波导口宽度的共同加持下，传统的TEH功分器或THE功分器的尺寸会更大，最终限制了这种类型的差分波导功分器的使用场景。此外，正交分布的输入/输出波导口在实际波导网络使用的场景不多，为实现这种类型的差分波导功分器的具体应用，需要将输入或者输出波导口进行E-H面的再次转换，确保输入/输出波导口电场方向一致，这无疑进一步增加了这种类型的差分波导功分器的尺寸，同时提高了功分器的使用损耗。

因此，亟需提出一种新的技术方案来解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本申请提供一种差分波导功分器，以解决现阶段的差分波导功分器的结构尺寸过大不能适应小型化终端设备的问题。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

本申请提供一种差分波导功分器，包括至少两层波导结构，两层所述波导结构层叠设置，两层所述波导结构包括第一层波导结构和位于所述第一层波导结构上方的第二层波导结构；

所述第一层波导结构包括第一波导壁和第一脊波导脊，所述第一波导壁上开设有波导入口，所述第一波导壁包括与所述波导入口相对设置的脊波导短路壁，所述脊波导短路壁和所述第一脊波导脊相对间隔设置，位于所述脊波导短路壁和第一脊波导脊之间的第一波导壁上形成有波导过渡槽；

所述第二层波导结构包括第二波导壁和第二脊波导脊，所述第二脊波导脊上形成有功分耦合缝；

初始信号自所述波导入口进入所述第一层波导结构后，依次经过所述波导过渡槽和功分耦合缝进入所述第二层波导结构中，所述波导过渡槽和功分耦合缝用以将所述初始信号耦合为耦合信号，所述耦合信号的电场相对所述初始信号的电场形成180°相位差。

上述技术方案优选的，所述第一波导壁包括底壁、顶壁、左侧壁和右侧壁，所述底壁、左侧壁、顶壁和右侧壁依次首尾相连围成两端具有开口的筒体，所述筒体的一端开口形成所述波导入口，所述筒体的另一端开口被所述脊波导短路壁封闭，所述脊波导短路壁靠近筒体中部。

优选的，所述第一脊波导脊为自所述顶壁表面朝筒体内腔延伸的条状凸起，所述条状凸起沿其长度方向的中心轴线与所述脊波导短路壁的表面相垂直，所述第一脊波导脊与所述底壁之间具有间隙；所述波导过渡槽设置在所述顶壁上。

优选的，所述第二波导壁包括左壁、右壁，以及与所述第一波导壁的顶壁相对设置的上壁，所述左壁和右壁相对间隔设置。

优选的，所述第二脊波导脊为自所述顶壁背离所述第一脊波导脊的表面朝所述上壁延伸的条状凸起，所述第二脊波导脊沿其长度方向的中心轴线与所述第一脊波导脊沿其长度方向的中心轴线平行。

优选的，所述第二脊波导脊上形成有凹槽，所述凹槽形成所述功分耦合缝，所述第二脊波导脊与所述上壁之间具有间隙。

优选的，初始信号在第一层波导结构内的电场方向垂直于第一波导壁的顶壁；当初始信号传输至波导过渡槽内时，波导过渡槽内的初始信号的电场方向与所述脊波导短路壁的表面垂直；耦合信号在第二层波导结构内的电场方向垂直于第二波导壁的上壁。

优选的，所述脊波导短路壁与所述波导过渡槽的间距为初始信号波长的1/4～1/2。

优选的，所述第一层波导结构和第二层波导结构通过所述波导过渡槽和所述功分耦合缝连通。

优选的，所述波导过渡槽的形状包括一字形、U形和H形。

优选的，所述波导过渡槽为一字形槽，所述一字形槽的中心轴线与所述脊波导短路壁的表面平行，或，所述一字形槽的中心轴线与所述脊波导短路壁的表面形成夹角，所述夹角小于45°。

优选的，所述波导过渡槽为U形槽，所述U形槽具有一个底边槽和相对设置的两个侧边槽，所述底边槽的中心轴线与所述脊波导短路壁的表面平行，或，所述底边槽的中心轴线与所述脊波导短路壁的表面形成夹角，所述夹角小于45°。

优选的，所述波导过渡槽为H形槽，所述H形槽具有一个中间槽和相对设置的两个侧边槽，所述中间槽的中心轴线与所述脊波导短路壁的表面平行，或，所述中间槽的中心轴线与所述脊波导短路壁的表面形成夹角，所述夹角小于45°。

优选的，所述波导过渡槽的宽度小于所述波导入口的宽度。

优选的，所述第一波导壁和所述第二波导壁分别为金属波导壁。

相比现有技术，本申请具有以下有益效果：

1、本申请提供的差分波导功分器包括上下两层波导结构，两层波导结构采用脊波导传导形式，第一层波导结构实现信号输入，第二层波导结构实现信号输出，避免输入波导占用输出波导的物理空间，实现单层内布置更多输出波导的可能性，实现单层-多波导网络布局，为多极化波导网络设计提供可能，且第一层波导结构的脊波导短路壁和第一脊波导脊之间形成波导过渡槽，波导过渡槽的尺寸结构小，实现了整体结构的小型化。

2、脊波导在确保矩形波导传输性能的前提下可以降低波导口的宽度，本申请提供的差分波导功分器采用脊波导传导形式降低了差分波导功分器的波导入口的宽度，进而减小了差分波导功分器的尺寸。

3、本申请提供的差分波导功分器的第一层波导结构与第二层波导结构共用一壁(即输入/输出波导共用一壁)，便于网络布局，实现了波导金属件的最大化利用，降低差分波导功分器的整体重量。

4、第一层波导结构的顶壁与第二层波导结构的上壁独立设计(即输入/输出波导的顶层金属波导壁独立设计)，确保差分波导功分器整体表面平坦度，便于集成和网络布局。

5、现有技术中的差分波导功分器的输入/输出波导面互相垂直，在使用时需要将输入或者输出波导口进行E-H面的再次转换，确保输入/输出波导口电场方向一致。而本申请提供的差分波导功分器的第一层波导结构中的信号的电场与第二层波导结构中的信号的电场形成180°相位差，实现了输入输出波导口电场方向一致，可直接应用不需转换，使用方便。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。应当理解，附图中所示的具体形状、构造，通常不应视为实现本申请时的限定条件；例如，本领域技术人员基于本申请揭示的技术构思和示例性的附图，有能力对某些单元(部件)的增/减/归属划分、具体形状、位置关系、连接方式、尺寸比例关系等容易作出常规的调整或进一步的优化。

图1为现有的TEH功分器的截面结构示意图，图示了TEH功分器的互相垂直的输入波导面和输出波导面，且示出了输入信号的电场方向和输出信号的电场方向；

图2为现有的THE功分器的截面结构示意图，图示了THE功分器的互相垂直的输入波导面和输出波导面，且示出了输入信号的电场方向和输出信号的电场方向；

图3为一种实施例中本申请提供的差分波导功分器在一种视角下的立体结构示意图；

图4为一种实施例中本申请提供的差分波导功分器在俯视视角下的截面结构示意图；

图5为一种实施例中本申请提供的差分波导功分器在前视视角下的截面结构示意图；

图6为一种实施例中本申请提供的差分波导功分器在侧视视角下的截面结构示意图；

图7为一种实施例中本申请提供的差分波导功分器内的信号的矢量电场分布图；

图8a为一种实施例中本申请提供的差分波导功分器的波导过渡槽的结构形状示意图；

图8b为一种实施例中本申请提供的差分波导功分器的波导过渡槽的结构形状示意图；

图9a为一种实施例中本申请提供的差分波导功分器的波导过渡槽的结构形状示意图；

图9b为一种实施例中本申请提供的差分波导功分器的波导过渡槽的结构形状示意图；

图10a为一种实施例中本申请提供的差分波导功分器的波导过渡槽的结构形状示意图；

图10b为一种实施例中本申请提供的差分波导功分器的波导过渡槽的结构形状示意图。

附图标记说明：

1、第一层波导结构；11、波导入口；12、第一波导壁；121、底壁；122、顶壁；123、左侧壁；124、右侧壁；125、脊波导短路壁；13、第一脊波导脊；14、波导过渡槽；

2、第二层波导结构；21、第二波导壁；211、左壁；212、右壁；213、上壁；22、第二脊波导脊；23、功分耦合缝。

具体实施方式

以下结合附图，通过具体实施例对本申请作进一步详述。

在本申请的描述中：除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。本申请中的术语“第一”、“第二”、“第三”等旨在区别指代的对象，而不具有技术内涵方面的特别意义(例如，不应理解为对重要程度或次序等的强调)。“包括”、“包含”、“具有”等表述方式，同时还意味着“不限于”(某些单元、部件、材料、步骤等)。

本申请中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，通常是为了便于对照附图直观理解，而并非对实际产品中位置关系的绝对限定。在未脱离本申请揭示的技术构思的情况下，这些相对位置关系的改变，当亦视为本申请表述的范畴。

实施例

传统波导网络受限于波导截止波长的固有限制，尺寸过大，限制了波导网络的使用场景。单脊波导、双脊波导、介质波导等波导结构的提出，一定程度上解决了波导尺寸过大的问题。但其在使用过程中仍存在需要问题。

参见图1，图1为现有的TEH功分器的截面结构示意图，图示了TEH功分器的互相垂直的输入波导面和输出波导面，且示出了输入信号的电场方向和输出信号的电场方向。由图1可以看出，现有的TEH功分器的输入波导面100和输出波导面200相互垂直，输入信号的电场方向和输出信号的电场方向也相互垂直，在使用过程中需要将输入或者输出波导口进行E-H面的再次转换，以确保输入/输出波导口电场方向一致。

参见图2，图2为现有的THE功分器的截面结构示意图，图示了THE功分器的互相垂直的输入波导面和输出波导面，且示出了输入信号的电场方向和输出信号的电场方向。由图2可以看出，现有的THE功分器的输入波导面300和输出波导面400相互垂直，输入信号的电场方向和输出信号的电场方向也相互垂直，在使用过程中需要将输入或者输出波导口进行E-H面的再次转换，以确保输入/输出波导口电场方向一致。

为了解决现有技术中存在的问题，本申请提供一种差分波导功分器，参见图3，该差分波导功分器包括至少两层波导结构，两层波导结构层叠设置，两层波导结构包括第一层波导结构1和位于第一层波导结构1上方的第二层波导结构2。两层波导结构采用脊波导传导形式，第一层波导结构1实现信号输入，第二层波导结构2实现信号输出，避免输入波导占用输出波导的物理空间，实现单层内布置更多输出波导的可能性，实现单层-多波导网络布局，为多极化波导网络设计提供可能。

在一种实施例中，参见图5和图6，第一层波导结构1包括第一波导壁12和第一脊波导脊13，第一波导壁12上开设有波导入口11，第一波导壁12包括与波导入口11相对设置的脊波导短路壁125，脊波导短路壁125和第一脊波导脊13相对间隔设置，位于脊波导短路壁125和第一脊波导脊13之间的第一波导壁12上形成有波导过渡槽14。

继续参见图5和图6，第二层波导结构2包括第二波导壁21和第二脊波导脊22，第二脊波导脊22上形成有功分耦合缝23。初始信号自波导入口11进入第一层波导结构1后，依次经过波导过渡槽14和功分耦合缝23进入第二层波导结构2中，波导过渡槽14和功分耦合缝23用以将初始信号耦合为耦合信号，耦合信号的电场相对初始信号的电场形成180°相位差。第一层波导结构1和第二层波导结构2通过波导过渡槽14和功分耦合缝23连通。初始信号的电场方向在波导过渡槽14处产生变化，使分配到第二层波导结构2中的耦合信号的电场产生180°相位差，实现了差分波导功分。

现有技术中的差分波导功分器的输入/输出波导面互相垂直，在使用时需要将输入或者输出波导口进行E-H面的再次转换，确保输入/输出波导口电场方向一致。而本申请提供的差分波导功分器的第一层波导结构1中的信号的电场与第二层波导结构2中的信号的电场形成180°相位差，实现了输入输出波导口电场方向一致，可直接应用不需转换，使用方便。

在一种实施例中，继续参见图5和图6，第一波导壁12包括底壁121、顶壁122、左侧壁123和右侧壁124，底壁121、左侧壁123、顶壁122和右侧壁124依次首尾相连围成两端具有开口的筒体，筒体的一端开口形成波导入口11，筒体的另一端开口被脊波导短路壁125封闭，脊波导短路壁125靠近筒体中部。第一脊波导脊13为自顶壁122表面朝筒体内腔延伸的条状凸起，条状凸起沿其长度方向的中心轴线与脊波导短路壁125的表面相垂直，第一脊波导脊13与底壁121之间具有间隙；波导过渡槽14设置在顶壁122上。

在一种实施例中，继续参见图5和图6，第二波导壁21包括左壁211、右壁212，以及与第一波导壁12的顶壁122相对设置的上壁213，左壁211和右壁212相对间隔设置。第二脊波导脊22为自顶壁122背离第一脊波导脊13的表面朝上壁213延伸的条状凸起，第二脊波导脊22沿其长度方向的中心轴线与第一脊波导脊13沿其长度方向的中心轴线平行。第二脊波导脊22上形成有凹槽，凹槽形成功分耦合缝，第二脊波导脊22与上壁213之间具有间隙。本申请提供的差分波导功分器的第一层波导结构1与第二层波导结构2共用一壁(即输入/输出波导共用一壁)，便于网络布局，实现了波导金属件的最大化利用，降低差分波导功分器的整体重量。第一层波导结构1的顶壁122与第二层波导结构2的上壁213独立设计(即输入/输出波导的顶层金属波导壁独立设计)，确保差分波导功分器整体表面平坦度，便于集成和网络布局。

在一种实施例中，参见图7，初始信号在第一层波导结构1内的电场方向为箭头a所示的方向，可见，箭头a垂直于第一波导壁12的顶壁122。当初始信号传输至波导过渡槽14内时，波导过渡槽14内的初始信号的电场方向为箭头b所示的方向，可见，箭头b与脊波导短路壁125的表面垂直。耦合信号在第二层波导结构2内的电场方向为箭头c所示的方向，可见，箭头c垂直于第二波导壁21的上壁213。

在一种实施例中，脊波导短路壁125与波导过渡槽14的间距为初始信号波长的1/4～1/2。将脊波导短路壁125如此布置，一方面可以避免第一层波导结构1内的波导信号泄露，另一方面可以匹配功分耦合缝引入的输入/输出脊波导阻抗变化，使输入/输出波端口具有较低驻波。

本申请提供的差分波导功分器的波导过渡槽14的形状可以是包括一字形、U形和H形中的任意一种，也可以是由一字形和U形组合形成的口字形，或者一字形和H形组合形成的类甘字形等。

当波导过渡槽14为一字形槽时，参见图8a，一字形槽的中心轴线与脊波导短路壁125的表面平行。或，参见图8b，一字形槽的中心轴线与脊波导短路壁125的表面形成夹角。优选的，夹角小于45°。

当波导过渡槽14为U形槽时，参见图9a，U形槽具有一个底边槽和相对设置的两个侧边槽，底边槽的中心轴线与脊波导短路壁125的表面平行。或，参见图9b，底边槽的中心轴线与脊波导短路壁125的表面形成夹角。优选的，夹角小于45°。

当波导过渡槽14为H形槽时，参见图10a，H形槽具有一个中间槽和相对设置的两个侧边槽，中间槽的中心轴线与脊波导短路壁125的表面平行。或，参见图10b，中间槽的中心轴线与脊波导短路壁125的表面形成夹角。优选的，夹角小于45°。

在一种实施例中，第一波导壁12和第二波导壁21分别为金属波导壁。

本申请提供的差分波导功分器包括上下两层波导结构，第一层波导结构的脊波导短路壁和第一脊波导脊之间形成波导过渡槽，波导过渡槽的尺寸结构小，波导过渡槽的宽度小于波导入口的宽度，实现了整体结构的小型化。

脊波导在确保矩形波导传输性能的前提下可以降低波导口的宽度，本申请提供的差分波导功分器采用脊波导传导形式降低了差分波导功分器的波导入口的宽度，进而减小了差分波导功分器的尺寸，实现了差分波导功分器的小型化。

综上所述，本申请提供的差分波导功分器实现了输入输出波导口电场方向一致，可直接应用不需转换，且通过脊波导实现了波导入口的尺寸缩小，实现了整体结构的小型化。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合(只要这些技术特征的组合不存在矛盾)，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述；这些未明确写出的实施例，也都应当认为是本说明书记载的范围。

上文中通过一般性说明及具体实施例对本申请作了较为具体和详细的描述。应当理解，基于本申请的技术构思，还可以对这些具体实施例作出若干常规的调整或进一步的创新；但只要未脱离本申请的技术构思，这些常规的调整或进一步的创新得到的技术方案也同样落入本申请的权利要求保护范围。

Claims (9)

1.一种差分波导功分器，其特征在于，包括至少两层波导结构，两层所述波导结构层叠设置，两层所述波导结构包括第一层波导结构(1)和位于所述第一层波导结构(1)上方的第二层波导结构(2)；

所述第一层波导结构(1)包括第一波导壁(12)和第一脊波导脊(13)，所述第一波导壁(12)上开设有波导入口(11)，所述第一波导壁(12)包括与所述波导入口(11)相对设置的脊波导短路壁(125)，所述脊波导短路壁(125)和所述第一脊波导脊(13)相对间隔设置，位于所述脊波导短路壁(125)和第一脊波导脊(13)之间的第一波导壁(12)上形成有波导过渡槽(14)；

所述第二层波导结构(2)包括第二波导壁(21)和第二脊波导脊(22)，所述第二脊波导脊(22)上形成有功分耦合缝(23)；

初始信号自所述波导入口(11)进入所述第一层波导结构(1)后，依次经过所述波导过渡槽(14)和功分耦合缝(23)进入所述第二层波导结构(2)中，所述波导过渡槽(14)和功分耦合缝(23)用以将所述初始信号耦合为耦合信号，所述耦合信号的电场相对所述初始信号的电场形成180°相位差；

所述第一波导壁(12)包括底壁(121)、顶壁(122)、左侧壁(123)和右侧壁(124)，所述波导过渡槽(14)设置在所述顶壁(122)上；

所述第二脊波导脊(22)上形成有凹槽，所述凹槽形成所述功分耦合缝，

所述脊波导短路壁(125)与所述波导过渡槽(14)的间距为初始信号波长的1/4～1/2；

所述第一层波导结构(1)和第二层波导结构(2)通过所述波导过渡槽(14)和所述功分耦合缝连通。

2.根据权利要求1所述的差分波导功分器，其特征在于，

所述底壁(121)、左侧壁(123)、顶壁(122)和右侧壁(124)依次首尾相连围成两端具有开口的筒体，所述筒体的一端开口形成所述波导入口(11)，所述筒体的另一端开口被所述脊波导短路壁(125)封闭，所述脊波导短路壁(125)靠近筒体中部；

所述第一脊波导脊(13)为自所述顶壁(122)表面朝筒体内腔延伸的条状凸起，所述条状凸起沿其长度方向的中心轴线与所述脊波导短路壁(125)的表面相垂直，所述第一脊波导脊(13)与所述底壁(121)之间具有间隙。

3.根据权利要求2所述的差分波导功分器，其特征在于，

所述第二波导壁(21)包括左壁(211)、右壁(212)，以及与所述第一波导壁(12)的顶壁(122)相对设置的上壁(213)，所述左壁(211)和右壁(212)相对间隔设置；

所述第二脊波导脊(22)为自所述顶壁(122)背离所述第一脊波导脊(13)的表面朝所述上壁(213)延伸的条状凸起，所述第二脊波导脊(22)沿其长度方向的中心轴线与所述第一脊波导脊(13)沿其长度方向的中心轴线平行；

所述第二脊波导脊(22)与所述上壁(213)之间具有间隙。

4.根据权利要求3所述的差分波导功分器，其特征在于，

初始信号在第一层波导结构(1)内的电场方向垂直于第一波导壁(12)的顶壁(122)；

当初始信号传输至波导过渡槽(14)内时，波导过渡槽(14)内的初始信号的电场方向与所述脊波导短路壁(125)的表面垂直；

耦合信号在第二层波导结构(2)内的电场方向垂直于第二波导壁(21)的上壁(213)。

5.根据权利要求1所述的差分波导功分器，其特征在于，

所述波导过渡槽(14)的形状包括一字形、U形和H形。

6.根据权利要求5所述的差分波导功分器，其特征在于，

所述波导过渡槽(14)为一字形槽，所述一字形槽的中心轴线与所述脊波导短路壁(125)的表面平行，或，所述一字形槽的中心轴线与所述脊波导短路壁(125)的表面形成夹角，所述夹角小于45°。

7.根据权利要求5所述的差分波导功分器，其特征在于，

所述波导过渡槽(14)为U形槽，所述U形槽具有一个底边槽和相对设置的两个侧边槽，所述底边槽的中心轴线与所述脊波导短路壁(125)的表面平行，或，所述底边槽的中心轴线与所述脊波导短路壁(125)的表面形成夹角，所述夹角小于45°。

8.根据权利要求5所述的差分波导功分器，其特征在于，

所述波导过渡槽(14)为H形槽，所述H形槽具有一个中间槽和相对设置的两个侧边槽，所述中间槽的中心轴线与所述脊波导短路壁(125)的表面平行，或，所述中间槽的中心轴线与所述脊波导短路壁(125)的表面形成夹角，所述夹角小于45°。

9.根据权利要求1所述的差分波导功分器，其特征在于，

所述波导过渡槽(14)的宽度小于所述波导入口(11)的宽度；

所述第一波导壁(12)和所述第二波导壁(21)分别为金属波导壁。