CN114944544B - 一种基于波导魔t的紧凑型一分四功分器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于波导魔T的紧凑型一分四功分器，包括盖板、功分器主体、扭波导、WR28标准波导口和非标准波导口，所述盖板位于功分器主体的上方，所述盖板和功分器主体之间通过固定螺钉连接，所述扭波导用于改变电磁波极化方向，使电磁波由WR28标准波导口输入，所述非标准波导口用于连接匹配负载；其有益效果为：本发明中所采用的功分器主体包括一个长臂一分二的功分器、两个相同的短臂一分二的功分器，其中，长臂一分二功分器两个相同的波导拐弯的引入使得更易连接两个短臂一分二功分器，短臂一分二功分器两个相同的波导拐弯的引入使得输出标准波导口都在一个平面，减少Y方向尺寸，结构更加简单紧凑。

Description

一种基于波导魔T的紧凑型一分四功分器
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于波导魔T的紧凑型一分四功分器。
背景技术
在整个无线通信系统中，功率分配器有着非常重要的地位。功率分配器作为射频应用的关键部分，有着广泛的应用。它是相控阵雷达、发射、接收(T/R)收发组件的重要组成部分，同时也用于微波导航，微波仪器以及测量系统。它在航空航天、军事电子战以及民用通讯等领域都有重要作用。
功率分配器是将输入端口的能量等分或者不等分的分配给两路或者多路的输出端口，也可以将两路或多路的信号能量合成到一路输出。理想的功率分配器需要具备低损耗、高隔离以及宽带匹配。而随着现代通信系统的发展，人们并不满足于以上性能的实现，追求小型化，高性能，低廉的制造价格以及更加快速的设计方法。在大功率的通讯系统中，利用波导功分器能更好地实现良好的指标，波导的优势就是低损耗、高功率容量以及高功率承受能力，这与我们的需求是相符合的。
波导魔T因为其良好的端口匹配和隔离，是常用的功率分配器之一，理想的波导魔T，在连接处存在不连续性，所以存在输入输出匹配不好而使带宽过窄的问题，因此利用波导魔T来设计一个功率分配器首要考虑的是它的阻抗匹配问题。
例如，IEEE Microwave and Wireless Components Letters中名为A Ka-BandWaveguide Magic-T With Coplanar Arms Using Ridge-Waveguide Transition的文章，采用了脊波导和阶梯阻抗变换器的结构，脊波导分为两部分，脊波导过渡和脊波导到WR28波导的过渡，脊波导过渡有一段内金属作为探针伸入波导，它的长度决定耦合效率和阻抗匹配，这种方法得到的波导魔T功分器带宽宽，回波损耗和隔离度都比较好，但整体加工具有一些难度，不太容易进行批量生产。
例如，IEEE Microwave and Wireless Components Letters名为A NewBroadband Magic Tee Design for Ka-Band Satellite Communications的文章中在WR34组成的波导魔T的E面T与H面T之间，加入了圆台和隔膜结构来进行阻抗匹配，从而获取更宽的带宽和良好的电性能，但整体的设计尺寸比较大。
2015年8月18日发表的名为“一种宽带波导魔T功分器，专利号(CN 105006625 A)”的专利文献中，涉及到一款波导魔T功分器。该功分器由匹配圆柱，T型结构，E臂波导管和4只方形连接法兰构成，T形结构的H臂的上内表面和下内表面由内向外均设有多阶梯段过渡的阶梯结构，它实现了相对带宽30％的带宽内，端口驻波均小于1.15，隔离度大于40dB。但是，它的结构中阶梯数太多，比较复杂，使得对其加工难度增大。
随着频率的升高，波导功分器在更高的频段上实现良好电性能变得具有挑战性，同时现代通信系统对于器件的小型化要求也日益增高，无论是卫星通讯还是天线系统，都需要一种结构简单，插损小，隔离度好，回波损耗小，设计周期短的具备良好性能的一种小型化波导魔T功分器的方案，令其能够在确保性能的同时，结构更加紧凑。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术上的不足，提出一种基于波导魔T的紧凑型一分四功分器，可用于解决现有技术中加工结构复杂，尺寸大，以及设计周期长的不足，同时满足更高频段的移动终端和卫星通信系统的需求。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案为：
一种基于波导魔T的紧凑型一分四功分器，其特征在于：包括盖板1、功分器主体2、扭波导4、WR28标准波导口5和非标准波导口6，所述盖板1位于功分器主体2的上方，所述盖板1和功分器主体2之间通过固定螺钉3连接，所述扭波导4用于改变电磁波极化方向，使电磁波由WR28标准波导口5输入，所述非标准波导口6用于连接匹配负载。
所述功分器主体2由一个长臂一分二功分器21和两个相同的短臂一分二功分器22组成，所述长臂一分二功分器21由第一WR28标准波导口211、第一矩形主波导直臂212、阶梯阻抗变换器213、两个相同的压缩后的第一矩形分支波导直臂214、两个相同的带切角的波导拐弯215和第一隔离波导216和位于第一H面T底部的第一匹配螺钉217组成；所述阶梯阻抗变换器213的一端与第一矩形主波导直臂212相连接，所述阶梯阻抗变换器213将第一矩形主波导直臂212变换到第一WR28标准波导口211，所述第一矩形主波导直臂212的另一端与两个相同的第一矩形分支波导直臂214相连接，两个相同的第一矩形分支波导直臂214的另一端分别与两个相同的波导拐弯215相连接，两个相同的第一波导拐弯215的另一端分别与两个相同的短臂一分二功分器22相连接，所述第一隔离波导216安装在第一H面T的顶部。
所述短臂一分二功分器22由第二WR28标准波导口221、一个压缩后的第二矩形主波导直臂222、两个相同的阶梯阻抗变换器与波导拐弯集成结构223、两个相同的第二矩形分支波导直臂224、第二隔离波导225和位于第二H面T底部的第二匹配螺钉226组成；所述第二矩形主波导直臂222与长臂一分二功分器21中两个相同的波导拐弯215相连接，两个相同的第二矩形分支波导直臂224与两个相同的阶梯阻抗变换器与波导拐弯集成结构223相接后达到第二WR28标准波导口221，两个相同的阶梯阻抗变换器与波导拐弯集成结构223将两个第二矩形分支波导直臂224变换到第二WR28标准波导口221，所述第二隔离波导225安装在第二H面T的顶部。
所述第二WR28标准波导口221的间隔为15mm。
所述固定螺钉3、和非标准波导口6位于盖板1上。其中，固定螺钉有23个，分布在盖板的两侧的为19个，位于盖板中心轴线的有4个，固定螺钉可以使得盖板1和功分器主体2连接地更为紧密，避免因盖板不紧产生的不连续性带来的影响。
所述功分器主体2以X轴成轴对称分布。所述长臂一分二功分器21经波导拐弯215后与短臂一分二功分器22连接在一起，使得本发明结构紧凑。
所述两个长臂一分二功分器21的第一矩形分支波导直臂214长度相等、所述两个短臂一分二功分器22的第二矩形分支波导直臂224的长度相等。
长度相等的第一矩形分支波导直臂214和第二矩形分支波导直臂22使得电磁波从输入端口传播到输出端口后相位一致，保证信号传输的准确性。
两个相同的所述阶梯阻抗变换器和波导拐弯集成结构223以正、负90度方向分别达到第二WR28标准波导口221使四个输出端口处于同一平面，以便于减少功分器的Y方向尺寸。
所述长臂一分二功分器21的第一矩形主波导直臂212、第一矩形分支波导直臂214，和短臂一分二功分器22的第二矩形主波导直臂222、第二矩形分支波导直臂224为压缩尺寸的波导，从而改变波导的特性阻抗，以此改变匹配的阻抗比，增加带宽。
所述第一匹配螺钉217和第二匹配螺钉226的长度为2.12mm～2.28mm。
所述第一匹配螺钉217的高度最优为2.262mm，所述第二匹配螺钉226的高度最优为2.138mm。匹配螺钉能够改善E面T和H面T间的不连续性，达到匹配效果，实现良好的回波损耗和高隔离度。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1、本发明中所采用的功分器主体包括一个长臂一分二的功分器、两个相同的短臂一分二的功分器，其中，长臂一分二功分器两个相同的波导拐弯的引入使得更易连接两个短臂一分二功分器，短臂一分二功分器两个相同的波导拐弯的引入使得输出标准波导口都在一个平面，克服了现有技术中结构复杂难加工的技术问题，减少Y方向尺寸，结构更加简单紧凑。
2、本发明中将长臂和短臂一分二功分器中矩形主波导和矩形分支波导进行压缩用于改善带宽问题，方式简单。
3、本发明中采用阶梯阻抗变换器和波导拐弯集成结构，使短臂一分二功分器中的矩形分支波导达到标准波导，使结构更加的紧凑，缩小了整体尺寸。
4、本发明设计的波导魔T一分四功分器，在34GHz～39GHz的频率范围内，具有良好的性能。插入损耗在0.12dB以下，回波损耗在25dB以上。不同输出端口之间的隔离度能达到24dB，使其具备了良好的端口隔离。
5、本发明采用的结构简单，缩短了设计周期，结构紧凑，易加工。
附图说明
为了更加清晰的理解本发明，通过结合说明书附图与示意性实施例，进一步介绍本公开，附图与实施例是用来解释说明，并不构成对公开的限定。
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明中功分器主体的俯视图；
图3是本发明中长臂一分二功分器的结构示意图；
图4是本发明中短臂一分二功分器的结构示意图；
图5是本发明中H面T和E面T的示意图；
图6是本发明实施例中的输入端口、输出端口和隔离端口的仿真图；
图7是本发明实施例中的输出端口隔离度的仿真图。
图中所示：盖板1、功分器主体2、固定螺钉3、扭波导4、WR28标准波导口5、非标准波导口6，长臂一分二功分器21、短臂一分二功分器22，第一WR28标准波导口211、第一矩形主波导直臂212、阶梯阻抗变换器213、第一矩形分支波导直臂214、波导拐弯215、第一隔离波导216、第一匹配螺钉217、第二WR28标准波导口221、第二矩形主波导直臂222、阻抗变换器与波导拐弯集成结构223、第二矩形分支波导直臂224、第二隔离波导225、第二匹配螺钉226。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
实施例1
一种基于波导魔T的紧凑型一分四功分器，如图1所示，包括盖板1、功分器主体2、固定螺钉3、扭波导4、WR28标准波导口5和非标准波导口6，所述盖板1位于功分器主体2的上方，所述固定螺钉3用于连接盖板1和功分器主体2，所述扭波导4用于改变电磁波极化方向，使电磁波由WR28标准波导口5输入，所述非标准波导口6用于连接匹配负载。
如图2所示，所述功分器主体2包括一个长臂一分二功分器21和两个相同的短臂一分二功分器22，如图3所示，所述长臂一分二功分器21由第一WR28标准波导口211、第一矩形主波导直臂212、阶梯阻抗变换器213、两个相同的压缩后的第一矩形分支波导直臂214、两个相同的带切角的波导拐弯215、第一隔离波导216和位于H面T底部的第一匹配螺钉217组成。
所述阶梯阻抗变换器213的一端与第一矩形主波导直臂212相连接，所述阶梯阻抗变换器213将第一矩形主波导直臂212变换到第一WR28标准波导口211，所述第一矩形主波导直臂212的另一端与两个相同的第一矩形分支波导直臂214相连接，两个相同的第一矩形分支波导直臂214的另一端分别与两个相同的波导拐弯215相连接，两个相同的第一波导拐弯215的另一端分别与两个相同的短臂一分二功分器22相连接，所述第一隔离波导216安装在第一H面T的顶部。
如图4所示，所述短臂一分二功分器22由第二WR28标准波导口221、一个压缩后的第二矩形主波导直臂222、两个相同的阶梯阻抗变换器与波导拐弯集成结构223、两个相同的第二矩形分支波导直臂224、第二隔离波导225和位于H面T底部的第二匹配螺钉226组成。
所述第二矩形主波导直臂222与长臂一分二功分器21中两个相同的波导拐弯215相连，两个相同的第二矩形分支波导直臂224与两个相同的阶梯阻抗变换器与波导拐弯集成结构223相接后达到第二WR28标准波导口221，两个相同的阶梯阻抗变换器与波导拐弯集成结构223将两个第二矩形分支波导直臂224变换到第二WR28标准波导口221，所述第二隔离波导225安装在第二H面T的顶部。
所述第二WR28标准波导口221的间隔为15mm。
所述固定螺钉3、和非标准波导口6位于盖板1上。其中，固定螺钉有23个，分布在盖板的两侧的为19个，位于盖板中心轴线的有4个，固定螺钉可以使得盖板1和功分器主体2连接地更为紧密，避免因盖板不紧产生的不连续性带来的影响。
所述功分器主体2以X轴成轴对称分布。所述长臂一分二功分器21经波导拐弯215后与短臂一分二功分器22连接在一起，使得本发明结构紧凑。
所述两个长臂一分二功分器21的第一矩形分支波导直臂214长度相等、所述两个短臂一分二功分器22的第二矩形分支波导直臂224的长度相等。
长度相等的第一矩形分支波导直臂214和第二矩形分支波导直臂22使得电磁波从输入端口传播到输出端口后相位一致，保证信号传输的准确性。
两个相同的所述阶梯阻抗变换器和波导拐弯集成结构223以正、负90度方向分别达到第二WR28标准波导口221使四个输出端口处于同一平面，以便于减少功分器的Y方向尺寸。
所述长臂一分二功分器21的第一矩形主波导直臂212、第一矩形分支波导直臂214，和短臂一分二功分器22的第二矩形主波导直臂222、第二矩形分支波导直臂224为压缩尺寸的波导，从而改变波导的特性阻抗，以此改变匹配的阻抗比，增加带宽。
所述第一匹配螺钉217和第二匹配螺钉226的长度为2.12mm～2.28mm。
所述第一匹配螺钉217的高度最优为2.262mm，所述第二匹配螺钉226的高度最优为2.138mm。匹配螺钉能够改善E面T和H面T间的不连续性，达到匹配效果，实现良好的回波损耗和高隔离度。
实施例2
如图5所述，图中1、2、3为H面T，图中2、3、4为E面T。
本发明中波导魔T是匹配的双T，其具有如下特点：
1、四个端口完全匹配；
2、1臂为H臂(主波导)，4臂为E臂(隔离波导)，E臂和H臂相互隔离，两侧臂(2、3臂分支波导)也相互隔离。
3、进入一侧臂的信号，将由E臂和H臂等分输出，而不进入另一侧臂。
4、进入H臂的信号，将由两侧臂等幅同相输出，而不进入E臂。
5、进入E臂的信号，将由两侧臂等幅反相输出，而不进入H臂。
6、若两侧臂同时加入信号，E臂输出的信号等于两输入信号相量差的
Figure BDA0003661537270000091
倍；H臂输出的信号则等于两输入信号的相量和的
Figure BDA0003661537270000092
倍。
本发明中信号从1臂(H臂)输入，由两侧臂等幅同相输出，在E臂隔离。隔离波导位置如图1所示，位于1臂末尾中央，与2、3臂长边等齐。
实施例3
以下通过仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
1、仿真条件和内容：
1.1利用商业仿真软件HFSS_19.0对上述实施例1的回波损耗和插入损耗的S参数进行了仿真计算，结果如图6所示。
1.2利用商业仿真软件HFSS_19.0对上述实施例1的输出端口隔离度S参数曲线进行了仿真计算，结果如图7所示。
2、仿真结果分析：
参照图6，横轴为频率范围(GHz)，纵轴为S参数大小(dB)，以S11≤-20dB为标准，实施例1中，波导魔T功分器的工作频段为：34GHz～39GHz，一般地，回波损耗RL＝-S11，故可以认为本发明提出的波导魔T功分器实现了回波损耗大于24dB的工作特性。而插入损耗小于0.12dB。
参照图7，横轴为频率范围(GHz)，纵轴为隔离度大小(dB)，由图中可以看出，波导魔T功分器输出端口隔离度达到了24dB。
以上仿真结果说明，本发明提出的基于波导魔T的紧凑型一分四功分器在34～39GHz的频率范围内，实现了回波损耗大于24dB而插入损耗小于0.12dB的工作特性。大于24dB的隔离度使得本发明对于输出端口间隔离具有显著的效果。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于波导魔T的紧凑型一分四功分器，其特征在于：包括盖板（1）、功分器主体（2）、固定螺钉（3）、扭波导（4）、WR28标准波导口（5）和非标准波导口（6），所述盖板（1）位于功分器主体（2）的上方，所述固定螺钉（3）用于连接盖板（1）和功分器主体（2），所述扭波导（4）用于改变电磁波极化方向，使电磁波由WR28标准波导口（5）输入，所述非标准波导口（6）用于连接匹配负载；
所述功分器主体（2）由包括一个长臂一分二功分器（21）和两个相同的短臂一分二功分器（22）组成，所述长臂一分二功分器（21）由第一WR28标准波导口（211）、第一矩形主波导直臂（212）、阶梯阻抗变换器（213）、两个相同的压缩后的第一矩形分支波导直臂（214）、两个相同的带切角的波导拐弯（215）、第一隔离波导（216）和位于第一H面T底部的第一匹配螺钉（217）组成；所述阶梯阻抗变换器（213）的一端与第一矩形主波导直臂（212）相连接，所述阶梯阻抗变换器（213）将第一矩形主波导直臂（212）变换到第一WR28标准波导口（211），所述第一矩形主波导直臂（212）的另一端与两个相同的第一矩形分支波导直臂（214）相连接，两个相同的第一矩形分支波导直臂（214）的另一端分别与两个相同的波导拐弯（215）相连接，两个相同的第一波导拐弯（215）的另一端分别与两个相同的短臂一分二功分器（22）相连接，所述第一隔离波导（216）安装在第一H面T的顶部；
所述短臂一分二功分器（22）由第二WR28标准波导口（221）、一个压缩后的第二矩形主波导直臂（222）、两个相同的阶梯阻抗变换器与波导拐弯集成结构（223）、两个相同的第二矩形分支波导直臂（224）、第二隔离波导（225）和位于第二H面T底部的第二匹配螺钉（226）组成；所述第二矩形主波导直臂（222）与长臂一分二功分器（21）中两个相同的波导拐弯（215）相连，两个相同的第二矩形分支波导直臂（224）与两个相同的阶梯阻抗变换器与波导拐弯集成结构（223）相接后达到第二WR28标准波导口（221），两个相同的阶梯阻抗变换器与波导拐弯集成结构（223）将两个第二矩形分支波导直臂（224）变换到第二WR28标准波导口（221），所述第二隔离波导（225）安装在第二H面T的顶部。
2.根据权利要求1所述的一种基于波导魔T的紧凑型一分四功分器，其特征在于：所述功分器主体（2）以X轴成轴对称分布。
3.根据权利要求1所述的一种基于波导魔T的紧凑型一分四功分器，其特征在于：两个相同的所述阶梯阻抗变换器和波导拐弯集成结构（223）以正、负90度方向分别达到第二WR28标准波导口（221）使四个输出端口处于同一平面，以便于减少功分器的Y方向尺寸。
4.根据权利要求1所述的一种基于波导魔T的紧凑型一分四功分器，其特征在于：所述长臂一分二功分器（21）的第一矩形主波导直臂（212）、第一矩形分支波导直臂（214），和短臂一分二功分器（22）的第二矩形主波导直臂（222）、第二矩形分支波导直臂（224）为压缩尺寸的波导，从而改变波导的特性阻抗，以此改变匹配的阻抗比，增加带宽。
5.根据权利要求1所述的一种基于波导魔T的紧凑型一分四功分器，其特征在于：所述第一匹配螺钉（217）和第二匹配螺钉（226）的长度为2.12mm～2.28mm。
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