CN117254235A - 一种宽带脊波导功分器 - Google Patents

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CN117254235A CN202311310666.2A CN202311310666A CN117254235A CN 117254235 A CN117254235 A CN 117254235A CN 202311310666 A CN202311310666 A CN 202311310666A CN 117254235 A CN117254235 A CN 117254235A
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陈建新
黄叶鑫
闫玉星
施旭
林垄龙
杨永杰
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/18—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers
    • H01P5/181—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers the guides being hollow waveguides

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Abstract

本发明宽带脊波导功分器，包括置于金属壳体内的腔室和设于腔室内的用于功率分配的金属大圆柱，输入端口位于金属大圆柱的正上方，两者通过第一过渡结构连接，金属大圆柱的侧面设置有多个脊波导，输出端口与对应的脊波导之间通过第二过渡结构连接。本发明采用脊波导设计了一款低损耗宽带功分器。本发明利用脊波导低损耗、高功率容量的特性，有效解决了微带型功分器设计存在的高损耗问题，可以满足大功率容量的工程应用。此外，对比同样低损耗、高功率容量的波导，脊波导特有的结构更易实现各种造型需求，易于制造，弥补了波导功分器尺寸庞大、结构笨重的缺陷。

Description

一种宽带脊波导功分器
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种宽带脊波导功分器。
背景技术
功分器的全称为功率分配器，它可以将一路微波信号等功率或者不等功率地分成多路微波信号。基于功率分配的功能，功分器在无线通信、雷达、环境遥感和微波测量中有着广泛的应用。当今微波无线通信系统有高速率、高容量的发展趋势。在此趋势下，微波无线通信系统的工作带宽越来越宽。功分器作为无线通讯的基本器件，也应满足宽带宽的要求。目前大多数的宽带功分器是由多级微带线和带状线组成。由于微带线和带状线的功率容量低、损耗大，这类功分器不适合用于大功率和低损耗的应用场景。金属波导相较微带线和带状线而言在这两个方面具有明显优势，但其三维结构在设计和装配过程中弯曲、扭转都比较困难。相比于金属波导，脊波导除了因为主模截止波长更长而拥有更小的尺寸，还具有因为主模与高阶模的截止波长之间范围更广而带来的宽带特性。
在过去的一些工作中，已经报道了许多不同类型的功分器。微带功分器(如文献Y.S.Liu,and J.S.Row,“Back-to-back microstrip antenna fed with tunable powerdivider,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.63,no.5,pp.2348–2353,May2015.记载的)是高集成且易于制造的，然而它们传输损耗大。在文献Y.S.Liu,and J.S.Row,“Back-to-back microstrip antenna fed with tunable power divider,”IEEE Trans.AntennasPropag.,vol.63,no.5,pp.2348–2353,May 2015.中，信号在基片集成波导结构中传播，而不是在微带中传播，这将降低介电损耗。然而，基片集成波导结构仍然存在不可忽略的介质损耗，不适用于工程应用。采用波导结构的功分器可以弥补其缺点，但其结构过于笨重，无法得到广泛应用。相对而言，脊波导结构具有较低的损耗和较小的体积，运用脊波导设计的功分器应用性强。
发明内容
本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种宽带脊波导功分器，对比现有的功分器拥有更大的带宽和更小的损耗，有效解决了微带型功分器设计存在的高损耗问题。同时，由于脊波导高功率容量的优点，可以满足大功率容量的工程应用。
为实现本发明目的，本发明提出的宽带脊波导功分器，包括1个输入端口和多个输出端口，其特征在于：还包括置于金属壳体内的腔室和设于腔室内的用于功率分配的金属大圆柱，所述输入端口位于金属大圆柱的正上方，两者通过第一过渡结构连接，所述金属大圆柱的侧面设置有多个脊波导，所述输出端口与对应的脊波导之间通过第二过渡结构连接。
本发明采用脊波导设计了一款低损耗宽带功分器。本发明利用脊波导低损耗、高功率容量的特性，有效解决了微带型功分器设计存在的高损耗问题，可以满足大功率容量的工程应用。此外，对比同样低损耗、高功率容量的波导，脊波导特有的结构更易实现各种造型需求，易于制造，弥补了波导功分器尺寸庞大、结构笨重的缺陷。在实现效果方面，本发明所述的宽带脊波导功分器在工作频段内插入损耗低于0.2dB，带宽高达103.0％，对比现有的功分器设计，本发明展现出了很大的优势。
附图说明
图1为本发明宽带脊波导功分器俯视图。
图2为本发明宽带脊波导功分器侧视图。
图3为本发明宽带脊波导功分器立体图。
图4为本发明宽带脊波导功分器工作机制原理图。
图5为本发明宽带脊波导功分器的仿真幅度图。
图6为本发明宽带脊波导功分器的仿真相位图。
图中标号示意如下：
1-第一过渡结构；2-金属大圆柱；3-脊波导；4-第二过渡结构；5-腔室。
具体实施方式
下面结合附图详细的描述本发明作进一步的解释说明，以使本领域的技术人员可以更深入地理解本发明并能够实施，但下面通过参考实例仅用于解释本发明，不作为本发明的限定。
图1和图2分别展示了本发明宽带脊波导功分器的俯视图和侧视图。图3展示了本发明的三维结构示意图。
本发明实施例宽带脊波导功分器，包括1个输入端口和4个输出端口，输入端口竖向设置(沿y向设置)，输出端口水平向设置(设置于xy平面内)。
功分器包括置于金属壳体内的腔室5和设于腔室5内的第一过渡结构1、金属大圆柱2、4个脊波导3和4个第二过渡结构4。
其中，腔室5具有位于中央处的圆柱腔体和4个由圆柱腔体向外延伸的横截面呈矩形的外腔体。
金属大圆柱2位于圆柱腔体中央，两者形成同轴结构(下文称为大同轴)，金属大圆柱2半径为r1，圆柱腔的半径为r3。金属大圆柱2用于功率分配和对四个脊波导进行传输。输入端口位于金属大圆柱2的正上方，两者通过第一过渡结构1连接。本实施例中，第一过渡结构1为一段金属圆柱(半径r2)，同时实现了SMA头到金属大圆柱2的过渡结构以及阻抗匹配。第一过渡结构1的顶面与输入端口连接。如图2所示，输入端口的sma头探针插入深度为g1。
4个脊波导3均匀的沿周向设置于金属大圆柱2的侧面，输出端口与对应的脊波导3之间通过第二过渡结构4连接。第二过渡结构4为偏移带状线，置于该外腔体内。第二过渡结构与输出端口连接，如图1所示，输出端口的sma头探针插入深度为l3。可见，在4个等同的输出端，利用偏移带状线同时实现了SMA头到脊波导的过渡结构以及阻抗匹配。
本实施例中，脊波导3的横截面呈矩形，脊波导3的两侧面和顶面与外腔体的内壁之间形成间隙。第二过渡结构4为长方体，第二过渡结构的顶面与脊波导3的顶面齐平，第二过渡结构的宽度小于脊波导3的宽度，第二过渡结构的高度小于脊波导3的高度。
如图4所示为本发明的工作机制原理图，信号由输入端口(图3中端口1)输入，再从四个输出端口(图3中端口2至端口5)等幅同相输出。为了尽可能在结构紧凑的同时能够提供足够的周长来设计输出端脊波导传输线，同时避免高阶模式的影响，选择r1和r3作为的中央大同轴的内半径和外半径。此外，中央大同轴周围电场均匀分布，保证了宽带范围内功率分配的等幅同相输出。
本发明实施例宽带脊波导功分器的参数见下表：
参数 r1 r2 r3 g1 g2
值(mm) 34 6.17 40 2.22 3.22
参数 w1 w2 w3 d1 d2
值(mm) 27 16.86 39.93 16.78 3.71
参数 l1 l2 l3 h1 h2
值(mm) 13.17 13.62 1.9 25.38 6.32
结合附图上表中各符号含义如下：
r1：金属大圆柱2半径，r2：第一过渡结构1金属圆柱半径，r3：圆柱腔半径，g1：输入端口的sma头探针插入深度，g2：脊波导3顶面与外腔体内壁之间的间隙，w1：脊波导3宽度，w2：第二过渡结构4宽度，w3：矩形外腔体宽度，d1：脊波导3高度，d2：第二过渡结构4高度，l1：脊波导3长度，l2：第二过渡结构4长度，l3：输出端口的sma头探针插入深度，h1：金属大圆柱2高度，h2：第一过渡结构1金属圆柱高度。
为了验证本发明的有效性，设计实例的参数如上表所示。这里大同轴内外半径r1和r3分别取值为34mm和40mm，对应特性阻抗约为9.2欧姆，根据阻抗并联原理，四个输出脊波导的特性阻抗取值为4×9.2＝32.8欧姆。在输入端，利用一段金属圆柱(半径r2)同时实现了SMA头到大同轴的过渡以及阻抗匹配，在四个输出端，利用偏移带状线同时实现了SMA头到脊波导的过渡结构以及阻抗匹配。仿真结果如图5和图6所示，脊波导功分器的工作频率范围为1.78-5.56GHz，相对带宽：103.0％，插入损耗小于0.2dB。此外，由图5和图6可知S21、S31、S41和S51的幅度和相位曲线高度重叠，展现出了本发明脊波导功分器良好的幅度和相位平衡性，拥有极好的等幅同相的性能。
功分器作为一种微波元件，在微波技术领域中应用广泛，常见的应用包括：
1.天线阵列系统：功分器在天线阵列系统中用于将一个输入信号分配到多个发射天线上，以实现高定向性辐射。
2.室分通信系统：功分器可用于实现总发射源功率分配到子发射源，以保证室内信号覆盖的均匀性。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种宽带脊波导功分器，包括1个输入端口和多个输出端口，其特征在于：还包括置于金属壳体内的腔室（5）和设于腔室（5）内的用于功率分配的金属大圆柱（2），所述输入端口位于金属大圆柱（2）的正上方，两者通过第一过渡结构（1）连接，所述金属大圆柱（2）的侧面设置有多个脊波导（3），所述输出端口与对应的脊波导（3）之间通过第二过渡结构（4）连接。
2.根据权利要求1所述的宽带脊波导功分器，其特征在于：所述第一过渡结构（1）为金属圆柱体，底面与金属大圆柱（2）固定，顶面与同轴输入端口连接。
3.根据权利要求1所述的宽带脊波导功分器，其特征在于：所述第二过渡结构（4）为偏移带状线，所述第二过渡结构与同轴输出端口连接。
4.根据权利要求1所述的宽带脊波导功分器，其特征在于：所述腔室（5）具有位于中央处的圆柱腔体，所述圆柱腔体与金属大圆柱（2）形成同轴结构，金属大圆柱（2）半径为r 1，圆柱腔的半径为r 3。
5.根据权利要求4所述的宽带脊波导功分器，其特征在于：所述腔室（5）还具有多个由圆柱腔体向外延伸的横截面呈矩形的外腔体，所述第二过渡结构（4）置于该外腔体内。
6.根据权利要求5所述的宽带脊波导功分器，其特征在于：所述脊波导（3）的横截面呈矩形，脊波导（3）的两侧面和顶面与外腔体的内壁之间形成间隙。
7.根据权利要求5所述的宽带脊波导功分器，其特征在于：所述第二过渡结构（4）为长方体，第二过渡结构的顶面与脊波导（3）的顶面齐平，第二过渡结构的宽度小于脊波导（3）的宽度，第二过渡结构的高度小于脊波导（3）的高度。
8.根据权利要求1所述的宽带脊波导功分器，其特征在于：所述输入端口竖向设置，所述输出端口水平向设置。
9.根据权利要求8所述的宽带脊波导功分器，其特征在于：具有一个输入端口和四个输出端口。
10.一种天线阵列系统、通信室分系统或雷达系统，其特征在于：包括权利要求1-9任一所述的宽带脊波导功分器。
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