CN117410665A - 一种新型波导电桥 - Google Patents
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Abstract
本发明属于射频与微波的功率分配/合成技术领域，提供一种新型波导电桥，适用于耦合度为3dB的分支电桥。本发明包括两路矩形波导传输线与连接两路矩形波导传输线的耦合结构，两路矩形波导传输线采用相同结构并平行设置，耦合结构由若干个金属方柱形成，若干个金属方柱上下交错形成交指状结构，相邻金属柱之间形成交指缝隙，交指缝隙形成空气间隙耦合，同时传输波导中的匹配圆弧状渐变匹配段，能够提高带宽和耦合强度；并且，通过匹配优化交指缝隙的尺寸及相对位置，能够调节耦合度、方向性、相位到理想状态。相较于传统电桥，本发明能够提高工作带宽，且性能稳定、损耗低；同时，易于缩小尺寸、便于加工。
Description
技术领域
本发明属于射频与微波的功率分配/合成技术领域，提供一种新型波导电桥，具体为一种工作在较高频率且带宽较高的新型3dB耦合电桥。
背景技术
在微波电路中，功率分配/合成网络具有损耗低、工作频率高等优点，使其应用越来越广泛、作用越来越大；电桥可将微波信号按比例分配或合成，被广泛应用于微波电路中。
常用的电桥结构包括微带电桥和波导电桥，在宽带应用中，微带电桥的耦合尺寸很小，会限制其承受功率，并且增大直通损耗，在大带宽和大功率条件下难以应用。波导电桥常用宽边耦合，耦合腔通常采用正对放置，耦合结构为耦合腔，该结构抗干扰能力强、易于加工，但在宽带情况下，该结构不能产生很好的耦合效果。3dB电桥是一种四端口无源器件，分为输入端、直通端、耦合端、隔离端，能够将一路微波信号输入等分为两路等幅且具有一定相位差的信号输出；3dB电桥常用在基站信号的分配/合成、天线波束的形成，也可以利用其改善平衡放大器的驻波比，还可以利用3dB电桥做收发信号的隔离。基于此，本发明提供一种工作在较高频率且带宽较高的新型3dB耦合电桥。
发明内容
本发明的目的在于针对上述传统波导电桥的不足，提供一种新型波导电桥，具体为一种工作在较高频率且带宽较高的3dB耦合电桥，能够实现输出端口固定相位差。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种新型波导电桥，包括：两路矩形波导传输线与连接两路矩形波导传输线的耦合结构；其特征在于，
两路矩形波导传输线采用相同结构，并沿X轴方向平行设置(横截面位于YOZ面)；两路矩形波导传输线沿YOZ面的横截面中，宽边(a边)位于Z轴方向、窄边(b边)位于Y轴方向，且宽边对应平行；
耦合结构设置于两路矩形波导传输线之间、且对应矩形波导传输线沿X轴方向的中间位置，耦合结构由若干个金属方柱形成，相邻金属柱之间形成空气间隙耦合；缝隙耦合结构沿X轴方向设置，且其任意XOZ面的纵截面具有相同结构；缝隙耦合结构沿XOZ面的纵截面中，若干个金属方柱形成若干个沿Z轴方向设置的金属指条，并上下交错放置形成交指状结构，相邻金属指条之间形成空气间隙耦合。
进一步的，矩形波导传输线对应缝隙耦合结构具有圆弧状渐变匹配段，圆弧状渐变匹配段中矩形波导传输线的窄边尺寸由两端向中间逐渐减小，使矩形波导传输线沿XOY面的纵截面中外侧轮廓呈圆弧状。
进一步的，所述新型波导电桥的输入端、直通端、耦合端、隔离端均采用标准矩形波导(a：b＝2：1)，使用该矩形波导进行信号功率分配。
基于上述技术方案，本发明的有益处在于：
本发明提供一种新型波导电桥，适用于耦合度为3dB的分支电桥；本发明创造性的提出特殊设计的耦合结构，在耦合结构中，通过呈交指状结构设置的金属方柱之间形成交指缝隙，交指缝隙形成空气间隙耦合，能够将传统波导耦合器耦合窗处的TE10耦合模式替换为另一种电场强度局域于波导中心位置的耦合模式，增加了耦合器的工作带宽；同时，匹配圆弧状渐变匹配段，能够对局域耦合模式实现良好匹配，消除工作频段内引入的非期望的谐振模式，进一步改善耦合器性能；并且，通过匹配优化交指缝隙的尺寸及相对位置，能够调节耦合度、方向性、相位到理想状态。
综上，相较于传统电桥，本发明能够提高工作带宽，且性能稳定、损耗低；同时，易于缩小尺寸、便于加工。
附图说明
图1为本发明提供的新型波导电桥的结构俯视图(XOY面)。
图2为本发明提供的新型波导电桥的结构正视图(YOZ面)。
图3为本发明提供的新型波导电桥的结构侧视图(XOZ面)。
图4为本发明提供的新型波导电桥的频带曲线图。
图5为本发明提供的新型波导电桥的隔离曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种新型波导电桥，具体为一种工作在较高频率且带宽较高的3dB耦合电桥，其结构如图1～图3所示，包括：两路矩形波导传输线与连接两路矩形波导传输线的耦合结构；其中：
两路矩形波导传输线采用相同结构，并沿X轴方向平行设置(横截面位于YOZ面)；两路矩形波导传输线沿YOZ面的横截面中，宽边(a边)位于Z轴方向、窄边(b边)位于Y轴方向，且宽边对应平行；
耦合结构设置于两路矩形波导传输线之间、且对应矩形波导传输线沿X轴方向的中间位置，耦合结构由若干个金属方柱形成，相邻金属柱之间形成空气间隙耦合；缝隙耦合结构沿X轴方向设置，且其任意XOZ面的纵截面具有相同结构；缝隙耦合结构沿XOZ面的纵截面中，若干个金属方柱形成若干个沿Z轴方向设置的金属指条，并上下交错放置形成交指状结构，相邻金属指条之间形成空气间隙耦合；
矩形波导传输线对应缝隙耦合结构具有圆弧状渐变匹配段，圆弧状渐变匹配段中矩形波导传输线的窄边尺寸由两端向中间逐渐减小，使矩形波导传输线沿XOY面的纵截面中外侧轮廓呈圆弧状。
从工作原理上讲：
本发明提供一种新型的3dB耦合电桥，创造性的提出特殊设计的耦合结构，在耦合结构中，若干个金属方柱之间形成的空气间隙简称为交指缝隙，交指缝隙形成空气间隙耦合；由于交指结构中的金属柱仅与单侧波导腔体相连，其与另一侧腔体的电流线被切断，直接改变了交指缝隙中的耦合模式，从标准波导的TE10模式变为了一种电场极局域化的耦合模式，增加了耦合器的工作带宽；通过调节交指缝隙(空气间隙)的相对位置、大小尺寸，能够调节耦合强度，最终实现功率分配。
如图1、图2所示，两路平行放置的矩形波导传输线均采用标准矩形波导WR4.3进行输入，同时由标准矩形波导WR4.3输出，两路矩形波导传输线的圆弧状渐变匹配段中，波导窄边尺寸由两端向中间(X轴方向)逐渐缩小，能够提高带宽和耦合强度，形成良好的功率分配效果；并且，交指缝隙位于圆弧状渐变匹配段之间，二者相互配合，能够减小整个新型电桥的尺寸；同时，两路矩形波导传输线中，圆弧状渐变匹配段的渐变程度保持一致，可根据工作带宽大小、耦合强度大小进行调节，实现强能量耦合；另外，矩形波导传输线可外接不同的波导尺寸，从而实现在不同的频段实现功率分配。
如图1～3所示，在本发明提出的缝隙耦合结构的基础上，交指缝隙(空气间隙)的相对位置、大小尺寸均可以进行适应性匹配优化，既保证空气间隙有足够大的面积使足够的电磁波可以耦合到副线波导传输线中，同时又保证纵横向尺寸、隔离端口隔离指标，并满足足够的工作带宽；即：交指缝隙的尺寸可根据实际应用情况进行匹配优化，用以实现端口与端口之间的能量耦合、直通和隔离。
通过匹配优化，本实施例提供的新型波导电桥的仿真结果如图4、图5所示。如图4所示为S频带参数仿真示意图，其中，横坐标为频率、单位为GHz，范围从170～260GHz，纵坐标为S参数幅度的分贝值、单位为dB，范围从-35dB～0dB；在图4中，S11代表输入端口1的反射系数，S21代表输入端口1到直通端口2的传输系数，S31代表输入端口1到耦合端口的耦合强度，S41代表输入端口1到隔离端口4的隔离大小。由图4可知，在170～260GHz频段内，S11基本小于-15dB，说明输入端口的匹配较好，基本没有反射；S21和S31均大于-3.9dB小于-2.4dB，这说明该新型波导3dB电桥从端口1输入的能量大部分都从端口2和端口3输出，且从端口1输入，流入到端口2和端口3输出的能量几乎相等。如图5所示为隔离系数仿真示意图，从图5可知，S41隔离系数在170～260GHz基本小于-15dB，说明输入端口和隔离端口的隔离效果好，从输入1端口流入隔离端口4的能量很少。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (3)
1.一种新型波导电桥，包括：两路矩形波导传输线与连接两路矩形波导传输线的耦合结构；其特征在于，
两路矩形波导传输线采用相同结构，并沿X轴方向平行设置(横截面位于YOZ面)；两路矩形波导传输线沿YOZ面的横截面中，宽边(a边)位于Z轴方向、窄边(b边)位于Y轴方向，且宽边对应平行；
耦合结构设置于两路矩形波导传输线之间、且对应矩形波导传输线沿X轴方向的中间位置，耦合结构由若干个金属方柱形成，相邻金属柱之间形成空气间隙耦合；缝隙耦合结构沿X轴方向设置，且其任意XOZ面的纵截面具有相同结构；缝隙耦合结构沿XOZ面的纵截面中，若干个金属方柱形成若干个沿Z轴方向设置的金属指条，并上下交错放置形成交指状结构，相邻金属指条之间形成空气间隙耦合。
2.按权利要求1所述新型波导电桥，其特征在于，矩形波导传输线对应缝隙耦合结构具有圆弧状渐变匹配段，圆弧状渐变匹配段中矩形波导传输线的窄边尺寸由两端向中间逐渐减小，使矩形波导传输线沿XOY面的纵截面中外侧轮廓呈圆弧状。
3.按权利要求1所述新型波导电桥，其特征在于，所述新型波导电桥的输入端、直通端、耦合端、隔离端均采用标准矩形波导。
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