CN203085727U - 宽带加载型等相位功分器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公布了宽带加载型等相位功分器，包括耦合腔，与耦合腔连通的输入端口、输出端、隔离端；输入端口和两个隔离端位于耦合腔的前端面，另一个隔离端和输出端位于耦合腔的后端面；耦合腔中设置有柱状体，不同横截面形状的柱状体组成柱状体组，所述柱状体与耦合腔的上内壁或下内壁连接。本实用新型的功分器具有相位一致的优点，同时具有结构简单、体积小，加工难度低的特点。本实用新型可以广泛用于天线阵、相控阵雷达和功率合成、导弹制导、通信等军事及民用领域。

Description

宽带加载型等相位功分器

技术领域

本实用新型涉及一种功分器。具体地说，是涉及一种加载有多根柱状体的二路功分器，即宽带加载型等相位功分器。

背景技术

功分器是现代微波通信和军事电子系统中的一种通用原件。波导功分器由于其功率容量高、插入损耗低等特点， 应用十分广泛。二路波导功分器既可以单独使用，也可以通过串接构成多路功分网络，用于相控阵雷达、天线阵以及功率合成等领域。已有的二路波导功分器主要包括E-面T型分支， H-面T型分支，波导魔T，H-面波导裂缝电桥等。其中前两种器件由于两个输出端之间隔离度低，任意一个输出端口的失配都会严重影响功率分配的幅度和相位精度。 波导魔T的输出端口之间有很好的隔离，但其四个波导的轴线方向分别指向三个互相垂直的方向，构成复杂的三维立体结构，加工难，成本高，而且器件在长宽高三个方向都比较大，不利于器件的小型化。H-面波导裂缝电桥的输入输出波导的轴线位于同一平面内，但存在带宽太窄的缺点。已经报道的H-面波导裂缝电桥的相对工作带宽小于25%。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服由于波导跨接、交叉需要立体的复杂结构而造成交叉处体积增大、加工精度降低等一系列问题，提供了一种在一个平面上即可实现波导跨接、交叉传输且宽带级数高的宽带加载型等相位功分器。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：宽带加载型等相位功分器，其特征在于：还包括与耦合腔连通的输入端口、隔离端口与输出端口。所述输入端口位于耦合腔的前端面，隔离端口A位于耦合腔的后端面，前端面和后端面为耦合腔互相对立的两个对立面。隔离端口B和隔离端口C分别位于输入端口的两侧，输出端口A、输出端口B分别位于隔离端口A两侧。耦合腔中设置有至少两种柱状体；所述柱状体与耦合腔的上内壁或下内壁连接；输入端口、隔离端口B、隔离端口C、隔离端口A、输出端口A、输出端口B都为空波导或脊波导，耦合腔内还设置有至少3个加载导体脊，其中至少一个加载导体脊的两端贯穿耦合腔的前端面和后端面并分别延伸进隔离端口B和输出端口A，其中至少一个加载导体脊的两端贯穿耦合腔的前端面和后端面并分别延伸进隔离端口A和输出输入端口，其中至少一个加载导体脊的两端贯穿耦合腔的前端面和后端面并分别延伸进输出端口B和隔离端口C。本实用新型按照上述结构制作成时，可利用简单的加工方法实现，相比于传统的多脊结构的功分器，其加工方法简单，而本实用新型采用至少3个加载导体脊贯穿整个功分器，为了节约加工成本一般三个加载导体脊，其中加载导体脊的至少一个面与耦合腔的上端面或下端面连接，即，加载导体脊至少一个面与耦合腔的上端面或下端面存在间隙，可通过电磁波或电场波。为了使得输出为等分结构，因此这三个加载导体脊的集合构成加载导体脊组，该加载导体脊组以耦合腔的对称轴为进行对称设置，即加载导体脊组本身为一个轴对称结构，其对称轴与耦合腔的对称轴在它们的俯视方向重合。若不需要等相的输出，只需在加工时，使得他们不对称即可。

所述耦合腔是以前后向轴线为对称轴的左右对称结构，所有柱状体的集合构成耦合体组，耦合体组是以耦合腔的对称轴为左右对称结构。

所述耦合腔的左侧面右侧面均设置有至少1个金属凸起，金属凸起的凸起方向指向耦合腔内或者耦合腔外。

输入端口、隔离端口、输出端口均通过至少一段匹配波导与耦合腔连接。

沿输入端口的前后向轴线方向相邻的柱状体之间存在大于零或等于零的间隙，并且柱状体为金属柱或者为介质柱。

柱状体在俯视方向的横截面为圆形或矩形或其他不规则图形。

耦合腔、输入端口、隔离端口B、隔离端口C、隔离端口A、输出端口A、输出端口B均为矩形体。

本实用新型以6个端口作为输入、输出、隔离的端口，同时以柱状体形成规则的排布和耦合腔组成耦合部分，达到规定的耦合要求，实现波导跨接、交叉传输且宽带级数高的宽带加载型等相位功分器。

一般的，为了达到耦合等相位的输出，本实用新型中所述耦合腔是以前后向轴线为对称轴的左右对称结构，所有柱状体的集合构成耦合体组，耦合体组是以耦合腔的对称轴为左右对称结构。本实用新型以左右对称结构的耦合腔作为耦合封闭结构，同时以左右对称结构的耦合体组作为调节耦合的装置设置在耦合腔内，为了达到等相位的输出，本实用新型中的耦合体组的对称轴和耦合腔的对称轴重合，以实现耦合部分的整体结构为左右对称结构。这样即可实现等相位的输出。

所述耦合腔的左侧面右侧面均设置有至少1个金属凸起，金属凸起的凸起方向指向耦合腔内或者耦合腔外。

为了改善输入输出端与耦合腔之间的匹配，输入端口、隔离端口B、隔离端口C、隔离端口A、输出端口A、输出端口B均通过至少一段匹配波导与耦合腔连接。

为了调节耦合效果和进一步展宽器件的工作频带，输入端口、隔离端口B、隔离端口C、隔离端口A、输出端口A、输出端口B都为脊波导，脊波导包括矩形波导空腔体、以及设置在矩形波导空腔体上内壁或\和下内壁的加载导体脊。

进一步的，为了便于加工和装配，降低加工要求，输入端口的上表面、隔离端口B的上表面、隔离端口C的上表面、隔离端口A的上表面、输出端口A的上表面、输出端口B的上表面、耦合腔的上表面、匹配波导的上表面均位于同一个平面内。

进一步的，为了调节耦合效果，沿输入端口的前后向轴线方向相邻的柱状体之间存在大于零或等于零的间隙，并且柱状体为金属柱或者为介质柱。作为替代方案，本实用新型中柱状体还可以为其他在功分器中具备调节耦合性和\或增强带宽性的柱状体。

进一步的，为了便于加工和装配，降低加工要求，柱状体在俯视方向上的横截面为圆形或矩形。

进一步的，为了便于加工和装配，降低加工要求，耦合腔、输入端口、隔离端口B、隔离端口C、隔离端口A、输出端口A、输出端口B均为矩形体。

为了展宽器件的工作带宽、以及增强其耦合效果使得功分器达到3dB功分器的效果，耦合腔中设置有至少两种横截面形状的柱状体，所述柱状体与耦合腔的上内壁或下内壁连接。

耦合腔的宽度沿输入端口的轴线方向有至少1次变化。即所述耦合腔的左内侧面和右内侧面均设置有金属凸起，金属凸起的凸起方向指向耦合腔内。金属凸起为任意变化的，可为矩形柱、圆形柱、或其他异形体。

柱状体在俯视方向的横截面为圆形或矩形，其中，横切面为矩形的柱状体位于相邻横切面形状为圆形的柱状体之间。

本实用新型的最大特点是从输入端口输入的信号到两个输出端口是对称的，也就是从两个输出端口输出的信号的幅度和相位都是一致的，这样就不用再使用移相器来调节相位。另外，在耦合腔中设置柱状体体组，通过柱状体调节耦合腔中信号的不同模式之间的相速与耦合，使器件的工作带宽得到大大提高。

本实用新型的工作原理可以在矩形的耦合腔和矩形的输入输出波导的情况下简述如下：此处所述的输入输出波导，即输入输出端，具体是指输入端口、输出端、耦合端、隔离端，矩形的输入端口在矩形的耦合腔中主要激励起两个波导工作模式，即TE10模式和TE20模式。该两个模式的波都将沿输入端口前后向轴线方向传播。由于该两个模式的波导波长不同，在耦合腔的另一端，输出端和耦合端处从耦合腔中耦合出来的功率是分别从两个工作模式TE10模式和TE20模式的波中耦合出来的功率和。通过选取耦合腔的宽度和长度，以及各输入输出端的尺寸和位置，可以使耦合端分别从两个工作模式耦合出来的功率之和满足一定设计要求，同时使隔离端分别从两个工作模式耦合出来的功率相位相差为180度，相互抵消。 这时，基本上所有能量都从输出端口输出，而不从输入端口反射，也不从隔离端输出。为了进一步拓宽器件的工作带宽，耦合腔的形状，特别是宽度沿输入端口的轴线可以适当变化，尤其是在耦合腔的底部或顶部增加柱状体。各输入输出端都可以增加一级或多级脊波导匹配波导。

上述前后向轴线为由前端面指向后端面的轴线。

本实用新型的优点在于：在一个平面上即可实现波导跨接、交叉传输、宽带级数高，本实用新型的H-面功分器的相位一致，同时具有结构简单、体积小，加工难度低的特点。本实用新型可以广泛用于天线阵、相控阵雷达和功率合成、导弹制导、通信等军事及民用领域。

附图说明

图1为本实用新型（去除盖板后）的俯视图。

图2为实施实例1的S参数计算曲线图。

图3为实施实例1输出端口的相位曲线图。

图4为实施实例2（去除盖板后）的俯视图。

图中的标号分别表示为：1、输入端口：2、隔离端口A；3、输出端口A；4、隔离端口B；5、输出端口B；6、隔离端口C；7、耦合腔；9、加载导体脊； 10、柱状体；11、匹配波导。

图中↓箭头表示前方向，↑箭头表示后方向，←箭头表示左方向，→箭头表示右方向。前后向轴线指由前方向指向后方向的轴直线。

具体实施方式

实施实例1

如图1所示，宽带加载型等相位功分器，包括耦合腔7，与耦合腔7连通的输入输出端，即与耦合腔7连通的输入端口1、输出端口A3、输出端口B5、隔离端口A2、隔离端口B4、隔离端口C6。输入端口1和隔离端口B4、隔离端口C6位于耦合腔7的前端面，隔离端口A2位于耦合腔7的后端面，前端面和后端面为耦合腔7互相对立的两个对立面，隔离端口B4和隔离端口C6分别位于输入端口1的两侧，输出端口A3、输出端口B5分别位于隔离端口A2两侧；耦合腔7中设置有至少两种柱状体10；所述柱状体10与耦合腔7的上内壁或下内壁连接；输入端口1、隔离端口B4、隔离端口C6、隔离端口A2、输出端口A3、输出端口B5都为空波导或脊波导，耦合腔7内还设置有至少3个加载导体脊9，其中至少一个加载导体脊9的两端贯穿耦合腔7的前端面和后端面并分别延伸进隔离端口B4和输出端口A3，其中至少一个加载导体脊9的两端贯穿耦合腔7的前端面和后端面并分别延伸进隔离端口A2和输出输入端口1，其中至少一个加载导体脊9的两端贯穿耦合腔7的前端面和后端面并分别延伸进输出端口B5和隔离端口C6。

耦合腔7中设置有2根横截面为矩形和4根横截面为圆形的柱状体10，6根柱状体10之间都存在间隙；所述柱状体10与耦合腔7的上内壁或下内壁连接。所述耦合腔7的宽度沿输入端口1的轴线方向有4次变化。具体的变化为耦合腔7的左内侧面和右内侧面均设置有金属凸起，金属凸起的凸起方向指向耦合腔7外。所述耦合腔7是以前后向轴线为对称轴的左右对称结构，所有柱状体10的集合构成耦合体组，耦合体组是以耦合腔7的对称轴为左右对称结构。

输入端口1、输出端口A3、输出端口B5、隔离端口A2、隔离端口B4、隔离端口C6均通过一段匹配波导11与耦合腔7连接。输入端口1、输出端口A3、输出端口B5、隔离端口A2、隔离端口B4、隔离端口C6都为脊波导，脊波导包括矩形波导空腔体、以及设置在矩形波导空腔体上内壁或\和下内壁的加载导体脊9，加载导体脊9贯穿耦合腔7的前后端面。输入端口1的上表面、输出端口A3的上表面、输出端口B5的上表面、隔离端口A2的上表面、隔离端口B4的上表面、隔离端口C6的上表面、耦合腔7的上表面、匹配波导11的上表面均位于同一个平面内。

沿输入端口1的前后向轴线方向相邻的柱状体10之间存在大于零的间隙。在本实施例中柱状体10选用金属材料制成的金属柱作为柱状体9的优选方案。同时柱状体10还可以为介质柱。柱状体10在俯视方向上的横截面为矩形。耦合腔7、输入端口1、输出端口A3、输出端口B5、隔离端口A2、隔离端口B4、隔离端口C6均为矩形体。

矩形的输入端口1在矩形的耦合腔7中主要激励起两个波导工作模式，即TE10模式和TE20模式。该两个模式的波都将沿输入端口1前后向轴线方向传播。由于该两个模式的波导波长不同，在耦合腔7的另一端，输出端口A3、输出端口B5处从耦合腔7中耦合出来的功率是分别从两个工作模式TE10模式和TE20模式的波中耦合出来的功率和。通过选取耦合腔7的宽度和长度，以及各输入输出端的尺寸和位置，可以使输出端口A3、输出端口B5分别从两个工作模式耦合出来的功率之和满足一定设计要求，同时使隔离端口A2、隔离端口B4、隔离端口C6分别从两个工作模式耦合出来的功率相位相差为180度，相互抵消。 这时，基本上所有能量都从输出端口A3、输出端口B5输出，而不从输入端口1反射，也不从隔离端口A2、隔离端口B4、隔离端口C6输出。为了进一步拓宽器件的工作带宽，耦合腔7的形状，特别是宽度沿输入端口的轴线可以适当变化，尤其是在耦合腔7的底部或顶部增加柱状体10。各输入输出端都可以增加一级或多级脊波导匹配波导11。

图2为实施实例1的脊波导功分器的S参数模拟计算曲线。从中可以看出，在8.1~9.2GHz频率范围内，很好地实现了一款3dB功分器。图中S11表示输入端1的反射系数，S21表示隔离端2的隔离系数，S31表示耦合端3的耦合系数，S41表示隔离端4的隔离系数，S51表示耦合端5的耦合系数，S61表示隔离端6的隔离系数。由图中的曲线分布可以看出，该功分器的插损小于0.5dB，波动小于0.5dB。 各端口反射均低于-15dB，输出端之间的隔离度优于-15dB。

图3为实施实例1的脊波导功分器的相位曲线图。从中可以看出，在8.1~9.2GHz频率范围内，输出端口3和输出端口5的相位是完全一致的。

实施实例2

如图4所示，与实施实例1的区别仅在于，采用4根圆柱形柱状体10和4根矩形的柱状体10。4根矩形的柱状体10构成两个十字型的柱体组。沿输入端口1的前后向轴线方向相邻的柱状体10之间存在大于或等于零的间隙。

上述仅为举例。实际生产中，耦合腔7的侧面既可以为一根或多根直线段，也可以为光滑曲线，构成俯视方向的矩形、梯形或其他更复杂的图型。柱状体10可以为矩形、圆形、椭圆形、或其他不规则形状。

Claims (9)

1.宽带加载型等相位功分器，包括耦合腔（7），其特征在于：还包括与耦合腔（7）连通的输入端口（1）、隔离端口B（4）、隔离端口C（6）、隔离端口A（2）与输出端口A（3）、输出端口B（5）；所述输入端口（1）位于耦合腔（7）的前端面，隔离端口A（2）位于耦合腔（7）的后端面，前端面和后端面为耦合腔（7）互相对立的两个对立面，隔离端口B（4）和隔离端口C（6）分别位于输入端口（1）的两侧，输出端口A（3）、输出端口B（5）分别位于隔离端口A（2）两侧；耦合腔（7）中设置有至少两种柱状体（10）；所述柱状体（10）与耦合腔（7）的上内壁或下内壁连接；输入端口（1）、隔离端口B（4）、隔离端口C（6）、隔离端口A（2）、输出端口A（3）、输出端口B（5）都为空波导或脊波导，耦合腔（7）内还设置有至少3个加载导体脊（9），其中至少一个加载导体脊（9）的两端贯穿耦合腔（7）的前端面和后端面并分别延伸进隔离端口B（4）和输出端口A（3），其中至少一个加载导体脊（9）的两端贯穿耦合腔（7）的前端面和后端面并分别延伸进隔离端口A（2）和输出输入端口（1），其中至少一个加载导体脊（9）的两端贯穿耦合腔（7）的前端面和后端面并分别延伸进输出端口B（5）和隔离端口C（6）。

2.根据权利要求1所述的宽带加载型等相位功分器，其特征在于：所述耦合腔（7）是以前后向轴线为对称轴的左右对称结构，所有柱状体（10）的集合构成耦合体组，耦合体组是以耦合腔（7）的对称轴为左右对称结构。

3.根据权利要求1所述的宽带加载型等相位功分器，其特征在于：所述耦合腔（7）的左侧面右侧面均设置有至少1个金属凸起，金属凸起的凸起方向指向耦合腔（7）内或者耦合腔（7）外。

4.根据权利要求1所述的宽带加载型等相位功分器，其特征在于：输入端口（1）、隔离端口B（4）、隔离端口C（6）、隔离端口A（2）、输出端口A（3）、输出端口B（5）均通过至少一段匹配波导（11）与耦合腔（7）连接。

5.根据权利要求4所述的宽带加载型等相位功分器，其特征在于：输入端口（1）的上表面、隔离端口B（4）的上表面、隔离端口C（6）的上表面、隔离端口A（2）的上表面、输出端口A（3）的上表面、输出端口B（5）的上表面、耦合腔（7）的上表面、匹配波导（11）的上表面均位于同一个平面内。

6.根据权利要求1-4中任意一项所述的宽带加载型等相位功分器，其特征在于：沿输入端口（1）的前后向轴线方向相邻的柱状体（10）之间存在大于零或等于零的间隙，并且柱状体（10）为金属柱或者为介质柱。

7.根据权利要求1-4中任意一项所述的宽带加载型等相位功分器，其特征在于：柱状体（10）在俯视方向的横截面为圆形或矩形。

8.根据权利要求1-4中任意一项所述的宽带加载型等相位功分器，其特征在于：耦合腔（7）、输入端口（1）、隔离端口B（4）、隔离端口C（6）、隔离端口A（2）、输出端口A（3）、输出端口B（5）均为矩形体。

9.根据权利要求1-4中任意一项所述的宽带加载型等相位功分器，其特征在于：柱状体（10）在俯视方向的横截面为圆形或矩形，其中，横切面为矩形的柱状体位于相邻横切面形状为圆形的柱状体（10）之间。

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