CN208589519U - 一种基于波导传输结构的任意路功率分配器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于波导传输结构的任意路功率分配器，包括N‑1(N≥2为分配的路数)个结构相似的分支节；该分支节由一段主通路波导和与之连接的分支波导组成；N‑1个分支节的主通路首尾依次串接形成一个传输结构；每个分支节的波导端口作为分配输出；第1个分支节的主通路输入为分配器总的输入端口，第N‑1个分支节的主路输出最为第N路的分配输出；每个分支节支路波导包括一段阻抗变换波导，该阻抗变换波导一段连接在主通路波导，另一端与支路输出波导连接。本实用新型通过调整该阻抗变换波导的阻抗和长度实现特定的功率分配值；每个分支节的主通路上包括探入主通路波导腔内的金属调谐体，保证主通路输入口匹配，便于实现任意路、任意比例的功率分配器。

Description

一种基于波导传输结构的任意路功率分配器

技术领域

本实用新型属于微波能应用技术领域，特别地涉及一种基于波导传输结构的任意路功率分配器。

背景技术

功率分配器作为一种重要的功能器件大量应用于各种微波电路和系统中。不同频率、不同功率等级的分配器采用不同的原理和实现方式。在高功率微波系统中一般以波导作为传输线，相应的功率分配器也是基于波导结构实现的。常用的波导分配方式包括：T型结构(E-T、H-T以及E-H-T)、耦合结构以及径向波导结构。

一般地，分配器的设计既要考虑功率分配幅度的一致，也要考虑相位一致，因此实现结构上往往具有一定的对称性。例如H-T形式的两路功率分配器如图1(a)所示，从波导的宽边向下俯视，它包括呈T型连接的纵向主波导和横向的分支波导，二者以窄边汇接。其中1为输入端口，2和3是两路输出端口，分配器结构呈左右对称。采用此形式的二分配器级联组合可以得到如图1(b)所示的2^N(N≥1为整数)路分配器，输入功率如果为P_in，则输出功率Po＝P_in/2^N。该分配器的空间宽度W包括N个波导宽边宽度加上N个90°弯波导的宽度，当工作在低频段时，波导尺寸大，分配器的宽度W也较为可观。以915MHz微波能工业应用频段为例，常用的BJ9波导宽度约248mm，典型的90°弯波导宽度不小于100mm，N＝2时(四分配器)总的宽度接近700mm，体积大，成本高，给实际工程使用造成不便。而由于结构方式和输出口方向的限制，采用T型二分配器级联的方法可优化的空间有限。

耦合结构与T型结构具有类似的问题，多路分配时需要采用级联的方式，同样会占用较大的空间。

径向波导分配器采如图2所示，包括一个输入端口4，圆柱腔体5以及在圆柱腔体圆周方向均匀分布的输出波导6。该分配器是一种圆周对称结构，理论上不需要级联、可一次实现任意路数的分配。但是用于低频段且分配路数较多时，由于输出波导尺寸较大，需要圆柱腔体5的直径较大，腔体模式的控制和转换实现难度高，因此可实现的分配路数受到一定的限制。另外，由于输出端口呈圆周分布，对于负载端口也是圆周分布的应用场景较为合适，而如果负载输入端是直线分布，则需要大量的角度各异的转接弯波导，会占用较大的空间，实现成本高。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服微波能应用设备中已有波导分配器结构复杂、体积大、成本高的问题，提出了一种基于波导传输结构的任意路功率分配器，其主要特点是采用波导传输线作为主通路，逐次连接分支通路，在微波能量沿主通路传播的同时将部分能量分配到分支通路，可方便地实现任意分支路数、任意功率比例的功率分配，且体积小，设计加工简单。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种基于波导传输结构的任意路功率分配器，包括N-1个结构相似的分支节，其中N≥2，为分配的路数；分支节由一段主通路波导和与之连接的分支波导组成，该主通路波导的一个端口作为输入，则另一个端口作为主路输出，分支波导的端口作为分配输出；所述N-1个分支节的主通路首尾依次串接形成一个传输结构，每个分支节的分支波导作为分配输出；第1个分支节的输入为分配器总的输入端口，第N-1个分支节的主路输出最为第N路的分配输出；

所述分支节的支路波导包括与一段输出波导和一段阻抗变换波导，所述输出波导的一端作为分配输出口，另一端与所述阻抗变换波导的一端连接，该阻抗变换波导的另一端最终与所述分支节主通路汇接，波导内部空间连通。所述阻抗变换波导与所述输出波导具有不同的截面尺寸；

所述分支节的主通路波导，包括一个或多个安装在波导内的金属体，用于主通路的调谐。

优选的，所述分支节采用T型结构，所述主通路波导位于横向，所述支路波导为纵向，二者的轴线相互垂直。

优选的，所述分支节的主通路波导和支路波导均采用矩形波导，传输模式选用TE10模。

优选的，所述分支节的主通路波导和支路波导均采用矩形波导，传输模式选用TE10模，支路波导连接在主通路波导的宽边上，且支路波导的电场方向垂直于主通路波导的轴线方向。

优选的，所述分支节的主通路波导和支路波导均采用矩形波导，传输模式选用TE10模，支路波导连接在主通路波导的窄边上，且支路波导的电场方向平行于主通路波导的电场方向。

优选的，所述分支节的主通路波导和支路波导均采用矩形波导，传输模式选用TE10模，支路波导连接在主通路波导的宽边上，且支路波导的电场方向平行于主通路波导的轴线方向。

优选的，所述分支节的主通路波导和支路波导均采用矩形波导，传输模式选用TE10模，所述分支节支路的阻抗变换波导，其高度与所述支路的输出波导不同，根据该分支节的输入到分配输出的插入损耗来调整。

优选的，所述用于主通路调谐的金属体可以是一端与所述主通路波导壁连接、另一端探入主通路波导内部的圆柱体；也可以是表面垂直于所述主通路波导轴线，从主通路波导壁伸入波导内部的膜片，所述膜片遮挡住部分主通路波导的截面。

优选的，在第N-1个分支节后再级联第N个分支节，第N个分支节的输入端口与第N-1个分支节的主路输出端口连接，其特征在于，第N个分支节的主路输出端口短路，第N个分支节的支路输出最为第N路的分配输出端口。

由于上述技术方案的运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

本实用新型的一种基于波导传输结构的任意路功率分配器，采用多个结构相似的分支节，将其主通路首尾依次串接而成，结构简单，体积紧凑，易于扩展实现任意路数、任意比例的功率分配。

另外，通过调节每个分支节支路阻抗变换波导的特性阻抗，可以方便地实现所需要的任意功率分配比例；通过调节每个分支节主通路的调谐结构可以实现每个分支节的输入匹配，每个分支节可以独立的调试，便于生产制造。

本实用新型进一步设计了三种基于矩形波导TE10模的分支节结构，在不增加适配波导的情况下实现三种分配输出的接口方向，可以方便灵活地适应不同的应用需求。

附图说明

图1(a)为已有H-T功率分配示意图；

图1(b)为已有N级H-T级联示意图；

图2为已有径向波导功率分配示意图；

图3为本实用新型实施例的原理示意图；

图4为本实用新型实施例1的分支节结构示意图；

图5为本实用新型实施例1的结构示意图；

图6(a)为本实用新型实施例1的插入损耗特性；

图6(b)为本实用新型实施例1的反射损耗特性；

图7为本实用新型实施例2的结构示意图；

图8为本实用新型实施例3的分支节结构示意图；

图9为本实用新型实施例4的分支节结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

本实用新型提出的基于波导传输结构的任意路功率分配器，原理如图3所示，包括N-1个结构相似的分支节，其中N≥2，为整数，代表分配的路数；分支节由一段主通路波导1和与之连接的分支波导2组成，该主通路波导的一个端口11作为输入，则另一个端口作12为主路输出，分支波导的端口21作为分配输出；所述N-1个分支节的主通路首尾依次串接形成一个传输结构，每个分支节的分支波导作为分配输出；第1个分支节的输入3为分配器总的输入端口，第N-1个分支节的主路输出4最为第N路的分配输出。

设所述功率分配器总的输入功率为P_in，第n(1≤n≤N-1)路输出的功率是 应满足调节该分支节所述支路波导的所述阻抗变换波导的截面尺寸和长度，使该分支节的输入口到所述分配输出口的插入损耗满足

同时调节所述主通路调谐金属体的位置和尺寸，使该分支节的输入口匹配。

实施例1采用如图4所示的分支节，包括主通路波导41和支路波导42；所述主通路波导41和所述支路波导42均采用矩形波导；所述支路波导42垂直安装在主通路波导41的宽边上，该支路波导42的宽边平面与主路波导41的一侧窄边共面，这样支路波导42的电场方向421垂直于主波导42的轴线方向。

本实施例的主通路波导41的一个端口411作为输入口，另一个端口412作为主路输出口；在主通路波导41的宽边中心线上安装有金属圆柱体413，该金属圆柱体一端与主通路波导41的宽边短路，另一端伸入波导腔内，完成主通路的调谐作用。

本实施例的支路波导42包括串行连接的阻抗变换波导422和支路输出波导423；该阻抗变换波导的一端与主通路波导41的宽边连接，另一端与支路输出波导423的一端连接；支路输出波导423的另一端424作为分配输出端口。所述阻抗变换波导422的高度与所述支路输出波导424不同，以实现不同的阻抗变比。

本实施例实现4路等分的功率分配器如图5所示，包含4个图4所示的分支节51、52、53和54；其中分支节51的输入口511为分配总的输入口；分支节54的主路输出口541短路，其支路输出542作为第4路功率分配的输出；分支节54的支路阻抗变换波导543没有阻抗变比的要求，为加工简单，选用与分支节53相同的阻抗变换波导。

本实施例的分支节51～53，其主通路输入到分配输出的插入损耗如下表1：

表-1

本实施例在915MHz工作频段，主通路采用BJ9标准矩形波导，各个支路输出波导采用195mm×72mm截面尺寸，通过电磁仿真和调试，得到四个分支节的阻抗变换波导长度为150mm，高度如表2。各个分支节主通路的调谐圆柱直径为30mm，高度同时列于表2中。另外，主路输出端口的长度可以根据分配输出端口的间距调节，不会影响分配器特性。

表-2

本实施例实测结果如图6(a)和图6(b)所示，在915MHz±10MHz范围内，4路分配输出的幅度平衡度在±0.35dB以内，输入端口的反射损耗小于-24dB(典型值小于-28dB),满足微波能应用的需要。

本实用新型实施例2如图7，包括6个结构相似的分支节71～76，该分支节的结构方式与实施例1相同，不同之处在于主通路矩形波导的轴线是半径为R的圆。分支节71的主通路输入711为分配器总的输入端口；分支节76的主路输出761被短路。分支节71～75的主通路轴线弧长张角是60°；分支节76的主通路轴线弧长张角小于60°，以留出空间给分配输入端口711，所需空间大小取决于分配器输入端口711对外连接方式，而该连接方式不影响本实施例的原理和性能指标，不作为本实施例的特征。通过调节各支路阻抗变换波导的阻抗以及主通路调谐柱体的尺寸，本实施例实现6路等功率分配。主通路轴线的半径R由具体应用需求决定，也不作为本实施例的技术特征。

本实用新型的实施例3如图8所示，与实施例1和2不同之处在于，分支节的支路82与主路81的连接方式不同。支路82的轴线垂直于主通路81的窄边811，并且支路82的电场方向821与主通路电场方向812平行。

本实用新型的实施例4如图9所示，与实施例1和2不同之处在于，分支节的支路92与主路91的连接方式不同。支路92的轴线垂直于主通路91的宽边911，并且支路92的电场方向921与主通路的轴线912。

以上仅是本实用新型的具体应用范例，对本实用新型的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本实用新型权利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于波导传输结构的任意路功率分配器，包括N-1个结构相似的分支节，其中N≥2，为分配的路数；所述分支节由一段主通路波导和与之连接的分支波导组成，该主通路波导的一个端口作为输入，则另一个端口作为主路输出，分支波导的端口作为分配输出，其特征在于：N-1个分支节的主通路首尾依次串接形成一个传输结构，每个分支节的分支波导作为分配输出；第1个分支节的输入为分配器总的输入端口，第N-1个分支节的主路输出最为第N路的分配输出；

所述分支节的支路波导包括与一段输出波导和一段阻抗变换波导，所述输出波导的一端作为分配输出口，另一端与所述阻抗变换波导的一端连接，该阻抗变换波导的另一端最终与所述分支节主通路汇接，波导内部空间连通；所述阻抗变换波导与所述输出波导具有不同的截面尺寸；

所述分支节的主通路波导，包括一个或多个安装在波导内的金属体，用于主通路的调谐。

2.如权利要求1所述的基于波导传输结构的任意路功率分配器，其特征在于：所述分支节采用T型结构，所述主通路波导位于横向，所述支路波导为纵向，二者的轴线相互垂直。

3.如权利要求1所述的基于波导传输结构的任意路功率分配器，其特征在于：所述分支节的主通路波导和支路波导均采用矩形波导，传输模式选用TE10模。

4.如权利要求3所述的基于波导传输结构的任意路功率分配器，其特征在于：支路波导连接在主通路波导的宽边上，且支路波导的电场方向垂直于主通路波导的轴线方向。

5.如权利要求3所述的基于波导传输结构的任意路功率分配器，其特征在于：支路波导连接在主通路波导的窄边上，且支路波导的电场方向平行于主通路波导的电场方向。

6.如权利要求3所述的基于波导传输结构的任意路功率分配器，其特征在于：支路波导连接在主通路波导的宽边上，且支路波导的电场方向平行于主通路波导的轴线方向。

7.如权利要求3或4或5或6所述的基于波导传输结构的任意路功率分配器，其特征在于：所述分支节支路的阻抗变换波导，其高度与所述支路的输出波导不同，根据该分支节的输入到分配输出的插入损耗来调整。

8.如权利要求7所述的基于波导传输结构的任意路功率分配器，其特征在于：所述用于主通路调谐的金属体可以是一端与所述主通路波导壁连接、另一端探入主通路波导内部的圆柱体；也可以是表面垂直于所述主通路波导轴线，从主通路波导壁伸入波导内部的膜片，所述膜片遮挡住部分主通路波导的截面。

9.如权利要求8所述的基于波导传输结构的任意路功率分配器，其特征在于：在第N-1个分支节后再级联第N个分支节，第N个分支节的输入端口与第N-1个分支节的主路输出端口连接，第N个分支节的主路输出端口短路，第N个分支节的支路输出最为第N路的分配输出端口。