CN208797151U - 一种紧凑结构的微波和差器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种紧凑结构的微波和差器，包括弯折了差端口的α魔T、β魔T、γ魔T和δ魔T；所述的α魔T和β魔T的和端口分别接γ魔T的第一输入端口(1)和第二输入端口；所述的α魔T和β魔T的差端口分别接δ魔T的第一输入端口和第二输入端口。本实用新型将传统的波导魔T的E面(差端口)分支弯折，即将差端口分支的方向转为H面方向，形成紧凑型结构。
Description
技术领域
本实用新型涉及微波和差器领域，特别涉及一种紧凑结构的微波和差器。
背景技术
微波和差器也称和差网络单元是雷达射频系统前端的重要组成部分，在脉冲多普勒雷达、电子对抗设备以及制导武器系统中有着广泛的应用。基本的和差网络单元称为魔T，为四端口器件，其中两个端口为输入端口，第三端口为和端口，第四端口为差端口，顾名思义两输入端口的同相信号相加后从和端口输出，两输入端口反相分量从差端口输出，两输入端口互相隔离，同时和端口和差端口也互相隔离。由于微波无源器件的互易性，当信号从和端口输入时，等幅端口输出同相等幅度微波信号，无损情况下每个等幅端口输出功率为输入功率的一半，没有功率在差端口输出；当信号从差端口输入时，等幅端口输出反相等幅度微波信号，无损情况下每个等幅端口输出功率也为输入功率的一半，没有功率在和端口输出，即魔T根据不同接线方法可以用作同相功分器或反向功分器。由多个魔T可以构成更复杂的和差网络，典型的四个魔T可构成四路信号的和差网络，可以形成四路输入信号的和信号、俯仰差信号和方位差信号，在雷达比相测角中应用广泛。
魔T的实现方法主要有波导魔T和微带180度电桥(平面魔T)两种实现方法。波导魔T具有较大的功率容量和较小的损耗，常用作高效率的功率合成，也应用在天线馈线前端形成天线差波束。微带180度电桥具有二维结构，易于平面微波电路集成，常使用在平衡放大器、移相器、混频器中。
文献【1】(Z.X.Wang and W.B.Dou.A DESIGN OF MAGIC TEE WITH COPLANARARMS.International Journal of Infrared and Millimeter Waves,Vol.25,No.6,June2004:939-958)介绍了一种3dB波导宽边耦合器配合介质加载移相器实现的波导魔T结构，该结构的四个波导分支均在同一方向，方便于系统组装，其频带覆盖88～100GHz，和差端口隔离达15dBc以上。文献【2】(Chai Wenwen,Zhang Xiaojuan.A COMPACT PLANAR ULTRA-BROADBAND SUM-AND-DIFFERENCENETWORK.JOURNAL OF ELECTRONICS(CHINA),2008,25(6):803-807)提出了一种基于共面波导的平面宽带和差网络，其和差器基本结构由宽带功分器和宽带巴伦构成，频带覆盖6.2～14GHz，由四个和差器构成的完全和差网络的插损小于1.8dB，各差端口的零深小于-20dB。文献【3】(Minggang Liu and ZhengheFeng.A NOVELHYBRID PLANAR SIW MAGICTEE AND MONOPULSE ANTENNA.MICROWAVE AND OPTICALTECHNOLOGY LETTERS,2010,52(3):686-689)介绍了一种基于介质波导结构的平面和差器，其频带覆盖5.3～5.9GHz，插损0.5～1.5dB，和差端口隔离好于-30dB，其结构紧凑，容易应用于单脉冲微带天线集成设计。文献【4】(Ruizhen Wang,Guangjun Wen,Yuanhua.Sun,XiaolinXue and Jun Luo.A Novel Low Profile High Power Ka-Band PlanarSum andDifference Network.3rd Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation,2014,537-539)介绍了一种Ka波段单脉冲雷达和差器设计，该和差器采用非标准波导实现，将E分支弯折形成低剖面结构，其带宽达2GHz，回波损耗好于-10dB。文献【5】(俞忠武,王光明,俞志英.一种新型宽带平面和差网络.微波学报，2011,27(2)：63-67)提出了一种基于环形电桥结构的宽带平面和差网络，其基本结构基于宽带微带-槽线转换的环形电桥和差器，采用四个环形电桥和差器形成完整的和差网络。在4.05～7.425GHz频率范围内，八个端口的驻波均小于2，输入端口之间的隔离度均在20dB以上，输出端口之间的隔离度大于30dB，和端口的插入损耗小于0.5dB，差端口的零值深度小于-30dB。
总之，目前传统的微波和差器具有如下不足：
传统的波导魔T结构立体结构体积大，各个端口分布于各个不同方向，难以与平面微波电路集成；
传统的波导魔T加工工艺复杂，需多个零件拼接，由于存在加工和组装公差，性能难以保证；
由于传统的波导输出端口出线方向不同，由多个魔T合成的完全和差网络实现复杂，各路信号幅度和相位难以保证；
基于环形电桥的平面魔T插损较大，电路板和机械结构制造公差的影响，端口幅度平衡性和相位平衡性难以保证，不适合用于高精度的射频前端。
传统的和差器具有上述的不足，是由于：
传统的波导魔T各个端口分布于各个不同方向，导致其加工难度大，工艺上往往需要分解为多个零件独立加工再拼接，这导致其体积大，形状异形，难以与平面微波电路集成。
由于传统的波导输出端口出线方向不同，由多个魔T合成的完全和差网络实现复杂，需要合理摆放各个魔T，还需要为各个端口连接严格电长度的同轴电缆，因此各路信号幅度和相位难以保证，随着使用环境的变化，由于机械零件间位置错动导致各路信号幅度和相位变化会导致系统性能偏移。
由于电路板基材损耗以及金属印制铜皮的损耗，基于环形电桥的平面魔T插损较大，用于射频前端将导致系统噪声系数增大；同时由于电路板和机械结构制造公差的影响，端口幅度不平衡性和相位不平衡性难以保证，不适合用于高精度的射频前端。
实用新型内容
针对现存技术存在的不足之处，本实用新型一种紧凑型微波和差器。
本实用新型实现其技术目的技术方案是：一种紧凑型微波和差器，其特征在于：包括弯折了差端口的α魔T、β魔T、γ魔T和δ魔T；所述的α魔T和β魔T的和端口分别接γ魔T的第一输入端口和第二输入端口；所述的α魔T和β魔T的差端口分别接δ魔T的第一输入端口和第二输入端口。
本实用新型将传统的波导魔T的E面(差端口)分支弯折，即将差端口分支的方向转为H面方向，形成紧凑型结构。
进一步的，上述的紧凑型微波和差器中：所述的弯折了差端口的α魔T、β魔T、γ魔T和δ魔T中，在弯折了差端口的差端口耦合窗内设置有匹配调谐圆柱，所述的匹配调谐圆柱与差端口短路面垂直。
以下将结合附图和实施例，对本实用新型进行较为详细的说明。
附图说明
图1为波导魔T结构图，其中a为普通波导魔T，b为紧凑型波导魔T。
图2为本实用新型实施例1用于单脉冲雷达天线中的完全和差器结构原理图。
图3为本实用新型实施例1使用的E面弯折后的魔T结构图，a为立体图，b为平面图。
图4为本实用新型实施例1完全和差器正面结构图。
图5为本实用新型实施例1完全和差器正面三维结构图。
图6为本实用新型实施例1完全和差器背面结构图。
图7为本实用新型实施例1完全和差器背面三维结构图。
图8为本实用新型实施例1波导同轴转换结构图。
图9为本实用新型实施例1完全和差器底盖板结构图。
图10为本实用新型实施例1完全和差器上盖板结构图。
图11为本实用新型实施例1完全和差器的整体结构图。
图12为本实用新型实施例1完全和差器的对外接口示意图。
图13为本实用新型实施例1完全和差器的典型的端口S参数。
具体实施方式
本实施例是一种用于单脉冲雷达天线中的完全和差器，它是一种紧凑型微波和差器。
如图1a图所示为波导魔T的结构图，其中端口1、2为输入端口，3端口(H面分支)为和端口，即端口1和2输入射频信号的同相成分叠加后从和端口输出，4端口(E面分支)为差端口，即端口1和2输入射频信号的反相成分叠加后从差端口输出。端口匹配良好的魔T各个端口驻波在1.2以下，1、2端口隔离度大于20dB，3、4端口隔离度大于30dB。b图所示将差端口(E面分支波导)弯折即可以将各路波导端口平行设置，形成结构紧凑的设计方案,具有弯折后的差端口5。
为保证各个端口都具有良好的匹配，同时满足1、2端口以及3、4端口间的隔离要求，如图3所示，需对匹配调谐圆柱6的位置、直径和高度以及耦合窗7的开窗大小、差端口短路面8的位置进行精细设计。结构加工分别在铝材的两面分别加工波导腔，波导间的耦合窗也可通过铣刀切削加工完成，波导腔上下分别加金属盖板即可以形成波导传输通道，匹配调谐圆柱可单独加工，通过铆接或螺钉安装于上下盖板。
由4个魔T可以组成应用于单脉冲雷达天线中的完全和差网络，如图2所示，四个魔T分别是α魔T150、β魔T160、γ魔T170和δ魔T180。单脉冲雷达天线由4副子阵构成(分别为A、B、C、D)，由完全和差网络即可生成4副子阵接收信号的和信号(即A+B+C+D)、方位差信号(即A-B+C-D)以及俯仰差信号(即A+B-C-D)。雷达根据信号的方位差和俯仰差即可以探测目标的方位角和俯仰角，结合距离信息即可以确定目标所在三维坐标。
如图2采用四个魔T即可实现四路输入的完全和差网络，采用紧凑波导结构的魔T其正面如图4所示，其中150为α魔T所在位置，160为β魔T所在位置，170为γ魔T所在位置，180为δ魔T所在位置。输入端口A和B形成的和支路为151，输入端口C和D形成的和支路为161，接下来151和161的和支路为171，即A+B+C+D。魔T其背面如图6所示，输入端口A和B形成的差支路为152，输入端口C和D形成的差支路为162，接下来152和162的和支路为181，即A-B+C-D，为方位差输出；152和162的差支路为182，即A-B-C+D，此输出应外接匹配负载。图4中的151和161的差支路为172如图6所示，即A+B-C-D，为俯仰差输出。
各个波导端口经波导同轴转换变为同轴结构，如图8所示，波导同轴转换匹配圆柱底部为螺纹杆，旋入波导腔体结构来紧固，匹配圆柱侧面开有圆孔，与SMA的同轴芯焊接或压接。
完全和差网络的底盖板和上盖板分别如图9和图10所示，其中21和31均为紧凑波导魔T的匹配调谐圆柱，该圆柱单独加工，可通过铆接或螺钉安装于上下盖板；19是减重槽。
完全和差器的整体结构和对外接口如图11和图12所示。完全和差器的典型S参数曲线如图13所示。其输入端口的输入回波损耗(曲线c)在10.4～10.95GHz带内小于-20dB，插损小于0.32dB，输入端口间的隔离达25dBc，如曲线e,和差端口间的隔离好于54dB如曲线f。
本实用新型采用的完全和差网络结构完全对称，可严格保证各路信号的幅度一致性和相位一致性，严格的幅度一致性和相位一致性可确保和差通道具有极高的隔离度，而高的和差端口隔离度有利于提高雷达测角分辨力。本实用新型采用波导结构，由此设计的完全和差网络具有插损小等优点，适合应用于射频前端。
Claims (2)
1.一种紧凑结构的微波和差器，其特征在于：包括弯折了差端口的α魔T(150)、β魔T(160)、γ魔T(170)和δ魔T(180)；所述的α魔T(150)和β魔T(160)的和端口(3)分别接γ魔T(170)的第一输入端口(1)和第二输入端口(2)；所述的α魔T(150)和β魔T(160)的差端口(4)分别接δ魔T(180)的第一输入端口(1)和第二输入端口(2)。
2.根据权利要求1所述的紧凑结构的微波和差器，其特征在于：所述的弯折了差端口的α魔T(150)、β魔T(160)、γ魔T(170)和δ魔T(180)中，在弯折了差端口(4)的差端口耦合窗(7)内设置有匹配调谐圆柱(6)，所述的匹配调谐圆柱(6)与差端口短路面(8)垂直。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN113517524A (zh) * | 2021-05-01 | 2021-10-19 | 厦门大学 | 一种基于对称馈电的e面波导十字型功分器 |
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2018
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