小型化五埠功分網絡的製作方法

2023-06-15 03:42:31 2

專利名稱：小型化五埠功分網絡的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種功分器，具體地說，是涉及一種寬帶五埠功分器。
背景技術：
功分器是現代微波通信和軍事電子系統中的一種通用原件。波導功分器由於其功率容量高、插入損耗低等特點，應用十分廣泛。二路波導功分器既可以單獨使用，也可以通過串接構成多路功分網絡，用於相控陣雷達、天線陣以及功率合成等領域。已有的二路波導功分器主要包括E-面T型分支，H-面T型分支，波導魔T，H-面波導裂縫電橋等。其中前兩種器件由於兩個輸出端之間隔離度低，任意一個輸出埠的失配都會嚴重影響功率分配的幅度和相位精度。波導魔T的輸出埠之間有很好的隔離，而且兩個輸出埠之間的相位相同，但其四個波導的軸線方向分別指向三個互相垂直的方向，成複雜的三維立體結構，加工難，成本高，而且器件在長寬高三個方面都比較大，不利於器件的小型化。特別是波導魔T不適合作為單元串接構成多路功分網絡。H-面波導裂縫電橋的輸入輸出波導的軸線位於同一平面內，由此可以串接構成所有波導軸線位於同一平面的多路功分網絡。這種功分網絡可以分為底座和蓋板，分別利用傳統的數控銑切技術一次性方便地加工，加工精度大大提高，加工成本大大降低。但是，已有的H-面波導裂縫電橋的兩個輸出埠之間存在固有的90度相位差。在要求同相位輸出的情況下，特別是在串接構成多路功分網絡時，需要對各級功分器輸出埠的相位之間進行寬帶補償。特別是在多路功分網絡小型化設計時，相位補償電路會使器件體積和設計難度大大提高。

實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種寬帶小型化五埠功分網絡。為了實現上述目的，本實用新型採用的技術方案如下:小型化五埠功分網絡，包括耦合腔，還包括與耦合腔連通的輸入埠、隔離埠 A、隔離埠 B、輸出埠 A和輸出端Π B。耦合腔在水平面上的投影在某一方向的尺寸小於或等於該小型化五埠功分網絡的最高工作頻率對應的自由空間波長的四分之三，輸出埠 A和輸出埠 B在水平面上的投影分別在輸入端在水平面上的投影的左邊和右邊；隔離埠 A、隔離埠 B在水平面上的投影分別在輸入端在水平面上的投影的左邊和右邊，輸入埠、隔離埠 A、隔離埠B、輸出埠 A和輸出埠 B的線方向與水平面之間的夾角小於30度。上述水平面是指耦合腔的上底面或平行於耦合腔上底面的水平面；垂直方向是指垂直於水平面的方向。某一方向是指垂直於水平面的方向或垂直於輸入端法線方向且平行於水平面的方向。隔離埠 A位於輸出埠 A和輸入埠之間，隔離埠 B位於輸出埠 B和輸入埠之間，輸出埠 A和輸出埠 B相鄰；位於輸出埠 A和輸出埠 B之間的耦合腔內壁設置有凸起方向指向耦合腔內的匹配體。[0008]所述耦合腔為單連通空腔結構，即該耦合腔內部的任何封閉曲線都可以在該耦合腔內連續收斂到一個點。單連通空腔結構即單連通區域，單連通區域是數學的基本概念之一。設D是平面區域，如果D內任一閉曲線所圍的部分都屬於D，則稱D為平面單連通區域。耦合腔為平面單連通區域構成的一個空腔。所述的輸入埠、輸出埠 A、輸出埠 A、隔離埠 A、隔離埠 B為空波導或脊波導或帶線或同軸結構。在所述耦合腔的左內壁和右內壁設置有凸臺A或凹陷A，且凸臺A的凸起方向指向耦合腔內部，凹陷A的開口方向指向耦合腔內部；所述耦合腔為左右對稱形狀，耦合腔左內壁和右內壁設置的凸臺A或凹陷A相對於耦合腔左右對稱排布。所述耦合腔上內壁或\和下內壁設置有至少一個調節耦合用的耦合體，上內壁和下內壁均為耦合腔互相對立的兩個對立面；耦合體為凹槽B或凸臺B;所述凹槽B的開口方向指向I禹合腔內部，所述凸臺B的凸起方向指向I禹合腔內部。在隔離埠 B、隔離埠 C的上內壁或\和下內壁設置有至少一個調節耦合用的金屬體。耦合腔內與輸入端相對的耦合腔內壁上設置有匹配體，匹配體只在上端或/和下端或/和側面與耦合腔內壁連接，在隔離埠 B、隔離埠 C的上內壁或\和下內壁設置有至少一個金屬體。所述輸入埠的橫截面、隔離埠 A的橫截面、隔離埠 B的橫截面、輸出埠 A的橫截面、輸出埠 B的橫截面均為矩形。輸入埠為左右對稱形狀，所述輸入埠的前後向軸線與耦合腔前後向軸線重合；隔離埠 A和隔離埠 B相對於輸入埠的法線左右對稱排布，輸出埠 A和輸出埠B相對於輸入埠法線左右對稱排布；耦合腔以輸入埠的前後向軸線為對稱軸呈左右對稱結構。所述耦合腔，輸入埠，輸出埠 A、輸出埠 B、隔離埠 A、隔離埠 B、匹配體、金屬體、凸臺A、凹陷A、凹槽B和金屬凸臺B相對於輸入端的法線方向呈左右鏡像對稱排布所述輸入埠的上表面、隔離埠 A的上表面、隔離埠 B的上表面以及輸出埠A的上表面、輸出埠 B的上表面均與稱合腔的上表面齊平。具體實現時，本實用新型設計的小型化五埠功分網絡，包括耦合腔，與耦合腔連通的輸入埠、隔離埠 A、隔離埠 B與輸出埠 A、輸出埠 B ;所述輸入埠位於耦合腔的前端面，輸出埠 A位於耦合腔的後端面或左端面，輸出埠 B位於耦合腔的後端面或右端面，隔離埠 B位於耦合腔的前端面或左端面，隔離埠 C位於耦合腔的前端面或右端面，前端面和後端面均為耦合腔互相對立的兩個對立面，左端面和右端面也均為耦合腔互相對立的兩個對立面。在所述耦合腔的左內壁和右內壁設置有凸臺A或凹槽A，且凸臺A的凸起方向指向耦合腔內部，凹槽A的開口方向指向耦合腔內部。所述凸臺A或凹槽A相對於輸入埠的法線呈左右對稱排布。所述耦合腔的後端面設置有一個調節阻抗匹配用的匹配體，匹配體的形狀可以是任意的形狀。一般匹配體在耦合腔上端面的投影形狀為三角形或矩形。所述隔離埠 B和隔離埠 C設置有至少一個調節耦合用的偶合體，耦合體為金屬體，金屬體凸起方向指向隔離埠的內部。[0022]為了方便加工生產，優先將所述輸入埠的橫截面、隔離埠 A的橫截面、隔離埠 B的橫截面、輸出埠 A的橫截面、輸出埠 B的橫截面設計為矩形。輸入埠、隔離埠 A、隔離埠 B、輸出埠 A、輸出埠 B上均設置有過渡段。為了方便設計計算，耦合腔以矩形體結構為佳，輸入埠的橫截面、隔離埠 A的橫截面、隔離埠 B的橫截面、輸出埠 A的橫截面、輸出埠 B的橫截面均以矩形為佳。對於給定的設計指標，包括反射係數，隔離度，總插入損耗等，為了獲得更寬的工作帶寬，耦合腔的寬度沿輸入埠的前後向軸線可以按照一定規律變化，即在所述耦合腔的左內壁和右內壁設置有凸臺A或凹陷A，且凸臺A的凸起方向指向耦合腔內部，凹陷A的開口方向指向I禹合腔內部，述凸臺A或凹陷A相對於I禹合腔左右對稱排布。這樣設置可獲得更寬的工作帶寬。為了進一步展寬該小型化五埠功分網絡的工作帶寬，耦合腔內部設置有一個或多個凹槽B或凸臺B，而且所有的凹槽B和凸臺B以輸入埠的前後向軸線成左右對稱分布。為了改善該小型化五埠功分網絡的各埠的匹配，輸入埠、隔離埠 A、隔離埠 B與輸出埠 A、輸出埠 B上均設置有過渡段。過渡段的寬度為變化的、也可以為寬度固定不變的。為了便於採用普通的銑切加工，所有結構，包括耦合腔以及所述輸入輸出埠的上表面位於同一個平面內，即所述輸入埠的上表面、隔離埠 A的上表面、隔離埠 B的上表面以及隔輸出埠 A的上表面、輸出埠 B的上表面均與耦合腔的上表面齊平。本實用新型可以採用非對稱結構，也可以採用對稱結構。採用對稱結構時構成的等幅等相功分器的最大特點是兩個輸出端之間的理論相位差和幅度差為零，遠遠小於普遍採用的H-面波導裂縫電橋的相位差，即輸出埠 A、輸出埠 B之間的相位差遠遠小於普遍採用的H-面波導裂縫電橋的相位差。不對稱結構時理論相位差可以比H-面波導裂縫電橋的90度相位差小，使相位補償容易、帶寬更寬。兩輸出埠的隔離度遠遠優於普遍採用的T型結、Y型結功分器。由於H-面波導裂縫電橋的兩個輸出埠與輸入端之間位置上的明顯差異，其兩個輸出端的相位差在整個工作頻帶內都在90度左右。在波導功分器中，我們常常需要功分器的兩個輸出端之間相位差在整個工作頻帶內小於一定值，比如3度或5度。為了滿足這個等相位要求，最常用的方法是在H-面波導裂縫電橋的兩個輸出端連接波導相位補償電路。該補償電路存在工作帶寬窄和增大功分器體積的問題。特別是在採用多級H-面波導裂縫電橋構成多路功分網絡時，上述問題更加嚴重。採用的T型結、Y型結功分器兩輸出埠的幾乎沒有隔離，從而會導致量輸出埠之間相互影響。本實用新型的功分器，輸出埠 A、輸出埠 B相對於輸入埠對稱性好，保證了輸出埠 A、輸出埠 B的功率和相位完全相同。又由於隔離埠 A和隔離埠 B的存在，從而保證了兩輸出埠的隔離度非常高。因此，本實用新型提供的小型化五埠功分網絡的輸出埠 A、輸出埠 B相位可以做到完全相同，輸出埠 A、輸出埠 B之間具有20dB以的良好隔離，可以作為單個功分器使用，特別是可以串接構成多路功分網絡使用。器件在性能、工作帶寬和體積方面具有明顯優勢。本實用新型的工作原理可以在對稱型矩形耦合腔和矩形輸入輸出波導的情況下簡述如下。橫截面為矩形的輸入埠在矩形體結構的耦合腔中主要激勵起兩個波導工作模式，即TElO模式和TE30模式。該兩個模式的波都將沿輸入波導軸線方向傳播。由於該兩個模式的波導波長不同，在I禹合腔的另一端，輸出埠 A和輸出埠 B從f禹合腔中f禹合出來的功率是分別從兩個工作模式TElO模式和TE30模式的波中耦合出來的功率的和。通過選取耦合腔的寬度和長度，以及輸入埠、隔離埠 B、隔離埠 C以及輸出埠 A、輸出埠 B的尺寸和位置，可以使輸出埠 A和輸出埠 B處反射很小。這時，基本上所有能量都從輸出埠 A和輸出埠 B耦合輸出。由於輸入埠激勵的兩個工作模式TElO模式和TE30在隔離埠 A、隔離埠 B處自然滿足反相相消，從隔離埠 A、隔離埠 B耦合出來的功率都很小，從而使隔離埠 A、隔離埠 B作為隔離端使用。為了進一步拓寬器件的工作帶寬，耦合腔的形狀，特別是寬度沿輸入埠的前後向軸線可以適當變化，還可以在耦合腔內增加凹陷A或凸臺A (金屬柱)。各輸入輸出端都可以增加一級或多級匹配段。耦合腔和輸入埠、隔離埠 A、隔離埠 B以及輸出埠 A、輸出埠 B的形狀為其它變形時，該小型化五埠功分網絡的工作原理也可以根據以上內容加以闡述和理解。本實用新型的兩個輸出埠的輸出功率和相位在比較寬的工作頻帶內相同，可以用作幅相一致性優良的波導功分器，特別適合串接構成多路功分網絡。本實用新型還具有結構簡單、體積小，加工難度低的特點。本實用新型可以廣泛用於天線陣、相控陣雷達和功率合成、飛彈制導、通信等軍事及民用領域。

圖1為本實用新型的俯視圖。圖2為實施實例I的俯視圖。圖3為實施實例I的計算結果曲線。圖4為實施實例2的俯視圖。附圖中標號對應名稱:1-輸入埠；2-隔離埠 A ;4_隔離埠 B，3_輸出埠A，5-輸出埠 B，6 -耦合腔，7 -匹配體，8-金屬體，10-過渡段，91-凸臺A ；92~凹陷A，11-凸臺B，12-凹槽B。圖中丨箭頭表示前方向，丨箭頭表示後方向，一箭頭表示左方向，一箭頭表示右方向。前後向軸線指由前方向指向後方向的軸直線。
具體實施方式
實施實例I如圖2所示，五埠 H型H面功分器，包括耦合腔6，I個輸入埠 I，輸出埠 A3、輸出埠 B5、隔離埠 A2和隔離埠 B4，耦合腔6在水平面上某一方向的尺寸小於或等於該五埠 H型H面功分器的最高工作頻率對應的自由空間波長的一半，輸出埠 A3和輸出埠 B5在水平面上的投影分別在輸入端在水平面上的投影的左邊和右邊；隔離埠 A2、隔離埠 B4在水平面上的投影分別在輸入端在水平面上的投影的左邊和右邊，輸入埠 1、隔離埠 A2、隔離埠 B4、輸出埠 A3和輸出埠 B5的線方向與水平面之間的夾角小於30度。具體的五埠 H型H面功分器，包括耦合腔6，I個輸入埠 1，輸出埠 A3、輸出埠 B5、隔離埠 A2和隔離埠 B4，耦合腔6在水平面上某一方向的尺寸小於或等於該五埠 H型H面功分器的最高工作頻率對應的自由空間波長的一半，輸入埠 1，輸出埠 A3、輸出埠 B5、隔離埠 A2和隔離埠 B4中至少3個埠中心處電場垂直分量大於水平分量。所述輸入埠 I位於耦合腔6的前端面，輸出埠 A3、輸出埠 B5位於耦合腔6的後端面，前端面和後端面均為耦合腔6互相對立的兩個對立面，隔離埠 A2和隔離埠B4分別位於輸入埠 I的兩側，輸出埠 A3、輸出埠 B5分別位於耦合腔6軸線的兩側。輸入埠 1、隔離埠 A2、隔離埠 B4與輸出埠 A3、輸出埠 B5上均設置有過渡段10。該小型化五埠功分網絡相對於輸入埠 I的法線為左右對稱結構。耦合腔6的基本形狀為矩形體結構，輸入埠 I的橫截面、隔離埠 A2的橫截面、隔離埠 B4的橫截面、輸出埠 A3的橫截面、輸出埠 A3、的橫截面輸出埠 B5的橫截面均為矩形。耦合腔6的寬度沿輸入端I的軸線共有2次變化。即在所述耦合腔6的左內壁和右內壁設置有凸臺A91，且凸臺A91的凸起方向指向耦合腔6內部。所述凸臺A91相對於耦合腔6的前後向軸線對稱排布。該小型化五埠功分網絡的所有結構的上表面位於同一個平面內，即所述輸入埠 I的上表面、隔離埠 A2的上表面、隔離埠 B4的上表面以及輸出埠 A3的上表面、輸出埠 B5的上表面均與耦合腔6的上表面齊平。如圖3所示，其中圖3中的Sll表示輸入埠 I的反射係數，S21表示輸入埠 I至隔離埠 A2的傳輸係數，S21表示輸入埠 I至隔離埠 B4的傳輸係數，S31表示為輸入埠 I至輸出埠 A3的傳輸係數，S51表示為輸入埠 I至輸出埠 B5的傳輸係數，S53表示輸出埠 B5和輸出埠 A3的隔離係數。根據實施實例I的結構計算得到的該五埠 H型H面功分器的S參數從中可以看出，在6.57到IOGHz的工作帶寬內，輸入埠 I的反射係數優於14dB，輸出埠 A3和輸出埠 B5之間的隔離度均高於13dB。隔離埠 A2和隔離埠 B4的傳輸係數均低於13dB，而輸出埠 A3的S參數高於-3.6dB。考慮到該功分器為左右對稱結構，其它埠的S參數容易得到。因此，該實施實例提供了一隻覆蓋波導全帶寬的，插損低於0.6dB，隔離好於13dB的等幅同相波導功分器。其性能均優於傳統的功分器。實施實例2如圖4.與實施實例I的區別僅在於，輸出埠 A3、隔離埠 A2和輸出埠 B5、隔離埠 B4分別位於耦合腔6的左端面和右端面，耦合腔6內相對於輸入端I的耦合腔6內壁上設置有匹配體，匹配體為一矩形體。上述僅為舉例。實際生產中，耦合腔6的側面既可以為一根或多根直線段，也可以為光滑曲線，構成俯視方向的矩形、梯形或其他更複雜的圖型。各輸入輸出埠既可以為簡單的矩形波導，也可以軸線彎曲的各種形狀的其他形狀。基於上述結構即可實現本實用新型。
權利要求1.小型化五埠功分網絡，包括耦合腔(6)，其特徵在於，還包括與耦合腔(6)連通的輸入埠(I)、隔離埠 A (2)、隔離埠 B (4)、輸出埠 A (3)和輸出埠 B (5)。
2.根據權利要求1所述的小型化五埠功分網絡，其特徵在於，耦合腔(6)在水平面上的投影在某一方向的尺寸小於或等於該小型化五埠功分網絡的最高工作頻率對應的自由空間波長的四分之三，輸出埠 A (3)和輸出埠 B (5)在水平面上的投影分別在輸入端在水平面上的投影的左邊和右邊；隔離埠 A (2)、隔離埠 B (4)在水平面上的投影分別在輸入端在水平面上的投影的左邊和右邊，輸入埠(I)、隔離埠 A (2)、隔離埠 B(4)、輸出埠 A (3)和輸出埠 B (5)的線方向與水平面之間的夾角小於30度。
3.根據權利要求2所述的小型化五埠功分網絡，其特徵在於，所述耦合腔(6)為單連通空腔結構，即該耦合腔(6)內部的任何封閉曲線都可以在該耦合腔(6)內連續收斂到一個點。
4.根據權利要求2所述的小型化五埠功分網絡，其特徵在於，在所述耦合腔(6)的左內壁和右內壁設置有凸臺A (91)或凹陷A (92)，且凸臺(91)的凸起方向指向耦合腔(6)內部，凹陷A (92)的開口方向指向耦合腔(6)內部。
5.根據權利要求2所述的小型化五埠功分網絡，其特徵在於，所述耦合腔(6)上內壁或\和下內壁設置有至少一個調節耦合用的耦合體，上內壁和下內壁均為耦合腔(6)互相對立的兩個對立面；耦合體為凹槽B (12)或金屬凸臺B (11);所述凹槽B (12)的開口方向指向耦合腔(6)內部，所述金屬凸臺B (11)的凸起方向指向耦合腔(6)內部。
6.根據權利要求5所述的小型化五埠功分網絡，其特徵在於，耦合腔(6)內與輸入端(I)相對的耦合腔(6)內壁上設置有匹配體(7)，匹配體(7)只在上端或/和下端或/和側面與耦合腔內壁連接，在隔離埠 B(2)、隔離埠 C(4)的上內壁或\和下內壁設置有至少一個金屬體(8)。
7.根據權利要求1-6中任意一項所述的小型化五埠功分網絡，其特徵在於，所述的輸入埠(I)、輸出埠 A (3)、輸出埠 A (3)、隔離埠 A (2)、隔離埠 B (4)為空波導或脊波導或帶線或同軸結構。
8.根據權利要求1-6中任意一項所述的小型化五埠功分網絡，其特徵在於，所述輸入埠(I)的橫截面、隔離埠 A (2)的橫截面、隔離埠 B (4)的橫截面、輸出埠 A (3)的橫截面、輸出埠 B (5)的橫截面均為矩形。
9.根據權利要求6所述的小型化五埠功分網絡，其特徵在於，所述耦合腔(6)，輸入埠(1)，輸出埠 A (3)、輸出埠 B (5)、隔離埠 A (2)、隔離埠 B (4)、匹配體(7)、金屬體(8)、凸臺A (91)、凹陷A (92)、凹槽B (12)和金屬凸臺B (11)相對於輸入端的法線方向呈左右鏡像對稱排布。
10.根據權利要求1-6中任意一項所述的小型化五埠功分網絡，其特徵在於，所述輸入埠(I)的上表面、隔離埠 A (2)的上表面、隔離埠 B (4)的上表面以及輸出埠 A(3)的上表面、輸出埠 B (5)的上表面均與耦合腔(6)的上表面齊平。
專利摘要本實用新型公開了一種小型化五埠功分網絡，包括耦合腔，還包括與耦合腔連通的輸入埠、隔離埠B、隔離埠C與輸出埠A、輸出埠B。本實用新型可以實現覆蓋波導全帶寬的等幅等相的功分器。多隻該功分器串接構成大規模網絡時，主要結構可以分為對成型和非對稱性，採用對稱結構時構成的等幅等相功分器的最大特點是兩個輸出端之間的理論相位差和幅度差為零，遠遠小於普遍採用的H-面波導裂縫電橋的相位差。
文檔編號H01P5/16GK203071208SQ20132005494
公開日2013年7月17日 申請日期2013年1月31日 優先權日2013年1月31日
發明者王清源, 譚宜成, 丁金義 申請人:成都賽納賽德科技有限公司