超紧凑高隔离度低反射波导魔T的制作方法

本发明涉及微波无源器件技术领域，特别是一种波导魔T。

背景技术：

传统的高功率微波一般是通过电真空器件来产生，但随着有源器件输出功率的不断提高，通过大量的有源器件进行组阵，后再通过大规模天线阵列进行辐射进而产生与传统电真空器件辐射相比拟的等效辐射功率。

为了在等效辐射功率不变的情况下尽量减少有源相控阵天线的单元数量，需要在有限截面尺寸内对多个有源器件进行功率合成，为了保证有源器件的失效性能，增加系统的稳定性同时保证合成效率，需要合成器输入端口间具有高隔离度，各端口需要具有良好的驻波性能，同时需要有较高的合成效率，所有功能需要在有限截面内实现。

目前微波领域主要合成器包括二进制功率合成器、波导行波功率合成器、波导径向功率分配合成器和波导空间功率合成器等。其中基于电阻隔膜的二进制功率合成器不满足kW级功率容量要求，基于现有的常规波导魔T结构的合成器大都不满足横截面尺寸要求，波导行波功率合成器合成端口间隔离度与回波损耗也无法满足要求，波导径向功率分配合成器无法满足其超紧凑的体积要求和高隔离度低反射要求，空间功率合成技术用于微波频段尺寸较高。常规的依托于介质的平面传输线对于实现kW级功率容量有较大难度，因此现有的微波功率合成技术大都不满足kW级功率容量和低插损高隔离度以及尺寸体积要求。本专利中我们设计了一个新型紧凑波导魔T，用来实现有限截面内的功率合成。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种超紧凑高隔离度低反射波导魔T，有效减小波导魔T的体积，同时在较宽的带宽范围内实现各端口的低回波损耗(<-20dB)和输入端口间、和差端口间的高隔离度(>20dB)，使得波导魔T能够在对体积尺寸有更严格要求的场合得以应用。

本发明的技术解决方案是：

一种超紧凑高隔离度低反射波导魔T，包括耦合矩形波导、两个输入端口、差端口、和端口，其特别之处在于：

还包括两个同轴-矩形波导匹配单元；

上述两个输入端口为同轴波导；上述差端口为E面输出矩形波导；上述和端口为H面输出矩形波导；

上述两个输入同轴波导与耦合矩形波导的端面相接，且在H面输出矩形波导的H面中心线上沿E面对称分布；

上述E面输出矩形波导与耦合矩形波导宽边E面耦合连接，且位于耦合矩形波导宽边上在平面的中心处；

上述H面输出矩形波导与耦合矩形波导连接且截面尺寸相同；

上述两个同轴-矩形波导匹配单元设置在耦合矩形波导内，且关于耦合矩形波导中心E面对称分布，且分别与输入同轴波导的内导体连接。

上述同轴-矩形波导匹配单元包括依次连接的一个底部匹配矩形金属块、至少一个中部匹配矩形金属块、一个顶部匹配矩形金属块；

上述底部匹配矩形金属块的另一端面与输入同轴波导的内导体共轴连接，且底部匹配矩形金属块的侧面均与耦合矩形波导侧面平行；

上述至少一个中部匹配矩形金属块和上述顶部匹配矩形金属块均位于E面输出矩形波导对面，且紧贴耦合矩形波导宽边内侧。

两个半高直波导段内的上述至少一个中部匹配矩形金属块和上述顶部匹配矩形金属块均与半高直波导段的同一方位的侧面紧贴；

上述至少一个中部匹配矩形金属块和上述顶部匹配矩形金属块的宽度依次减小；

上述顶部匹配矩形金属块长度大于任一中部匹配矩形金属块的长度；

上述至少一个中部匹配矩形金属块和上述顶部匹配矩形金属块均设置在半高直波导段的中部且与之平行。

上述耦合矩形波导的宽边和窄边比例用于调节各端口的低回拨损耗以及和差端口间的高隔离度；上述两个输入同轴波导的间距用于调节同轴输入端口的低回波损耗；上述E面输出矩形波导截面尺寸以及其距离耦合矩形波导端面的距离用于调节E面矩形波导端口的低回波损耗和与H面矩形波导端口的高隔离度。

中部匹配矩形金属块的数量为两个。

超紧凑高隔离度低反射波导魔T的微波功率合成方法，包括以下几种模式：

1)等幅同相的TEM模式模式的微波信号进入两路输入同轴，在耦合波导段中能量叠加后在H面输出矩形波导中输出转换为等幅同相的TE₁₀模式的微波信号；

2)等幅反相的TEM模式模式的微波信号进入两路输入同轴，在耦合波导段中能量叠加后在E面输出矩形波导中输出转换为等幅反相的TE₁₀模式的微波信号；

3)和端口注入微波时，输入功率被均匀分配至两同轴波导中输出，差端口被隔离；

4)差端口注入微波时，输入微波被均匀分配至两同轴波导中输出，和端口被隔离。

本发明的有益效果：

1、本发明超紧凑高隔离度低反射波导魔T通过利用同轴波导作为输入端口，保证了魔T的结构紧凑性和宽带特性。

2、本发明通过多级阶梯匹配结构在耦合波导中将同轴TEM模式转换为TE₁₀模式，通过扩展宽边和压缩窄边的耦合矩形波导段实现了两路同相(反相)TEM模式的同相(反相)叠加并在H面和(E面差)端口中的输出。

3、本发明波导魔T结构紧凑，在较宽带宽范围内能实现好的隔离和回波特性，同时与传统介质传输线结构相比在功率容量和插入损耗方面有很大优势，因此在功率合成网络以及雷达发射接收端都有广泛的应用。

4、E、H面输出端口以及两同轴输入端口具有低的回波损耗，高隔离度，同时EH面输出端口和两同轴输入端口间均具有高隔离度。

5、各端口为同轴和波导形式，耦合和匹配结构为金属结构，保证了魔T具有较高的功率容量，同时通过同轴输入及相关匹配和模式转换结构有效的降低了魔T体积，使得其体积远远小于常规波导魔T。

附图说明

图1本发明超紧凑高隔离度低反射波导魔T的结构示意图；

图中：1、2-输入同轴波导，3-H面输出矩形波导，4-E面输出矩形波导，5、9-底层匹配金属块，6、7、10、11-中间层匹配金属块，8、12-顶层匹配金属块，13-耦合矩形波导。

图2是图1的仰视图。

图3是图1的侧视图。

图4是H面输出端口(和端口)注入功率1W波导魔T表面幅度场分布。

图5是E面输出端口(差端口)注入功率1W波导魔T表面幅度场分布。

图6是端口1(输入端口)注入功率1W波导魔T表面幅度场分布。

图7是图1所示的波导魔T各端口反射及隔离度S参数分布示意图。

图8是图1所示的波导魔T和端口功率分配S参数分布示意图。

图9是图1所示的波导魔T差端口功率分配S参数分布示意图。

图10是图1所示的波导魔T和端口差端口注入功率时，两同轴端口输出微波相位差。

具体实施方式

本发明超紧凑高隔离度低反射波导魔T，其结构组成为：一个耦合矩形波导13，两个与耦合矩形波导端面相接的输入同轴波导1和2、一个E面输出矩形波导4、一个H面输出矩形波导3，两个与在耦合矩形波导内与同轴输入波导内导体连接的长方体匹配金属块5和9，其后分别连接三个邻接匹配金属块6-8以及10-12，与同轴内导体连接的两组共八个匹配金属块关于耦合矩形波导中心E面对称分布。

耦合矩形波导特定的宽边和窄边比例用来实现各端口的低回波损耗以及和差端口间的高隔离度。

两个输入同轴波导位于波导H面中心线上沿E面对称分布，两同轴波导特定的间距用来实现同轴输入端口的低回波损耗。

E面输出矩形波导与耦合矩形波导宽边E面耦合连接，并位于耦合矩形波导宽边所在平面的中心处。E面输出矩形波导截面尺寸以及其距离耦合矩形波导端面的距离用来实现E面矩形波导的低回波损耗和与H面矩形波导端口的高隔离度。

H面输出矩形波导与耦合矩形波导连接且截面尺寸相同。

与两个同轴输入波导内导体连接的长方体金属块与同轴内导体共轴，且金属块两个侧面均与耦合矩形波导侧面平行。

三个邻接匹配金属块在耦合矩形波导内部，位于E面输出矩形波导对面和同轴内导体连接的长方体金属块相连，紧贴耦合矩形波导宽边内侧。

和同轴内导体依次连接的四个匹配金属块将两路输入同轴TEM模式转换为耦合矩形波导中的TE₁₀模式。

如果两路输入TEM模式等幅同相，则四个匹配金属块将输入TEM模式转换后的TE₁₀模式也等幅同相，等幅同相的TE₁₀模式在耦合波导段中能量叠加后在权利要求6的H面输出端口(和端口)中输出。

如果两路输入TEM模式等幅反相，权利要求9中的四个匹配金属块将输入TEM模式转换后的TE₁₀模式也等幅反相，等幅反相的TE₁₀模式在权利要求4中的E面输出端口(差端口)中输出。

E、H面输出端口以及两同轴输入端口具有低的回波损耗，高隔离度，同时EH面输出端口和两同轴输入端口间均具有高隔离度。

以7-11GHz为例，紧凑波导魔T的耦合矩形波导13的尺寸为28.58mm×5.08mm，两个与耦合矩形波导端面相接的输入同轴波导1和2的内外半径尺寸分别为2.05mm和0.65m，E面输出矩形波导4的截面尺寸为19.81mm×6.84mm，长度为5mm，4位于耦合矩形波导宽边侧面中心，且4的中心距离耦合矩形波导同轴输入端面距离为12.8mm。与同轴内导体共轴且表面与表面分别耦合矩形波导宽窄边平行的矩形匹配金属块5和9的尺寸为：3.19mm×2.17mm×3.18mm，与4相连的三个匹配金属块6和10，7和11，8和12在4的对面紧贴耦合矩形波导宽边内表面，其尺寸分别为：4.31mm×4.07mm×3.06mm,1.82mm×1.46mm×2.61mm,8.68mm×2.19mm×1.97mm。H面输出矩形波导3的尺寸为28.58mm×5.08mm。5-8和9-12关于耦合矩形波导中心E面对称分布。5-8以及9-12分别相对于同轴输入波导1和2沿耦合矩形波导窄边方向的对称面对称分布，且5-8和9-12对称面间距离为16.41mm，其结构如图1所示。

如图2所示，当和端口(H面输出矩形波导3)注入微波时，输入功率被均匀分配至两同轴波导中输出，差端口(E面输出矩形波导4)被隔离。如图3所示，当差端口注入微波时，输入微波被均匀分配至两同轴波导中输出，和端口被隔离。如图4所示，当输入同轴波导注入微波时，输入微波被均匀分配至和端口和差端口中。如图5-7所示，在7.9-10.5GHz频率范围内，该波导魔T和端口与差端口的回波损耗小于-20dB，隔离度大于20dB，两输入端口回波损耗小于-20dB，隔离度大于20dB。和端口和差端口输入功率时两个输入端口相位差分别为0°和180°，且功率分配系数均大于-3.03dB。

该波导魔T的三维尺寸为28.58mm×11mm×33mm，中心频率处其截面尺寸为：0.88λ×0.34λ，其尺寸远小于传统的波导魔T横截面尺寸。我们通过给和端口(差端口)超紧凑匹配负载可实现高隔离度小反射高效率紧凑两路反相(同相)合成后在差端口(和端口)输出。

同时它可以在28.3％(7.9-10.5GHz)的带宽范围内实现小于-20dB的端口回波损耗和大于20dB的隔离度。

本发明魔T的工作原理：

与输入同轴内导体连接的四个匹配金属块分别将两路输入同轴TEM模式转换为耦合矩形波导中的TE₁₀模式，当输入同轴波导中的TEM模式等幅同相时，两路输入TEM模式被转换为同相TE₁₀模式，因而微波在耦合矩形波导中合成后在H面输出端口中输出，E面输出矩形波导被隔离。当输入同轴波导中的TEM模式等幅反相时，两路输入TEM模式被转换为TE₁₀模式后具有180°相位差，因而微波在耦合矩形波导的E面输出端口中输出，H面输出矩形端口被隔离。因此两输入同轴波导在一定频段范围内(8-10GHz)具有较低的回波损耗(小于-20dB)，较高的隔离度(大于20dB)，E面和H面矩形波导端口同样有较低的回波损耗(小于-20dB)和较高的隔离度(大于20dB)。该魔T通过利用矩形波导耦合段及两组共8个匹配金属结构实现了两路TEM模式至TE₁₀模式的转换以及微波信号的和差输出，使用同轴输入端口在保证其具有较高功率容量和较宽带宽的基础上使得波导魔T的体积远小于传统波导魔T，使得波导魔T能够应用在一些对结构尺寸有严格要求的场合。该魔T可以用于雷达发射机的和差网络以及固态放大器的功率合成。