多阶梯复数阻抗匹配小型化功分器及其设计方法与流程

本发明属于信号传输微波器件，具体涉及一种多阶梯复数阻抗匹配小型化功分器及其设计方法。

背景技术：

功分器作为一种常用的信号传输微波器件在微波通讯、电子对抗和雷达等技术领域大量应用。如图1所示，当前腔体功分器主要采用圆腔结构,内导体采用标准的1/4波长阻抗变换方式,腔体主要由铝或铜合金加工而成。该结构最大的缺点是设计的阻抗变换器较长，以0.8ghz-2.5ghz的同轴功分器为例,标准的1/4波长阻抗变换的内导体长度达到172mm，导致功分器体积过大，增加了产品的成本和金属材料的损耗，不利于环境资源的节约利用。

专利阻抗变腔的短阶梯同轴功分器(公告日2009.12.9，公告号cn201360032y)公开了一种阻抗变腔的短阶梯同轴功分器，该功分器设置内导体为直棒，设置外部壳体为内侧壁为台阶式变径结构，以直棒式内导体的外周与外部壳体的台阶式变径内侧壁形成具有各阻抗变换节的阻抗变腔，每个阻抗变换节长度取中心频率对应波长的1/16。本实用新型由于采用内导体与外壳体内侧壁组合形成阻抗变腔，导致实际功分器的阻抗比内导体台阶式阻抗变换的阻抗大大增加；阻抗变换节节数过多，外壳体内侧壁较多的台阶式变径使外壳体的加工、检测难度增大；内侧壁与内导体的长度、位置关系配合程度要求高，灵活度不足。

因此急需一种结构简单，设计合理，方便加工制造、可大幅缩小尺寸、节约成本的功分器。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种多阶梯复数阻抗匹配小型化功分器及其设计方法，该功分器及其设计方法可大幅减少功分器的体积与重量，设计合理，加工方便，大大节约了功分器的生产成本和使用成本。

本发明提供了如下的技术方案：

一种多阶梯复数阻抗匹配小型化功分器，包括腔体和内导体，内导体安装在腔体内部，内导体包括若干节互相连接的直径阶梯式变化的阻抗变换节，每个阻抗变换节的长度取功分器中心频率对应的1/16λ。

优选的，有相连的阻抗变换节的直径相同。

优选的，阻抗变换节数量采用多阶梯阻抗匹配技术计算，具体计算步骤如下：

设功分器最小频率为θa，最大频率为θb，输入输出阻抗比为r，另外设中心频率为θm，主通带带宽为则

当r为2.0或3.0或4.0时，将θa，θb数值代入公式(1)和公式(2)，则计算出θm和根据通带分贝波纹需小于0.01，则代入r、θm和的数值，获得满足通带分贝波纹要求的n的值，将n作为阻抗变换节数量。

优选的，阻抗变换节数量为10个。

优选的，内导体采用一体压铸成型。

优选的，功分器包括输入接头和输出接头，输入接头和输出接头安装在腔体的两端，输入接头的数量为1个，输出接头的数量至少为2个。

优选的，腔体采用一体压铸成型，腔体与输入接头和输出接头一体压铸成型。

一种多阶梯复数阻抗匹配小型化功分器设计方法，包括以下步骤：

s1：设每个阻抗变换节长度为1/16λ，预先设定功分器中内导体包括若干节互相连接的直径阶梯式变化的阻抗变换节，每个阻抗变换节长度取功分器中心频率对应的1/16λ；

s2：计算s1中阻抗变换节数量，采用多阶梯阻抗匹配技术计算，具体计算步骤如下：

设功分器最小频率为θa，最大频率为θb，输入输出阻抗比为r，另外设中心频率为θm，主通带带宽为则

当r为2.0或3.0或4.0时，将θa，θb数值代入公式(1)和公式(2)，则计算出θm和根据设计要求，通带分贝波纹需小于0.01，则代入r、θm和的数值，获得满足通带分贝波纹要求的n的值，将n作为s1中阻抗变换节数量。

s3：使若干相连的阻抗变换节直径相同并进行复数阻抗匹配，在s2计算阻抗变换节数量中，将若干相连的阻抗变换节直径设为相同直径，采用复数阻抗匹配和高频结构电磁场仿真工具hfss软件，调整各阻抗变换节的长度。

本发明的有益效果是：

1、本发明结构简单，安装方便，设计合理。

2、本发明通过1/16波长多阶梯阻抗匹配技术有效的缩短了产品的尺寸长度，相比于目前的产品可以减小30％的体积长度，材料成本、包装成本、运输成本共计可以节约40％。

3、本发明在1/16波长多阶梯设计中，为了降低高低阻抗的差距值、减小导体台阶变化，使用了复数阻抗匹配技术，大大方便了产品的设计加工，同时可以可开模具采用压铸生产的方式实现内导体的加工，大大节约了产品的成本，同时产品重量轻、外形美观。

4、本发明获得的1/16波长功分器经试验仪器检测，证明该功分器的实际测试指标要好于传统的1/4波长设计的功分器。

5、本发明导体小型化设计有利于大批量加工生产，提高加工效率，节省安装空间。

6、本发明腔体一体压铸成型，腔体与输入接头和输出接头一体压铸成型，方便标准化加工和使用。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是标准的1/4波长阻抗变换功分器结构框图；

图2是本发明1/16λ波长阻抗变换功分器结构框图；

图3是本发明有2节相连的阻抗变换节的直径相同经复数阻抗匹配和高频结构电磁场仿真工具hfss软件处理的功分器结构框图；

图4是短于1/8波长的传输线集中参数电路。

图5是多阶梯阻抗变环节中的低阻抗传输线集中参数电路。

图中标记为：1、腔体；2、内导体；3、阻抗变换节；4、同直径阻抗变换节；5、输入接头；6、输出接头。

具体实施方式

下面结合附图描述本发明的优选实施方式。

如图2所示，一种多阶梯复数阻抗匹配小型化功分器，包括腔体1和内导体2，内导体2安装在腔体1内部，内导体2由若干节直径阶梯式变化的阻抗变换节3互相连接组成，每个阻抗变换节3的长度取功分器中心频率对应的1/16λ。

具体的，内导体2采用一体压铸成型。

具体的，功分器还包括输入接头5和输出接头6，输入接头5和输出接头6安装在腔体1的两端，输入接头5的数量为1个，输出接头6的数量为2个以上。

具体的，腔体1采用一体压铸成型，腔体1与输入接头5和输出接头6一体压铸成型。

具体的，阻抗变换节3数量采用多阶梯阻抗匹配技术计算，该技术是在契比雪夫响应的基础上引申出来的，其最大的优势就是相对带宽较宽，体积较小。阻抗变换节3数量具体计算过程如下：

设功分器最小频率为θa，最大频率为θb，输入输出阻抗比为r，另外设中心频率为θm，主通带带宽为则

当r为2.0或3.0或4.0时，将θa，θb数值代入公式(1)和公式(2)，则计算出θm和根据通带分贝波纹需小于0.01，则代入r、θm和的数值，获得满足通带分贝波纹要求的n的值，将n作为所述阻抗变换节数量。

具体的，当r＝2.0，θm＝1.65ghz时对于通带分贝波纹小于0.01，当r＝2.0，ω＝1.2，只有采用n＝10时能满足通带波纹小于0.01。此时，每节的长度计算可根据推导出将上述波长在乘以即得每节实际长度l＝11.4mm。

通过上述这些计算后，再根据查表查得前5节的归一值，后5节的归一值由以下公式得出：式中i表示后5节的节数，即6、7、8、9、10。

由以上计算后得出每节的归一值如下表：

具体的，根据以上计算得出，0.8ghz-2.5ghz的同轴功分器采用1/16λ阻抗变换节3的节数达到10节可满足要求。10节1/16λ阻抗变换节3内导体2的总长度约为119mm。而如图1所示，0.8ghz-2.5ghz的同轴功分器采用1/4λ阻抗变换节的内导体总长度为172mm。1/16λ的内导体2长度尺寸缩短了53mm，缩短了约30％的长度。

如图2所示，内导体2的每个阻抗变换节台阶尺寸差异较大，这会造成批量加工的难度，为了解决这个问题，可使2个以上相连的阻抗变换节的直径相同，然后采用了复数匹配技术解决匹配问题。

如图3所示，将2节相连的阻抗变换节设置为直径相同即同直径阻抗变换节4，以减少阻抗变换节台阶的变化次数。具体设计过程如下：

一根短于1/8波长的传输线可以用图4表示的集中参数电路来等效。其中，

如图5所示，对于多阶梯阻抗变环节中的低阻抗传输线，其工作特性像一个并联电容，因此可以把阶梯不连续性的等效电容并入传输节的等效电容来计算。其中，

因此，要调整某一个变环节的阻抗值时，可以通过调整相连两个变环节的长度和阻抗值来进行匹配，通过重新计算后的数值，再使用微波仿真软件高频结构电磁场仿真工具hfss优化后的产品结构图如图3所示。最终匹配后的内导体2的长度为126mm。

根据仪表对图3中功分器的驻波比和损耗性能的分析，该功分器的实际测试指标要好于传统的1/4波长设计的功分器，且有利于批量生产。

一种多阶梯复数阻抗匹配小型化功分器设计方法，包括以下步骤：

s1：设每个阻抗变换节长度为1/16λ，预先设定功分器中内导体包括若干节互相连接的直径阶梯式变化的阻抗变换节，每个阻抗变换节长度取功分器中心频率对应的1/16λ；

s2：计算s1中阻抗变换节数量，具体计算步骤如下：

设功分器最小频率为θa，最大频率为θb，输入输出阻抗比为r，另外设中心频率为θm，主通带带宽为则

当r为2.0或3.0或4.0时，将θa，θb数值代入公式(1)和公式(2)，则计算出θm和根据设计要求，通带分贝波纹需小于0.01，则代入r、θm和的数值，获得满足通带分贝波纹要求的n的值，将n作为s1中阻抗变换节数量。

s3：使若干相连的阻抗变换节直径相同并进行复数阻抗匹配，在s2计算阻抗变换节数量中，将若干相连的阻抗变换节直径设为相同直径，采用复数阻抗匹配和高频结构电磁场仿真工具hfss软件，调整各阻抗变换节的长度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。