一种共面波导魔T的制作方法

本发明涉及微波器件技术领域，特别是一种新型共面波导魔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，但电真空器件体积庞大，随着基于半导体结构的小型有源器件的快速发展和输出功率的不断提高，通过大量的半导体有源器件进行组阵，后再通过大规模天线阵列进行辐射可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。基于现有的合成器大都不满足横截面尺寸要求，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，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。

技术实现要素：

为了解决现有的合成器功率容量低、高插损及合成端口间隔离度、尺寸无法满足要求的问题，本发明提供一个新型紧凑共面波导魔T，用来实现有限截面内的功率合成，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提供一种共面波导魔T，其特殊之处在于：包括从顶部至底部依次同轴连接的输出介质同轴波导3、空气同轴波导9、圆波导8及两个半空气同轴波导6；两个对称的半空气同轴波导6通过两个金属隔板5隔开(通过在空气同轴波导9的外导体内放置两块金属隔板5分割为两个对称的半空气同轴波导6)；还包括两个输入介质同轴波导1、两个多级阶梯匹配结构7与介质矩形波导4，上述两个输入介质同轴波导1与半空气同轴波导6底端连接并沿半空气同轴波导6H面(与磁场平行的面称为H面)中心对称并相对金属隔板5对称，用来实现和差端口注入微波时两输入端口的等幅同相/反相分配；上述两个多级阶梯匹配结构7分别与两个输入介质同轴波导1内导体共轴连接并分别位于两个半空气同轴波导6外导体内，上述介质矩形波导4与圆波导8底端连接并位于两个半空气同轴波导6内导体内部，且介质矩形波导4长边平行于金属隔板5；上述介质矩形波导4中填充高介电常数的介质。

本波导魔T共有四个波导端口，分别是：两个与半空气同轴波导6连接的输入介质同轴波导1输入端口、一个与圆波导8底部连接的介质矩形波导4端口、一个与圆波导8顶部连接的输出介质同轴波导3端口。整个结构沿金属隔板5平行方向和垂直方向对称分布。

半空气同轴波导6特定的内半径和外半径尺寸用来实现半空气同轴波导6中准TE₁₀模式的传输和准TE₂₀模式的截止。

两个半空气同轴波导6与圆波导8连接，圆波导8底部连接介质矩形波导4从而实现两个半空气同轴波导6中准TE₁₀模式的差耦合输出。

圆波导8依次连接空气同轴波导9和输出介质同轴波导3，将两个半空气同轴波导6中的准TE₁₀模式的耦合成为TEM模式并在顶部同轴端口中和耦合输出。同轴波导是和端口耦合输出宽带阻抗匹配的关键。

优选地，上述多级阶梯匹配结构7包括依次连接的第一匹配金属块71、第二匹配金属块72、第三匹配金属块73及第四匹配金属块74，第一匹配金属块71与输入介质同轴波导1内导体连接，所述第二至第四匹配金属块的外周侧紧贴半空气同轴波导6外导体内侧；上述第一匹配金属块71的长边和宽边尺寸均小于输入介质同轴波导1外导体直径尺寸，第二至第四金属块的长度依次变小，宽度相同，两个多级阶梯匹配结构宽度方向平面与金属隔板5平行。

优选地，上述输出介质同轴波导3从上至下依次包括第一输出介质同轴波导31与第二输出介质同轴波导32，上述第一输出介质同轴波导31的内外径均小于第二输出介质同轴波导32的内外径；

空气同轴波导9从上至下依次包括第一空气同轴波导94、第二空气同轴波导93、第三空气同轴波导92及第四空气同轴波导91，第一空气同轴波导94的外径小于第二空气同轴波导93的外径，第二、第三及第四空气同轴波导的外径相等；第一与第二空气同轴波导的内径相等，第二、第三、第四空气同轴波导的内径依次增大；

第二输出介质同轴波导32的内外径均小于第一空气同轴波导94的内外径。

优选地，第四空气同轴波导91的外径等于圆波导8的外径，圆波导8的外半径小于半空气同轴波导6外导体半径。

上述介质矩形波导4中填充的高介电常数的介质，介质矩形波导4中填充的高介电常数介质使得介质波导结构尺寸紧凑，是实现和差端口共面的关键，优选地，该介质可以为微波陶瓷、聚四氟乙烯或聚乙烯。

为了保证魔T具有较高的功率容量，优选地，半空气同轴波导6和多级阶梯匹配结构7为金属结构。

在7.5-9.5GHz频段范围内，输入介质同轴波导1的内外半径尺寸分别为2.05mm和0.65m；半空气同轴波导6内外半径尺寸分别为16.44mm和8.44mm，半空气同轴波导6的长度为26.6mm；圆波导8腔的半径为15.4mm，长度为2mm；介质矩形波导4的长度为10.51mm，宽度为3.51mm；与圆波导8依次连接的四个空气同轴波导9内外半径分别为(15.4mm,8.14mm)、(15.4mm,5.40mm)、(15.4mm,1.29mm)、(9.16mm,1.29mm)，与圆波导8依次连接的四个空气同轴波导9的长度分别为：6.22mm、4.30mm、5.72mm、6.70mm，与空气同轴波导9依次连接的介质同轴波导与内外半径分别(5.91mm，1.08mm)，(2.05mm，0.65mm)。

优选地，两个半空气同轴波导6间金属隔板5的长、宽、高分别为8mm、0.4mm、26.6mm。

优选地，第一匹配金属块的长、宽、高尺寸为2.28mm、3.35mm、1.58mm，第二、第三、第四匹配金属块的长、宽、高尺寸为：6.45mm×3.35mm×6.45mm，3.43mm×3.35mm×3.18mm，1.50mm×3.35mm×11.1mm。

本发明的原理为：

与输入介质同轴波导内导体连接的四个匹配金属块分别将两路输入同轴TEM模式转换为半空气同轴波导中的准TE₁₀模式。

当输入输入介质同轴波导中的两路TEM模式等幅同相时，四个匹配金属块将输入TEM模式转换后的准TE₁₀模式也等幅同相，等幅同相的TE₁₀模式经过圆波导后在空气同轴波导中合成TEM模式，最后在顶部输出介质同轴波导输出端口(和端口)中输出，介质矩形波导端口被隔离。

当输入输入介质同轴波导中的两路的TEM模式等幅反相时，四个匹配金属块将输入TEM模式转换后的准TE₁₀模式也等幅反相，两个半空气同轴波导的准TE₁₀模式相位差为180°，经过圆波导后在介质矩形波导中耦合形成TE₁₀模式输出，顶部的输出介质同轴波导被隔离。因此，顶部同轴端口是该波导魔T的和端口，而底部介质矩形波导端口是该波导魔T的差端口。因此两输入介质同轴波导在一定频段范围内具有较低的回波损耗(小于-20dB)，较高的隔离度(大于20dB)，和差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)。

本发明的有益效果是：

1、本发明中提出的新型紧凑魔T通过利用同轴波导作为输入端口与和端口，利用高介电常数的介质波导作为其差端口成功实现了波导魔T的和差端口共面排布，保证了魔T的结构紧凑性和较宽的带宽；

2、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；

3、通过多级阶梯匹配结构将同轴TEM模式转换为半空气同轴波导中的准TE₁₀模式，在同轴波导和介质波导中实现了两路和差端口输出。

附图说明

通过参考附图可以会更加清楚地理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应该理解为对本发明有任何限制，在附图中：

图1为实施例的波导魔T的三维示意图；

图2为实施例的波导魔T的侧视图一；

图3为实施例的波导魔T的侧视图二；

图4给出了图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5给出了图1所示的波导魔T和差端口功率分配S参数分布示意图。

图中附图标记为：1-输入介质同轴波导，11-第一输入介质同轴波导，12-第二输入介质同轴波导，3-输出介质同轴波导，31-第一输出介质同轴波导，32-第二输出介质同轴波导，4-介质矩形波导，5-金属隔板，6-半空气同轴波导，7-多级阶梯匹配结构，71-第一匹配金属块，72-第二匹配金属块，73-第三匹配金属块，74-第四匹配金属块，8-圆波导，9-空气同轴波导，91-第四空气同轴波导，92-第三空气同轴波导，93-第二空气同轴波导，94-第一空气同轴波导。

具体实施方式

为了更清楚的理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

以7.5-9.5GHz为例，紧凑共面波导魔T的输入介质同轴波导1内外半径尺寸分别为2.05mm和0.65m，内外半径间填充介电常数为2.2的介质，两个半空气同轴波导6内外半径分别为16.44mm和8.44mm，半空气同轴波导6的长度为26.6mm，两个半空气同轴波导间金属隔板5的尺寸长宽高分别为8mm×0.4mm×26.6mm，半空气同轴波导6内部与输入介质同轴波导1内导体共轴连接的第一匹配金属块71的尺寸为3.35mm×2.28mm×1.58mm，与此金属块依次连接的紧贴半空气同轴波导外壁的第二匹配金属块72、第三匹配金属块73及第四匹配金属块74的尺寸为：3.35mm×6.45mm×6.45mm，3.35mm×3.43mm×3.18mm，3.35mm×1.50mm×11.1mm，四个金属块宽度方向平面与金属隔板5平行，与半空气同轴波导6连接的圆波导8腔的半径为15.4mm，长度为2mm，介质矩形波导4通过与圆波导开口连接，介质矩形波导4的长度为10.51mm，介质矩形波导的宽度为3.51mm，其中填充介电常数为4.5的介电陶瓷，介质矩形波导4长边平行于金属隔板5，介质矩形波导4顶部中心与圆波导8底部中心重合，与圆波导8依次连接的四个空气同轴波导内外半径和长度分别为：(15.4mm,8.14mm)×6.22mm，(15.4mm,5.40mm)×4.30mm，(15.4mm,1.29mm)×5.72mm，(9.16mm,1.29mm)×6.70mm，最顶端的空气同轴波导依次与内外半径分别为(5.91mm，1.08mm)，(2.05mm，0.65mm)，填充介电常数为2.2的介质的输出介质同轴波导端口连接，如图1、图2及图3所示。

当和端口(第一输出介质同轴波导3)注入微波时，输入功率被均匀分配至两个输入介质同轴波导1中输出，差端口(介质矩形波导4)被隔离。当差端口(介质矩形波导4)注入微波时，输入微波被均匀分配至两个输入介质同轴波导1中并从中输出，和端口(第一输出介质同轴波导31)被隔离。当输入介质同轴波导1注入微波时，输入微波被均匀分配至和端口(第一输出介质同轴波导31)和差端口(介质矩形波导4)中。在7.7-9.0GHz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3和差端口4输入功率时功率分配系数均大于-3.03dB。

该波导魔T的三维尺寸即直径×直径×长度尺寸为33mm×33mm×60mm，中心频率处其截面尺寸为：0.9λ×0.9λ×1.70λ，其中λ为波长，其尺寸远小于传统的波导魔T尺寸，且其和差端口共面输出。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。

本实施例中提出的新型紧凑魔T通过利用同轴波导作为输入端口与和端口，利用高介电常数微波陶瓷填充的介质矩形波导作为其差端口成功实现了波导魔T的和差端口共面排布，保证了魔T的结构紧凑性和较宽的带宽。通过多级阶梯匹配结构再将同轴TEM模式转换为半空气同轴波导中的准TE₁₀模式，在介质同轴波导和介质矩形波导中实现了两路和差端口输出。该波导魔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，同时与传统平面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。

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,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的思想和原则之内,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。