基于脊波导结构的五端口波导功分器及其制备方法与流程

本发明涉及微波器件技术领域，特别是一种基于脊波导结构的五端口波导功分器及其制备方法。

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即某一个有源器件损坏以后，其它器件尽可能受较小的影响，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大。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：

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术不能或不易满足kW级功率容量要求、低插损高隔离度以及尺寸体积要求的问题，而提供一种能够满足kW级功率容量和低插损高隔离度以及尺寸体积要求的基于脊波导结构的五端口波导功分器。该结构的功分器由单脊波导和三脊波导构成，大大降低了器件的结构尺寸；同时该结构在较宽的带宽范围内(8-9GHz)实现了输入输出端口的低回波损耗(<-18dB)和两路出端口间的高隔离度(>15dB)，使得该两路功分器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基于脊波导结构的五端口波导功分器，其特殊之处在于：包括中心三脊波导11、沿E面排列的三个输入单脊波导31与两个输出单脊波导21；上述三个输入单脊波导31、中心三脊波导11与两个输出单脊波导21均沿E面中心线对称分布，以确保其用于功分器时两路输出的等幅同相。

中心三脊波导11一端的三个脊分别与三个输入单脊波导31的脊连接，中心三脊波导11另一端的两侧的脊分别与两个输出单脊波导21的脊连接；输入单脊波导两侧的两个单脊矩形波导端口作为两个匹配端口用来实现输入输出端口的匹配及两个输出端口之间的高隔离度。

单脊矩形波导特定的宽边、窄边以及脊的尺寸确保单脊波导截止频率低于五端口功分器工作频率的下限。三脊波导耦合区特定的宽窄边及三个插入脊的尺寸确保三脊波导耦合区对于TE₃₀模式可传输。

优选地，为了改善该五端口波导功分器的匹配性能，上述中心三脊波导11为不连续性结构的波导，上述中心三脊波导11的脊包括多个尺寸不同的脊。

优选地，为了改善两路输出单脊波导的回波损耗，两个输出单脊波导21之间通过两段弧形过渡结构连接。

优选地，为了保证具有较高的功率容量，上述中心三脊波导11为金属结构。

本发明还提供一种基于脊波导结构的五端口波导功分器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)确定五端口波导功分器工作频率范围；

2)根据五端口波导功分器工作频率范围确定三个输入单脊波导31的宽边、窄边以及脊的尺寸，使得单脊波导的截止频率低于五端口波导功分器工作频率的下限；

3)确定中心三脊波导11耦合区的宽窄边及三个插入脊的尺寸确保三脊波导耦合区对于TE₃₀模式可传输；

4)根据上述结构参数，选取一个长方体金属块，金属块的长宽高大于五端口波导功分器的长宽高，通过车床将五端口功分器的内部脊结构及不连续性结构铣出,铣出后在其上方通过螺钉连接金属盖板，完成五端口功分器的加工制造。

具体可以通过模拟仿真的方法确定三个输入单脊波导31及中心三脊波导11的尺寸。

本发明的原理为：

如图1，左侧三个输入单脊波导中间单脊矩形波导输入TE₁₀模式时，在三脊波导中心耦合区的左侧起始端激励起了TE₁₀模式和TE₃₀模式，且TE₁₀模式和TE₃₀模式同相，TE₁₀模式和TE₃₀模式在三脊波导耦合区的E面中心区域电场同相叠加，两侧区域反相相消，因此输入端口两侧的两个单脊矩形波导端口被隔离。通过选择中心耦合区域三脊波导的长度使得在三脊波导中心耦合区域末端，TE₁₀模式和TE₃₀模式反相，即TE₃₀模式传播常数×中心耦合区域长度—TE₁₀模式传播常数×中心耦合区域的长度＝(n+0.5)×Pi，其中n为整数，Pi为圆周率。这样在三脊波导耦合区的E面中心区域电场反相相消，在E面两侧区域同相叠加，因此能量被耦合到两侧的两个输出单脊波导中输出。

本发明的有益效果是：

1、本发明五端口波导功分器由单脊波导和三脊波导构成，单脊和三脊波导结构在传输相同频率的模式时，截面尺寸远小于传统矩形波导尺寸，大大降低了器件的结构尺寸，有利于实现小型化；

2、同时该结构在较宽的带宽范围内实现了输入输出端口的低回波损耗(<-18dB)和两路输出端口间的高隔离度(>15dB)，使得该两路功分器能够在对体积尺寸有更严格要求的场合得以应用；

3、耦合和匹配结构可以为金属结构，这就保证了该结构具有较高的功率容量。

附图说明

图1为本发明五端口波导功分器的结构示意图一；

图2为本发明五端口波导功分器的结构示意图二；

图3为实施例的五端口波导功分器的结构示意图；

图4为图3沿A-A平面的剖视图；

图5为图3沿B-B平面的剖视图；

图6(a)为端口4注入TE₁₀模式时，靠近端口4的中心耦合区激励的TE₁₀模式和TE30模式的相对相位分布；

图6(b)为端口4注入TE₁₀模式时，靠近端口1和2的中心耦合区激励的TE₁₀模式和TE30模式的相对相位分布；

图6(c)为端口4注入功率1W时的电场分布；

图7为端口1注入微波能量1W时电场分布；

图8为端口3注入微波能量1W时的电场分布；

图9(a)为五端口波导功分器的模拟和测试S₁₁和S₄₄参数分布图；

图9(b)为五端口波导功分器的模拟和测试S₄₃和S₁₂参数分布图；

图9(c)为五端口波导功分器的模拟和测试S₁₄和S₂₄参数分布图；

图9(d)为两路功率分配时的输出幅度曲线图；

图9(e)为两路功率分配时的输出相位曲线图。

图中附图标记为：1，2-输出单脊波导的端口，3，4，5-输入单脊波导的端口，11-中心三脊波导，21-输出单脊波导，31-输入单脊波导。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细描述。

以7.8-9.2GHz为例，该五端口功分器的结构尺寸为a₁＝12.20，a₂＝12.94，b＝9.45，W₁＝40.89，W₂＝39.59，W₃＝W₄＝6.22，W₅＝W₆＝7.97，W₇＝W₈＝6.75，W₁₀＝3.59，W₁₁＝3.38，W₁₂＝36.67，W₁₃＝37.59，W₁₄＝3.38，l₁＝30.00，l₂13.45，l₃＝11.50，l₄＝9.81，l₅＝30.00，l₆＝30.00，l₇＝13.45，l₈＝11.50，l₉＝9.81，l₁₀＝30.00，h₁6.17，h₂＝5.21，h₃＝4.39，h₄＝4.87，h₅＝5.29，l₁₁＝30，l₁₂＝13.45，l₁₃＝11.50，l₁₄＝4.94，l₁₅＝30.00，h₆＝6.17，h₇＝5.21，h₈＝4.39(单位mm)，如图3、图4及图5所示。该单脊波导五端口结构在E面沿中心线B-B对称分布。

输入单脊波导31的端口4注入TE₁₀模式，注入功率全部进入右侧两个输出单脊波导21的端口1和端口2中，并在两个输出单脊波导21的端口1和端口2中等幅同相输出，输入单脊波导31的端口3和端口5被隔离，如图6(a)为端口4注入TE₁₀模式时，靠近端口4的中心耦合区域激励的TE₁₀模式和TE₃₀模式的相对相位分布，图6(b)为端口4注入TE₁₀模式时，靠近端口1和2的中心耦合区域激励的TE₁₀模式和TE₃₀模式的相对相位分布，图6(c)为端口4注入功率1W时的电场分布。

输出单脊波导21的端口1注入TE₁₀模式，二分之一的能量进入到输入单脊波导31的端口4中，四分之一的能量进入到输入单脊波导31的端口3中，四分之一的能量进入到输入单脊波导31的端口5中，输出单脊波导21的端口2被隔离，如图7为输出单脊波导21的端口1注入微波能量1W时电场分布。

输入单脊波导31的端口3注入TE₁₀模式，四分之一的能量被反射，四分之一的能量进入到输入单脊波导31的端口5中，四分之一的能量进入到输出单脊波导21的端口1中，四分之一的能量进入到输出单脊波导21的端口2中，如图8为输入单脊波导端口3注入微波能量1W时的电场分布。

综上，当输入单脊波导31的端口4注入TE₁₀模式时，注入能量全部在输出单脊波导21的端口1和2中等幅同相输出，输出单脊波导21的端口1和端口2互相隔离。因此，输入单脊波导31的端口3和端口5接匹配负载，该结构可以实现两路高效率高隔离度功率分配。

其测试S参数曲线如：图9(a)为S₁₁和S₄₄参数分布图，图9(b)S₄₃和S₁₂参数分布图，图9(c)为S₁₄和S₂₄参数分布图，图9(d)为两路功率分配时的输出幅度曲线图，现实幅度不一致性，图9(e)为两路功率分配时的输出相位曲线图，显示相位不一致性。

在8-9GHz频率范围内，输入端口和输出端口回波损耗高于18dB，输出端口间隔离度高于15dB，用作功率分配时插入损耗小于0.3dB，输出端口间的幅度和相位不一致性分别小于0.05dB和±1°。结构整体截面尺寸为1.1λ×0.4λ，其中λ为波长。这一结构尺寸小于大部分两路合成器的结构尺寸。

通过以下方法制备基于脊波导结构的五端口波导功分器，包括以下步骤：

1)确定五端口波导功分器工作频率范围；

2)根据五端口波导功分器工作频率范围，通过模拟仿真的方法确定三个输入单脊波导的宽边、窄边以及脊的尺寸，使得单脊波导的截止频率低于五端口波导功分器工作频率的下限；

3)通过模拟仿真的方法确定中心三脊波导耦合区的宽窄边及三个插入脊的尺寸确保三脊波导耦合区对于TE₃₀模式可传输；

4)根据上述结构参数，选取一个长方体金属块，金属块的长宽高大于五端口波导功分器的长宽高，通过车床将五端口功分器的内部脊结构及不连续性结构铣出,铣出后在其上方通过螺钉连接金属盖板，完成五端口功分器的加工制造。

本发明中提出的新型五端口单脊波导两路合成器通过利用单脊波导和三脊波导作为输入输出端口和耦合结构，保证了结构的紧凑性。通过中心耦合区域TE₁₀模式和TE₃₀模式的耦合、以及另外两个单脊匹配端口的配合实现了该结构在较宽带宽范围内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。

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。