CN111883894B - 一种宽带h面t型波导 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带H面T型波导，属于波导技术领域。其公共波导为空心矩形直波导段，第一分支波导和第二分支波导处于公共波导的宽边平面上，第一、第二分支波导为阶梯阻抗变换矩形波导段，且两者的阶梯台阶上升方向相反，中心波导叠层由上下两层弯折方向相反的弯波导直接叠合而成。本发明具有驻波比带宽宽、功分比带宽宽、相位一致性带宽宽的特点，且结构简单，易于加工。本发明解决了天线宽带馈电网络***功率分配和合成问题，能够适应大部分站型天线对等分或不等分波导的需求。

Description

一种宽带H面T型波导

技术领域

本发明涉及波导技术领域，特别是指一种宽带H面T型波导。

背景技术

在微波天线通信领域中，功分网络和功率合成网络是在各种站型天线馈电网络中常见的无源子***，具体到功分网络形式有微带线结构、同轴结构、介质集成波导和金属波导结构等多种类型。金属波导腔体功分网络因其低插损、高功率容量等特性在微波通信***中得到广泛应用，而T型波导作为波导腔体类功分网络和功率合成网络的核心单元在馈电网络中的使用更多。T型波导结构虽小，但直接决定着天线使用带宽，随着天线***设计的不断进步，对微波器件带宽和幅相一致性的要求愈加苛刻。国内外有众多学者对功分网络***和器件进行了深入的研究。

T型波导功率分配器按外形分为E面T型波导和H面T型波导两种，按功率分配又有功率等分T型波导和功率不等分T型波导。加脊矩形波导T型功率分配器带宽可达倍频往上，但是设计和加工难度较大，且一般使用受限，阻抗变换难度较大。传统矩形波导接口E面（H面）T型波导常采用在T型功率分配器顶部添加金属隔片、锥体、金属杆等方式来进行能量分割或实现多频使用，单频使用带宽在20%以内，低回波损耗使用时，使用带宽更会大幅缩小。

发明内容

本发明的目的是解决现有H面T型波导矩形波导接口时单频使用相对带宽较窄的问题，提供一种宽带H面T型波导，该波导可适应等分或不等分的需求，具有带宽宽、指标优良、结构紧凑、易于加工等诸多优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种宽带H面T型波导，包括公共波导1、第一分支波导2、第二分支波导3以及中心波导叠层4；所述公共波导1为空心矩形直波导段，所述第一分支波导2和第二分支波导3处于公共波导1的宽边平面上，第一分支波导2和第二分支波导3为阶梯阻抗变换矩形波导段，且第一分支波导2和第二分支波导3的阶梯台阶上升方向相反，所述中心波导叠层4由上下两层弯折方向相反的弯波导直接叠合而成。

进一步的，所述第一分支波导2和第二分支波导3对称设置且结构、尺寸完全相同，所述中心波导叠层4的上下两层反向弯波导对称设置且结构、尺寸完全相同。

进一步的，所述弯波导的弯角处为阶梯弯折结构，所述第一分支波导2和第二分支波导3的阶梯尺寸不同，所述中心波导叠层4的上下两层弯波导的厚度以及弯折处的阶梯尺寸均不同。

进一步的，所述弯波导的弯角处为切角、圆角或阶梯弯折结构。

本发明与背景技术相比具有如下优点：

1、本发明左右分支均继承了单弯波导和多级阶梯阻抗变换器的宽带特性，使矩形波导接口时H面T型波导单频使用驻波带宽最大可扩展到45%以上。

2、本发明摒弃了以往H面T型波导在平行电场方向切割电场实现功率分配的方式，通过上下两个单独的反向弯波导直接拼接，实现了在正交方向切割电场来进行功率分配，对相位影响更小，更容易实现具有幅相一致性的宽带。

3、本发明不同于传统H面T型波导，其结构形式能很好地适用等分和不等分两种电气设计需求。

4、本发明结构简单，工艺设计和加工容易，成本低廉，适宜工程批量生产。

附图说明

图1是本发明实施例中T型波导的结构示意图。

图2是T型波导器件的外形图。

图3是图2中下层波导块的内腔结构示意图。

图4是弯角处为切角或圆角时的T型波导的结构示意图（未示出两分支的阶梯结构）。

图5是图4的单T回波损耗仿真曲线图。

图6是单分支与切角型中心波导叠层的级联结构示意图。

图7是图6的电压驻波比仿真曲线图。

图8是切角型中心波导叠层中上层弯波导与T型波导的厚度关系示意图。

图9是本发明实施例中H面T型波导主要结构参数示意图。

图10是本发明实施例中功率等分H面T型波导的电压驻波比仿真曲线图。

图11是本发明实施例中功率不等分H面T型波导的回波损耗仿真曲线图。

图12是本发明实施例中功率不等分H面T型波导的传输损耗幅度频响曲线图。

图13是本发明实施例中功率不等分H面T型波导的传输损耗相位差频响曲线图。

附图标记说明：1—公共波导、2—第一分支波导、3—第二分支波导、4—中心波导叠层、5—上层T型波导块、6—下层T型波导块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1～3所示，一种宽带H面T型波导，其T型波导腔体包括公共波导1，第一分支波导2，第二分支波导3和中心波导叠层4四部分，外形呈T型结构分布；所述的T型波导电气上属于H面T型波导类，第一分支波导2和第二分支波导3处于公共波导1宽边平面上；所述的T型波导工艺上可拆分成上层T型波导块5和下层T型波导块6两部分，并通过焊接或螺连最终成型。

进一步的，所述的中心波导叠层4为上下两层反向的弯波导直接压叠形成，上下两层弯波导之间没有金属或其他介质类隔片层。

进一步的，所述的公共波导1为空心矩形直波导段，第一分支波导2和第二分支波导3为包含可变阶数的阶梯阻抗变换矩形波导段，且阶梯台阶上升方向相反。

进一步的，所述的功率等分T型波导设计时第一分支波导2和第二分支波导3对称位置阶梯尺寸完全相同，中心波导叠层4上下两层弯波导对称位置阶梯尺寸完全相同；所述的功率等分T型波导设计时上层T型波导块5和下层T型波导块6结构尺寸完全相同。

进一步的，所述的上下两层反向弯波导可为切角、圆角（如图4所示）或可变阶数阶梯弯折结构。

进一步的，上述T型波导根据不同需求可以设计为功率等分T型波导和功率不等分T型波导两种；对于功率不等分T型波导，第一分支波导2和第二分支波导3阶梯波导尺寸不同；对于不同功分比需求，中心波导叠层4上下两层反向弯波导厚度和弯折处的阶梯尺寸均不同。

该T型波导为三端口结构。T型波导接头是一种最简单的三端口无源功率分配/合成微波器件，但是在功分网络中应用甚广。理论上，对于线性无耗条件，三端口的T型波导不可能做到三端口同时匹配。

上述T型波导为H面类型，即分支波导宽面与主模TE₁₀模磁场H所在平面平行，两路分支波导并联在公共波导上，假设公共波导1的特性阻抗为Z0，第一分支波导2的特性阻抗为Z1，第二分支波导3的特性阻抗为Z2，则存在如下关系：

通过调整Z1和Z2比值可实现不同的功分/合成比例，特别的，当阻抗匹配，且第一分支波导2和第二分支波导3的特性阻抗相同时为功率等分T型波导，每个分支波导接收功率为-3dB。

H面T型波导的设计一般要求是低损耗，低驻波和宽频带。电气上，主要通过对中心波导叠层4所在位置设置合理的分波结构并兼顾阻抗匹配来实现。考虑到普通单弯波导设计简单，且最大使用带宽临界标准波导使用带宽。本T型波导借鉴单弯波导宽带特性，并摒弃了传统金属隔片等分波思路，将T型波导中心波导叠层4位置设计成两个单弯波导直接反向叠层形式。通过图5的仿真可见，其回波损耗在-20dB时带宽超过54%，证明了其功分宽带特性。

进一步的，众所周知，多级阶梯阻抗变换器可实现宽带宽，由如图6和7可见，当中心波导叠层4和第一分支波导2腔体简单级联后并进行适当优化，在驻波1.2:1使用时，工作带宽超过45%，满足宽带设计需求。

由上述分析可知，该H面T型波导具有固有的单频使用宽带特性。同时由图8 可知，通过调整厚度比H/B，即设置适当的反向单弯波导厚度比可对两个分支波导功率分配比进行设计。可见，该H面T型波导是一种具有单频使用宽带特性的可用于功率等分或功率不等分的三端口微波器件。

值得注意的是，该H面T型波导另外一个优点是其工艺设计简单。如图2所示，作为功率等分或功率不等分使用时，均可拆分成加工工艺相同的上层T型波导块5和下层T型波导块6两个零件。特别的，当功率等分时这两个零件完全相同。

作为功率分配器，该H面T型波导工作原理如下：通常使用时，从公共口输入微波射频信号，射频信号在中心波导叠层4被分割成上下两路信号，这两路信号再通过两个多级阶梯阻抗变换段无耗传输到第一分支端口和第二分支端口，且第一分支波导2和第二分支波导3电场矢量方向相同，不会发生180°相位突变。特别的，当第一分支波导2和第二分支波导3为功率等分使用时，两分支端口为等幅同相输出。常用T型波导为无耗互易三端口器件，作为功率合成器使用时，工作原理相反，不再赘述。

为便于公众理解，在此分别以一个功率等分H面T型波导和一个功率不等分H面T型波导为例，并结合相应附图，对本发明的效果进行辅助说明。

案例一：Ka宽带功率等分H面T型波导

设计频率为17.7GHz-23.55GHz，预设功分比为1：1。

图9中主要结构参数对应数值如下：

W1=W2=W3=10.668mm；B1=B2=B3=4.318mm；H21=H31=2.16；

H22=H32=2.49；H23=H33=3.64。

图10所示为上述等分T型波导公开口的电压驻波比仿真结果。由图可见，在17.7GHz-23.55GHz的带宽内驻波比小于1.06，指标优良，且频带边缘斜率较小，更加适合多级功分网络级联。当然由于T型波导关于公共波导与宽边垂直的对称面左右尺寸相同，所以其第一分支波导和第二分支波导输出幅度和相位完全相同。

案例二：Ka宽带功率不等分H面T型波导

设计频率为17.7GHz-23.55GHz，预设功分比为1：8.668。

图9中主要结构参数对应数值如下：

W1=W2=W3=10.668mm； B1=B2=B3=4.318 mm； H21= 3.71； H31=0.61；

H22= 4.15； H32=1.26；H23= 4.57；H33=3.08。

图11所示为上述不等分T型波导公共口的回波损耗仿真结果。图12、13所示为上述不等分T型波导公共口到两个分支路的传输损耗幅度和相位差频响仿真结果。由图可见，在使用带宽内回波损耗小于-24dB时，第一分支波导和第二分支波导幅度波动小于±0.2dB，相位波动小于±1.5°，指标优良。

总之，本发明T型波导包括一分二功分结构和两个分支尾部阶梯阻抗变换结构两部分，其中，一分二功分结构为上下两层弯折方向相反的弯波导直接叠层焊接或螺连组合结构，上下两层弯波导叠层之间没有金属隔片，通过调整上下两层弯波导厚度比可以调整H面T型波导功分比。本发明具有驻波比带宽宽（超过45%）、功分比带宽宽、相位一致性带宽宽的特点，且结构简单，易于加工，解决了天线宽带馈电网络***功率分配和合成问题，能够适应大部分站型天线对等分或不等分波导的需求。

需要说明的是，以上叙述和案例有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的各种变形、缩放、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均应落入本发明创造的保护范围。

Claims (4)

1.一种宽带H面T型波导，包括公共波导（1）、第一分支波导（2）、第二分支波导（3）；其特征在于，还包括中心波导叠层（4），所述公共波导（1）为空心矩形直波导段，所述第一分支波导（2）和第二分支波导（3）处于公共波导（1）的宽边平面上，第一分支波导（2）和第二分支波导（3）为阶梯阻抗变换矩形波导段，且第一分支波导（2）和第二分支波导（3）的阶梯台阶上升方向相反，所述中心波导叠层（4）由上下两层弯折方向相反的弯波导直接叠合而成，上下两层弯波导之间没有金属或其他介质类隔片层。

2.根据权利要求1所述的一种宽带H面T型波导，其特征在于，所述第一分支波导（2）和第二分支波导（3）对称设置且结构、尺寸完全相同，所述中心波导叠层（4）的上下两层弯波导对称设置且结构、尺寸完全相同。

3.根据权利要求1所述的一种宽带H面T型波导，其特征在于，所述弯波导的弯角处为阶梯弯折结构，所述第一分支波导（2）和第二分支波导（3）的阶梯尺寸不同，所述中心波导叠层（4）的上下两层弯波导的厚度以及弯折处的阶梯尺寸均不同。

4.根据权利要求1所述的一种宽带H面T型波导，其特征在于，所述弯波导的弯角处为切角、圆角或阶梯弯折结构。

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