專利名稱：E面十字形功率分配器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種功分器，具體地說，是涉及一種幅度和相位一致性好的緊湊型寬帶波導(dǎo)功率分配器。
背景技術(shù)：
功分器是現(xiàn)代微波通信和軍事電子系統(tǒng)中的一種通用原件。波導(dǎo)功分器由于其功率容量高、插入損耗低等特點，應(yīng)用十分廣泛。二路波導(dǎo)功分器既可以單獨使用，也可以通過串接構(gòu)成多路功分網(wǎng)絡(luò)，用于相控陣雷達、天線陣以及功率合成等領(lǐng)域。已有的二路波導(dǎo)功分器主要包括E面T型分支，H面T型分支，波導(dǎo)魔T，H面波導(dǎo)裂縫電橋、E面波導(dǎo)環(huán)形電橋(Ring Hybrid或Rat-Race Hybrid)和H面波導(dǎo)環(huán)形電橋等。其中前兩種器件由于兩個輸出端之間隔離度低，任意一個輸出端口的失配都會嚴重影響功率分配的幅度和相位精度。波導(dǎo)魔T的輸出端口之間有很好的隔離，而且兩個輸出端口之間的相位相同，但其四個波導(dǎo)端口的軸線方向分別指向三個互相垂直的方向，構(gòu)成復(fù)雜的三維立體結(jié)構(gòu)。因此波導(dǎo)魔T加工難，成本高，而且器件在長寬高三個方面都比較大，不利于器件的小型化，更不適合作為單元串接構(gòu)成多路功分網(wǎng)絡(luò)。E-面波導(dǎo)裂縫電橋的輸入輸出波導(dǎo)的軸線位于同一平面內(nèi)，由此可以串接構(gòu)成所有波導(dǎo)軸線位于同一平面的多路功分網(wǎng)絡(luò)。這種功分網(wǎng)絡(luò)可以分為底座和蓋板，分別利用傳統(tǒng)的數(shù)控銑切技術(shù)一次性方便地加工而成，加工精度大大提高，加工成本大大降低。但是，已有的E-面波導(dǎo)裂縫電橋的兩個輸出端口之間存在固有的90度相位差。在要求同相位輸出的情況下，需要對各級功分器輸出端口的相位之間進行寬帶補償。特別是在多路功分網(wǎng)絡(luò)小型化設(shè)計時，相位補償電路會使器件體積和設(shè)計難度大大提高。同時，E-面波導(dǎo)裂縫電橋的工作帶寬比較窄。E面波導(dǎo)環(huán)形電橋(Ring Hybrid或Rat-Race Hybrid)和H面波導(dǎo)環(huán)形電橋也由于體積比較大,工作帶寬比較窄,其用途受到限制，特別是在多路功分網(wǎng)絡(luò)小型化設(shè)計時波導(dǎo)環(huán)形電橋很少被使用。在制導(dǎo)系統(tǒng)中，上述波導(dǎo)魔T，E面波導(dǎo)裂縫電橋、E面波導(dǎo)環(huán)形電橋(Ring Hybrid或Rat-Race Hybrid)·和H面波導(dǎo)環(huán)形電橋等經(jīng)常還被單獨作為和差器來，或作為元器件構(gòu)成功能更復(fù)雜的和差器網(wǎng)絡(luò)來使用。在這種情況下，這些器件的弱點仍然明顯。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種幅度和相位一致性好，工作帶寬可以達到20%以上的緊湊型寬帶波導(dǎo)功率分配器。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案如下:E面十字形功率分配器，包括率禹合腔，與I禹合腔連通的輸入端、輸出端A、輸出端B和匹配端；匹配端遠離I禹合腔的一端連接匹配負載；輸出端A位于耦合腔左端面，輸出端B位于耦合腔右端面，匹配端位于耦合腔的前端面，輸入端位于耦合腔的后端面，所述前端面為紙面垂直放置時的上方，所述后端面為紙面垂直放置時的下方；前端面和后端面為耦合腔的兩個相對的平面，左端面和右端面為耦合腔的兩個相對的平面，輸出端A、輸出端B分別位于匹配端的兩側(cè)。[0006]輸入端或\和輸出端A或\和輸出端B或\和匹配端在與耦合腔相連處的交界面在其中心處的法線方向與耦合腔上端面之間的夾角都小于或等于30度。所述匹配端與耦合腔相連處的交界面中心處的法線方向和輸出端A與耦合腔相連處交界面中心處的法線方向之間的夾角大于60度小于120度；所述匹配端與耦合腔相連處的交界面中心處的法線方向和輸出端B與耦合腔相連處交界面中心處的法線方向之間的夾角大于60度小于120度。所述輸出端A位于耦合腔左端面，輸出端B位于耦合腔右端面，匹配端位于耦合腔的前端面，輸入端位于耦合腔的后端面，所述前端面為紙面垂直放置時的上方，所述后端面為紙面垂直放置時的下方；前端面和后端面為耦合腔的兩個相對的平面，左端面和右端面為耦合腔的兩個相對的平面，輸出端A、輸出端B分別位于匹配端的兩側(cè)。所述耦合腔為單連通空腔結(jié)構(gòu)，即該耦合腔內(nèi)部的任何封閉曲線都可以在該耦合腔內(nèi)連續(xù)收斂于一個點。單連通空腔結(jié)構(gòu)即單連通區(qū)域，單連通區(qū)域是數(shù)學(xué)的基本概念之一。設(shè)D是平面區(qū)域，如果D內(nèi)任一閉曲線所圍的部分都屬于D，則稱D為平面單連通區(qū)域。對于二路功率等分功分器情況，所述耦合腔、輸入端、輸出端A、輸出端B和匹配端所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)呈左右鏡像對稱形狀，輸出端A和輸出端B相關(guān)于匹配端呈對稱排布。所述匹配端與耦合腔相連處的交界面的中心處的電場的水平分量的幅值大于其垂直分量的幅值；輸入端與耦合腔相連處的交界面的中心處的電場的垂直分量的幅值大于其水平分量的幅值；輸出端A與耦合腔相連處的交界面的中心處的電場的水平分量的幅值大于其垂直分量的幅值；輸出端B與耦合腔相連處的交界面的中心處的電場的水平分量的幅值大于其垂直分量的幅值。所述匹配端與耦合腔相連處的交界面中心處的法線方向和輸出端A與耦合腔相連處交界面中心處的法線方向之間的夾角小于或等于30度；所述匹配端與耦合腔相連處的交界面中心處的法線·方向和輸出端B與耦合腔相連處交界面中心處的法線方向之間的夾角小于或等于30度。所述輸入端在與耦合腔相連處位于耦合腔外設(shè)置有至少一個只接觸其底部或頂部的金屬柱。所述耦合腔、輸入端、輸出端A、輸出端B、匹配端的上表面齊平。所述耦合腔在耦合腔上端面上某一方向上的最大尺寸小于或等于該E面十字形功率分配器的最高工作頻率對應(yīng)的自由空間波長的一半。所述輸入端、輸出端A、輸出端B遠離耦合腔的一端均分別設(shè)置有端口寬度比相應(yīng)的各端口寬度變化大于或等于10%的傳輸線，而且該傳輸線為空波導(dǎo)或脊波導(dǎo)或同軸線。輸入端為矩形波導(dǎo)或脊波導(dǎo)；輸出端A、輸出端B、匹配端為矩形波導(dǎo)；耦合腔為矩形體。耦合腔上端面和水平面均為在俯視方向看到的耦合腔的平面。上述E面十字形功率分配器總的來說，包括耦合腔，與耦合腔連通的輸入端、輸出端A、輸出端B和匹配端。匹配端外連接匹配負載，匹配負載用以吸收從耦合腔耦合到匹配端的所有微波能量。與已有的波導(dǎo)魔T中有一個端口與其余三個端口垂直相比，該實用新型的最大特點是輸入端、輸出端A、輸出端B和匹配端在與耦合腔相連處的交界面的中心處的法線方向與耦合腔上端面之間的夾角可以為零度，從而使得該實用新型為準平面結(jié)構(gòu)，大大簡化了器件的結(jié)構(gòu)，并簡化了器件的加工和裝配過程。與已有的E面波導(dǎo)環(huán)形電橋中的對應(yīng)的耦合腔的尺寸相比，耦合腔在耦合腔上端面上某一方向上的最大尺寸小于該E面十字形功率分配器的最高工作頻率對應(yīng)的自由空間波長的一半。與已有的E面和H面波導(dǎo)環(huán)形電橋的非對稱特點相比，本實用新型中的耦合腔、輸入端、輸出端A、輸出端B和匹配端可以構(gòu)成的結(jié)構(gòu)呈左右鏡像對稱形狀。這種形狀的固有對稱性保證了兩個輸出端的功率幅度和相位在理論上是完全一致的。與已有的E面和H面波導(dǎo)環(huán)形電橋中的耦合腔為環(huán)形結(jié)構(gòu)相比，本實用新型中的耦合腔為單連通空腔結(jié)構(gòu)，即該耦合腔內(nèi)部的任何封閉曲線都可以在該耦合腔內(nèi)連續(xù)收斂于一個點。具體來說就是耦合腔內(nèi)不存在任何其他空間。對于各端口在水平面上的位置安排上，輸出端A和輸出端B在水平面上的位置分別在左邊和右邊與匹配端相鄰，匹配端和輸入端在水平面上被輸出端A或輸出端B隔開。匹配端、輸出端A和輸出端B與耦合腔相連處的交界面的深度大于其在水平面上的寬度。輸入端與耦合腔相連處的交界面的深度小于其在水平面上的寬度。由此保證了匹配端、輸出端A和輸出端B的電場的極化方向主要為水平極化，即匹配端、輸出端A和輸出端B與耦合腔相連處的交界面的中心處的電場的水平分量的幅值大于其垂直分量的幅值。同時又保證了輸入端的電場的極化方向主要為垂直極化，即輸入端與耦合腔相連處的交界面的中心處的電場的垂直分量的幅值大于其水平分量的幅值。深度是指耦合腔上端面指向下端面的高度。寬度是指由耦合腔左端面指向右端面的長度。匹配端與耦合腔相連處的交界面中心處的法線方向與輸出端A與耦合腔相連處交界面中心處的法線方向之間的夾角以九十度為佳，也可以設(shè)置為大于60度小于120度的角度。匹配端與耦合腔相連處交界面中心處的法線方向和輸出端B與耦合腔相連處交界面中心處的法線方向之間的夾角也以九十度為佳，也可以設(shè)置為大于60度小于120度的角
度。`為了增加工作帶寬，輸入端在與耦合腔相連處位于耦合腔外設(shè)置有至少一個只接觸其底部或頂部的金屬，金屬柱不延伸進耦合腔。同時，輸入端、輸出端A、輸出端B外分別設(shè)置有寬度比相應(yīng)的各端口寬度差別超過10%的傳輸線，所述輸入端、輸出端A、輸出端B遠離耦合腔的一端均分別設(shè)置有端口寬度比相應(yīng)的各端口寬度變化大于或等于10%的傳輸線，而且該傳輸線為空波導(dǎo)或脊波導(dǎo)或同軸線。為了便于將該器件分為底座和蓋板，分別采用普通數(shù)控銑床一次性加工完成，簡化加工，更好地保證加工精度，特別是在由此構(gòu)成多路功分網(wǎng)絡(luò)時，該E面十字形功率分配器中的耦合腔、輸入端、輸出端A、輸出端B、匹配端的上表面都齊平。本實用新型提供了一種寬帶、輸出端之間具有良好隔離、幅相一致性好的波導(dǎo)功分器。由于該功分器可以分為底座和蓋板，分別采用普通數(shù)控銑床一次性加工完成，在相互串接構(gòu)成多路功分網(wǎng)絡(luò)時，所有電路都可以分為底座和蓋板，分別采用普通數(shù)控銑床一次性加工完成，由此大大簡化了加工，同時更好地保證了加工精度。與已有的魔T相比，該實用新型為準平面結(jié)構(gòu)。與已有的E面或H面波導(dǎo)環(huán)形電橋相比，該實用新型可以選擇對稱結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上保證了器件的輸出端A、輸出端B幅度和相位在理論上完全一致，并同時具有更寬的工作帶寬。該實用新型也可以采用左右不對稱結(jié)構(gòu)，從而使二路輸出功率不相等。這時，由于兩個輸出端的固有相位差可以比90度小，其相位匹配比其他二路不等分功分器容易。需要指出的是，該功分器在等幅均分時可以作為和差器使用。這時，信號由輸出端A和輸出端B分別同時輸入所述功分器，兩信號的差信號由匹配端輸出，和信號則由輸入端輸出。此時匹配端處的匹配負載由差信號通道代替。本實用新型的工作原理可以簡述如下:當(dāng)微波信號通過輸入端進入到耦合腔中后，匹配端由于其極化方向與輸入端的極化方向垂直，將沒有能量輸出。能量大部分從輸出端A和輸出端B上輸出。當(dāng)微波信號通過輸出端A進入到耦合腔中后，部分能量將從輸入端輸出，另一部分能量從匹配端輸出，而通過輸出端B輸出的能量很小。因此，很好地實現(xiàn)了輸出端A和輸出端B之間的隔離。通過調(diào)整輸入端、輸出端A、輸出端B、匹配端和耦合腔的尺寸、形狀和相對位置，并同時調(diào)節(jié)連接各個端口的傳輸線的尺寸，可以實現(xiàn)各端口的良好匹配、輸出端之間的良好隔離，同時保證波導(dǎo)功分器在寬頻帶范圍內(nèi)的幅相精確度。本實用新型的優(yōu)點在于:總體占用體積小，輸出隔離效果好，輸出相位幅度可達到等相位輸出。

圖1為本實用新型的俯視圖。圖2為實施實例I的俯視圖。圖3為實施實例I的計算結(jié)果曲線。附圖中標(biāo)號對應(yīng)名稱:1-1禹合腔,2-輸入端,3-輸出端A, 4-輸出端B, 5_匹配端，6-金屬柱,7-匹配負載,8-傳輸線。參見圖1，所述前端面為紙面垂直放置時的上方，所述后端面為紙面垂直放置時的下方。上表面為平行于紙面指 向外側(cè)方向，下表面為平行于紙面指向內(nèi)側(cè)方向。
具體實施方式
實施實例I如圖1、2所示，E面十字形功率分配器，包括耦合腔1，與耦合腔I連通的輸入端2、輸出端A3、輸出端B4和匹配端5。匹配端5外連接匹配負載7，匹配負載7用以吸收從耦合腔I耦合到匹配端5的所有微波能量。輸入端2、輸出端A3、輸出端B4和匹配端5在與耦合腔I相連處的交界面的中心處的法線方向與耦合腔I上端面之間的夾角可為零度或30度或15度，在圖1和2中的夾角角度為零度。耦合腔I在水平面上沿輸入端2的軸線方向上的最大尺寸為3.5毫米，僅為該E面十字形功率分配器的最高工作頻率IOGHz對應(yīng)的自由空間波長的7/60 (小于1/2)。耦合腔1、輸入端2、輸出端A3、輸出端B4和匹配端5所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)呈左右鏡像對稱形狀。耦合腔I為矩形體結(jié)構(gòu)，是比較簡單的單連通空腔結(jié)構(gòu)。輸出端A3位于耦合腔I左端面，輸出端B4位于耦合腔I右端面，匹配端5位于耦合腔I的前端面，輸入端2位于耦合腔I的后端面，前端面和后端面為耦合腔I的兩個相對的平面，左端面和右端面為耦合腔I的兩個相對的平面，輸出端A3、輸出端B4分別位于匹配端5的兩側(cè)。[0041]匹配端5、輸出端A3和輸出端B4與耦合腔I相連處的交界面的深度大于其在水平面上的寬度。輸入端2與耦合腔I相連處的交界面的深度小于其在水平面上的寬度。由此保證了匹配端5、輸出端A3和輸出端B4的電場的極化方向主要為水平極化，即匹配端5、輸出端A3和輸出端B4與耦合腔I相連處的交界面的中心處的電場的水平分量的幅值大于其垂直分量的幅值。同時又保證了輸入端2的電場的極化方向主要為垂直極化，即輸入端2與耦合腔I相連處的交界面的中心處的電場的垂直分量的幅值大于其水平分量的幅值。匹配端5與耦合腔I相連處的交界面中心處的法線方向和輸出端A3與耦合腔I相連處交界面中心處的法線方向之間的夾角為九十度。匹配端5與耦合腔I相連處交界面中心處的法線方向與輸出端B4和耦合腔I相連處交界面中心處的法線方向之間的夾角也為九十度。輸入端2與耦合腔I相連處位于耦合腔I外都分別設(shè)置了一個只在其底部與輸入端2接觸的金屬柱6。同時,輸入端2、輸出端A3、輸出端B4在遠離I禹合腔的一端分別設(shè)置有寬度比相應(yīng)的各端口寬度寬10%以上的傳輸線8，輸入端2外接脊波導(dǎo)，輸出端A3、輸出端B4外接波導(dǎo)。耦合腔1、輸入端2、輸出端A3、輸出端B4、匹配端5的上表面都齊平。圖3為該E面十字形功率分配器的模擬曲線。圖中，Sll表示輸入端的反射系數(shù)。S21表不輸入端到輸出端A的傳輸系數(shù)。S31表不輸入端到輸出端B的傳輸系數(shù)。S22表示輸出端A的反射系數(shù)。S33表示輸出端B的反射系數(shù)。S44表示匹配端的反射系數(shù)。S32表示輸出端A和輸出端B之間的隔離系數(shù)。從圖3中可以看出，從7G到IOG的超過35%的相對帶寬范圍內(nèi)，該器件各端口的反射系數(shù)都低于-18·.5dB,兩個輸出端之間的隔離度大于19dB,輸出端A3的輸出介于_3dB和-3.2dB之間，波動小于0.2dB。由于器件為左右對稱結(jié)構(gòu)，兩個輸出端的幅度和相位都
完全一致。上述僅為舉例，給出了本實用新型的較佳的實現(xiàn)方式之一。該實用新型也可以采用不對稱結(jié)構(gòu)，構(gòu)成不等分功分器。實際生產(chǎn)中，耦合腔I可以為各種形狀的空腔，內(nèi)部還可以設(shè)置各種金屬凸臺或凹槽。本實用新型的E面十字形功率分配器具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、35%的相對帶寬、加工調(diào)試成本低、輸出端之間隔離度好、輸出端之間幅相精度高等特點。特別是其準平面結(jié)構(gòu)，既可以單獨使用，更可以構(gòu)成多路功分器、和差器、比較器等。這些器件都可以分為底座和蓋板，分別采用普通數(shù)控銑床一次性加工完成，很好地保證了器件的加工精度。該器件可以廣泛用于雷達、導(dǎo)彈制導(dǎo)、通信等軍事及民用領(lǐng)域。
權(quán)利要求1.E面十字形功率分配器，其特征在于，包括耦合腔(1)，與耦合腔(I)連通的輸入端(2)、輸出端A (3)、輸出端B (4)和匹配端(5);匹配端(5)遠離耦合腔(I)的一端連接匹配負載(7);輸出端A (3)位于耦合腔(I)左端面，輸出端B (4)位于耦合腔(I)右端面，匹配端(5)位于耦合腔(I)的前端面，輸入端(2)位于耦合腔(I)的后端面，所述前端面為紙面垂直放置時的上方，所述后端面為紙面垂直放置時的下方；前端面和后端面為耦合腔(I)的兩個相對的平面，左端面和右端面為耦合腔(I)的兩個相對的平面，輸出端A (3)、輸出端B(4)分別位于匹配端(5)的兩側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的E面十字形功率分配器，其特征在于，所述輸入端(2)或\和輸出端A (3)或\和輸出端B (4)或\和匹配端(5)與耦合腔(I)相連處的交界面在其中心處的法線方向與耦合腔(I)上端面之間的夾角都小于或等于30度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的E面十字形功率分配器，其特征在于，所述匹配端(5)與耦合腔(I)相連處的交界面中心處的法線方向和輸出端A (3)與耦合腔(I)相連處交界面中心處的法線方向之間的夾角大于60度小于120度；所述匹配端(5)與耦合腔(I)相連處的交界面中心處的法線方向和輸出端B (4)與耦合腔(I)相連處交界面中心處的法線方向之間的夾角大于60度小于120度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的E面十字形功率分配器，其特征在于，所述耦合腔(I)為單連通空腔結(jié)構(gòu)，即該耦合腔(I)內(nèi)部的任何封閉曲線都可以在該耦合腔(I)內(nèi)連續(xù)收斂于一個點。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的E面十字形功率分配器，其特征在于，耦合腔(I)、輸入端(2)、輸出端A (3)、輸出端B (4)和匹配端(5)所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)呈左右鏡像對稱形狀,輸出端A (3)和輸出端B (4)相關(guān)于 匹配端(5)呈對稱排布。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的E面十字形功率分配器，其特征在于，所述匹配端(5)與耦合腔(I)相連處的交界面的中心處的電場的水平分量的幅值大于其垂直分量的幅值；輸入端(2)與耦合腔(I)相連處的交界面的中心處的電場的垂直分量的幅值大于其水平分量的幅值；輸出端A (3)與耦合腔(I)相連處的交界面的中心處的電場的水平分量的幅值大于其垂直分量的幅值；輸出端B (4)與耦合腔(I)相連處的交界面的中心處的電場的水平分量的幅值大于其垂直分量的幅值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的E面十字形功率分配器，其特征在于，在所述輸入端(2)上與耦合腔(I)相連處位于耦合腔(I)外設(shè)置有至少一個只接觸其底部或頂部的金屬柱A (6)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的E面十字形功率分配器，其特征在于，所述耦合腔(I)在耦合腔(I)上端面上某一方向上的最大尺寸小于或等于該E面十字形功率分配器的最高工作頻率對應(yīng)的自由空間波長的一半。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的E面十字形功率分配器，其特征在于，所述耦合腔(I)、輸入端(2)、輸出端A (3)、輸出端B (4)、匹配端(5)的上表面齊平。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任意一項所述的E面十字形功率分配器，其特征在于，所述輸入端(2)、輸出端A (3)、輸出端B (4)在遠離耦合腔(I)的一端均分別設(shè)置有端口寬度比相應(yīng)的各端口寬度變化大于或等于10%的傳輸線(8)，而且該傳輸線為空波導(dǎo)或脊波導(dǎo)或同軸線；輸入端(2)為矩形波導(dǎo)或脊波導(dǎo)；輸出端A (3)、輸出端B (4)、匹配端(5)為矩形波導(dǎo)；耦合腔(I)為矩形體。
專利摘要本實用新型公布了E面十字形功率分配器，包括耦合腔，與耦合腔連通的輸入端，輸出端A，輸出端B和匹配端。該器件可以為左右對稱結(jié)構(gòu)，輸入端，輸出端A，輸出端B和匹配端在與耦合腔相連處交界面中心處的法線方向都與耦合腔上端面之間的夾角都小于或等于30度。其中輸入端的寬度大于其高度，匹配端，輸出端A，輸出端B的高度大于其寬度。耦合腔在耦合腔上端面上某一方向上的最大尺寸小于該E面十字形功率分配器的最高工作頻率對應(yīng)的自由空間波長的一半。本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、寬帶、加工調(diào)試成本低、輸出端之間隔離度好、輸出端之間幅相精度高等特點，可以構(gòu)成多路功分器、和差器、比較器等，廣泛用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、通信等軍事及民用領(lǐng)域。
文檔編號H01P5/16GK203134954SQ201320157069
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月1日
發(fā)明者王清源, 譚宜成, 李玉萃 申請人:成都賽納賽德科技有限公司