三维多路径向功分器转让专利
申请号 : CN202010472280.1
文献号 : CN111463539B
文献日 : 2021-07-27
发明人 : 黄卡玛 , 卢萍 , 杨阳 , 朱铧丞
申请人 : 四川大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种三维多路径向功分器,其特征在于:电路的主体由一段直线型同轴波导与一段内外径渐变的同轴锥体连接而成,同轴锥体由实心金属锥体(4)和在其外同轴设置的锥形金属外壳(3)构成,实心金属锥体(4)和锥形金属外壳(3)围成的波导腔(5)为空气填充,波导腔(5)的终端设有短路面(6),在直线型同轴波导的左端中心安装一个同轴接头(1),在锥形金属外壳上沿其轴向安装有N级同轴探针阵列,N>1,每级同轴探针阵列含有若干同轴探针(2),同一级所有同轴探针(2)沿该级探针所处锥形金属外壳的横截面圆周等夹角排列,所有同轴探针(2)沿该横截面径向插入至波导腔(5)内;波导腔内为TEM单模行波传输状态,通过设计各级同轴探针的长度和探针沿轴向的位置,实现N级幅度与相位不相等的输出信号;通过调节同轴探针插入波导腔的长度,在一定相位差范围内独立改变输出信号的幅度。
2.根据权利要求1所述的一种三维多路径向功分器,其特征在于:直线型同轴波导的左端为信号输入端,采用同轴接头(1)中心馈电,在渐变同轴锥体外壳上沿其轴向依次排列的N级同轴探针阵列,形成三维的输出结构,第i级同轴探针阵列由mi个完全相同的同轴探针(2)构成,i =2 ‑ N,每级同轴探针阵列包含的同轴探针数量mi为整数值,且mi≥2,同一级所有同轴探针环绕锥形金属外壳横截面的圆周等夹角分布,并沿该横截面的径向插入波导腔内,波导腔内采用主模TEM模的单模工作状态,电磁能量经每级同轴探针耦合输出后逐级衰减,TEM波在波导内的传播近似为行波,每一级同轴探针耦合出的电磁能量由该级同轴探针的耦合量和其前级所有同轴探针输出信号的幅度共同决定。
3.根据权利要求1所述的一种三维多路径向功分器,其特征在于:波导腔(5)保证主模TEM模的单模工作状态,由于电路结构与波导腔内的电磁场分布均具有轴对称性,因此同一级所有同轴探针输出信号的幅度和相位完全相同。
4.根据权利要求1所述的一种三维多路径向功分器,其特征在于:所述功分器为3级36路三维径向功分器,第1级至第3级同轴探针阵列沿同轴锥体的轴向依次排列,每级同轴探针阵列包含的同轴探针数量依次为4、12、20,共计36路输出。
5.根据权利要求1所述的一种三维多路径向功分器,其特征在于:同轴接头(1)采用N型同轴接头。
6.根据权利要求1所述的一种三维多路径向功分器,其特征在于:同轴探针(2)采用SMA型同轴接头,SMA型同轴接头的内芯为长度可调节的内芯。
说明书 :
三维多路径向功分器
技术领域
背景技术
种不同的应用场合,需要相控阵天线实现多种甚至任意的口径场分布,而随着天线阵列规
模的增大,相应馈电网络的设计与实现面临着诸多困难。
输出,取代了衰减器和移相器以降低系统的损耗和成本。但随着天线阵列规模的增大,微带
型功分器的设计难度和损耗也相应增大,当天线需要实现特殊的口径场分布时,微带功分
器较难实现复杂幅相分布的信号输出。与微带型功分器相比,波导型功分器具有相对更高
的功率容量和更低的损耗,采用探针耦合的输出方式也使输出信号的幅度与相位更容易调
节。波导型功分器一般基于矩形波导、径向波导或同轴波导等电路实现。矩形波导由于其非
均匀的场工作模式和色散特性,在许多应用场合中受到了限制。而基于径向波导或同轴波
导的功分器,其电路结构和场工作模式均具有轴对称性,工作带宽也相对较宽,因而更具应
用潜力。2007年,Kaijun Song在《Broad‑Band Power Divider Based On Radial
Waveguide》一文中提出并设计实现了一款基于径向波导的4路功分器,这类结构的功分器
可实现较多的输出路数,但电路的阻抗匹配相对困难。2013年,Kaijun Song等人在《Ultra‑
Wideband Ring‑Cavity Multiple‑Way Parallel Power Divider》一文中提出一种基于环
形腔的32路径向功分器,在环形腔的顶部安装有32个输出探针,由于输出端口全部位于一
个二维平面上,输出端口的数量直接受限于环形腔的半径尺寸。已有的微带型功分器和波
导功分器,其输出端口一般位于电路结构中的某个二维平面上,输出端口数量直接受限于
电路的尺寸,输出信号也多为等幅同相分布或某种单一、固定的分布,因而在大规模阵列天
线的应用中受到限制。
题,本发明提出一种新型的三维多路径向功分器,该功分器的输出端为三维结构的多级探
针阵列,这种输出结构同时利用了波导的轴向和横向尺寸,突破了波导的二维横截面尺寸
对输出端口数量的直接限制。同时,通过设计探针的结构和位置可以实现各种不同的输出
信号幅度与相位,得到较为复杂的信号输出分布。在功分器设计完成后,调节同轴探针的长
度可以进一步改变输出信号的幅度,调节与天线单元相连接的同轴线长度可以进一步改变
输出信号的相位。因此,该三维径向功分器大幅提高了输出信号的路数,可以实现多种复杂
的非等幅同相输出,并能够独立对输出信号的幅度和相位进行调节,为复杂口径分布的大
规模阵列天线实现更加精确的馈电。
发明内容
径渐变的同轴锥体连接而成。电路的输出端为沿轴向依次排列在同轴锥体表面的多级同轴
探针阵列,与传统功分器的二维输出结构相比,这种三维的输出结构利用了波导的轴向尺
寸,大幅提高了输出信号的路数,通过设计输出探针的结构和位置可以得到不同输出信号
的幅度与相位分布。功分器设计完成后,进一步改变探针的长度可以调节输出信号的幅度,
改变与天线单元相连接的同轴线长度调节输出信号的相位,实现输出信号幅度与相位的独
立调节,满足复杂口径分布的大规模相控阵天线的馈电需求。
构成,实心金属锥体4和锥形金属外壳3围成的波导腔5为空气填充,波导腔5的终端设有短
路面6,在直线型同轴波导的左端中心安装一个同轴接头1,在锥形金属外壳上沿其轴向安
装有N级同轴探针阵列,N≥1,每级同轴探针阵列含有若干同轴探针2,同一级所有同轴探针
2沿该级探针所处锥形金属外壳的横截面圆周等夹角排列,所有同轴探针2沿该横截面径向
插入至波导腔5内。
探针阵列由mi个完全相同的同轴探针2构成,i=1~N,每级同轴探针阵列包含的同轴探针
数量mi为整数值,且mi≥2,同一级所有同轴探针环绕锥形金属外壳横截面的圆周等夹角分
布,并沿该横截面的径向插入波导腔内,波导腔内采用主模TEM模的单模工作状态,电磁能
量经每级同轴探针耦合输出后逐级衰减,在波导内传播的TEM波近似为行波,每一级同轴探
针输出的电磁能量由该级同轴探针的耦合量和其前级所有同轴探针输出信号的幅度共同
决定。
同。
计36路输出。
以实现更多的信号输出路数。同时,调节探针的长度可以改变输出信号的幅度,调节连接天
线单元的同轴线长度可以改变输出信号的相位,该三维多路径向功分器可满足复杂口径分
布的大规模相控阵天线的馈电需求。
大,三维的输出结构充分利用了渐变同轴锥体的轴向尺寸,从而可以大幅提高输出信号的
路数,并可通过设计输出探针的结构和位置得到各种不同的输出信号幅度与相位分布。在
设计三维径向功分器时,按照输出信号幅度与相位分布的要求,将基于传输线理论的等效
电路模型与三维电磁仿真优化技术相结合,计算出最终的波导结构参数与探针的结构位置
参数。
针的结构与位置得到多种不同的输出信号幅度与相位分布,从而实现各种复杂口径分布的
阵列天线。该三维功分器的设计可将将基于传输线理论的等效电路模型与三维电磁仿真优
化技术相结合,将阻抗匹配,工作频率和输出信号幅相分布作为优化目标,确定最终的波导
结构参数和探针的结构位置参数。功分器设计完成后,进一步改变探针的长度和连接天线
单元的同轴线长度可以对输出信号的幅度与相位进行独立调节。该三维多路径向功分器可
以用作大规模相控阵天线的馈电网络,在微波无线输能,通信以及雷达等工程领域具有应
用潜力。
附图说明
响应曲线;
具体实施方式
施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离
本发明的精神下进行各种修饰或改变。
属外壳3构成,实心金属锥体4和锥形金属外壳3围成的波导腔5为空气填充,波导腔5的终端
设有短路面6。在直线型同轴波导的左端中心安装一个同轴接头1,在锥形金属外壳上沿其
轴向安装有N级同轴探针阵列,N≥1,每级同轴探针阵列含有若干同轴探针2,同一级所有同
轴探针2沿该级探针所处锥形金属外壳的横截面圆周等夹角排列,所有同轴探针2沿该横截
面径向插入至波导腔5内。
由mi个完全相同的同轴探针2构成,i=1~N。每级同轴探针阵列包含的同轴探针数量mi为整
数值,且mi≥2,同一级所有同轴探针环绕锥形金属外壳横截面的圆周等夹角分布,并沿该
横截面的径向插入波导腔内。波导腔内采用主模TEM模的单模工作状态,电磁能量经每级同
轴探针耦合输出后逐级衰减,TEM波在波导内的传播近似为行波,每一级同轴探针输出的电
磁能量由该级同轴探针的耦合量和其前级所有同轴探针输出信号的幅度共同决定。
出。
分布,因此同一级所有同轴探针输出的信号等幅同相。假定波导腔内TEM波的传播近似为行
波,电磁能量经每级同轴探针耦合后衰减,每一级同轴探针输出信号的幅度由该级探针的
耦合量和前级所有探针耦合出的信号幅度共同决定,而每级探针的耦合量由内芯的长度和
探针阵列所在横截面处同轴锥体内外导体的半径共同决定。每级探针输出信号的相位由该
级探针在波导腔内波传播方向上的位置决定,以某级探针的输出相位作为参考相位,各级
输出信号的相位差由探针阵列之间的相对位置决定。
的输出信号。此外,进一步调节探针的长度和与天线单元连接的同轴线长度,可以独立改变
输出信号的幅度和相位,从而该功分器可用于实现具有多种复杂口径分布的大规模相控阵
天线。
位分布作为功分器的设计目标。功分器各端口输出信号的理想幅度和相位分布由表1给出,
同时还给出了在满足输入端反射系数|S11|小于‑20dB时,功分器各输出端口的传输系数和
探针的耦合度。
每级探针输出信号的幅度由探针长度、探针底部圆盘的面积和探针位置处同轴锥体内外导
体的半径共同决定。波导采用主模TEM模的单模工作状态,波导腔内的TEM波经每级探针耦
合后逐级衰减,所有探针输出的等幅信号应通过逐级增加探针的耦合量来实现。由于波导
内的电磁场分布具有轴对称性,同一级所有探针完全相同且沿同轴锥体横截面圆周等夹角
排列,因此,同一级所有探针为等幅同相输出。功分器各级探针输出信号的相位由输入端到
该级探针沿电磁波传播方向上的距离决定。通过调节各级探针的位置,可以改变每级探针
输出信号的相位。最后,为了减小功分器输入端的反射,调节输入端与同轴锥体始端之间直
线型同轴波导的长度,以保证匹配良好。
导体外径和外导体内径分别为2R8和2R9,经长度为d5的正常同轴波导与同轴锥体始端相连
接,同轴锥体始端的内外径分别为2R6和2R7,终端为金属短路面,同轴锥体终端的内外径分
别为2R4和2R5。输出端口为标准SMA型接头,SMA接头的内导体外径和外导体内径分别为2R10
和2R11,内芯底端加载金属圆盘,用于提高耦合度,金属圆盘的直径和高度分别为2R12和Pt。
在探针位置处的同轴锥体横截面上,同轴锥体内外导体的间距依次为g1、g2、g3,实心金属锥
体横截面的半径依次为R1、R2、R3。第1级探针所在横截面相对于同轴锥体始端的轴向距离为
d1,第2级探针与第1级探针所在横截面的轴向距离为d2,第3级探针与第2级探针所在横截
面、同轴锥体终端的轴向距离分别为d3和d4,每级探针的内芯长度依次为P1、P2、P3。
路径向功分器在频率5.3GHz~6.3GHz范围内各端口的反射系数与传输系数的仿真结果,可
以看出,在5.8GHz时|S1,1|<‑20dB,第1级端口的传输系数|S2,1|~|S5,1|和第3级端口的传输
系数|S18,1|~|S37,1|一致均为‑15.7dB,第2级端口的传输系数为‑15.4dB~‑15.9dB。传输系
数的相位输出符合表1所要求的相差分布,分别为‑150°、‑100°、‑8°。在5.67GHz~5.93GHz
频率范围内,|S1,1|<‑12dB,所有输出端口耦合系数的幅度差异小于1dB,相位差异基本不
变,仍然与5.8GHz处的相差分布一致。
节SMA接头的内芯长度实现。在该实施例中,由于第3级探针数量最多,而且每级探针的实际
输出幅度与前级所有探针的输出幅度大小有关,因此不同的幅度分布输出可以通过改变第
1级和第2级探针的长度实现。
的功分器输出幅度分布,分别对应B1:P1=3.6mm且P2=5.74mm、B2:P1=3.6mm且P2=6.66mm、
C1:P1=4.3mm且P2=5.74mm、C2:P1=4.3mm且P2=6.66mm。功分器输出幅度分布如表3和图4
所示,由图4可知,B0对应输出信号的等幅分布,由分布B0和分布B1、B2所确定的覆盖面积为
功分器输出信号的相差在10°以内所能实现的幅度分布范围;由分布B0和分布C1、C2所确定
的覆盖面积为输出信号的相差在20°以内所能实现的幅度分布范围。当相差控制在10°以内
时,可实现的幅度分布最大能衰减至50%;当相差控制在20°以内时,可实现的幅度分布最
大能衰减至35%。
|T1|(dB) ‑15.6 ‑13.0 ‑12.1 ‑10.7 ‑10
|T2|(dB) ‑15.6 ‑16.2 ‑14.8 ‑17.4 ‑16.18
|T3|(dB) ‑15.6 ‑16.2 ‑17.9 ‑17.3 ‑19.18
比例 1:1:1 1:0.7:0.7 1:0.73:0.51 1:0.47:0.47 1:0.49:0.35
可以变形为其他形式的输出结构。
此,凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成
的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。