CN103378395B - 一种具有共面臂的e面波导魔t - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有共面臂的E面波导魔T，应用在微波技术领域；包括第一输入/输出波导、第二输入/输出波导、第三输入/输出波导和第四输入/输出波导；其特征在于：第一输入/输出波导、第二输入/输出波导、第三输入/输出波导和第四输入/输出波导设置在同一平面上。本发明魔T便于加工装配和紧凑系统连接；此外本发明魔T具有良好功分幅度平衡性和相位平衡性，具有良好的端口间隔离性能。
Description
技术领域
本发明涉及微波技术领域，更具体地说，涉及一种波导魔T。
背景技术
随着射频微波技术的迅速发展，为了满足各种技术需求，人们发明设计了各种射频微波器件，而魔T则是这些器件中常用的一种。魔T是一个4端口器件，通常由E面结和H面结结合而成。魔T有几个重要特性：功率的平分性，即魔T相邻两口有3dB的耦合量；对口隔离性，即正交的两个端口相互隔离；自动匹配性，即正交的两个端口匹配后，剩下的两个端口自动匹配。由于这些特性，魔T有着广泛应用。魔T被用于平衡混频器，两个独立的信号在两个石英晶体之间分别等分。魔T被用作功分器，实现输入信号功率等分。魔T还被用作阻抗桥、标准移相器。此外，魔T还经常用于天线馈电系统中。
传统魔T是由E-T和H-T接头组合而成，如图3所示。由于结构对称性，正交的两个端口之间相互隔离。另外，为了消除接头处的不连续性，通常加入一些锥体、销钉、金属膜片等元件，实现端口的匹配。传统魔T的四个臂在4个方向，而且4个臂不在同一个平面上，这样不利于系统集成。锥体、销钉、金属膜片等匹配元件也比较难加工和装配。接着，有学者提出E面折叠魔T和H面折叠魔T，就是将E面两个臂折叠到同一个方向或者将H面两个臂折叠到同一个方向，如图4所示。这样，在某些场合方便系统连接，但其第四个臂与剩下的3个臂仍不在同一个平面。E面折叠魔T和H面魔T也需要加入金属膜片等难以加工和装配的匹配元件实现端口的匹配。又有学者利于定向耦合器与移相器相结合设计出新型魔T结构。由于结构的不对称性，这种结构的魔T的功分幅度和相位平衡性较差。另外，宽带移相器比较难设计，故一般这种结构的魔T的带宽有限。近来有学者基于H面波导TE10-TE20模模式转换器设计出魔T。该魔T通过优化H面的轮廓线和在接头区域的金属杆的位置和尺寸来实现。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有共面臂、便于加工装配和紧凑系统连接、具有良好功分幅度平衡性和相位平衡性，具有良好的端口间隔离性能的E面波导魔T。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种具有共面臂的E面波导魔T，包括第一输入/输出波导、第二输入/输出波导、第三输入/输出波导和第四输入/输出波导；其特征在于：第一输入/输出波导、第二输入/输出波导、第三输入/输出波导和第四输入/输出波导设置在同一平面上。本发明魔T所有波导都在同一个平面上，便于进行级联形成大系统，也便于与其它器件连接。
所述第一输入/输出波导、第二输入/输出波导和第三输入/输出波导连接形成“T”形器件；所述的第一输入/输出波导、第二输入/输出波导和第三输入/输出波导连接形成“T”形器件是指，第二输入/输出波导和第三输入/输出波导设置在同一轴线上，第一输入/输出波导设置在第二输入/输出波导和第三输入/输出波导所在轴线的垂直方向上；所述第四输入/输出波导设置在“T”形器件的上方。
进一步的方案是：第四输入/输出波导通过微带线与第一输入/输出波导、第二输入/输出波导和第三输入/输出波导组成的“T”形器件连接。
所述第二输入/输出波导和第三输入/输出波导的结构对称；所述第二输入/输出波导和第三输入/输出波导均包括依次连接的半高度波导段、波导阻抗匹配段和标准波导端口。本发明魔T的结构具有对称性，从第一输入/输出波导进入的信号，在第二输入/输出波导和第三输入/输出波导之间功率等分，而且相位相差180度；从第四输入/输出波导进去的信号，在第二输入/输出波导和第三输入/输出波导之间功率等分，相位相同；结构对称性使魔T有良好的功分幅度平衡性和相位平衡性。
在第一输入/输出波导、第二输入/输出波导和第三输入/输出波导形成的接头处设有用于消除接头处不连续性和实现端口匹配的波导切角。第二输入/输出波导和第三输入/输出波导的接头处具有不连续性，加入波导切角可消除接头处的不连续性，同时可实现第一输入/输出波导的端口匹配。
所述微带线设置在第一输入/输出波导的轴线上；所述微带线的一端伸入到第四输入/输出波导内，另一端伸入到第一输入/输出波导、第二输入/输出波导和第三输入/输出波导形成的接头处。
所述微带线包括依次连接的第一耦合段、第一阻抗匹配段、第二阻抗匹配段和第二耦合段；所述第一耦合段设置在第一输入/输出波导、第二输入/输出波导和第三输入/输出波导形成的接头处；所述第二耦合段设置在第四输入/输出波导中。本发明魔T的微带线分段设计，通过调整各段的尺寸可实现第四输入/输出波导的端口匹配。
本发明相对于现有技术具备如下的突出优点和效果：
1、本发明魔T的所有波导设置在同一个平面上，便于加工，便于在紧凑系统中进行级联形成大系统，也便于与其它器件连接；
2、本发明魔T不需要加入类似锥体、金属膜片、销钉等难以加工和装配的匹配元件，仅通过波导切角、微带线和波导阻抗匹配段实现各个波导的端口匹配，易于加工和装配实现；
3、本发明魔T可以有很宽的带宽，具有良好功分幅度平衡性和相位平衡性，以及良好的端口间隔离性能。
附图说明
图1是本发明魔T的结构示意图；
图2是本发明魔T的剖视图；
图3是传统魔T的结构示意图；
图4是E面折叠魔T的结构示意图；
图5是第一输入/输出波导的反射系数和信号从第一输入/输出波导11输入时，第二输入/输出波导12和第三输入/输出波导13的功分系数；
图6是第四输入/输出波导14的反射系数和信号从第四输入/输出波导14输入时，第二输入/输出波导12和第三输入/输出波导13的功分系数；
图7是第一输入/输出波导11和第四输入/输出波导14之间的隔离特性与第二输入/输出波导12和第三输入/输出波导13之间的隔离特性；
其中，11为第一输入/输出波导、12为第二输入/输出波导、13为第三输入/输出波导、14为第四输入/输出波导、21为波导阻抗匹配段、31为波导切角、41为第一耦合段、42为第一阻抗匹配段、43为第二阻抗匹配段、44为第二耦合段、51为半高度波导段。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本发明E面波导魔T，其结构如图1所示；包括第一输入/输出波导11、第二输入/输出波导12、第三输入/输出波导13和第四输入/输出波导14；第一输入/输出波导11、第二输入/输出波导12、第三输入/输出波导13和第四输入/输出波导14设置在同一平面上。本发明魔T所有波导都在同一个平面上，便于进行级联形成大系统，也便于与其它器件连接。
第一输入/输出波导11、第二输入/输出波导12和第三输入/输出波导13连接形成“T”形器件；第一输入/输出波导11、第二输入/输出波导12和第三输入/输出波导13连接形成“T”形器件是指，第二输入/输出波导12和第三输入/输出波导13设置在同一轴线上，第一输入/输出波导11设置在第二输入/输出波导12和第三输入/输出波导13所在轴线的垂直方向上。第四输入/输出波导14设置在“T”形器件的上方。第二输入/输出波导12和第三输入/输出波导13的结构对称。第四输入/输出波导14通过微带线与第一输入/输出波导11、第二输入/输出波导12和第三输入/输出波导13组成的“T”形器件连接，如图2所示。微带线设置在第一输入/输出波导12的轴线；微带线的一端伸入到第四输入/输出波导14内，另一端伸入到第一输入/输出波导11、第二输入/输出波导12和第三输入/输出波导13形成的接头处。
魔T的结构具有对称性，从第一输入/输出波导11进入的信号，在第二输入/输出波导12和第三输入/输出波导13之间功率等分，而且相位相差180度；从第四输入/输出波导14进去的信号，在第二输入/输出波导12和第三输入/输出波导13之间功率等分，相位相同；结构对称性使魔T有良好的功分幅度平衡性和相位平衡性。同时，结构的对称性、微带线的摆放和微带线的优化设计使第一输入/输出波导11和第四输入/输出波导14之间有良好隔离，第二输入/输出波导12和第三输入/输出波导13之间也有良好的隔离。
微带线包括依次连接的第一耦合段41、第一阻抗匹配段42、第二阻抗匹配段43和第二耦合段44；第一耦合段41设置在第一输入/输出波导11、第二输入/输出波导12和第三输入/输出波导13形成的接头处；第二耦合段44设置在第四输入/输出波导14中。本发明微带线分段设计，首先通过调整第一耦合段41和第二耦合段44的尺寸，优化信号耦合；再调整第一阻抗匹配段42和第二阻抗匹配段43的尺寸，实现第四输入/输出波导14的端口匹配。
第二输入/输出波导12和第三输入/输出波导13均包括依次连接的半高度波导段51、波导阻抗匹配段21和标准波导端口。通过波导阻抗匹配段21将半高度波导段51变换到标准波导端口。
在第一输入/输出波导11、第二输入/输出波导12和第三输入/输出波导13形成的接头处设有用于消除接头处不连续性和实现端口匹配的波导切角31。第二输入/输出波导12和第三输入/输出波导13形成的接头处具有不连续性，加入波导切角31消除接头处的不连续性，同时可实现第一输入/输出波导11的端口匹配。波导切角31的形状和大小通过电磁仿真软件AnsoftHighFrequencyStructureSimulator调整参数进行仿真来确定。波导切角31的实现形式和形状有很多种，波导切角31的设计一方面要实现消除接头处的不连续性和端口匹配；另一方面，波导切角31要有足够尺寸开窗，放置微带线，实现与第四输入/输出波导14的连接。
本发明魔T可用于多种场合。例如：一、在第一输入/输出波导11或者第四输入/输出波导14上可连接匹配负载，本发明魔T可用作功率分配器/合成器；该功率分配器/合成器级联形成更大路数的功率分配/合成网络；二、本发明魔T的第一输入/输出波导11和第四输入/输出波导14可以得到从第二输入/输出波导12和第三输入/输出波导13输入的信号的差分信号与和信号，因此魔T可应用于雷达或天线系统的馈电系统中；三、本发明魔T可用作基本元件，用在标准移相器、阻抗桥、平衡混频器等方面。
下面以工作中心频率为30GHz的魔T作为例子进行说明，第一输入/输出波导11、第二输入/输出波导12、第三输入/输出波导13和第四输入/输出波导14的宽边长度取7.12mm，窄边长度取3.56mm，则半高度波导51窄边长度取1.78mm。通过电磁仿真软件来调整切角31的尺寸来实现消除接头处的不连续性和端口匹配，最终得到对应剖视图图2的切角等腰梯形的上底长度为1.8mm，下底长度为2.52mm，斜边长度为0.86mm。第一输入/输出波导的反射系数和信号从第一输入/输出波导11输入时，第二输入/输出波导12和第三输入/输出波导13的功分系数如图5所示。最后，调整微带线第一耦合段41、第一阻抗匹配段42、第二阻抗匹配段43和第二耦合段44使得第四输入/输出波导实现匹配，同时实现第一输入/输出波导11和第四输入/输出波导14之间的隔离以及第二输入/输出波导12和第三输入/输出波导13之间的隔离。第四输入/输出波导14的反射系数和信号从第四输入/输出波导14输入时，第二输入/输出波导12和第三输入/输出波导13的功分系数如图6所示。端口之间的隔离特性如图7所示。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种具有共面臂的E面波导魔T，包括第一输入/输出波导、第二输入/输出波导、第三输入/输出波导和第四输入/输出波导；其特征在于：第一输入/输出波导、第二输入/输出波导、第三输入/输出波导和第四输入/输出波导设置在同一平面上；所述的第一输入/输出波导、第二输入/输出波导、第三输入/输出波导和第四输入/输出波导设置在同一平面上是指，第一输入/输出波导、第二输入/输出波导、第三输入/输出波导和第四输入/输出波导的上表面均位于平面一上，同时第一输入/输出波导、第二输入/输出波导、第三输入/输出波导和第四输入/输出波导的下表面均位于平面二上；
所述第一输入/输出波导、第二输入/输出波导和第三输入/输出波导连接形成“T”形器件；第四输入/输出波导通过微带线与第一输入/输出波导、第二输入/输出波导和第三输入/输出波导组成的“T”形器件连接。
2.根据权利要求1所述的具有共面臂的E面波导魔T，其特征在于：所述的第一输入/输出波导、第二输入/输出波导和第三输入/输出波导连接形成“T”形器件是指，第二输入/输出波导和第三输入/输出波导设置在同一轴线上，第一输入/输出波导设置在第二输入/输出波导和第三输入/输出波导所在轴线的垂直方向上；所述第四输入/输出波导设置在“T”形器件的上方。
3.根据权利要求2所述的具有共面臂的E面波导魔T，其特征在于：所述第二输入/输出波导和第三输入/输出波导的结构对称；所述第二输入/输出波导和第三输入/输出波导均包括依次连接的半高度波导段、波导阻抗匹配段和标准波导端口。
4.根据权利要求3所述的具有共面臂的E面波导魔T，其特征在于：在第一输入/输出波导、第二输入/输出波导和第三输入/输出波导形成的接头处设有用于消除接头处不连续性和实现端口匹配的波导切角。
5.根据权利要求1所述的具有共面臂的E面波导魔T，其特征在于：所述微带线设置在第一输入/输出波导的轴线上；所述微带线的一端伸入到第四输入/输出波导内，另一端伸入到第一输入/输出波导、第二输入/输出波导和第三输入/输出波导形成的接头处。
6.根据权利要求5所述的具有共面臂的E面波导魔T，其特征在于：所述微带线包括依次连接的第一耦合段、第一阻抗匹配段、第二阻抗匹配段和第二耦合段；所述第一耦合段设置在第一输入/输出波导、第二输入/输出波导和第三输入/输出波导形成的接头处；所述第二耦合段设置在第四输入/输出波导中。
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