一種緊湊型的寬頻帶單脊波導(dǎo)功分器

尤清春，陸云龍，尤 陽(yáng)，黃季甫

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一種緊湊型的寬頻帶單脊波導(dǎo)功分器

尤清春，陸云龍，尤 陽(yáng)，黃季甫

（寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315211）

提出一種寬頻帶、小型化單脊波導(dǎo)功分器結(jié)構(gòu)。分支波導(dǎo)采用標(biāo)準(zhǔn)單脊波導(dǎo)，在維持較高功率容量的條件下拓展了傳輸模的主模帶寬。在T型結(jié)處設(shè)置一容性金屬平板與分支單脊波導(dǎo)相接構(gòu)成一個(gè)寬帶電抗性調(diào)諧元件，在主模帶寬拓展的情況下有效地實(shí)現(xiàn)了T型結(jié)的寬帶匹配。為了能夠與標(biāo)準(zhǔn)器件連接，設(shè)計(jì)了單脊波導(dǎo)-標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器件，采用多級(jí)階梯匹配的形式使轉(zhuǎn)換器件的阻抗帶寬與T型結(jié)保持一致。利用高頻仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真優(yōu)化，結(jié)果顯示該功分器在25~40 GHz頻率范圍內(nèi)，回波損耗小于–20 dB，信號(hào)波動(dòng)優(yōu)于0.04 dB，相對(duì)帶寬為46.2%，實(shí)際內(nèi)部尺寸比標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)功分器減少38%。該單脊波導(dǎo)功分器具有低損耗、小型化和寬頻帶的優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、天線以及功率放大器等微波設(shè)備。

小型化；寬頻帶；脊波導(dǎo)；功分器；T型結(jié)；轉(zhuǎn)換器

功分器是一種重要的微波無(wú)源器件，廣泛用于相控陣?yán)走_(dá)、天線饋線系統(tǒng)以及功率放大器等微波設(shè)備。功分器主要用來(lái)對(duì)功率進(jìn)行分配和合成，也可用作功率調(diào)配器和雙工器的輸入端。傳統(tǒng)的波導(dǎo)功分器以其低損耗、高功率容量和較寬的傳輸帶寬等優(yōu)良特性備受青睞，但它有著體積過(guò)大、加工成本較高、不便于集成等缺點(diǎn)，現(xiàn)階段也朝著小型化方面發(fā)展。

T型波導(dǎo)功分器是傳統(tǒng)波導(dǎo)功分器中最常見的一種類型，目前關(guān)于T型結(jié)已有很多文獻(xiàn)通過(guò)解析法和數(shù)值法獲得了它的近似解[1-2]。在矩形波導(dǎo)T形結(jié)的對(duì)稱面上常采用楔形和矩形波導(dǎo)窄邊的梯度過(guò)渡來(lái)減少不連續(xù)性[3]，但是由于矩形波導(dǎo)主模帶寬和單一匹配形式的限制，阻抗帶寬無(wú)法拓展。文獻(xiàn)[4]中的四路H面波導(dǎo)功分器通過(guò)增加調(diào)諧金屬柱并改變側(cè)壁的結(jié)構(gòu)獲得等幅同相的信號(hào)傳輸，在27~30 GHz頻段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了10%的相對(duì)帶寬。

脊波導(dǎo)由矩形波導(dǎo)寬邊彎折而成，相比波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以縮小尺寸，單模工作頻帶可達(dá)數(shù)個(gè)倍頻程。文獻(xiàn)[5]中的一分六脊波導(dǎo)功分器在輸入口引入階梯，并在分支波導(dǎo)加入感性金屬膜片，波導(dǎo)尺寸減小了46%。在8~12 GHz頻段內(nèi)回波損耗小于–25 dB，相對(duì)帶寬為40%。由于脊高高于波導(dǎo)高度的一半，功分器的功率容量明顯減少[6]。為了實(shí)現(xiàn)脊波導(dǎo)與標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)之間的轉(zhuǎn)換，需要為測(cè)量設(shè)備或其他設(shè)備設(shè)計(jì)接口。文獻(xiàn)[7]中的單脊波導(dǎo)到矩形波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換接口將金屬脊向矩形波導(dǎo)腔延伸并改變脊階梯的高度，在12~15.5 GHz頻段范圍內(nèi)11小于–15 dB，相對(duì)帶寬為25%。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)Ka頻段的寬頻帶、小型化單脊波導(dǎo)功分器。該單脊波導(dǎo)功分器以T型結(jié)為基本結(jié)構(gòu)，利用單脊波導(dǎo)減小功分器的尺寸并展寬了工作帶寬。為了減少T型結(jié)的不連續(xù)性，在T型結(jié)處設(shè)計(jì)了容性金屬平板，實(shí)現(xiàn)了單脊波導(dǎo)與T型結(jié)良好的阻抗變換，增加了頻帶寬度，減少損耗，并提高了功率容量。為了便于與標(biāo)準(zhǔn)器件連接，在單脊波導(dǎo)與矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換處，通過(guò)多級(jí)階梯匹配，使單脊波導(dǎo)-標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器具有良好的寬帶傳輸特性。

1 單脊波導(dǎo)功分器

該單脊波導(dǎo)功分器如圖1所示，該功分器結(jié)構(gòu)包括兩部分：第一部分為單脊H面T型結(jié)；第二部分為單脊波導(dǎo)-標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器。從端口1輸入信號(hào)，端口2和端口3獲得幅度相同、相位一致的輸出信號(hào)。

1.1 單脊H面T型結(jié)

設(shè)計(jì)的單脊H面T型結(jié)如圖2所示，一個(gè)單脊波導(dǎo)寬邊為，高為，金屬脊寬為，高為，其截止頻率（c）可以通過(guò)傳輸線理論的等效電路法求得[8]。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中選取標(biāo)準(zhǔn)單脊波導(dǎo)的設(shè)計(jì)比例（/= 1/2，/= 1/2）來(lái)計(jì)算TE10的c。與同尺寸的矩形波導(dǎo)相比，脊波導(dǎo)的c更小。單脊波導(dǎo)主模的截止波長(zhǎng)較長(zhǎng)，對(duì)于相同的工作波長(zhǎng)，波導(dǎo)尺寸可以縮小。TE10模和其他高次模截止波長(zhǎng)相隔較遠(yuǎn)，因此單模工作頻帶較寬[9]。通過(guò)計(jì)算可以得到當(dāng)= 4.4 mm，= 2.2 mm，= 1.1 mm，= 1 mm時(shí)，單脊波導(dǎo)的c為25 GHz。與相同工作頻率的標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)相比，單脊波導(dǎo)的尺寸減少了38%。

圖1 單脊T型波導(dǎo)功分器透視圖

圖2 單脊H面T型結(jié)結(jié)構(gòu)圖

將單脊波導(dǎo)應(yīng)用于T型結(jié)的設(shè)計(jì)中，為了在寬頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配特性，在T型結(jié)的交匯處設(shè)置有一個(gè)容性金屬平板，三個(gè)金屬脊階梯分別連接于金屬平板。根據(jù)階梯阻抗匹配原理，波導(dǎo)內(nèi)的感性金屬脊延伸到容性的金屬平板內(nèi)構(gòu)成的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，其阻抗匹配特性主要受輸入端口1金屬脊的起始位置（c）和金屬平板的高度（h）兩個(gè)參數(shù)影響，其中h= 1/2。通過(guò)調(diào)整金屬平板的長(zhǎng)度（l）、寬度(w)以及輸出端口2金屬脊的起始位置（l）、輸入出端口3金屬脊的起始位置（r），可以現(xiàn)實(shí)最大的阻抗匹配帶寬。為實(shí)現(xiàn)端口2和端口3等幅同相的功率分配，金屬平板和金屬脊均采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，則l=r。

表1為該T型結(jié)經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)和關(guān)鍵設(shè)計(jì)尺寸。參數(shù)c和h仿真結(jié)果如圖3所示，當(dāng)c= 0.6 mm和h= 0.5 mm時(shí)，單脊H面T型結(jié)可實(shí)現(xiàn)寬頻帶和低損耗的特性。圖中可以看出，在25~45 GHz工作頻段內(nèi)，回波損耗優(yōu)于–20 dB。

表1 單脊H面T型結(jié)參數(shù)表

圖3 參數(shù)Rc和Ph仿真結(jié)果

1.2 單脊波導(dǎo)-標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器

設(shè)計(jì)的單脊波導(dǎo)-標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器如圖4所示，這里將單脊波導(dǎo)口設(shè)置為輸入端口1，單脊波導(dǎo)的右側(cè)壁設(shè)置有WR-28標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)輸出端口2，波導(dǎo)寬度為= 7.112 mm，高度為= 3.556 mm。根據(jù)階梯阻抗匹配原理，為了實(shí)現(xiàn)寬帶的阻抗匹配，在單脊波導(dǎo)與矩形波導(dǎo)相接處設(shè)置一個(gè)容性的脊階梯過(guò)渡。脊階梯的高度（h）低于單脊波導(dǎo)金屬脊的高度，脊階梯的長(zhǎng)度（l）為1/2。在單脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換矩形波導(dǎo)的E面彎角處設(shè)置有一個(gè)階梯，E面階梯的高度（h）為1/2，E面階梯的寬度（l）為1/4。在矩形波導(dǎo)H面彎角處設(shè)置有與矩形波導(dǎo)等高的階梯，H面階梯的長(zhǎng)度（l）和寬度（h）均為脊波導(dǎo)的寬邊尺寸的一半。多級(jí)階梯匹配有效地降低了因結(jié)構(gòu)不連續(xù)性帶來(lái)的回波損耗，使該結(jié)構(gòu)具有良好的寬帶傳輸特性。

圖4 單脊波導(dǎo)-矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖

表2為該單脊波導(dǎo)-標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)和關(guān)鍵設(shè)計(jì)尺寸。該轉(zhuǎn)換器的阻抗匹配特性主要受h和h兩個(gè)參數(shù)影響，仿真結(jié)果如圖5所示，當(dāng)h= 1.16 mm和h= 0.8 mm時(shí)，轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)寬頻帶和低損耗的特性。圖中可以看出，在25~42 GHz工作頻段內(nèi)，回波損耗優(yōu)于– 20 dB。

表2 單脊波導(dǎo)-矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器參數(shù)表

圖5 參數(shù)Ch和Rh仿真結(jié)果

2 仿真結(jié)果

基于上述分析的單脊H面T型結(jié)和單脊波導(dǎo)-標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)了一個(gè)寬頻帶單脊T型波導(dǎo)功率分配器，利用HFSS軟件建模并進(jìn)行仿真，優(yōu)化后的單脊T型波導(dǎo)功率分配器的參數(shù)如表3所示。仿真結(jié)果如圖6所示，在25~40 GHz工作頻段內(nèi)，回波損耗優(yōu)于–20 dB，幅度波動(dòng)小于0.04 dB。相位特性如圖7所示，各輸出端口的相位相差± 0.1°，具有良好的幅度和相位一致性。

表3 單脊T型波導(dǎo)功分器參數(shù)表

圖6 單脊T型功分器的S參數(shù)曲線

圖7 單脊H面T型功分器輸出端口的相位曲線

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并討論了一種新型寬帶單脊T型波導(dǎo)功率分配器，并用HFSS軟件進(jìn)行建模仿真。從仿真結(jié)果可以看出，該單脊T型波導(dǎo)功率分配器的尺寸減少了38%，相對(duì)帶寬超過(guò)46.2%，實(shí)現(xiàn)了較好的幅度及相位一致性。該結(jié)構(gòu)具有低損耗、寬頻帶和小型化的優(yōu)點(diǎn)，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

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（編輯：張金平）

Compact broadband single-ridge waveguide power divider

YOU Qingchun, LU Yunlong, YOU Yang, HUANG Jifu

(Faculty of Electrical Engineering and Computer Science, Ningbo University, Ningbo 315211, Zhejiang Province, China)

A broadband, miniaturized single-ridge waveguide power divider structure was presented. The branch waveguide adopted standard single-ridge waveguide, which expanded the dominant mode bandwidth of transmission mode under the condition of maintaining high power capacity. At the T-junction, a capacitive metal flat plate was connected with the branch single-ridge waveguide to form a broadband reactive tuning element, which effectively realized the broadband matching of the T-junction under the expansion of the main mode bandwidth. In order to connect with standard devices, a single-ridge waveguide-standard rectangular waveguide conversion device was designed. The impedance bandwidth of the conversion device was consistent with the T-junction by multi-step matching. This structure was simulated and optimized by HFSS. The simulation result shows that the return loss is below –20 dB in the range of 25 －40 GHz, the signal variation is better than 0.04 dB and the power divider obtains a 46.2% of effective bandwidth. Compared with the standard rectangular waveguide power divider, the actual internal dimension of the single-ridge waveguide power divider is reduced by 38%. The single-ridge waveguide power divider takes the advantages of low loss, miniaturization and wide bandwidth, which can be widely used in radar, antenna and power amplifier.

miniaturization; wideband; ridge waveguide; power divider; T-junction; transition

10.14106/j.cnki.1001-2028.2018.02.009

TN626

A

1001-2028（2018）02-0050-05

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（61631012）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61501272）；寧波市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2016A610064）

2017-11-13

陸云龍

陸云龍（1984－），男，浙江湖州人，講師，研究方向?yàn)槲⒉ê撩撞ㄆ骷c天線、電波傳播理論；尤清春（1991－），男，安徽亳州人，研究生，研究方向?yàn)槲⒉ê撩撞ㄆ骷安▽?dǎo)陣列天線。