一种紧凑型的宽频带单脊波导功分器

一种紧凑型的宽频带单脊波导功分器尤清春;陆云龙;尤阳;黄季甫【摘要】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.%提出一种宽频带、小型化单脊波导功分器结构.分支波导采用标准单脊波导,在维持较高功率容量的条件下拓展了传输模的主模带宽.在T型结处设置一容性金属平板与分支单脊波导相接构成一个宽带电抗性调谐元件,在主模带宽拓展的情况下有效地实现了 T 型结的宽带匹配.为了能够与标准器件连接,设计了单脊波导-标准矩形波导转换器件,采用多级阶梯匹配的形式使转换器件的阻抗带宽与T型结保持一致.利用高频仿真软件HFSS进行仿真优化,结果显示该功分器在25~40 GHz频率范围内,回波损耗小于–20 dB,信号波动优于0.04 dB,相对带宽为46.2%,实际内部尺寸比标准波导功分器减少38%.该单脊波导功分器具有低损耗、小型化和宽频带的优点,可以广泛应用于雷达、天线以及功率放大器等微波设备.【期刊名称】《电子元件与材料》【年(卷),期】2018(037)002【总页数】5页(P50-54)【关键词】小型化;宽频带;脊波导;功分器;T型结;转换器【作者】尤清春;陆云龙;尤阳;黄季甫【作者单位】宁波大学信息科学与工程学院,浙江宁波 315211;宁波大学信息科学与工程学院,浙江宁波 315211;宁波大学信息科学与工程学院,浙江宁波315211;宁波大学信息科学与工程学院,浙江宁波 315211【正文语种】中文【中图分类】TN626功分器是一种重要的微波无源器件，广泛用于相控阵雷达、天线馈线系统以及功率放大器等微波设备。

功分器主要用来对功率进行分配和合成，也可用作功率调配器和双工器的输入端。

传统的波导功分器以其低损耗、高功率容量和较宽的传输带宽等优良特性备受青睐，但它有着体积过大、加工成本较高、不便于集成等缺点，现阶段也朝着小型化方面发展。

T型波导功分器是传统波导功分器中最常见的一种类型，目前关于T型结已有很多文献通过解析法和数值法获得了它的近似解[1-2]。

在矩形波导T形结的对称面上常采用楔形和矩形波导窄边的梯度过渡来减少不连续性[3]，但是由于矩形波导主模带宽和单一匹配形式的限制，阻抗带宽无法拓展。

文献[4]中的四路H面波导功分器通过增加调谐金属柱并改变侧壁的结构获得等幅同相的信号传输，在27~30 GHz频段范围内实现了10%的相对带宽。

脊波导由矩形波导宽边弯折而成，相比波导结构可以缩小尺寸，单模工作频带可达数个倍频程。

文献[5]中的一分六脊波导功分器在输入口引入阶梯，并在分支波导加入感性金属膜片，波导尺寸减小了46%。

在8~12 GHz频段内回波损耗小于–25 dB，相对带宽为40%。

由于脊高高于波导高度的一半，功分器的功率容量明显减少[6]。

为了实现脊波导与标准矩形波导之间的转换，需要为测量设备或其他设备设计接口。

文献[7]中的单脊波导到矩形波导的转换接口将金属脊向矩形波导腔延伸并改变脊阶梯的高度，在12~15.5 GHz频段范围内S11小于–15 dB，相对带宽为25%。

本文设计了一个Ka频段的宽频带、小型化单脊波导功分器。

该单脊波导功分器以T型结为基本结构，利用单脊波导减小功分器的尺寸并展宽了工作带宽。

为了减少T型结的不连续性，在T型结处设计了容性金属平板，实现了单脊波导与T型结良好的阻抗变换，增加了频带宽度，减少损耗，并提高了功率容量。

为了便于与标准器件连接，在单脊波导与矩形波导转换处，通过多级阶梯匹配，使单脊波导-标准矩形波导转换器具有良好的宽带传输特性。

该单脊波导功分器如图1所示，该功分器结构包括两部分：第一部分为单脊H面T型结；第二部分为单脊波导-标准矩形波导转换器。

从端口1输入信号，端口2和端口3获得幅度相同、相位一致的输出信号。

设计的单脊H面T型结如图2所示，一个单脊波导宽边为a，高为b，金属脊宽为s，高为t，其截止频率（fc）可以通过传输线理论的等效电路法求得[8]。

结构设计中选取标准单脊波导的设计比例（b/a = 1/2，t/b = 1/2）来计算TE10的fc。

与同尺寸的矩形波导相比，脊波导的fc更小。

单脊波导主模的截止波长较长，对于相同的工作波长，波导尺寸可以缩小。

TE10模和其他高次模截止波长相隔较远，因此单模工作频带较宽[9]。

通过计算可以得到当a = 4.4 mm，b = 2.2 mm，t = 1.1 mm，s = 1 mm时，单脊波导的fc为25 GHz。

与相同工作频率的标准矩形波导相比，单脊波导的尺寸减少了38%。

将单脊波导应用于T型结的设计中，为了在宽频带范围内实现良好的阻抗匹配特性，在T型结的交汇处设置有一个容性金属平板，三个金属脊阶梯分别连接于金属平板。

根据阶梯阻抗匹配原理，波导内的感性金属脊延伸到容性的金属平板内构成的阻抗匹配网络，其阻抗匹配特性主要受输入端口1金属脊的起始位置（Rc）和金属平板的高度（Ph）两个参数影响，其中Ph = 1/2 t。

通过调整金属平板的长度（Pl）、宽度(Pw)以及输出端口2金属脊的起始位置（Rl）、输入出端口3金属脊的起始位置（Rr），可以现实最大的阻抗匹配带宽。

为实现端口2和端口3等幅同相的功率分配，金属平板和金属脊均采用对称结构，则Rl = Rr。

表1为该T型结经过优化后的结构参数和关键设计尺寸。

参数Rc和Ph仿真结果如图3所示，当Rc= 0.6 mm和Ph = 0.5 mm时，单脊H面T型结可实现宽频带和低损耗的特性。

图中可以看出，在25~45 GHz工作频段内，回波损耗优于–20 dB。

设计的单脊波导-标准矩形波导转换器如图4所示，这里将单脊波导口设置为输入端口1，单脊波导的右侧壁设置有WR-28标准矩形波导输出端口2，波导宽度为c = 7.112 mm，高度为d = 3.556 mm。

根据阶梯阻抗匹配原理，为了实现宽带的阻抗匹配，在单脊波导与矩形波导相接处设置一个容性的脊阶梯过渡。

脊阶梯的高度（Rh）低于单脊波导金属脊的高度，脊阶梯的长度（Rl）为1/2 c。

在单脊波导转换矩形波导的E面弯角处设置有一个阶梯，E面阶梯的高度（Ch）为1/2 b，E面阶梯的宽度（Cl）为1/4 d。

在矩形波导H面弯角处设置有与矩形波导等高的阶梯，H面阶梯的长度（Hl）和宽度（Hh）均为脊波导的宽边尺寸的一半。

多级阶梯匹配有效地降低了因结构不连续性带来的回波损耗，使该结构具有良好的宽带传输特性。

表2为该单脊波导-标准矩形波导转换器经过优化后的结构参数和关键设计尺寸。

该转换器的阻抗匹配特性主要受Ch和Rh两个参数影响，仿真结果如图5所示，当Ch = 1.16 mm和Rh = 0.8 mm时，转换器可实现宽频带和低损耗的特性。

图中可以看出，在25~42 GHz工作频段内，回波损耗优于– 20 dB。

基于上述分析的单脊H面T型结和单脊波导-标准矩形波导转换器，设计了一个宽频带单脊T型波导功率分配器，利用HFSS软件建模并进行仿真，优化后的单脊T 型波导功率分配器的参数如表3所示。

仿真结果如图6所示，在25~40 GHz工作频段内，回波损耗优于–20 dB，幅度波动小于0.04 dB。

相位特性如图7所示，各输出端口的相位相差± 0.1°，具有良好的幅度和相位一致性。

本文设计并讨论了一种新型宽带单脊T型波导功率分配器，并用HFSS软件进行建模仿真。

从仿真结果可以看出，该单脊T型波导功率分配器的尺寸减少了38%，相对带宽超过46.2%，实现了较好的幅度及相位一致性。