本發(fā)明涉及微波器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種新型共面波導(dǎo)魔T。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的高功率微波一般是通過(guò)電真空器件來(lái)產(chǎn)生，但電真空器件體積龐大，隨著基于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的小型有源器件的快速發(fā)展和輸出功率的不斷提高，通過(guò)大量的半導(dǎo)體有源器件進(jìn)行組陣，后再通過(guò)大規(guī)模天線陣列進(jìn)行輻射可產(chǎn)生與傳統(tǒng)電真空器件輻射相比擬的等效輻射功率。

為了在等效輻射功率不變的情況下盡量減少有源相控陣天線的單元數(shù)量，需要在有限截面尺寸內(nèi)對(duì)多個(gè)有源器件進(jìn)行功率合成，為了保證有源器件的失效性能，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性同時(shí)保證合成效率，需要合成器輸入端口間具有高隔離度，各端口需要具有良好的駐波性能，同時(shí)需要有較高的合成效率，所有功能需要在有限截面內(nèi)實(shí)現(xiàn)。目前微波領(lǐng)域主要合成器包括二進(jìn)制功率合成器、波導(dǎo)行波功率合成器、波導(dǎo)徑向功率分配合成器和波導(dǎo)空間功率合成器等。基于現(xiàn)有的合成器大都不滿足橫截面尺寸要求，其中基于電阻隔膜的二進(jìn)制功率合成器不滿足kW級(jí)功率容量要求，波導(dǎo)行波功率合成器合成端口間隔離度與回波損耗也無(wú)法滿足要求，波導(dǎo)徑向功率分配合成器無(wú)法滿足其超緊湊的體積要求和高隔離度低反射要求，空間功率合成技術(shù)用于微波頻段尺寸較高。常規(guī)的依托于介質(zhì)的平面?zhèn)鬏斁€對(duì)于實(shí)現(xiàn)kW級(jí)功率容量有較大難度，因此現(xiàn)有的微波功率合成技術(shù)大都不滿足kW級(jí)功率容量和低插損、高隔離度以及尺寸體積要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有的合成器功率容量低、高插損及合成端口間隔離度、尺寸無(wú)法滿足要求的問(wèn)題，本發(fā)明提供一個(gè)新型緊湊共面波導(dǎo)魔T，用來(lái)實(shí)現(xiàn)有限截面內(nèi)的功率合成，有效減小波導(dǎo)魔T的體積，同時(shí)在較寬的帶寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)各端口的低回波損耗(<-20dB)和輸入端口間、和差端口間的高隔離度(>20dB)，使得波導(dǎo)魔T能夠在對(duì)體積尺寸有更嚴(yán)格要求的場(chǎng)合得以應(yīng)用。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種共面波導(dǎo)魔T，其特殊之處在于：包括從頂部至底部依次同軸連接的輸出介質(zhì)同軸波導(dǎo)3、空氣同軸波導(dǎo)9、圓波導(dǎo)8及兩個(gè)半空氣同軸波導(dǎo)6；兩個(gè)對(duì)稱的半空氣同軸波導(dǎo)6通過(guò)兩個(gè)金屬隔板5隔開(kāi)(通過(guò)在空氣同軸波導(dǎo)9的外導(dǎo)體內(nèi)放置兩塊金屬隔板5分割為兩個(gè)對(duì)稱的半空氣同軸波導(dǎo)6)；還包括兩個(gè)輸入介質(zhì)同軸波導(dǎo)1、兩個(gè)多級(jí)階梯匹配結(jié)構(gòu)7與介質(zhì)矩形波導(dǎo)4，上述兩個(gè)輸入介質(zhì)同軸波導(dǎo)1與半空氣同軸波導(dǎo)6底端連接并沿半空氣同軸波導(dǎo)6H面(與磁場(chǎng)平行的面稱為H面)中心對(duì)稱并相對(duì)金屬隔板5對(duì)稱，用來(lái)實(shí)現(xiàn)和差端口注入微波時(shí)兩輸入端口的等幅同相/反相分配；上述兩個(gè)多級(jí)階梯匹配結(jié)構(gòu)7分別與兩個(gè)輸入介質(zhì)同軸波導(dǎo)1內(nèi)導(dǎo)體共軸連接并分別位于兩個(gè)半空氣同軸波導(dǎo)6外導(dǎo)體內(nèi)，上述介質(zhì)矩形波導(dǎo)4與圓波導(dǎo)8底端連接并位于兩個(gè)半空氣同軸波導(dǎo)6內(nèi)導(dǎo)體內(nèi)部，且介質(zhì)矩形波導(dǎo)4長(zhǎng)邊平行于金屬隔板5；上述介質(zhì)矩形波導(dǎo)4中填充高介電常數(shù)的介質(zhì)。

本波導(dǎo)魔T共有四個(gè)波導(dǎo)端口，分別是：兩個(gè)與半空氣同軸波導(dǎo)6連接的輸入介質(zhì)同軸波導(dǎo)1輸入端口、一個(gè)與圓波導(dǎo)8底部連接的介質(zhì)矩形波導(dǎo)4端口、一個(gè)與圓波導(dǎo)8頂部連接的輸出介質(zhì)同軸波導(dǎo)3端口。整個(gè)結(jié)構(gòu)沿金屬隔板5平行方向和垂直方向?qū)ΨQ分布。

半空氣同軸波導(dǎo)6特定的內(nèi)半徑和外半徑尺寸用來(lái)實(shí)現(xiàn)半空氣同軸波導(dǎo)6中準(zhǔn)TE₁₀模式的傳輸和準(zhǔn)TE₂₀模式的截止。

兩個(gè)半空氣同軸波導(dǎo)6與圓波導(dǎo)8連接，圓波導(dǎo)8底部連接介質(zhì)矩形波導(dǎo)4從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)半空氣同軸波導(dǎo)6中準(zhǔn)TE₁₀模式的差耦合輸出。

圓波導(dǎo)8依次連接空氣同軸波導(dǎo)9和輸出介質(zhì)同軸波導(dǎo)3，將兩個(gè)半空氣同軸波導(dǎo)6中的準(zhǔn)TE₁₀模式的耦合成為TEM模式并在頂部同軸端口中和耦合輸出。同軸波導(dǎo)是和端口耦合輸出寬帶阻抗匹配的關(guān)鍵。

優(yōu)選地，上述多級(jí)階梯匹配結(jié)構(gòu)7包括依次連接的第一匹配金屬塊71、第二匹配金屬塊72、第三匹配金屬塊73及第四匹配金屬塊74，第一匹配金屬塊71與輸入介質(zhì)同軸波導(dǎo)1內(nèi)導(dǎo)體連接，所述第二至第四匹配金屬塊的外周側(cè)緊貼半空氣同軸波導(dǎo)6外導(dǎo)體內(nèi)側(cè)；上述第一匹配金屬塊71的長(zhǎng)邊和寬邊尺寸均小于輸入介質(zhì)同軸波導(dǎo)1外導(dǎo)體直徑尺寸，第二至第四金屬塊的長(zhǎng)度依次變小，寬度相同，兩個(gè)多級(jí)階梯匹配結(jié)構(gòu)寬度方向平面與金屬隔板5平行。

優(yōu)選地，上述輸出介質(zhì)同軸波導(dǎo)3從上至下依次包括第一輸出介質(zhì)同軸波導(dǎo)31與第二輸出介質(zhì)同軸波導(dǎo)32，上述第一輸出介質(zhì)同軸波導(dǎo)31的內(nèi)外徑均小于第二輸出介質(zhì)同軸波導(dǎo)32的內(nèi)外徑；

空氣同軸波導(dǎo)9從上至下依次包括第一空氣同軸波導(dǎo)94、第二空氣同軸波導(dǎo)93、第三空氣同軸波導(dǎo)92及第四空氣同軸波導(dǎo)91，第一空氣同軸波導(dǎo)94的外徑小于第二空氣同軸波導(dǎo)93的外徑，第二、第三及第四空氣同軸波導(dǎo)的外徑相等；第一與第二空氣同軸波導(dǎo)的內(nèi)徑相等，第二、第三、第四空氣同軸波導(dǎo)的內(nèi)徑依次增大；

第二輸出介質(zhì)同軸波導(dǎo)32的內(nèi)外徑均小于第一空氣同軸波導(dǎo)94的內(nèi)外徑。

優(yōu)選地，第四空氣同軸波導(dǎo)91的外徑等于圓波導(dǎo)8的外徑，圓波導(dǎo)8的外半徑小于半空氣同軸波導(dǎo)6外導(dǎo)體半徑。

上述介質(zhì)矩形波導(dǎo)4中填充的高介電常數(shù)的介質(zhì)，介質(zhì)矩形波導(dǎo)4中填充的高介電常數(shù)介質(zhì)使得介質(zhì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，是實(shí)現(xiàn)和差端口共面的關(guān)鍵，優(yōu)選地，該介質(zhì)可以為微波陶瓷、聚四氟乙烯或聚乙烯。

為了保證魔T具有較高的功率容量，優(yōu)選地，半空氣同軸波導(dǎo)6和多級(jí)階梯匹配結(jié)構(gòu)7為金屬結(jié)構(gòu)。

在7.5-9.5GHz頻段范圍內(nèi)，輸入介質(zhì)同軸波導(dǎo)1的內(nèi)外半徑尺寸分別為2.05mm和0.65m；半空氣同軸波導(dǎo)6內(nèi)外半徑尺寸分別為16.44mm和8.44mm，半空氣同軸波導(dǎo)6的長(zhǎng)度為26.6mm；圓波導(dǎo)8腔的半徑為15.4mm，長(zhǎng)度為2mm；介質(zhì)矩形波導(dǎo)4的長(zhǎng)度為10.51mm，寬度為3.51mm；與圓波導(dǎo)8依次連接的四個(gè)空氣同軸波導(dǎo)9內(nèi)外半徑分別為(15.4mm,8.14mm)、(15.4mm,5.40mm)、(15.4mm,1.29mm)、(9.16mm,1.29mm)，與圓波導(dǎo)8依次連接的四個(gè)空氣同軸波導(dǎo)9的長(zhǎng)度分別為：6.22mm、4.30mm、5.72mm、6.70mm，與空氣同軸波導(dǎo)9依次連接的介質(zhì)同軸波導(dǎo)與內(nèi)外半徑分別(5.91mm，1.08mm)，(2.05mm，0.65mm)。

優(yōu)選地，兩個(gè)半空氣同軸波導(dǎo)6間金屬隔板5的長(zhǎng)、寬、高分別為8mm、0.4mm、26.6mm。

優(yōu)選地，第一匹配金屬塊的長(zhǎng)、寬、高尺寸為2.28mm、3.35mm、1.58mm，第二、第三、第四匹配金屬塊的長(zhǎng)、寬、高尺寸為：6.45mm×3.35mm×6.45mm，3.43mm×3.35mm×3.18mm，1.50mm×3.35mm×11.1mm。

本發(fā)明的原理為：

與輸入介質(zhì)同軸波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)體連接的四個(gè)匹配金屬塊分別將兩路輸入同軸TEM模式轉(zhuǎn)換為半空氣同軸波導(dǎo)中的準(zhǔn)TE₁₀模式。

當(dāng)輸入輸入介質(zhì)同軸波導(dǎo)中的兩路TEM模式等幅同相時(shí)，四個(gè)匹配金屬塊將輸入TEM模式轉(zhuǎn)換后的準(zhǔn)TE₁₀模式也等幅同相，等幅同相的TE₁₀模式經(jīng)過(guò)圓波導(dǎo)后在空氣同軸波導(dǎo)中合成TEM模式，最后在頂部輸出介質(zhì)同軸波導(dǎo)輸出端口(和端口)中輸出，介質(zhì)矩形波導(dǎo)端口被隔離。

當(dāng)輸入輸入介質(zhì)同軸波導(dǎo)中的兩路的TEM模式等幅反相時(shí)，四個(gè)匹配金屬塊將輸入TEM模式轉(zhuǎn)換后的準(zhǔn)TE₁₀模式也等幅反相，兩個(gè)半空氣同軸波導(dǎo)的準(zhǔn)TE₁₀模式相位差為180°，經(jīng)過(guò)圓波導(dǎo)后在介質(zhì)矩形波導(dǎo)中耦合形成TE₁₀模式輸出，頂部的輸出介質(zhì)同軸波導(dǎo)被隔離。因此，頂部同軸端口是該波導(dǎo)魔T的和端口，而底部介質(zhì)矩形波導(dǎo)端口是該波導(dǎo)魔T的差端口。因此兩輸入介質(zhì)同軸波導(dǎo)在一定頻段范圍內(nèi)具有較低的回波損耗(小于-20dB)，較高的隔離度(大于20dB)，和差端口同樣有較低的回波損耗(小于-20dB)和較高的隔離度(大于20dB)。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明中提出的新型緊湊魔T通過(guò)利用同軸波導(dǎo)作為輸入端口與和端口，利用高介電常數(shù)的介質(zhì)波導(dǎo)作為其差端口成功實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)魔T的和差端口共面排布，保證了魔T的結(jié)構(gòu)緊湊性和較寬的帶寬；

2、使用同軸輸入端口在保證其具有較高功率容量和較寬帶寬的基礎(chǔ)上使得波導(dǎo)魔T的體積遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)波導(dǎo)魔T，使得波導(dǎo)魔T能夠應(yīng)用在一些對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合。該魔T可以用于雷達(dá)發(fā)射機(jī)的和差網(wǎng)絡(luò)以及固態(tài)放大器的功率合成；

3、通過(guò)多級(jí)階梯匹配結(jié)構(gòu)將同軸TEM模式轉(zhuǎn)換為半空氣同軸波導(dǎo)中的準(zhǔn)TE₁₀模式，在同軸波導(dǎo)和介質(zhì)波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)了兩路和差端口輸出。

附圖說(shuō)明

通過(guò)參考附圖可以會(huì)更加清楚地理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖是示意性的而不應(yīng)該理解為對(duì)本發(fā)明有任何限制，在附圖中：

圖1為實(shí)施例的波導(dǎo)魔T的三維示意圖；

圖2為實(shí)施例的波導(dǎo)魔T的側(cè)視圖一；

圖3為實(shí)施例的波導(dǎo)魔T的側(cè)視圖二；

圖4給出了圖1所示的波導(dǎo)魔T各端口反射及隔離度S參數(shù)分布示意圖；

圖5給出了圖1所示的波導(dǎo)魔T和差端口功率分配S參數(shù)分布示意圖。

圖中附圖標(biāo)記為：1-輸入介質(zhì)同軸波導(dǎo)，11-第一輸入介質(zhì)同軸波導(dǎo)，12-第二輸入介質(zhì)同軸波導(dǎo)，3-輸出介質(zhì)同軸波導(dǎo)，31-第一輸出介質(zhì)同軸波導(dǎo)，32-第二輸出介質(zhì)同軸波導(dǎo)，4-介質(zhì)矩形波導(dǎo)，5-金屬隔板，6-半空氣同軸波導(dǎo)，7-多級(jí)階梯匹配結(jié)構(gòu)，71-第一匹配金屬塊，72-第二匹配金屬塊，73-第三匹配金屬塊，74-第四匹配金屬塊，8-圓波導(dǎo)，9-空氣同軸波導(dǎo)，91-第四空氣同軸波導(dǎo)，92-第三空氣同軸波導(dǎo)，93-第二空氣同軸波導(dǎo)，94-第一空氣同軸波導(dǎo)。

具體實(shí)施方式

為了更清楚的理解本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

以7.5-9.5GHz為例，緊湊共面波導(dǎo)魔T的輸入介質(zhì)同軸波導(dǎo)1內(nèi)外半徑尺寸分別為2.05mm和0.65m，內(nèi)外半徑間填充介電常數(shù)為2.2的介質(zhì)，兩個(gè)半空氣同軸波導(dǎo)6內(nèi)外半徑分別為16.44mm和8.44mm，半空氣同軸波導(dǎo)6的長(zhǎng)度為26.6mm，兩個(gè)半空氣同軸波導(dǎo)間金屬隔板5的尺寸長(zhǎng)寬高分別為8mm×0.4mm×26.6mm，半空氣同軸波導(dǎo)6內(nèi)部與輸入介質(zhì)同軸波導(dǎo)1內(nèi)導(dǎo)體共軸連接的第一匹配金屬塊71的尺寸為3.35mm×2.28mm×1.58mm，與此金屬塊依次連接的緊貼半空氣同軸波導(dǎo)外壁的第二匹配金屬塊72、第三匹配金屬塊73及第四匹配金屬塊74的尺寸為：3.35mm×6.45mm×6.45mm，3.35mm×3.43mm×3.18mm，3.35mm×1.50mm×11.1mm，四個(gè)金屬塊寬度方向平面與金屬隔板5平行，與半空氣同軸波導(dǎo)6連接的圓波導(dǎo)8腔的半徑為15.4mm，長(zhǎng)度為2mm，介質(zhì)矩形波導(dǎo)4通過(guò)與圓波導(dǎo)開(kāi)口連接，介質(zhì)矩形波導(dǎo)4的長(zhǎng)度為10.51mm，介質(zhì)矩形波導(dǎo)的寬度為3.51mm，其中填充介電常數(shù)為4.5的介電陶瓷，介質(zhì)矩形波導(dǎo)4長(zhǎng)邊平行于金屬隔板5，介質(zhì)矩形波導(dǎo)4頂部中心與圓波導(dǎo)8底部中心重合，與圓波導(dǎo)8依次連接的四個(gè)空氣同軸波導(dǎo)內(nèi)外半徑和長(zhǎng)度分別為：(15.4mm,8.14mm)×6.22mm，(15.4mm,5.40mm)×4.30mm，(15.4mm,1.29mm)×5.72mm，(9.16mm,1.29mm)×6.70mm，最頂端的空氣同軸波導(dǎo)依次與內(nèi)外半徑分別為(5.91mm，1.08mm)，(2.05mm，0.65mm)，填充介電常數(shù)為2.2的介質(zhì)的輸出介質(zhì)同軸波導(dǎo)端口連接，如圖1、圖2及圖3所示。

當(dāng)和端口(第一輸出介質(zhì)同軸波導(dǎo)3)注入微波時(shí)，輸入功率被均勻分配至兩個(gè)輸入介質(zhì)同軸波導(dǎo)1中輸出，差端口(介質(zhì)矩形波導(dǎo)4)被隔離。當(dāng)差端口(介質(zhì)矩形波導(dǎo)4)注入微波時(shí)，輸入微波被均勻分配至兩個(gè)輸入介質(zhì)同軸波導(dǎo)1中并從中輸出，和端口(第一輸出介質(zhì)同軸波導(dǎo)31)被隔離。當(dāng)輸入介質(zhì)同軸波導(dǎo)1注入微波時(shí)，輸入微波被均勻分配至和端口(第一輸出介質(zhì)同軸波導(dǎo)31)和差端口(介質(zhì)矩形波導(dǎo)4)中。在7.7-9.0GHz頻率范圍內(nèi)，該波導(dǎo)魔T和端口與差端口的回波損耗小于-20dB，隔離度大于20dB，兩輸入端口回波損耗小于-20dB，隔離度大于20dB。和端口3和差端口4輸入功率時(shí)功率分配系數(shù)均大于-3.03dB。

該波導(dǎo)魔T的三維尺寸即直徑×直徑×長(zhǎng)度尺寸為33mm×33mm×60mm，中心頻率處其截面尺寸為：0.9λ×0.9λ×1.70λ，其中λ為波長(zhǎng)，其尺寸遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的波導(dǎo)魔T尺寸，且其和差端口共面輸出。通過(guò)給和端口(差端口)超緊湊匹配負(fù)載可實(shí)現(xiàn)高隔離度小反射高效率緊湊兩路反相(同相)合成后在差端口(和端口)輸出。

本實(shí)施例中提出的新型緊湊魔T通過(guò)利用同軸波導(dǎo)作為輸入端口與和端口，利用高介電常數(shù)微波陶瓷填充的介質(zhì)矩形波導(dǎo)作為其差端口成功實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)魔T的和差端口共面排布，保證了魔T的結(jié)構(gòu)緊湊性和較寬的帶寬。通過(guò)多級(jí)階梯匹配結(jié)構(gòu)再將同軸TEM模式轉(zhuǎn)換為半空氣同軸波導(dǎo)中的準(zhǔn)TE₁₀模式，在介質(zhì)同軸波導(dǎo)和介質(zhì)矩形波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)了兩路和差端口輸出。該波導(dǎo)魔T結(jié)構(gòu)緊湊，在較寬帶寬范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)好的隔離和回波特性，同時(shí)與傳統(tǒng)平面?zhèn)鬏斁€結(jié)構(gòu)相比在功率容量和插入損耗方面有很大優(yōu)勢(shì)，因此在功率合成網(wǎng)絡(luò)以及雷達(dá)發(fā)射接收端都有廣泛的應(yīng)用。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已,并不用于限制本發(fā)明,對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō),本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的思想和原則之內(nèi),所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。