一種緊湊型的寬頻帶單脊波導功分器

尤清春，陸云龍，尤 陽，黃季甫

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一種緊湊型的寬頻帶單脊波導功分器

尤清春，陸云龍，尤 陽，黃季甫

（寧波大學 信息科學與工程學院，浙江 寧波 315211）

提出一種寬頻帶、小型化單脊波導功分器結構。分支波導采用標準單脊波導，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型結處設置一容性金屬平板與分支單脊波導相接構成一個寬帶電抗性調諧元件，在主模帶寬拓展的情況下有效地實現了T型結的寬帶匹配。為了能夠與標準器件連接，設計了單脊波導-標準矩形波導轉換器件，采用多級階梯匹配的形式使轉換器件的阻抗帶寬與T型結保持一致。利用高頻仿真軟件HFSS進行仿真優化，結果顯示該功分器在25~40 GHz頻率范圍內，回波損耗小于–20 dB，信號波動優于0.04 dB，相對帶寬為46.2%，實際內部尺寸比標準波導功分器減少38%。該單脊波導功分器具有低損耗、小型化和寬頻帶的優點，可以廣泛應用于雷達、天線以及功率放大器等微波設備。

小型化；寬頻帶；脊波導；功分器；T型結；轉換器

功分器是一種重要的微波無源器件，廣泛用于相控陣雷達、天線饋線系統以及功率放大器等微波設備。功分器主要用來對功率進行分配和合成，也可用作功率調配器和雙工器的輸入端。傳統的波導功分器以其低損耗、高功率容量和較寬的傳輸帶寬等優良特性備受青睞，但它有著體積過大、加工成本較高、不便于集成等缺點，現階段也朝著小型化方面發展。

T型波導功分器是傳統波導功分器中最常見的一種類型，目前關于T型結已有很多文獻通過解析法和數值法獲得了它的近似解[1-2]。在矩形波導T形結的對稱面上常采用楔形和矩形波導窄邊的梯度過渡來減少不連續性[3]，但是由于矩形波導主模帶寬和單一匹配形式的限制，阻抗帶寬無法拓展。文獻[4]中的四路H面波導功分器通過增加調諧金屬柱并改變側壁的結構獲得等幅同相的信號傳輸，在27~30 GHz頻段范圍內實現了10%的相對帶寬。

脊波導由矩形波導寬邊彎折而成，相比波導結構可以縮小尺寸，單模工作頻帶可達數個倍頻程。文獻[5]中的一分六脊波導功分器在輸入口引入階梯，并在分支波導加入感性金屬膜片，波導尺寸減小了46%。在8~12 GHz頻段內回波損耗小于–25 dB，相對帶寬為40%。由于脊高高于波導高度的一半，功分器的功率容量明顯減少[6]。為了實現脊波導與標準矩形波導之間的轉換，需要為測量設備或其他設備設計接口。文獻[7]中的單脊波導到矩形波導的轉換接口將金屬脊向矩形波導腔延伸并改變脊階梯的高度，在12~15.5 GHz頻段范圍內11小于–15 dB，相對帶寬為25%。

本文設計了一個Ka頻段的寬頻帶、小型化單脊波導功分器。該單脊波導功分器以T型結為基本結構，利用單脊波導減小功分器的尺寸并展寬了工作帶寬。為了減少T型結的不連續性，在T型結處設計了容性金屬平板，實現了單脊波導與T型結良好的阻抗變換，增加了頻帶寬度，減少損耗，并提高了功率容量。為了便于與標準器件連接，在單脊波導與矩形波導轉換處，通過多級階梯匹配，使單脊波導-標準矩形波導轉換器具有良好的寬帶傳輸特性。

1 單脊波導功分器

該單脊波導功分器如圖1所示，該功分器結構包括兩部分：第一部分為單脊H面T型結；第二部分為單脊波導-標準矩形波導轉換器。從端口1輸入信號，端口2和端口3獲得幅度相同、相位一致的輸出信號。

1.1 單脊H面T型結

設計的單脊H面T型結如圖2所示，一個單脊波導寬邊為，高為，金屬脊寬為，高為，其截止頻率（c）可以通過傳輸線理論的等效電路法求得[8]。結構設計中選取標準單脊波導的設計比例（/= 1/2，/= 1/2）來計算TE10的c。與同尺寸的矩形波導相比，脊波導的c更小。單脊波導主模的截止波長較長，對于相同的工作波長，波導尺寸可以縮小。TE10模和其他高次模截止波長相隔較遠，因此單模工作頻帶較寬[9]。通過計算可以得到當= 4.4 mm，= 2.2 mm，= 1.1 mm，= 1 mm時，單脊波導的c為25 GHz。與相同工作頻率的標準矩形波導相比，單脊波導的尺寸減少了38%。

圖1 單脊T型波導功分器透視圖

圖2 單脊H面T型結結構圖

將單脊波導應用于T型結的設計中，為了在寬頻帶范圍內實現良好的阻抗匹配特性，在T型結的交匯處設置有一個容性金屬平板，三個金屬脊階梯分別連接于金屬平板。根據階梯阻抗匹配原理，波導內的感性金屬脊延伸到容性的金屬平板內構成的阻抗匹配網絡，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）兩個參數影響，其中h= 1/2。通過調整金屬平板的長度（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），可以現實最大的阻抗匹配帶寬。為實現端口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稱結構，則l=r。

表1為該T型結經過優化后的結構參數和關鍵設計尺寸。參數c和h仿真結果如圖3所示，當c= 0.6 mm和h= 0.5 mm時，單脊H面T型結可實現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，回波損耗優于–20 dB。

表1 單脊H面T型結參數表

圖3 參數Rc和Ph仿真結果

1.2 單脊波導-標準矩形波導轉換器

設計的單脊波導-標準矩形波導轉換器如圖4所示，這里將單脊波導口設置為輸入端口1，單脊波導的右側壁設置有WR-28標準矩形波導輸出端口2，波導寬度為= 7.112 mm，高度為= 3.556 mm。根據階梯阻抗匹配原理，為了實現寬帶的阻抗匹配，在單脊波導與矩形波導相接處設置一個容性的脊階梯過渡。脊階梯的高度（h）低于單脊波導金屬脊的高度，脊階梯的長度（l）為1/2。在單脊波導轉換矩形波導的E面彎角處設置有一個階梯，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H面彎角處設置有與矩形波導等高的階梯，H面階梯的長度（l）和寬度（h）均為脊波導的寬邊尺寸的一半。多級階梯匹配有效地降低了因結構不連續性帶來的回波損耗，使該結構具有良好的寬帶傳輸特性。

圖4 單脊波導-矩形波導轉換器結構圖

表2為該單脊波導-標準矩形波導轉換器經過優化后的結構參數和關鍵設計尺寸。該轉換器的阻抗匹配特性主要受h和h兩個參數影響，仿真結果如圖5所示，當h= 1.16 mm和h= 0.8 mm時，轉換器可實現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，回波損耗優于– 20 dB。

表2 單脊波導-矩形波導轉換器參數表

圖5 參數Ch和Rh仿真結果

2 仿真結果

基于上述分析的單脊H面T型結和單脊波導-標準矩形波導轉換器，設計了一個寬頻帶單脊T型波導功率分配器，利用HFSS軟件建模并進行仿真，優化后的單脊T型波導功率分配器的參數如表3所示。仿真結果如圖6所示，在25~40 GHz工作頻段內，回波損耗優于–20 dB，幅度波動小于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型波導功分器參數表

圖6 單脊T型功分器的S參數曲線

圖7 單脊H面T型功分器輸出端口的相位曲線

3 結論

本文設計并討論了一種新型寬帶單脊T型波導功率分配器，并用HFSS軟件進行建模仿真。從仿真結果可以看出，該單脊T型波導功率分配器的尺寸減少了38%，相對帶寬超過46.2%，實現了較好的幅度及相位一致性。該結構具有低損耗、寬頻帶和小型化的優點，具有重要的工程應用價值。

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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

國家自然科學基金重點項目（61631012）；國家自然科學基金項目（61501272）；寧波市自然科學基金項目（2016A610064）

2017-11-13

陸云龍

陸云龍（1984－），男，浙江湖州人，講師，研究方向為微波毫米波器件與天線、電波傳播理論；尤清春（1991－），男，安徽亳州人，研究生，研究方向為微波毫米波器件及波導陣列天線。