椭圆波导功率分配器

1.本发明属于电磁场与微波技术领域，更具体地说，是涉及一种椭圆波导功率分配器。


背景技术：

2.功率分配器是一种多端口微波无源器件，用于将一路射频功率信号分配到多路，同时也可以作为功率合成器用于将多路射频功率信号合成为一路。波导功率分配器具有功率容量大、射频损耗小、机械强度高的优势，在微波毫米波通信系统前端(如天线阵列馈电网络)中充当重要角色。波导功率分配器根据波导的结构特点可以分为两类：e面功率分配器和h面功率分配器，它们的核心功能结构分别为e面和h面的波导y形/t形结。在传统的波导功率分配器中，往往采用金属膜片、金属柱、阶梯波导等结构来实现宽带的阻抗匹配。
3.传统技术中，波导功率分配器根据应用频段和尺寸要求通常采用计算机数控(cnc)铣或微加工工艺制造，这些加工工艺可以实现较高的精度，但在制造复杂结构时局限性大。一个结构复杂的波导功率分配器往往需要拆分成多个部件分别加工，再进行拼接装配，由加工误差带来的装配部件之间的间隙和其它不连续性结构会造成射频性能的恶化。此外，传统波导功率分配器的冗余结构材料多，装配紧固件多，器件重量大，不利于通信系统的轻量化和小型化。
4.波导功率分配器一种可选的替代加工方案是增材制造技术。传统的波导功率分配器采用矩形波导作为基本传输线架构，可以采用3-d打印工艺制造成型。但是矩形波导结构和3-d打印工艺之间兼容性差，具体表现在以下几个方面：(1)矩形波导腔体难以一体化3-d打印成型；(2)波导内腔中的悬挂结构在3-d打印过程中需要支撑，但内腔中的支撑结构在工艺结束后难以去除；(3)内腔中的膜片等微细结构容易形变或破损；(4)由3-d打印材料和工艺本身造成的形变容易使器件的射频性能恶化；(5)阶梯波导等不连续性结构在3-d打印成型后表面质量差，容易出现破损和打印材料残留等问题。例如，传统矩形波导功率分配器用3-d打印工艺加工时必须选择合适的打印成型方向，以保证波导腔体的成型不需要任何内部支撑，因此，需要将波导功率分配器的电子模型倾斜一个合适的角度进行打印。但是，倾斜打印下波导功率分配器内部的关键使能结构容易产生形变，破坏了结构对称性，导致波导功率分配器的反射和传输性能恶化。此外，对于一个多路输出的结构复杂的波导功率分配器，难以找到合适的倾斜角度以满足波导腔体“内部免支撑”、“一体化成型”的技术需求。


技术实现要素：

5.本发明实施例的目的在于提供一种椭圆波导功率分配器，以解决现有技术中存在的矩形波导功率分配器物理结构和3-d打印工艺之间的兼容性冲突问题。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种椭圆波导功率分配器，包括n级功率分配结构，n为大于或者等于1的整数，第n级所述功率分配结构包括2
n-1
个功率分配
器，所述功率分配器包括主波导以及连接于所述主波导的两个分波导，第n级所述功率分配结构中的所述分波导与第n+1级所述功率分配结构中的所述主波导通过弯曲波导连接，所述主波导、所述分波导和所述弯曲波导均为横截面是椭圆形的椭圆波导。
7.可选地，在同一所述功率分配器中，所述主波导和两个所述分波导的连接处具有拱门结构，所述拱门结构的顶部靠近所述分波导，所述拱门结构的底部靠近所述主波导。
8.可选地，各个所述功率分配器的所述主波导的中轴线相互平行。
9.可选地，所述椭圆波导功率分配器的两端均具有矩形波导端口，所述功率分配结构通过过渡波导与所述矩形波导端口连接。
10.可选地，所述弯曲波导包括相互连接的e面弯曲波导和h面弯曲波导，且所述e面弯曲波导连接于所述主波导，所述h面弯曲波导连接于所述分波导，或者，所述e面弯曲波导连接于所述分波导，所述h面弯曲波导连接于所述主波导。
11.可选地，所述椭圆波导功率分配器为具有内腔的金属壳体，所述内腔平滑设置。
12.可选地，所述功率分配器为y形结功率分配器。
13.可选地，在同一所述y形结功率分配器中，所述分波导的中轴线与所述主波导的中轴线的夹角为90度至150度之间，两个所述分波导的中轴线的夹角为60度至180度之间。
14.可选地，所述功率分配器为t形结功率分配器。
15.可选地，在同一所述t形结功率分配器中，所述分波导的中轴线与所述主波导的中轴线的夹角为90度至150度之间，两个所述分波导的中轴线夹角为60度至180度之间。
16.本发明提供的椭圆波导功率分配器的有益效果在于：与现有技术相比，本发明采用椭圆波导作为波导功率分配器的传输线架构，将其内腔设计为在竖直方向上无任何水平悬挂结构，且最大程度地减少了波导不连续性结构，融合了3-d打印的工艺原理，使其在3-d打印成型的过程中其内壁能够自行支撑，在实现该器件宽带功率分配性能的同时，显著提升了器件结构采用增材制造技术一体化成型的质量，且腔体成型时关键结构的对称性不被破坏，减小了腔体形变对器件射频性能的恶化。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
18.图1为本发明实施例提供的一种e面椭圆波导功率分配器的立体结构图；
19.图2为图1中沿a—a面的立体剖面视图；
20.图3为图1中沿b—b面的立体剖面视图；
21.图4为本发明实施例提供的一种h面椭圆波导功率分配器的立体结构图一；
22.图5为本发明实施例提供的一种h面椭圆波导功率分配器的立体结构图二；
23.图6为图5中沿c—c面的立体剖面视图；
24.图7为图5中沿d—d面的立体剖面视图；
25.图8为本发明实施例提供的一种e面椭圆波导功率分配器的y形结功率分配器的仿真的散射参数曲线图；
26.图9为本发明实施例提供的一种e面椭圆波导功率分配器(不含过渡波导)的空气腔模型的仿真的散射参数曲线图；
27.图10为本发明实施例提供的一种e面椭圆波导功率分配器(含过渡波导)的仿真和测量的散射参数曲线图；
28.图11为图10中传输系数曲线的拉近视图；
29.图12为本发明实施例提供的一种h面椭圆波导功率分配器的t形结功率分配器的仿真的散射参数曲线图；
30.图13为本发明实施例提供的一种h面椭圆波导功率分配器(不含过渡波导)的空气腔模型的仿真的散射参数曲线图；
31.图14为本发明实施例提供的一种h面椭圆波导功率分配器(含过渡波导)的仿真和测量的散射参数曲线图；
32.图15为图14中传输系数曲线的拉近视图。
33.其中，图中各附图标记：
34.1-功率分配结构；11-功率分配器；111-主波导；112-分波导；113-拱门结构；2-弯曲波导；21-h面弯曲波导；22-e面弯曲波导；31-第一波导法兰盘；32-第二波导法兰盘；33-矩形波导端口；4-第一过渡波导；5-第二过渡波导。
具体实施方式
35.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
36.需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
37.需要理解的是，术语“长度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
38.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
39.现对本发明实施例提供的椭圆波导功率分配器进行说明。
40.请参阅图1至图3，图1为本发明实施例提供的一种e面椭圆波导功率分配器的立体结构图，图2为图1中沿a—a面的立体剖面视图；图3为图1中沿b—b面的立体剖面视图。
41.椭圆波导功率分配器整体为金属壳体结构。椭圆波导功率分配器包括n级功率分配结构1，n为大于或者等于1的整数，如椭圆波导功率分配器包括1级功率分配结构1，或者2级功率分配结构1、3级功率分配结构1、4级功率分配结构1等。其中，第n级功率分配结构1包括2
n-1
个功率分配器11，例如，第1级功率分配结构1包括1个功率分配器11，第2级功率分配
结构1包括2个功率分配器11，第3级功率分配结构1包括4个功率分配器11。功率分配器11则包括主波导111和两个分波导112，两个分波导112均与主波导111连接，功率分配器11用于将主波导111中传输的电磁波信号分离为两路等幅反相(同相)的信号，并分别通过两个分波导112传输。在相邻级的功率分配结构1中，第n级功率分配结构1中的分波导112与第n+1级功率分配结构1中的主波导111通过弯曲波导2连接，经过功率分配器11分离后的两路信号则通过对应的分波导112传输至对应的弯曲波导2。主波导111、分波导112和弯曲波导2的均为椭圆波导，其横截面为椭圆形，使功率分配器11的内腔无任何水平悬挂结构，且最大程度地减少了波导不连续性结构，使金属壳体在3-d打印成型的过程中其内壁能够自行支撑。
42.上述实施例中的椭圆波导功率分配器，采用椭圆波导作为波导功率分配器的传输线架构，将其内腔设计为在竖直方向上无任何水平悬挂结构，且最大程度地减少了波导不连续性结构，融合了3-d打印的工艺原理，使金属壳体在3-d打印成型的过程中其内壁能够自行支撑，在实现该器件宽带功率分配性能的同时，显著提升了器件结构采用增材制造技术一体化成型的质量，且腔体成型时关键结构的对称性不被破坏，减小了腔体形变对器件射频性能的恶化。
43.在本发明的其中一个实施例中，请参阅图1至图3，功率分配器11为y形结功率分配器，适用于e面椭圆波导功率分配器，y形结功率分配器中，主波导111和分波导112组成的形状为y形。
44.其中，在同一个y形结功率分配器中，分波导112的中轴线与主波导111的中轴线的夹角为90度至150度之间，如90度、100度、120度等；两个分波导112的中轴线的夹角在60度至180度之间，如100度、150度、180度等。在图1至图3所示的实施例中，分波导112的中轴线与主波导111的中轴线的夹角为135度，两个分波导112的中轴线的夹角为90度。
45.在本发明的其中一个实施例中，请参阅图4至图7，图4为本发明实施例提供的一种h面椭圆波导功率分配器的立体结构图一，图5为本发明实施例提供的一种h面椭圆波导功率分配器的立体结构图二，图6为图5中沿c—c面的立体剖面视图，图7为图5中沿d—d面的立体剖面视图。功率分配器11为t形结功率分配器，适用于h面椭圆波导功率分配器，t形结功率分配器中，主波导111和分波导112组成的形状为t形。
46.其中，在同一个t形结功率分配器中，分波导112的中轴线与主波导111的中轴线的夹角在90度至150度之间，如90度、100度、120度等，两个分波导112的中轴线的夹角在60度至180度之间，如100度、150度、180度等。
47.可选地，椭圆波导功率分配器还包括第一过渡波导4、第二过渡波导5和矩形波导端口33。第一过渡波导4用于将主波导111过渡连接至矩形波导端口33，第二过渡波导5用于将分波导112过渡连接至矩形波导端口33，即功率分配结构1整体与矩形波导端口33通过第一过渡波导4和第二过渡波导5连接。
48.在本发明的其中一个实施例中，请参阅图2、图3、图6和图7，主波导111和两个分波导112的连接处具有拱门结构113，拱门结构113的顶部靠近分波导112，拱门结构113的底部靠近主波导111。在3-d打印的过程中，功率分配器11的材料层叠方向为主波导111至分波导112的延伸方向，因此，设置拱门结构113可以使功率分配器11的内腔没有水平悬挂结构，在打印成型的过程中其内壁能够自行支撑。
49.在本发明的其中一个实施例中，请参阅图1及图4，各个功率分配器11的主波导111
的中轴线相互平行，也就是说，各级的功率分配结构1中，功率分配器11的主波导111的中轴线均朝向同一方向，使得经过功率分配器11分离的信号也朝向同一方向传输。在其它实施例中，各个功率分配器11的主波导111的中轴线也可不平行。
50.在本发明的其中一个实施例中，椭圆波导功率分配器还包括多个波导法兰盘，多个波导法兰盘分别设置在n级功率分配结构1的多端，便于该椭圆波导功率分配器与外部电路连接。波导法兰盘上均开设有矩形波导端口33。需要说明的是，n级功率分配结构1具有1+2n个端口(一个输入端和2n个输出端)，各个输出端的波导朝向一致时，输出端可共用一个波导法兰盘。
51.特别地，请参阅图1及图4，椭圆波导功率分配器包括两个波导法兰盘，两个波导法兰盘分别设置在n级功率分配结构1的两端。具体而言，两个波导法兰盘分别为第一波导法兰盘31和第二波导法兰盘32，第一波导法兰盘31与第一级功率分配结构1中的主波导111连接，第一波导法兰盘31上开设有一个矩形波导端口33；第二波导法兰盘32与最后一级功率分配结构1中的分波导112连接，第二波导法兰盘32由2n个标准规格的波导法兰盘组合而成，第二波导法兰盘32上开设有2n个矩形波导端口33。
52.在本发明的其中一个实施例中，请参阅图1及图4，弯曲波导2包括相互连接的h面弯曲波导21和e面弯曲波导22，h面弯曲波导21连接于主波导111，e面弯曲波导22连接于分波导112，两种弯曲波导2的结合使用提升了椭圆波导功率分配器结构的紧凑性和灵活性。在其它实施例中，也可以是h面弯曲波导21连接于分波导112，或e面弯曲波导22连接于主波导111，即弯曲波导2与其它椭圆波导结构的连接方式不做限定。
53.在本发明的其中一个实施例中，椭圆波导功率分配器为具有内腔的金属壳体，内腔平滑设置，由连续的曲面和平面围合形成。因此，金属壳体的内部不存在任何突变的不连续结构，其内腔轮廓为平滑曲面。该椭圆波导功率分配器的设计过程完全融合了3-d打印的工艺原理，金属壳体和3-d打印工艺的兼容性极高，提高了其采用3-d打印工艺一体化制造的可靠性。
54.请参阅图8，图8为本发明实施例提供的一种e面椭圆波导功率分配器的y形结功率分配器的仿真的散射参数曲线图。主波导111远离分波导112的端口的反射系数在ka全频段均小于-25db，传输系数曲线呈现较为理想的-3-db等功分响应。
55.请参阅图9，图9为本发明实施例提供的一种e面椭圆波导功率分配器(不含过渡波导)的空气腔模型的仿真的散射参数曲线图，在ka频段大部分频率范围内，仿真的端口反射系数小于-20db，传输系数为(-6.0
±
0.3)db。
56.在本发明的所有实施例中，第一过渡波导4和第二过渡波导5的仿真的端口反射系数小于-20db，表明引入第一过渡波导4和第二过渡波导5对椭圆波导功率分配器本身的传输性能的影响很小，可以忽略。
57.请参阅图10和图11，图10为本发明实施例提供的一种e面椭圆波导功率分配器(含过渡波导)的仿真和测量的散射参数曲线图，图11为图10中传输系数曲线的拉近视图。可以看出，在ka全频段，e面椭圆波导功率分配器测量和仿真的散射参数曲线一致吻合，验证了仿真结果的准确性和加工工艺的可靠性，也验证了该椭圆波导功率分配器的优异射频性能。在ka全频段，测量的端口反射系数小于-17db，测量的传输系数为(-6.5
±
0.6)db。
58.请参阅图12，图12为本发明实施例提供的一种h面椭圆波导功率分配器的t形结功
率分配器的仿真的散射参数曲线图。该t形结功率分配器在主波导111远离分波导112的端口进行激励，该端口的仿真的反射系数在ka频段大部分频率范围内均小于-20db，传输系数曲线呈现较为理想的-3-db等功分响应。
59.请参阅图13，图13为本发明实施例提供的一种h面椭圆波导功率分配器(不含过渡波导)的空气腔模型的仿真的散射参数曲线图，在ka频段大部分频率范围内仿真的端口反射系数小于-20db，传输系数为(-6.5
±
0.15)db。
60.请参阅图14和图15，图14为本发明实施例提供的一种h面椭圆波导功率分配器(含过渡波导)的仿真和测量的散射参数曲线图，图15为图14中传输系数曲线的拉近视图。可以看出，在ka全频段，h面椭圆波导功率分配器测量和仿真的散射参数曲线一致吻合，验证了仿真结果的准确性和加工工艺的可靠性，也验证了该椭圆波导功率分配器的优异射频性能。在ka全频段，测量的端口反射系数小于-15db，测量的传输系数为(-6.9
±
0.6)db。
61.图8至图15中所采用的椭圆波导功率分配器的部分关键尺寸如下：
62.(1)矩形波导端口33：宽边长度为7.112毫米，窄边长度为3.556毫米；
63.(2)第一过渡波导4和第二过渡波导5：长度为6毫米；
64.(3)y形结功率分配器：主波导111的长度为11毫米，分波导112的弯曲角度为45度，曲率半径为4.6毫米，分波导112的长度为5.027毫米；
65.(4)t形结功率分配器：主波导111的长度为8毫米；
66.(5)椭圆波导端口：长轴长度为7.45毫米，短轴长度为3.6毫米。
67.需要再次强调的是，第一，本发明实施例提供的椭圆波导功率分配器融合了3-d打印的工艺原理进行设计，具有平滑的曲面轮廓，腔体内部不存在任何突变的不连续性结构，该椭圆波导功率分配器可在不使用支撑的情况下一体化增材制造成型，且结构对3-d打印工艺的兼容性极高，且可以进一步对第一波导法兰盘31和第二波导法兰盘32进行塑形，以减小其重量和减少成型过程中支撑材料的使用；第二，按照图1和图6所示竖直方向打印成型，能够维持功率分配器11的结构对称性，最大程度地减小了3-d打印结构的形变对器件射频性能的恶化。
68.为了验证本发明提供的一种椭圆波导功率分配器具备优越的射频性能，对本发明实施例中的椭圆波导功率分配器进行了全波电磁仿真、加工和射频测量。该器件采用光敏树脂作为结构材料使用多喷头喷墨工艺一体化3-d打印成型，打印成型的方向为图1和图6所示的oz方向。打印结束之后，模型内外的介质支撑全部可以升温熔化去除，去除支撑的过程不会损伤器件本身的结构，因此，模型的一体化成型不受支撑的生成位置和数量的制约。最后，对模型进行打磨和清洗，并对模型整个表面进行镀铜，得到最终的器件。
69.在本发明所提供的实施例中，应该理解到，第一，所公开的塑形设计方法和典型塑形结构，可以普遍适用到其它类型的微波宽带或窄带器件上。例如，椭圆波导可以广泛应用于耦合器、魔t和滤波器等无源器件中。第二，参与塑形的腔体几何结构和尺寸仅仅是示意性的，在实际应用中，可以根据射频指标、空间大小、电磁波模式分布规律等灵活选择用于塑形的腔体结构。例如，功率分配器11的结构可以进一步优化，椭圆波导和过渡波导的尺寸可以根据器件工作频段进行缩放，波导输出端口的朝向可以根据应用需求定制。第三，所公开的塑形结构适用于多种非金属/金属3-d打印工艺和打印材料，结构设计方法的普适性强。
70.以上为对本发明提供的一种椭圆波导功率分配器的描述，对于本领域的技术人员而言，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.椭圆波导功率分配器，其特征在于：包括n级功率分配结构，n为大于或者等于1的整数，第n级所述功率分配结构包括2
n-1
个功率分配器，所述功率分配器包括主波导以及连接于所述主波导的两个分波导，第n级所述功率分配结构中的所述分波导与第n+1级所述功率分配结构中的所述主波导通过弯曲波导连接，所述主波导、所述分波导和所述弯曲波导均为横截面是椭圆形的椭圆波导。2.如权利要求1所述的椭圆波导功率分配器，其特征在于：在同一所述功率分配器中，所述主波导和两个所述分波导的连接处具有拱门结构，所述拱门结构的顶部靠近所述分波导，所述拱门结构的底部靠近所述主波导。3.如权利要求1所述的椭圆波导功率分配器，其特征在于：各个所述功率分配器的所述主波导的中轴线相互平行。4.如权利要求1所述的椭圆波导功率分配器，其特征在于：所述椭圆波导功率分配器的两端均具有矩形波导端口，所述功率分配结构通过过渡波导与所述矩形波导端口连接。5.如权利要求1所述的椭圆波导功率分配器，其特征在于：所述弯曲波导包括相互连接的e面弯曲波导和h面弯曲波导，且所述e面弯曲波导连接于所述主波导，所述h面弯曲波导连接于所述分波导，或者，所述e面弯曲波导连接于所述分波导，所述h面弯曲波导连接于所述主波导。6.如权利要求1-5任一项所述的椭圆波导功率分配器，其特征在于：所述椭圆波导功率分配器为具有内腔的金属壳体，所述内腔平滑设置。7.如权利要求1-5任一项所述的椭圆波导功率分配器，其特征在于：所述功率分配器为y形结功率分配器。8.如权利要求7所述的椭圆波导功率分配器，其特征在于：在同一所述y形结功率分配器中，所述分波导的中轴线与所述主波导的中轴线的夹角为90度至150度之间，两个所述分波导的中轴线的夹角为60度至180度之间。9.如权利要求1-5任一项所述的椭圆波导功率分配器，其特征在于：所述功率分配器为t形结功率分配器。10.如权利要求9所述的椭圆波导功率分配器，其特征在于：在同一所述t形结功率分配器中，所述分波导的中轴线与所述主波导的中轴线的夹角为90度至150度之间，两个所述分波导的中轴线夹角为60度至180度之间。

技术总结
本发明提供了一种椭圆波导功率分配器，包括n级功率分配结构，n为大于或者等于1的整数，第n级功率分配结构包括2


技术研发人员：陈思丞 李津 袁涛
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/7/22