准一维h型结波导功分器

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1、第２６卷第４期电波科学学报Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．４２０１１年８月ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＲＡＤＩＯＳＣＩＥＮＣＥＡｕｇｕｓｔ，２０１１文章编号１００５－０３８８（２０１１）０４－０６２８－０８准一维Ｈ型结波导功分器研究王文智金荣洪耿军平梁仙灵（教育部高速电子系统设计与电磁兼容研究重点实验室，上海交通大学，上海２００２４０）摘要提出并研究了一种具有准一维结构特征的新型波导功分器———Ｈ型结，在用于波导功分网络设计时可将网络结构限制在准一维方向内，以满足对紧凑性要求较高的应用场合。通过平衡激励简化求解

2、，应用变分法提取了有限壁厚耦合缝隙的等效电路元件参数，进而完整地建立了Ｈ型结的等效电路模型。以此为基础，将等效电路法与全波分析法相结合，实现了Ｈ型结快速、精确的设计。计算与实验结果表明：混合设计方法精确高效，Ｈ型结及基于它设计的波导功分网络具有优良的性能。关键词Ｈ型结；波导功分器；准一维；平衡激励；混合设计方法中图分类号ＴＮ８１４文献标志码Ａ效方式，利用变分法对波导中有限壁厚耦合缝隙进１．引言行参数提取。变分法曾被用于分析零壁厚横向耦合［１０］金属波导功分器具有低插入损耗的优点，常用缝隙的散射参数，具有

3、结果精确、形式简单等优［１－２］于天线阵列馈电网络及雷达系统馈源的设计。点；但在有限壁厚的情况下，需要分别根据耦合缝隙若采用传统形式的波导功分器，如Ｔ型结、Ｙ型结上、下表面处的电场选取试函数，增加了求解的计算及波导电桥等，在构造波导功分网络时整体结构需量。为此，可在变分法中引入平衡激励，在保证精度［１，３］要向两维甚至三维的方向进行伸展，严重制约的前提下以单个试函数实现求解，使参数提取更为大型阵列在车载、机载等对紧凑性要求较高的场合简单有效。中的应用。已有不少学者对此问题进行研究并提出在Ｈ型结等效电路模

4、型的基础上，可结合全波［４－５］了一些解决方案，如采用基片集成波导技术、径分析法对Ｈ型结进行设计。众所周知，等效电路法［６－７］［８］向功率分配／合成器、新型馈电方式等。尽管计算量小、物理意义明确，但模型的建立及元件参数如此，这些方案在损耗、空间布局、设计难度等方面的提取往往包含很多近似处理，仅据此进行设计精仍受到一定的限制。为此，本文提出一种新型的Ｈ度必然会受到限制。相对而言，借助全波分析软件型结波导功分器，在保持传统波导功分器各方面优可以获得精确的结果，但需要耗费大量的计算时间。点的同时，具有准一维

5、的结构特征，适合于设计紧凑因此，可结合两者优点，首先利用Ｈ型结的等效电的波导功分网络，可为实际应用提供有价值的参考。路模型快速获取接近较优解的设计参数，然后以此建立Ｈ型结的等效电路模型具有重要意义，是为基础进行全波分析及优化，最终完成设计。如此，分析与设计的基础。然而，现有方法仍不能很好地可在时间与精度上取得折中，实现Ｈ型结快速、精提取Ｈ型结中有限壁厚耦合缝隙的等效电路参数，确的混合设计方法。为模型的建立带来困难。为此，可根据文献［９］的等收稿日期：２０１０－１０－１６基金项目：国家９７３项目（２００９

6、ＣＢ３２０２０５）；国家自然科学基金委创新研究群体基金项目（６０８２１０６２）；重大专项（２０１１ＺＸ０３００１－００７－０３）；上海市自然科学基金（１０ＺＲ１４１６６００）；教育部博士点专项基金（２００９００７３１２００３３）；航天基金重点；航天支撑基金联系人：王文智Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｉｍｏｎａｒｙ＠ｓｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ第４期王文智等：准一维Ｈ型结波导功分器研究６２９２．Ｈ型结波导功分器传统Ｔ型结由于分支波导垂直于主波导，用于波导功分网络设计时将占用庞大的空间。相对而言，Ｈ型结的波导分支互相平行且紧贴

7、，具有紧凑的准一维结构，如图１（ａ）所示。其中，耦合缝隙用于电磁能量的合成或分配，附加的短路波导用于输入端口的匹配。此结构与字母Ｈ的形状相似，因此，称为Ｈ型结波导功分器。图１（ａ）所示为Ｅ面Ｈ型结，即从１端口处输入信号可在２、３端口处获得反相输出；同理可构造出Ｈ面Ｈ型结。［１１－１２］根据相关论述可得出Ｈ型结的等效电路，如图１（ｂ）所示。其中，横向耦合缝隙导致波导沿纵向发生电压跃变，因此，等效为串联阻抗Ｚｓｌｏｔ．Ｚ１及Ｚ２分别为上下两层波导的特征阻抗，Ｚｓ为短路波导的等效阻抗。由于Ｈ型结的等效电路中仅

8、含有两个电抗元件，输入端反射系数一般仅存在单一零点，使阻抗带宽较窄。为此，可通过容性Ｅ面阶梯引入３．等效电路参数提取与混合设计方法新的电抗元件，从而实现两个相邻零点以展宽带宽，３．１等效电路参数提取如图２、图３所示。全波分析结果表明：增加Ｅ面阶Ｈ型结中的Ｅ面阶梯可等效为两个电容梯后，一个典型Ｈ型结的－２０ｄＢ相对带宽可达约［１２］－ｊＸＣ，而它们之间的区域则可等效为两段特征１０．７％，比之前的约３．４％提高超过两倍，如图４所阻抗为Ｚ２、长度