小型化折叠波导功分器的研究

论文摘要

传统金属管波导因其所特有的损耗低、抗干扰性能好、功率容量大等优点,在一些通信与雷达系统设计中被广泛采用。随着技术的不断发展和需求的不断变化,人们对通信和雷达系统的紧凑性、机动性、隐蔽性等提出了更高的要求;然而,波导的体积与重量较大,常常与这些要求相矛盾,某些情况下甚至还成为了系统总体设计的瓶颈。自然地,波导小型化技术成为了解决这些矛盾的关键。然而,现有的小型化技术主要通过改变波导的传播特性而实现,在工程应用中仍存有一些难题。在此背景下,本文从改进和优化功分器结构的角度出发,对一系列新型的小型化折叠波导功分器进行了研究。“折叠”是指通过弯折或层叠波导分支、优化或重构功分器的功能单元,尽可能地减少功分器的伸展方向,提高空间利用效率,从而实现整体意义上的小型化效果。实践表明,折叠功分器是一种经济有效的小型化实现方式,它的研究具有重要意义。本文首先概述了波导小型化技术的应用背景及发展现状,对常用的波导功分器及其小型化实现进行了讨论。此外,介绍了波导功分器的研究方法,对全波分析法与等效电路法各自的优缺点和相互关系进行了分析。基于变分法,通过推导建立起有限壁厚耦合缝隙散射参数的变分表达式。对波导中耦合缝隙和E面阶梯两种不连续性区域的等效电路模型进行了介绍,并对它们的参数提取方法进行了分析。随后,对一种新型的H型结波导功分器进行了研究,该功分器具有准一维结构,可有效压缩波导功分网络的体积,提高空间利用率,实现整体的小型化效果。根据H型结的结构特点,给出了等效电路模型,并在等效电路分析的基础引入了E面阶梯,使H型结的阻抗匹配带宽提高了超过两倍。通过变分法对有限壁厚耦合缝隙进行了参数提取,并在过程中使用改进的平衡入射波有效地简化了计算。在此基础上,将等效电路法与全波分析法相结合,实现了H型结快速、精确的混合设计方法。基于H型结设计了一分四和一分八波导功分网络。测试结果表明,H型结、一分四网络及一分八网络的-15dB相对带宽分别为14%、12.6%和8.4%,带内插损的典型值分别为0.25dB、0.5dB和0.65dB,与仿真结果吻合,具有良好的性能。在此基础上,将H型结应用于脊波导功分器和功分网络的设计。对U-N变换、脊波导-矩形波导过渡、脊波导-微带过渡等元件进行了设计和加工验证。利用这些元件,基于H型结设计了脊波导一分四和一分十六功分网络。测试结果表明,脊波导H型结、一分四网络及一分十六网络的-15dB相对带宽分别为13.3%、13.3%和9.1%,带内插损的典型值分别为0.35dB、0.6dB和0.9dB,性能与矩形波导相当,并具有更为显著的小型化效果。最后,对一种基于H型结的新型低剖面波导魔T进行了研究,并分析了设计方法与性能的决定因素。进行了结构分解,并对其中的折叠H面T型结及整体魔T进行了研究和加工验证。测试结果表明,低剖面波导魔T在其最佳工作点附近能实现优于-20dB的端口匹配及通道隔离。针对实验结果,为今后的改进指出了需要注意的地方。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 波导小型化技术的研究现状
• 1.3 常见波导功分器及其小型化讨论
• 1.4 本文主要工作及章节安排
• 1.4.1 主要工作
• 1.4.2 章节安排
• 第二章 波导功分器的研究方法
• 2.1 方法概述
• 2.2 变分法
• 2.2.1 基本理论
• 2.2.2 变分法求解波导中有限壁厚耦合缝隙的散射参数
• 2.3 波导不连续性区域的等效电路
• 2.3.1 横向耦合缝隙
• 2.3.2 E 面阶梯
• 2.4 本章小结
• 第三章 准一维H 型结波导功分器
• 3.1 H 型结的基本结构
• 3.2 带宽展宽方法
• 3.3 基于平衡入射波的耦合缝隙参数提取
• 3.4 混合设计方法
• 3.5 基于H 型结的波导功分网络
• 3.6 实验验证
• 3.6.1 H 型结
• 3.6.2 波导功分网络
• 3.7 本章小结
• 第四章 H 型结的脊波导实现
• 4.1 脊波导H 型结的基本结构
• 4.2 脊波导过渡元件的设计与验证
• 4.2.1 U-N 变换
• 4.2.2 脊波导-矩形波导过渡
• 4.2.3 脊波导-微带过渡
• 4.3 基于H 型结的脊波导功分网络的设计与验证
• 4.4 本章小结
• 第五章 低剖面波导魔T
• 5.1 低剖面波导魔T 的基本结构
• 5.2 折叠H 面T 型结的特性
• 5.3 低剖面波导魔T 的特性
• 5.4 实验验证
• 5.4.1 折叠H 面T 型结
• 5.4.2 低剖面波导魔T
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文
• 致谢