CN101364660A - 一种π型介质波导宽带定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于毫米波电路的∏型介质波导宽带定向耦合器，由对称置于中轴线两侧的左右两根相互靠近但不接触的背向弯曲的介质波导传输线固定在接地金属板上构成，形成类似X型结构；特征是在耦合器的耦合段和过渡段利用∏型介质波导达到宽带平坦耦合，过渡段波导轴线采用双曲正切函数线型；在近6GHz频率范围内耦合系数起伏不超过±0.5dB，可以在更宽的频带内实现平坦的耦合特性；与传统的完全由介质镜像线构造的定向耦合器相比，本发明由于使用双曲正切线型的过渡波导段，且省去了现有耦合器过渡波导段中垂直于地的金属侧壁，降低了辐射损耗和金属损耗，减小了器件体积，降低了制造复杂度和成本，可方便地进行大规模生产。

Description

一种Π型介质波导宽带定向耦合器

技术领域

本发明属于毫米波电路的定向耦合器技术领域，具体涉及Π型介质波导宽带定向耦合器。

背景技术

在现有的微波工程中，定向耦合器主要采用微带线结构来设计。这种微带形式的定向耦合器随着频率的提高会出现难于抑制的高次模，从而带来大的辐射损耗和串扰等缺陷。随着微波技术向毫米波波段的发展，介质波导作为毫米波电磁能量的理想传输结构显示出低损耗、易于加工、成本低廉、便于集成化等优点，已得到广阔的应用。用介质波导构造的定向耦合器通常由两根相互靠近但不接触的介质波导传输线构成，两根波导传输线可以是背向弯曲的，形成类似X型结构，也可以是一根为直波导另一根弯曲形成类似K型结构；其共同特征是连接外部端口的输入和输出波导间距较大从而互相隔离，耦合区内两根波导充分靠近从而耦合能量，输入和输出波导与耦合区波导间由过渡段波导相连接。使用的波导通常是介质镜像线，但已有文献例如美国IEEE微波理论和技术汇刊上发表的“矩形截面平面介质波导的耦合特性”(Coupling characteristics of planardielectric waveguides of rectangular cross section，IEEE Trans on MTT，vol.29，no.9，Sept.1981，pp.875-880)指出这类定向耦合器为一种窄带结构。为了增大带宽，美国IEEE微波理论和技术汇刊上发表的“具有高度平稳耦合度的直接连接的镜像波导三分贝耦合器”(Directly connected image guide 3-dB couplers with very flat couplings，IEEE Trans on MTT，vol.32，no.6，Jun.1984，pp.621-627)一文介绍了对此类结构做的一些改进，该文章的分析表明在耦合器耦合区使用直接连接的镜像波导可以增加带宽，但随着连接区介质厚度的增加会在工作频段产生高次模，从而增大回波损耗和插入损耗；另外，考虑到过渡段的额外耦合效应，此类结构的耦合系数仍随频率而剧烈变化。美国IEEE微波理论和技术汇刊上发表的题为“宽带介质波导定向耦合器”(Wide-band directional couplers in dielectricwaveguide，IEEE Trans on MTT，vol.35，no.8，Aug.1987，pp.681-687)一文提出利用空心介质波导构造宽带定向耦合器。其过渡段波导轴线为曲率很大的圆弧线型，为了保证外部输入和输出波导间的隔离，过渡段为很长的圆弧结构，从而增大了耦合器体积；为了避免过渡段额外的耦合效应，在过渡段引入了垂直于地的金属侧壁，但这样也引入了额外的金属损耗；而且由于对金属侧壁光洁度和垂直度的严格要求，增加了制造复杂度和成本。

发明内容

本发明提出一种Π型介质波导宽带定向耦合器，以克服现有技术的上述缺陷，达到宽带平坦耦合、减小器件体积、降低加工难度，并可方便地进行大规模生产。

本发明Π型介质波导宽带定向耦合器，由对称置于中轴线8两侧的左右两根相互靠近但不接触的背向弯曲的介质波导传输线固定在接地金属板7上构成，形成类似X型结构，右侧介质波导传输线5两端分别连接耦合器的输入端口1和直通端口2，左侧介质波导传输线6两端分别连接耦合器的隔离端口3和耦合端口4；所述右侧介质波导传输线5和左侧介质波导传输线6分别沿纵向分为输入波导段11、前端过渡波导段31、Π型介质波导段21、后端过渡波导段32和输出波导段12；Π型介质波导段21位于耦合器中部，构成耦合区波导段，其横截面为Π形波导截面22；前端过渡波导段31和后端过渡波导段32各自的一端分别对称地连接在耦合区波导段两端，另一端分别对称地连接输入波导段11和输出波导段12；输入波导段11和输出波导段12均利用横截面为矩形截面13的介质镜像线构造，它们共同构成耦合器的外部输入输出波导段；其特征在于：所述前端过渡波导段31的中心轴线33和后端过渡波导段32的中心轴线34均为双曲正切线型，过渡波导段波导截面沿纵向在外部输入输出波导段的矩形波导截面13和耦合区波导段的Π型波导截面22间均匀过渡；依照上述各部分之间的对称性连接，所述右侧介质波导传输线5和左侧介质波导传输线6各自关于耦合区波导段中段横截面a-a’对称；设外部输入输出波导段与中轴线8间距为h，耦合区波导段与中轴线8间距为S，输入波导段和输出波导段的矩形截面13宽度为R，高度为B，耦合区波导段的Π型介质波导长度为L，其Π型波导截面22的内部矩形窗23的宽度为A，高度为T，前端过渡波导段和后端过渡波导段长度均为W；设中轴线8为z轴，中轴线8与耦合区波导段中段横截面a-a’截面的交点为原点，原点处垂直于z轴的轴线为x轴，z轴上到原点距离为z处的过渡段波导横截面b-b’截面与后端过渡段波导(32)的中心轴线(34)的交点到z轴的距离由距离函数S(z)确定：

距离函数S(z)＝h·tanh((z-L/2-W/2)/η)+(S+R+h)/2，L/2≤z≤L/2+W；(1)

其中渐变系数η＝W/2arctanh((h-S)/2h)；此处的过渡段波导横截面b-b’截面，其内部矩形窗的宽度由宽度函数A(z)确定：

宽度函数A(z)＝A(1-(z-L/2)/W)，L/2≤z≤L/2+W；                  (2)

矩形窗的高度由高度函数T(z)确定：

高度函数T(z)＝T(1-(z-L/2)/W)，L/2≤z≤L/2+W；                  (3)

按照上面式(1)、式(2)和式(3)的函数关系构造后端过渡段波导32，根据对称性构造前端过渡段波导31。

工作时，输入的毫米波信号由输入端口1进入耦合器右侧介质波导传输线5，信号经前端过渡波导段31进入耦合区波导段的Π型介质波导段21，在这里部分信号能量由右侧介质波导传输线5耦合至左侧介质波导传输线6，从而信号分为两路，一路继续沿右侧介质波导传输线5传播而另一路信号沿左侧介质波导传输线6传播，两路信号随后经后端过渡波导段32分别进入耦合器的直通端口2和耦合端口4，从而使耦合器实现耦合部分输入信号能量并由耦合端口输出的目的。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明Π型介质波导宽带定向耦合器由于采用Π型介质波导来实现能量耦合，与传统的完全由介质镜像线构造的定向耦合器相比，可以在更宽的频带内实现平坦的耦合特性。由于本发明Π型介质波导宽带定向耦合器中过渡波导段截面也为Π型，因此过渡波导段带来的额外耦合效应不会破坏耦合器的平坦耦合特性；而且由于使用双曲正切线型的过渡波导段且省去了现有耦合器中垂直于地的金属侧壁，因此降低了辐射损耗和金属损耗，减小了器件体积和制造复杂度，可方便地进行大规模生产。

附图说明

图1是本发明实施例的Π型介质波导宽带定向耦合器的立体结构图。

图2是Π型介质波导宽带定向耦合器的耦合区中段横截面a-a’截面以及过渡段波导横截面b-b’截面的截面图；

图3是Π型介质波导宽带定向耦合器结构的俯视图。

图4是实施例中具体构造的Π型介质波导3dB宽带定向耦合器的结构尺寸及其耦合特性的计算曲线。纵坐标反映耦合系数，它表示耦合端口4与直通端口2输出能量的比值的分贝值。

图5是由实施例中具体构造的Π型介质波导3dB宽带定向耦合器的S参数曲线。

具体实施方式

实施例1：

本实施例为一种Π型介质波导3dB宽带定向耦合器，由对称置于中轴线8两侧的左右两根相互靠近但不接触的背向弯曲的介质波导传输线固定在接地金属板7上构成类似X型结构，其结构见附图1；其耦合区中央横截面a-a’截面和过渡段波导横截面b-b’截面视图示于图2，图3为耦合器整体结构的俯视图。本实施例中，所述Π型介质波导3dB宽带定向耦合器采用常见的介电常数ε_r为2.1的聚四氟乙烯材料，设计中心工作频率为37GHz，要求在34-40GHz频段范围内达到平坦的3dB耦合输出，工作频带内耦合系数起伏不超过±0.5dB。

两根介质波导传输线5和6对称置于中轴线8两侧，二者均沿纵向分为五部分，分别为输入波导段11，前端过渡波导段31，Π型介质波导段21，后端过渡波导段32以及输出波导段12；其中输入波导段11和输出波导段12共同构成耦合器的外部输入输出波导段，Π型介质波导段21构成耦合器的耦合区波导段，前端过渡波导段31和后端过渡波导段32共同构成耦合器的过渡波导段，各部分的具体构造如下所述：

在外部输入输出波导段，输入波导段11和输出波导段12结构完全相同，均由横截面为矩形截面13的介质镜像线构造。根据设计要求，外部输入输出波导段在34-40GHz频段范围内单模工作，这限定了构成输入波导段和输出波导段的介质镜像线矩形截面13的尺寸。通过计算介质镜像线的色散曲线可以得到满足上述要求的波导截面尺寸范围，这里波导截面定为宽度R＝4mm，高度B＝3mm。另外，为保证外部输入输出波导段两根波导间的隔离，其间距应设计的较大，但过大的间距会增大耦合器体积，折衷考虑后波导间距定为12mm，即是外部输入输出波导段与中轴线8的间距h＝6mm。

在耦合区波导段21，两根Π型介质波导充分靠近形成耦合波导从而耦合能量，波导间距定为1.2mm，即耦合区波导段与中轴线8的间距S＝0.6mm。耦合器的耦合性能主要由相互耦合的Π型介质波导支持的奇偶模传播常数差决定，根据设计要求，应控制Π型波导截面22中矩形窗23的尺寸使得耦合波导支持的奇偶模传播常数差在34-40GHz频段范围内保持基本恒定。满足要求的矩形窗尺寸为宽度A＝2.5mm，高度T＝1.5mm。在奇偶模传播常数差确定的情况下，耦合度由耦合波导长度决定。根据3dB耦合输出要求，确定耦合区波导段的长度为L＝49mm。矩形窗内采用介电常数ε_a为1.0的空气填充。

在过渡波导段31和32，过渡波导段长度W不小于中心频率对应波长的5倍时过渡段波导弯曲带来的辐射损耗可以忽略，满足要求的过渡段长度定为W＝50mm。

至此，耦合器的各结构参数均已确定，总结如下：

ε_r＝2.1

ε_a＝1.0

R＝4mm

B＝3mm

A＝2.5mm

T＝1.5mm

S＝0.6mm

h＝6mm

L＝49mm

W＝50mm。

根据决定过渡波导段结构的上述式(1)、式(2)和式(3)的函数关系以及上面确定的耦合器结构参数，可以确定过渡波导段的具体结构如下：(单位均为毫米)

过渡段波导32的中心轴线34满足下面方程：

距离函数S(z)＝tanh((z-49.5)/η)+5.3(24.5≤z≤74.5)

其中， $\mathrm{\η}\stackrel{.}{=}51.578;$

过渡段波导32横截面内矩形窗的尺寸满足下面方程：

宽度函数：A(z)＝2.5·(1-(z-24.5)/50)(24.5≤z≤74.5)；

高度函数：T(z)＝1.5·(1-(z-24.5)/50)(24.5≤z≤74.5)。

在z＝L/2的横截面即耦合段和过渡段波导交界面处，矩形窗宽度A(L/2)＝A，高度T(L/2)＝T；随着纵向距离z的增加，波导横截面开始从Π型截面22向矩形截面13均匀过渡，也即是内部矩形窗23的高度和宽度均沿纵向线性减小；在z＝L/2+W的横截面(即过渡段和外部输入输出波导交界面)处，矩形窗宽度A(L/2+W)＝0，高度T(L/2+W)＝0，矩形窗消失，Π型波导截面22向矩形截面13的过渡完成。

按照以上所述具体构造方法加工波导各部分，然后在耦合区波导段两端对称地连接前端过渡波导段31和后端过渡波导段32，并在前端过渡波导段31和后端过渡波导段32各自的外端对称地连接输入波导段11和输出波导段12，最终完成介质波导传输线5和6的加工。将两根介质波导传输线5和6按照已经确定的间距对称地放置于中轴线8两侧，则最终完成Π型介质波导3dB宽带定向耦合器的加工。

工作时，外部毫米波信号由输入端口1进入耦合器，在右侧介质波导传输线5内以单模形式传输。信号经前端过渡波导段31进入耦合区波导段的Π型介质波导段21，由于耦合区内两根相互靠近的Π型介质波导段形成耦合波导，在耦合波导中同时支持奇模和偶模两种模式，这两种模式具有不同的传播常数，它们之间相互耦合，使得一部分信号能量经过耦合区波导段后由右侧介质波导传输线5耦合至左侧介质波导传输线6中，从而使信号分为两路，一路继续沿右侧介质波导传输线5传播而另一路信号在左侧介质波导传输线6中传播，两路信号随后经后端过渡波导段32分别进入直通端口2和耦合端口4，从而使耦合器实现耦合部分输入信号能量由耦合端口输出的目的。

介质波导定向耦合器的耦合特性是衡量耦合器性能的一个主要指标。耦合器的耦合性能主要由耦合区内耦合波导中支持的的奇模和偶模传播常数之差决定，若奇偶模传播常数之差随频率变化而变化，则耦合器的耦合系数随之变化，从而耦合输出的信号能量也跟着变化，这将大大降低耦合器性能。在传统的由介质镜像线构成的定向耦合器中，耦合区由两段相互靠近的介质镜像线形成的耦合波导构成，这类结构中支持的奇偶模传播常数之差随频率的变化而剧烈变化，因此这类结构不可能在较宽的频带内实现平坦的耦合。由Π型介质波导构成的定向耦合器则大大改善了这个问题，其耦合区内由两段相互靠近的Π型介质波导形成的耦合波导中支持的奇偶模传播常数之差可以在相当宽的频带内保持恒定，从而具有平坦的耦合特性。如图4中按照实施例1具体构造的3dB耦合器的耦合特性的计算曲线所示，耦合器中心频率为37GHz，在近6GHz频率范围内耦合器耦合系数起伏不超过±0.5dB，相对带宽为16.2％。

介质波导定向耦合器的损耗是衡量耦合器性能的另一个重要指标。介质波导定向耦合器的损耗主要包括介质损耗、金属损耗以及辐射损耗三部分，其中介质损耗主要由使用的介质材料决定，由相同的介质材料构造的各类介质波导定向耦合器，其介质损耗相差不大；金属损耗是因为电磁场能量在金属表面转化为热量而产生的损耗，它主要由耦合器结构中暴露在电磁场集中区域内的金属壁决定；辐射损耗是因为电磁场能量在介质波导中传输过程中遇到拐角或弯曲等不连续性时辐射到自由空间而产生的损耗，它主要由介质波导中的不连续性程度大小决定。在已有的介质波导宽带定向耦合器中，过渡波导段为很长的圆弧结构，这引入了较大的介质波导不连续性从而带来较大的辐射损耗；为了避免过渡段额外的耦合效应，在过渡段引入了垂直于地的金属侧壁，这样也引入了额外的金属损耗，而且由于对金属侧壁光洁度和垂直度的严格要求，增加了制造复杂度和成本。在本实施例的设计中，耦合器过渡段波导为双曲正切线型，计算表明，当过渡波导段长度不小于中心频率对应波长的5倍时过渡段波导弯曲带来的辐射损耗即可以忽略。另外，本实施例的设计中省去了现有耦合器中垂直于地的金属侧壁，因此降低了金属损耗，减小了制造复杂度，可方便地进行大规模生产。如图5给出的按照实施例1设计的Π型介质波导3dB宽带定向耦合器的S参数曲线所示，在整个工作频带内耦合器的反射和反向耦合均在-25dB以下，保证了耦合器的低反射和高方向性；传输和正向耦合均为-3dB(起伏不超过±0.3dB)，实现了平坦的三分贝耦合输出。

Claims (1)

1、一种∏型介质波导宽带定向耦合器，由对称置于中轴线(8)两侧的左右两根相互靠近但不接触的背向弯曲的介质波导传输线固定在接地金属板(7)上构成，形成类似X型结构，右侧介质波导传输线(5)两端分别连接耦合器的输入端口(1)和直通端口(2)，左侧介质波导传输线(6)两端分别连接耦合器的隔离端口(3)和耦合端口(4)；所述右侧介质波导传输线(5)和左侧介质波导传输线(6)分别沿纵向分为输入波导段(11)、前端过渡波导段(31)、∏型介质波导段(21)、后端过渡波导段(32)和输出波导段(12)；∏型介质波导段(21)位于耦合器中部，构成耦合区波导段，其横截面为∏形波导截面(22)；前端过渡波导段(31)和后端过渡波导段(32)各自的一端分别对称地连接在耦合区波导段两端，另一端分别对称地连接输入波导段(11)和输出波导段(12)；输入波导段(11)和输出波导段(12)均利用横截面为矩形截面(13)的介质镜像线构造，它们共同构成耦合器的外部输入输出波导段；其特征在于：所述前端过渡波导段(31)的中心轴线(33)和后端过渡波导段(32)的中心轴线(34)均为双曲正切线型，过渡波导段波导截面沿纵向在外部输入输出波导段的矩形波导截面(13)和耦合区波导段的∏型波导截面(22)间均匀过渡；依照上述各部分之间的对称性连接，所述右侧介质波导传输线(5)和左侧介质波导传输线(6)各自关于耦合区波导段中段横截面(a-a’)对称；设外部输入输出波导段与中轴线(8)间距为h，耦合区波导段与中轴线(8)间距为S，输入波导段和输出波导段的矩形截面(13)宽度为R，高度为B，耦合区波导段的∏型介质波导长度为L，其∏型截面(22)的内部矩形窗(23)的宽度为A，高度为T，前端过渡波导段和后端过渡波导段长度均为W；设中轴线(8)为z轴，中轴线(8)与耦合区波导段中段横截面(a-a’)的交点为原点，原点处垂直于z轴的轴线为x轴，z轴上到原点距离为z处的过渡段波导横截面(b-b’)与后端过渡段波导(32)的中心轴线(34)的交点到z轴的距离由距离函数S(z)确定：

距离函数S(z)＝h·tanh((z-L/2-W/2)/η)+(S+R+h)/2，L/2≤z≤L/2+W；式1

其中渐变系数η＝W/2arctanh((h-S)/2h)；此处的过渡段波导横截面(b-b’)，其内部矩形窗的宽度由宽度函数A(z)确定：

宽度函数A(z)＝A(1-(z-L/2)/W)，L/2≤z≤L/2+W；                  式2

矩形窗的高度由高度函数T(z)确定：

高度函数T(z)＝T(1-(z-L/2)/W)，L/2≤z≤L/2+W；                 式3

按照上面式1、式2和式3的函数关系构造后端过渡段波导(32)，根据对称性构造前端过渡段波导(31)。

Images