CN102593566A - 一种毫米波段宽带正交模耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种毫米波段宽带正交模耦合器，工作于49GHz～59GHz，相对带宽大于18.5％，属于宽带设计。本发明创造性的采用后端为尖劈形状的膜片，有效的减弱了膜片厚度对正交模耦合器直通端口传输特性的影响，使得正交模耦合器的宽带特性易于实现。该措施不会增加正交模耦合器的结构复杂度，不仅如此，采用该措施后，正交模耦合器直通端的矩圆转换设计不需要额外考虑膜片厚度造成的传输影响，使得矩圆转换的阶数降低，结构简单。整体上，在采用了后端为尖劈形状的膜片的设计方法后，正交模耦合器的结构简单，紧凑，电性能测试优良。

Description

一种毫米波段宽带正交模耦合器

技术领域

本发明涉及一种宽带正交模耦合器，特别是一种毫米波段的宽带正交模耦合器，属于天线技术领域。

背景技术

随着我国微波遥感技术的发展，天线的频段正在向毫米波段发展，在未来的发展规划中，频率甚至提高到了100GHz以上。如此高的频率，天线馈电部件的尺寸急剧缩小，机械加工面临的挑战越来越大。

正交模耦合器是一种很常见的微波器件，为了实现正交模耦合器的宽带特性，需要在正交模耦合器里加入很多阻抗匹配，使得部件的结构较窄带设计时更复杂。在低频段(30GHz以下)，器件的物理尺寸大，即使结构复杂，也可以比较容易的加工成型。但是在毫米波段(30GHz以上)，复杂的结构可能导致器件无法加工或者加工精度不能保证，使得设计无法顺利过渡成合格的产品，这种设计是不可取的。

基于上述事实，在毫米波段，天线馈电部件的设计在结构上必须尽可能的简洁，易于加工。为了达到这些效果，很多设计是以牺牲电性能来换取结构的简单。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种毫米波段宽带正交模耦合器，即实现了宽带特性，又具有简洁的结构，易于加工，提高了成品率，减少了研制成本。

本发明的技术方案为：

一种毫米波段宽带正交模耦合器，包括直通端口、耦合端口、膜片、耦合区圆波导、矩圆过渡、圆圆过渡、公共端口和直通通道；

直通端口为一矩形波导，与矩圆过渡相连，矩圆过渡与直通通道相连，直通通道为一圆波导，在所述直通通道中间放置膜片，直通通道与耦合区圆波导相连，在与直通通道与耦合区圆波导中心轴线相垂直处连接耦合端口，耦合端口为一矩形波导，耦合端口的波导中心轴线还与膜片的平面垂直。

圆圆过渡为一圆台状过渡段，耦合区圆波导与圆圆过渡直径小的一端连接，圆圆过渡直径大的一端连接公共端口。

所述的耦合端口内部有一台阶过渡，所述的膜片包括尖劈和尖劈，尖劈处于耦合区圆波导中，透过耦合端口可以看到尖劈，尖劈处于直通通道中。

耦合区圆波导的直径与膜片厚度的比值小于15。

尖劈和尖劈的形状为三角形。

所述的尖劈的边缘可以是直线、折线或者指数曲线。。

尖劈和尖劈之间的距离大于λ_min/2，λ_min为所述毫米波段宽带正交模耦合器的最小工作波长。

耦合区圆波导的直径与直通通道的直径相等。

本发明与现有技术相比的优点在于：

现有技术中，在毫米波频段，相同类型的正交模耦合器要实现宽带特性，必须要消除膜片厚度对传输特性的影响，否则需要在正交模耦合器里加入很多的阻抗匹配段，造成部件结构复杂，使得部件的局部结构过于细小，在机加上无法保证加工精度，设计无法顺利转变成产品。本发明与现有技术相比，采用改造膜片自身形状的做法，基本消除掉了膜片厚度对传输特性的影响，而不需要额外增加匹配段抵消膜片厚度造成的影响，使得本发明设计的毫米波段宽带正交模耦合器结构简洁，易于加工，具有良好的可实现性。

附图说明

图1为毫米波段宽带正交模耦合器剖面三维结构图；

图2为膜片具体形状示意图

图3为膜片的几种形式；

图4为正交模耦合器耦合端口和直通端口驻波比曲线；

具体实施方式

本发明提供了一种毫米波段宽带正交模耦合器，如图1所示，包括直通端口1、耦合端口2、膜片3、耦合区圆波导4、矩圆过渡5、圆圆过渡6、公共端口7和直通通道8；依靠在膜片3的后端添加尖劈31的方法来抵消膜片3前端尖劈30产生的反射，从而达到消除膜片3厚度对直通通道8电磁传输特性的影响。

直通端口1为一矩形波导，如标准矩形BJ500波导，与矩圆过渡5相连，矩圆过渡5与直通通道8相连，直通通道8为一圆波导，在所述直通通道8中间放置膜片3，直通通道8与耦合区圆波导4相连，在与直通通道8与耦合区圆波导4中心轴线相垂直处连接耦合端口2，耦合端口2为一矩形波导，耦合端口2的波导中心轴线还与膜片3的平面垂直，耦合区圆波导4的直径与直通通道8的直径相等，耦合区圆波导4的直径与膜片3厚度的比值小于15。

圆圆过渡6为一圆台状过渡段，耦合区圆波导4与圆圆过渡6直径小的一端连接，圆圆过渡6直径大的一端连接公共端口7。

所述的耦合端口2内部有一台阶过渡20，所述的膜片3包括尖劈30和尖劈31，尖劈30处于耦合区圆波导4中，透过耦合端口2可以看到尖劈30，尖劈31处于直通通道8中，尖劈30和尖劈31的形状为三角形，如图3所示，尖劈31的边缘可以是直线、折线或者指数曲线，尖劈30和尖劈31之间的距离大于λ_min/2，λ_min为所述毫米波段宽带正交模耦合器的最小工作波长。

尖劈31形状和位置的变化只对直通通道8的电磁传输特性有影响，对耦合端口2的电磁传输特性没有影响，尖劈31形状和位置的变化对直通通道8电磁传输特性的影响仅当正交模耦合器的耦合区圆波导4的直径与膜片3厚度的比值小于15时才比较显著，调节尖劈31的尖锐程度和相对于尖劈30的前后位置，可以实现对直通通道8的电磁传输特性的优化，尖劈30的形状和位置对直通通道8和耦合端口2的电磁传输特性都有影响。首先确定尖劈30的形状和位置，使得耦合端口2的传输特性达到指标后，再对尖劈31的形状和位置进行改变优化直通通道8的传输特性。调整尖劈30的前后位置和尖锐程度、耦合端口2内部的台阶过渡20和耦合区圆波导4的直径，可以实现耦合端口2的宽带匹配。

当有效消除膜片3的厚度对直通通道8的传输特性影响后，在直通通道8后连接一矩圆过渡5完成圆波导到矩形波导的转换，需调整矩圆过渡5与膜片3之间的前后位置对正交模耦合器的直通端口1进行宽带匹配，必要时可以对矩圆过渡5的结构尺寸进行优化以实现直通端口1的最终宽带匹配。

设计本发明耦合器的时候可以按照如下方式进行：

首先，调整尖劈30的前后位置和尖锐程度、耦合端口2内部的台阶过渡20的尺寸和耦合区圆波导4的直径，使得耦合端口2实现宽带匹配。

其次，固定尖劈30不变，对尖劈31的尖锐程度以及其与尖劈30的前后位置进行优化调整，使得尖劈31处产生的反射与尖劈30处产生的反射在公共口7处幅度基本相等，相位近似反相。此时膜片3厚度对直通通道8的影响基本消除。

最后，在直通通道8后连接矩圆过渡5，对矩圆过渡5相对于膜片3的前后位置进行调节，必要时对矩圆过渡5的结构进行调整，实现正交模耦合器直通端口1的宽带匹配。

实施例：

如图1所示的正交模耦合器。正交模耦合器的公共端口7是连接辐射喇叭的端口，圆圆过渡6把耦合区圆波导4过渡到公共端口7。公共端口7的直径为4.6mm，耦合区圆波导4的直径为3.8mm，之所以在耦合区使用比较细的圆波导，是为了实现耦合端口2的宽带设计。同时，膜片厚度的增加对耦合端口2的宽带实现没有负面影响。在设计正交模耦合器时，先设计好耦合端口2的宽带匹配，再对直通通道8的电性能进行设计。设计好耦合端口2的电性能，在设计直通通道8的电性能时，膜片3的前端尖劈30的形状和位置必须保持不变，否则耦合端口2的电性能会受到牵连影响。

改变膜片3的后端尖劈31的形状和位置，使得直通通道8的电磁反射达到最低，这一步主要是依靠调整尖劈31来抵消膜片3厚度对直通通道8的传输特性的影响，为实现直通通道8的宽带设计打下基础。对后端尖劈31设置优化变量h和α，如图2所示，h代表后端尖劈相对于前端尖劈的位置，α代表后端尖劈的尖锐程度，优化这两个变量，使得直通通道的传输特性达到最优值。

在对变量h进行优化时，为了实现直通通道8与耦合端口1的高隔离度，必须设置限制条件，即膜片3的总体长度d必须大于λ_min/2，λ_min为本发明耦合器的最小工作波长。在本发明中，膜片3的总体长度d＝4.5mm，h＝2.8mm，α＝133.6°。膜片3及尖劈31和尖劈30的厚度都为0.3mm。正交模耦合器的耦合区圆波导4的直径与膜片3厚度两者的比值为12.67。如图3所示，尖劈31的形状可以是三角形，也可以是台阶形、指数曲线形或者其他函数曲线。

最后，使直通通道8后连接矩圆过渡5，对矩圆过渡5相对于膜片3的前后位置进行调节，必要时对矩圆过渡5的内部尺寸进行优化，实现正交模耦合器直通端口1的宽带匹配。

如图4所示，在采用了本发明所述的方法后，所设计的毫米波段正交模耦合器的直通端口1和耦合端口2的驻波比在49～59GHz的频率范围内，实现了小于1.2的目标。

本发明说明书中其他未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种毫米波段宽带正交模耦合器，其特征在于：包括直通端口(1)、耦合端口(2)、膜片(3)、耦合区圆波导(4)、矩圆过渡(5)、圆圆过渡(6)、公共端口(7)和直通通道(8)；

直通端口(1)为一矩形波导，与矩圆过渡(5)相连，矩圆过渡(5)与直通通道(8)相连，直通通道(8)为一圆波导，在所述直通通道(8)中间放置膜片(3)，直通通道(8)与耦合区圆波导(4)相连，在与直通通道(8)与耦合区圆波导(4)中心轴线相垂直处连接耦合端口(2)，耦合端口(2)为一矩形波导，耦合端口(2)的波导中心轴线还与膜片(3)的平面垂直。

圆圆过渡(6)为一圆台状过渡段，耦合区圆波导(4)与圆圆过渡(6)直径小的一端连接，圆圆过渡(6)直径大的一端连接公共端口(7)。

所述的耦合端口(2)内部有一台阶过渡(20)，所述的膜片(3)包括尖劈(30)和尖劈(31)，尖劈(30)处于耦合区圆波导(4)中，透过耦合端口(2)可以看到尖劈(30)，尖劈(31)处于直通通道(8)中。

2.根据权利要求1所述的一种毫米波段宽带正交模耦合器，其特征在于：耦合区圆波导(4)的直径与膜片(3)厚度的比值小于15。

3.根据权利要求1所述的一种毫米波段宽带正交模耦合器，其特征在于：尖劈(30)和尖劈(31)的形状为三角形。

4.根据权利要求1或3所述的一种毫米波段宽带正交模耦合器，其特征在于：所述的尖劈(31)的边缘可以是直线、折线或者指数曲线。。

5.根据权利要求1所述的一种毫米波段宽带正交模耦合器，其特征在于：尖劈(30)和尖劈(31)之间的距离大于λ_min/2，λ_min为所述毫米波段宽带正交模耦合器的最小工作波长。

6.根据权利要求1所述的一种毫米波段宽带正交模耦合器，其特征在于：耦合区圆波导(4)的直径与直通通道(8)的直径相等。

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