CN106374172B - 一种基于波导耦合器的毫米波段多工器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于波导耦合器的毫米波段多工器。本多工器包括n‑1个波导耦合器，n为大于3的整数；对于前n‑2个波导耦合器而言，前一个波导耦合器直通端口连接下一个波导耦合器输入端口，每一个波导耦合器的隔离端口接波导匹配负载；第n‑1个波导耦合器隔离端口接波导匹配负载，第n‑1个波导耦合器的输入端口接前一个波导耦合器直通端口，第n‑1个波导耦合器直通端口连接波导滤波器；每一个波导耦合器的耦合端口均连接有波导滤波器，第一个波导耦合器的输入端口连接波导隔离器。本发明保证了输入端及输出端的良好的回波特性，具备了低插损、窄带宽、高隔离度、小体积、低成本和快速设计的优点。

Description

一种基于波导耦合器的毫米波段多工器
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于波导耦合器的毫米波段多工器。
背景技术
在现代微波毫米波通信系统中，具有将宽带输入信号划分为若干窄带信号功能的多工器是必不可少的部件之一，其性能优劣将直接影响整个通信系统的质量。随着通信频率资源的日益紧张，分配到各类通信系统的频率间隔越来越密，低插损、窄带宽、高隔离度、小体积、低成本和快速设计等逐渐成为多工器的关键技术要求。然而，常规多工器如波导T型结与波导滤波器组合的设计形式，该种设计工艺成本高，且通道之间隔离度差、设计难度大、效率低、可靠性差，显然越来越难以满足当前的多工器设计需求。目前也出现平面基片集成形式，但是在应用于毫米波段时，该类设计必须采用微带板，致使插损过大的问题一直无法解决，进而使得产品性能无法满足设计所需。是否能够重新寻求一种新型的适用于毫米波段的多工器，使其能够在保证设计成本及设计便捷性的同时，还能够具备高通道隔离度、高工作效率以及低插损、小体积和良好的工作可靠性，为本领域技术人员近年来所亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的为克服上述现有技术的不足，提供一种结构合理而实用的基于波导耦合器的毫米波段多工器；本发明采用波导耦合器依次串联并搭配波导隔离器的方式实现了n路功分输出，从而保证了输入端及输出端的良好的回波特性，并具备了低插损、窄带宽、高隔离度、小体积、低成本和快速设计的优点，信道之间无信号串扰性，能可靠的应用于毫米波段通信系统设计中。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于波导耦合器的毫米波段多工器，其特征在于：本多工器包括按耦合度从小到大依次串联的n-1个波导耦合器，n为大于3的整数；对于前n-2个波导耦合器而言，前一个波导耦合器的直通端口连接下一个波导耦合器的输入端口，每一个波导耦合器的耦合端口均连接有波导滤波器，每一个波导耦合器的隔离端口接波导匹配负载；对于第n-1个波导耦合器而言，该第n-1个波导耦合器的隔离端口接波导匹配负载，该第n-1个波导耦合器的输入端口接前一个波导耦合器的直通端口，该第n-1个波导耦合器的直通端口与耦合端口分别连接一个波导滤波器；第一个波导耦合器的输入端口经由波导隔离器连接外部信号输入端，所述波导隔离器的信号导通方向与外部信号输入端的信号输入方向同向设置。
所述波导滤波器为波导膜片滤波器。
按照波导耦合器(10)耦合度从小到大的方向，各波导耦合器(10)耦合端口的能量依次为当前波导耦合器(10)总口输入能量的1/n、1/(n-1)、1/(n-2)、...、1/[n-(n-3)]、1/[n-(n-2)]。
本发明的有益效果在于：
1)、本发明采用波导耦合器依次串联，并在各波导耦合器的耦合端口加载波导滤波器，同时在输入总端口加波导隔离器的方法实现多工器的设计。相比传统的毫米波段多工器，本发明一方面采用了多模块的串联化设计，各模块如波导耦合器等均为工艺成熟的标准件，采购和更换维护容易，维护互换性高，设计成本低，从而可以大大缩短生产周期，这显然有助于提高实际生产效率。另一方面，隔离器在本发明中工作频段为全频段，并起到类似于电路中的二极管的单向导通作用，从而有效的防止了波导滤波器回波信号对隔离器前端的信号源造成干扰和损害的状况。此外的，传统的T型结与波导滤波器结合实现多工的方式，在毫米波段需要对工艺加工提出很高的要求，如通道与通道之间的距离必须精确制作，否则多工器的结构差之毫厘，性能谬以千里，无形中提高 了制作的难度和成本。本发明的结构也正是由于对于工艺加工要求低，使得在保证单个耦合器性能的前提下，耦合器与耦合器之间的连接距离可以根据实际设计需要自由设定尺寸，具有低成本、高效能的设计特点。
综上，本发明采用波导耦合器依次串联的方式，搭配波导隔离器而实现了n路功分输出，保证了输入端及输出端的良好的回波特性，并具备了低插损、窄带宽、高隔离度、小体积、低成本和快速设计的优点，信道之间无信号串扰性，能可靠的应用于毫米波段通信系统设计中。
2)、由于波导滤波器的相对带宽较窄，不到1％，因此本发明优选采用波导膜片滤波器。本发明还极其适用于某些需要一份能量输入而均匀能量输出的场合，正是由于各波导耦合器耦合端口的能量按照1/n、1/(n-1)、1/(n-2)、...、1/[n-(n-3)]、1/[n-(n-2)]的方式逐个分布，从而使得串联后各波导耦合器耦合端口的输出能量均相等，也即均为串联电路的总口输入能量的1/n。这里需要指出的是，每个耦合器耦合端口的能量1/n、1/(n-1)、1/(n-2)、...、1/[n-(n-3)]、1/[n-(n-2)]，是指以单独的耦合器本身的总口输入能量为1来计算的。
附图说明
图1为本发明的工作原理框图；
图2为去除波导隔离器及波导匹配负载后的七工器的仿真示意图；
图3为七工器的传输曲线图；
图4为七工器的输出端口的驻波曲线图；
图5a为七工器的第二输出端口和第三输出端口之间的隔离度曲线图；
图5b为七工器的第三输出端口和第四输出端口之间的隔离度曲线图；
图5c为七工器的第四输出端口和第五输出端口之间的隔离度曲线图；
图5d为七工器的第五输出端口和第六输出端口之间的隔离度曲线 图；
图5e为七工器的第六输出端口和第七输出端口之间的隔离度曲线图。
附图中各标号与本发明的各部件名称对应关系如下：
10-波导耦合器 20-波导滤波器
30-波导匹配负载 40-波导隔离器
具体实施方式
为便于理解，此处结合附图对本发明的具体实施结构及工作流程作以下描述：
本发明的具体结构，如图1所示，图中各波导耦合器10为n-1个且n为大于3的整数，各波导耦合器10按照耦合度从小到大依次排列。具体涉及的器件有隔离器1个、波导耦合器10n-1个、波导滤波器20n个。具体使用时，将前一个波导耦合器10的直通端口和下一个耦合器的输入端口相连，各波导耦合器10的隔离端口接波导匹配负载30，各波导耦合器10的耦合端口接相应的波导滤波器20，依次类推。值得注意的是，由于特意多出了一个波导滤波器20，且最后第n-1个波导耦合器10的直通端口处留出了配合端，此时第n-1个波导耦合器10的直通端口处连接该第n个波导滤波器20。此外的，本发明还在第一个波导耦合器10的输入端口处设置波导隔离器40。
为便于理解，此处以n＝7，也即七工器来作为实施例，从而对本发明的工作结构及状态作进一步阐述：
如图2所示，该七工器包括了按耦合度从小到大依次串联的七个波导耦合器10。将第一个波导耦合器10的直通端口和下一个耦合器的输入端口相连，各波导耦合器10的隔离端口接波导匹配负载30，各波导耦合器10的耦合端口接相应的波导滤波器20；以此类推，从而将六个波导耦合器10串联在一起。为方便描述，波导滤波器20以F1～F7单独命名，前六个波导耦合器10的耦合端口依次接波导滤波器F1～F6，第 六个波导耦合器10的直通端口再连接波导滤波器F7。
当耦合器耦合端口的能量分别是1/7、1/6、1/5、1/4、1/3、1/2时，依照下式：
C＝10*log(Pc/P)
其中C表示每个耦合器耦合端的耦合度，单位dB；
Pc是每个耦合器耦合端的能量值；
P是每个耦合器输入端口的能量值。
得到波导耦合器10的耦合度分别为C1＝8.45dB、C2＝7.78dB、C3＝7dB、C4＝6.02dB、C5＝4.77dB、C6＝3dB，这样保证了波导滤波器F1～F7的输出电平相同。
在第一个波导耦合器10的输入端口处设置波导隔离器40。波导隔离器40在本发明设计中工作频段为全频段，作用类似于电路中的二极管，起单向导通作用，目的是为了防止波导滤波器F1～F7的回波信号对波导隔离器40前端的信号源造成干扰和损害。波导隔离器40对多工器的性能起到一个保障作用，是本发明中的一个重要器件。
实际检测时，从图3的七工器传输特性曲线图可以看出，七个通道的输出电平基本相同，每个信道的输出功率在-9.1dB±0.2dB，且滤波器的传输特性曲线没有畸变，说明各信道之间相互干扰很小。而这一点也从图5a～5e的七工器各信道之间的隔离度曲线图得到验证，从图5a～5e中可以看出，各信道之间的隔离度均小于-40dB。
特别指出的是，对于上述七工器结构，波导滤波器F1～F6的输出相位是相同的，而波导滤波器F1～F6相比波导滤波器F7的相位落后90°，波导滤波器最后一个端口的直波导段需要延长λ0/4的长度进行补相，这样，七个输出端口即可幅度相同、相位相同。

Claims (2)

1.一种基于波导耦合器的毫米波段多工器，其特征在于：本多工器包括按耦合度从小到大依次串联的n-1个波导耦合器(10)，n为大于3的整数；对于前n-2个波导耦合器(10)而言，前一个波导耦合器(10)的直通端口连接下一个波导耦合器(10)的输入端口，每一个波导耦合器(10)的耦合端口均连接有波导滤波器(20)，每一个波导耦合器(10)的隔离端口接波导匹配负载(30)；对于第n-1个波导耦合器(10)而言，该第n-1个波导耦合器(10)的隔离端口接波导匹配负载(30)，该第n-1个波导耦合器(10)的输入端口接前一个波导耦合器(10)的直通端口，该第n-1个波导耦合器(10)的直通端口与耦合端口分别连接一个波导滤波器(20)；第一个波导耦合器(10)的输入端口经由波导隔离器(40)连接外部信号输入端，所述波导隔离器(40)的信号导通方向与外部信号输入端的信号输入方向同向设置；所述波导滤波器(20)为波导膜片滤波器。
2.根据权利要求1所述的一种基于波导耦合器的毫米波段多工器，其特征在于：按照波导耦合器(10)耦合度从小到大的方向，各波导耦合器(10)耦合端口的能量依次为当前波导耦合器(10)总口输入能量的1/n、1/(n-1)、1/(n-2)、...、1/[n-(n-3)]、1/[n-(n-2)]。
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