CN106876832B - 一种基于波导魔t的宽带毫米波段波导多工器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种波导多工器，特别涉及一种基于波导魔T的宽带毫米波段波导多工器。本发明包括其输入端作为本波导多工器的信号输入端的隔离器，隔离器的信号输出端连接一个具备2n个输出端口的功分网络，所述功分网络的信号输出端连接波导滤波器和/或匹配负载，根据实际需要来设置波导滤波器和匹配负载。所述隔离器位于整个结构的最前端，用于阻挡各信道的回波信号对于功分器前端的低噪声放大器造成危害；不同频率的波导滤波器，在输入、输出端具有较好的回波特性，输出端口之间有较高的隔离度，防止信道之间的信号串扰。本发明的各信道之间相互隔离，互不干扰，频带与频带之间可重叠；各通道的传输路径长度相同，插损小，等幅同相。

Description

一种基于波导魔T的宽带毫米波段波导多工器
技术领域
本发明涉及一种波导多工器，特别涉及一种基于波导魔T的宽带毫米波段波导多工器。
背景技术
在进行气象探测时，水汽分子在1.35cm～1.6mm波段有强吸收带(频率22～32GHz属K波段)，通常使用微波遥感反演对大气在22GHz～200GHz的频率带中的微波辐射进行测量。通过观测来自于水汽线压力增宽的辐射的强度和形状的信息，可以得到水汽廓线。水汽线型也只需要测量5个相关度最小的通道数据即可确定，为了减少同时观测时的噪声与预防外部干扰，需要采用冗余设计，其关键器件是波导多工器的选择。氧分子在2.52mm～5mm波段有强吸收带(频率60GHZ属V波段)，通过测量氧气在60GHz附近的辐射强度或亮度温度得出温度分布。氧气谱线最多存在5个自由度，选取5个相关度最小通道完全获取氧气线型所有信息，为了减少同时观测时的噪声与预防外部干扰，也需要采用冗余设计，其关键器件是波导多工器的选择。
多工器的主要功能是将宽带信号分成不同的窄带信号，不同波段的波导多工器的涉及难点不同，例如V波段波导多工器的设计有三个难点：工作频段高(51～59GHz)，器件尺寸小，加工难度大；多个通道相互交叠；分频路数多。K波段波导多工器的设计也有三个难点：工作频段高(22～32GHz)；相对工作带宽宽(37％)；分频路数多。如果用多级威尔金森微带功分网络加微带滤波器方案，由于微带线和隔离用贴片电阻在V波段或K波段会产生寄生分布参数不可控，所以也不是适合的方案。
传统波导多工器也有很多种，常见的是采用波导T头加滤波器的方案，无论是直线型串联，还是星型并联方案，通道间隔离是依靠波导T头和波导滤波器第一个膜片间的耦合，使其形成对其他频率的等效短路面，即使其他频率截止，这个尺寸的选择跟波导波长相关，且具有周期性，当通道超过3个时，通道间隔离很难控制，各个通道间互相干扰，而且在这么高的频段，参数变得敏感，机加工难以实现。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术的不足，提供了一种基于波导魔T的宽带毫米波段波导多工器，本发明的各信道之间相互隔离，互不干扰，各通道之间的插损小，不需要额外的相位补偿。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术措施：
一种基于波导魔T的波导多工器包括其输入端作为本波导多工器的信号输入端的隔离器，所述隔离器的信号输出端连接一个具备2n个输出端口的功分网络，n为大于1的整数，所述功分网络的信号输出端连接波导滤波器和/或匹配负载。
优选的，所述功分网络采用波导魔T的2n阶梯并联形式即任意一个波导魔T的两个信号输出端分别连接另外两个波导魔T的信号输入端，所述隔离器的信号输出端连接公共端口的波导魔T的信号输入端，信道端口的波导魔T的信号输出端连接波导滤波器和/或匹配负载。
优选的，所述波导魔T包括输入矩形波导、魔T隔离端口以及输出矩形波导，所述输出矩形波导的内部设置有匹配结构，所述匹配结构部分延伸进入魔T隔离端口内部。
优选的，所述匹配结构包括至少一个圆柱，以及一个顶面与圆柱底面相连的圆台。
进一步的，所述匹配结构的材料为金属。
进一步的，各个所述波导滤波器的频带各不相同。
更进一步的，所述波导滤波器为H面膜片耦合波导滤波器。
本发明的有益效果在于：
1)、本发明包括其输入端作为本波导多工器的信号输入端的隔离器，隔离器的信号输出端连接一个具备2n个输出端口的功分网络，所述功分网络的信号输出端连接波导滤波器和/或匹配负载，根据实际需要来设置波导滤波器和匹配负载，不需要的通道可以设置匹配负载，因此本发明可以实现奇数或偶数任意个通道的多工器。所述隔离器位于整个结构的最前端，用于阻挡各信道的回波信号对于功分器前端的低噪声放大器造成危害；不同频率的波导滤波器，在输入、输出端具有较好的回波特性，输出端口之间有较高的隔离度，防止信道之间的信号串扰。因此本发明的各信道之间相互隔离，互不干扰，频带与频带之间可重叠；各通道的传输路径长度相同，插损小，等幅同相，不需要额外的相位补偿；本发明适用于毫米波段甚至更高频段多工器的设计；各部分器件的加工工艺成熟、加工精度要求较低，便于工程可实现。
2)、波导魔T的内部采用圆台加圆柱的匹配结构不仅能使魔T达到输入阻抗匹配，而且能拓展魔T的带宽，由于宽带魔T两臂输出隔离效果，使得输出通带交叠得以实现。
附图说明
图1为现有技术中的波导多工器原理图；
图2为现有技术中的波导多工器原理图；
图3为现有技术中的波导多工器原理图；
图4为本发明一个实施例的波导七工器原理框图；
图5为本发明一个实施例的K波段宽带波导魔T的三维仿真模型；
图6为本发明一个实施例的V波段宽带波导魔T的三维仿真模型；
图7为本发明一个实施例的K波段宽带波导七工器的三维仿真模型；
图8为本发明一个实施例的V波段宽带波导七工器的三维仿真模型；
图9为本发明一个实施例的K波段宽带波导七工器传输曲线图；
图10为本发明一个实施例的V波段宽带波导七工器传输曲线图；
图11为本发明一个实施例的K波段宽带波导七工器输出端口的反射曲线图；
图12为本发明一个实施例的V波段宽带波导七工器输出端口的反射曲线图；
图13为本发明一个实施例的K波段宽带波导七工器各输出端口隔离曲线图；
图14为本发明一个实施例的V波段宽带波导七工器各输出端口隔离曲线图。
图中的附图标记含义如下：
10—隔离器 20—功分网络
21～27—第一波导魔T～第七波导魔T
211—输入矩形波导 212—魔T隔离端口 213—输出矩形波导
214—匹配结构 30—波导滤波器 40—匹配负载
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、2、3所示，常用的波导多工器方案有三种，其中图1所示的每个通道由一个环形器和一个滤波器组成，环形器的单向性使得通道间的相互隔离性较好，缺点是第N个通道的损耗是前面N个环形器的损耗加上滤波器的损耗，所以后面通道的损耗过大，且各路输出幅度一致性差。图2所示的多支节耦合型多工器是由一个主波导，在上面依次排列N个波导T头，连接各频段波导滤波器组成，但是工作带宽窄，通道间隔离是依靠波导T头和波导滤波器第一个膜片间的耦合，使其形成对其他频率的等效短路面，或频率截止。当通道超过3个时，通道间隔离很难控制，参数变得敏感，机加工难以实现。各路输出相位一致性差，需要额外做相位补偿。图3所示的方案与图2类似，只是将结构从串联改为并联，波导T头的带宽窄，隔离差，不适用通道超过3个，只是各路路径相同，等幅同相。
图4为一个实施例的波导七工器原理框图，选取隔离器10为1个、波导魔T为7个、波导滤波器30为7个，匹配负载40为1个。
波导七工器包括其输入端作为本波导多工器的信号输入端的隔离器10，所述隔离器10的信号输出端连接第一波导魔T21的信号输入端，所述第一波导魔T21的两个信号输出端分别连接第二波导魔T22的信号输入端、第三波导魔T23的信号输入端，所述第二波导魔T22的两个信号输出端分别连接第四波导魔T24的信号输入端、第五波导魔T25的信号输入端，所述第三波导魔T23的两个信号输出端分别连接第六波导魔T26的信号输入端、第七波导魔T27的信号输入端，所述第四波导魔T24的两个信号输出端、第五波导魔T25的两个信号输出端、第六波导魔T26的两个信号输出端、第七波导魔T27的一个信号输出端均连接波导滤波器30，第七波导魔T27的另一个信号输出端连接匹配负载40。
所述隔离器、波导滤波器30均为可定制芯片。
改变隔离器10、波导魔T20、波导滤波器30的尺寸大小，能够形成应用于不同波段的宽带波导多工器。
隔离器10的工作频段为全频段，利用其反相信号与正向传输信号间相互隔离的特性防止波导滤波器30反射信号对隔离器10前端的低噪声放大器造成干扰和损害，隔离器10对多工器的性能起到一个保障作用。
图5为K波段宽带波导魔T的三维仿真模型，匹配结构214包括一个圆柱，以及一个顶面与圆柱底面相连的圆台。
圆台加圆柱的匹配结构不仅能使波导魔T达到输入阻抗匹配，而且能拓展波导魔T的带宽，波导魔T作为功分器使用，两分支臂间可以产生20dB左右的隔离，正是由于宽带波导魔T两臂输出隔离效果，使得输出通带交叠得以实现。用7个宽带波导魔T采用23阶梯并联形式实现一个8端口输出的功分网络，用匹配负载连接其中一路输出，其他7路输出都是宽带，且通道间互不干扰。
图6为V波段宽带波导魔T的三维仿真模型，所述波导魔T包括输入矩形波导211、魔T隔离端口212以及输出矩形波导213，所述输出矩形波导213的内部设置有匹配结构214，所述匹配结构214部分延伸进入魔T隔离端口212内部。所述匹配结构214包括依次相连的两个圆柱，以及一个顶面与圆柱底面相连的圆台。
具体的，所述匹配结构24的材料为金属；所述波导滤波器30为H面膜片耦合波导滤波器。
如图7所示，由于多工器工作带宽达到近40％，为防止最低频波导滤波器F1通道的寄生通道落在最高频波导滤波器F7通道的附近，将波导滤波器F1通道的波导口长边尺寸缩小，可有效将波导滤波器F1最近的寄生通带推移到波导滤波器F7通道外更高频，减少对波导滤波器F7通道的干扰。
输入信号经过隔离器10后进入第一波导魔T21的信号输入端，所述第一波导魔T21将输入信号功分成两路信号分别送入第二波导魔T22的信号输入端、第三波导魔T23的信号输入端，所述第二波导魔T22将其中的一路信号功分成两路信号分别送入第四波导魔T24的信号输入端、第五波导魔T25的信号输入端，所述第三波导魔T23将另一路信号功分成两路信号分别送入第六波导魔T26的信号输入端、第七波导魔T27的信号输入端，所述第四波导魔T24的两个信号输出端、第五波导魔T25的两个信号输出端、第六波导魔T26的两个信号输出端、第七波导魔T27的一个信号输出端分别输出信号至不同频率的波导滤波器F1～F7的信号输入端，第七波导魔T27的另一个信号输出端连接匹配负载40。
如图8所示，7个波导滤波器的频带各不相同，F1到F4四个波导滤波器的相对带宽较窄，相对带宽为0.4％左右，F5、F6、F7三个波导滤波器带宽分别为1％，1.7％，3.4％，且相互交叠，为提高腔体Q值，采用H面膜片耦合波导滤波器，不同频率的波导滤波器，在输入、输出端具有较好的回波特性，输出端口之间有较高的隔离度，防止信道之间的信号串扰。
图9为K波段宽带波导七工器传输曲线图，为7个通道的S21曲线，每个通道的波形良好，互不干扰，带内平坦，理论损耗为9分贝。
图10为V波段宽带波导七工器传输曲线图，为7个信号输出通道的S21曲线，每个通道的波形良好，即使波导滤波器F5，F6,F7的三个通道相互交叠，通道间互不干扰，带内平坦，理论损耗为9分贝。
图11为K波段宽带波导七工器各输出端口反射曲线图，每个通道的波形良好，互不干扰，回波损耗小于-22dB，相当于驻波小于1.15。
图12为V波段宽带波导七工器各输出端口反射曲线图，每个通道的波形良好，波导滤波器F5、F6、F7三个通道相互交叠，通道间互不干扰，回波损耗小于-19dB，相当于驻波小于1.2。
图13为K波段宽带波导七工器各输出端口隔离曲线图，两两相邻输出端口间隔离度大于-40dB，跨接端口隔离度会优于两两相邻输出端口。
图14为V波段宽带波导七工器各输出端口隔离曲线图，两两相邻输出端口间隔离度大于-40dB，跨接端口隔离度会优于两两相邻输出端口。
本发明的各信道之间相互隔离，互不干扰，频带与频带之间可重叠；各通道的传输路径长度相同，插损小，等幅同相，适用于毫米波段甚至更高频段多工器的设计。

Claims (4)

1.一种基于波导魔T的宽带毫米波段波导多工器，其特征在于：包括其输入端作为本波导多工器的信号输入端的隔离器(10)，所述隔离器(10)的信号输出端连接一个具备2n个输出端口的功分网络(20)，n为大于1的整数，所述功分网络(20)的信号输出端连接波导滤波器(30)和匹配负载(40)；
所述功分网络(20)采用波导魔T的2n阶梯并联形式即任意一个波导魔T的两个信号输出端分别连接另外两个波导魔T的信号输入端，所述隔离器(10)的信号输出端连接公共端口的波导魔T的信号输入端，信道端口的波导魔T的信号输出端连接波导滤波器(30)和匹配负载(40)；
所述波导魔T包括输入矩形波导(211)、魔T隔离端口(212)以及输出矩形波导(213)，所述输出矩形波导(213)的内部设置有匹配结构(214)，所述匹配结构(214)部分延伸进入魔T隔离端口(212)内部；
所述匹配结构(214)包括依次相连的两个圆柱，以及一个顶面与圆柱底面相连的圆台，其中与圆台直接相连接的圆柱直径较大，而远离圆台的圆柱直径较小；
选取隔离器(10)为1个、波导魔T为7个、波导滤波器(30)为7个，匹配负载(40)为1个；
波导七工器包括其输入端作为本波导多工器的信号输入端的隔离器(10)，所述隔离器(10)的信号输出端连接第一波导魔T(21)的信号输入端，所述第一波导魔T(21)的两个信号输出端分别连接第二波导魔T(22)的信号输入端、第三波导魔T(23)的信号输入端，所述第二波导魔T(22)的两个信号输出端分别连接第四波导魔T(24)的信号输入端、第五波导魔T(25)的信号输入端，所述第三波导魔T(23)的两个信号输出端分别连接第六波导魔T(26)的信号输入端、第七波导魔T(27)的信号输入端，所述第四波导魔T(24)的两个信号输出端、第五波导魔T(25)的两个信号输出端、第六波导魔T(26)的两个信号输出端、第七波导魔T(27)的一个信号输出端均连接波导滤波器(30)，第七波导魔T(27)的另一个信号输出端连接匹配负载(40)。
2.如权利要求1所述的一种基于波导魔T的宽带毫米波段波导多工器，其特征在于：所述匹配结构(214)的材料为金属。
3.如权利要求1或2所述的一种基于波导魔T的宽带毫米波段波导多工器，其特征在于：各个所述波导滤波器(30)的频带各不相同。
4.如权利要求3所述的一种基于波导魔T的宽带毫米波段波导多工器，其特征在于：所述波导滤波器(30)为H面膜片耦合波导滤波器。
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