CN107134627A - 多菱形孔耦合型波导定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种多菱形孔耦合型波导定向耦合器，包括直通波导、耦合波导以及耦合孔；直通波导和耦合波导采用宽边耦合方式，且二者主模面相互平行，直通波导与耦合波导之间相互隔离并且通过耦合孔连通；耦合孔分为两排，两排耦合孔的孔数、孔距都相同，并且两排耦合孔错位排列，每个耦合孔的大小相同且为菱形状耦合孔。本发明耦合器结构简单、易于加工,可以直接采用传统工艺在腔体上加工实现。使用HFSS仿真，结果显示其具有较宽的工作带宽、较强的耦合度且耦合度平坦性良好和较小的插入损耗。相对于传统的波导定向耦合器,本发明耦合器具有体积小、结构简单、强耦合度、低插入损耗、高方向性的特点，能方便的集成在高频段的电路中。

Description

多菱形孔耦合型波导定向耦合器

技术领域

本发明涉及耦合器技术领域，具体是一种多组菱形孔进行耦合的宽频带高方向性且耦合较平坦的多菱形孔耦合型波导定向耦合器。

背景技术

太赫兹波的波长范围为30µm-3mm，处于毫米波和红外线之间，是指频率在0.1-10THZ之间的电磁波，这是一个覆盖很广泛且很特殊的一个频谱区域。在微波系统中定向耦合器是应用广泛的一种微波毫米波器件，它主要是用于信号分配、合成和隔离。波导结构是能够低损耗引导电磁波定向传输的导行系统结构，可以满足部分太赫兹低频段电路系统的需要。

波导定向耦合器和微带以及带状线耦合器是目前应用较多的耦合器，在毫米波段由于微带线和带状线等平面传输线损耗较大而不适于应用于该波段，矩形波导结构虽然有着较小损耗性能很高，但由于体积大以及难以集成加工，很难广泛地应用于高度集成的系统中。

传统单孔耦合器定向耦合器有着一定的优点：结构简单，易于加工，容易设计。但也存在一定的缺点：工作带宽窄，在中心频率处耦合度、方向性等指标都较好，一旦偏离中心频率，方向性会急速降低。所以研究出一种能用于太赫兹波段的宽频带高方向性强耦合的耦合器显得极为迫切。

传统多孔波导定向耦合器：通过增加耦合孔的数量可用增加工作带宽，方向性也有一定的提高，但是在加工过程中对精度要求高、插入损耗高、体积较大，在太赫兹毫米波波段，过高的插损会使该器件失去研究价值。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术中传统单孔和多孔耦合器存在的问题，而提供一种小型化、插入损耗低、频带宽、能提供强耦合的应用于太赫兹波段的多菱形孔耦合型波导定向耦合器。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种多菱形孔耦合型波导定向耦合器，包括作为微波传输通道的直通波导、作为取样信号通道的耦合波导以及作为耦合通道的耦合孔；直通波导和耦合波导之间采用宽边耦合方式，直通波导的主模面与耦合波导的主模面相互平行，直通波导与耦合波导之间相互隔离并且通过耦合孔连通；耦合孔包括两排沿直通波导长度方向设置的耦合孔，两排耦合孔分置于直通波导的宽边的中线两侧；两排耦合孔的孔数、孔距都相同，并且两排耦合孔错位排列，每个耦合孔的大小相同且为菱形状耦合孔。

作为优选的技术方案，直通波导包括与耦合波导耦合的直通波导耦合段，直通波导耦合段的一端延设有直通波导输入段、另一端延设有直通波导输出段；耦合波导包括与直通波导耦合的耦合波导耦合段，耦合波导耦合段靠近直通波导输入段的一端连接有与耦合波导耦合段成90°设置的耦合波导隔离输出段，耦合波导耦合段靠近直通波导输出段的一端连接有与耦合波导耦合段成90°设置的耦合波导耦合输出段，耦合波导隔离输出段和耦合波导耦合输出段分置于耦合波导耦合段的两侧，并且耦合波导隔离输出段和耦合波导耦合输出段与耦合波导耦合段的连接处分别采用圆弧段过渡连接。

作为优选的技术方案，直通波导和耦合波导的截面均为矩形的规则金属波导，且截面积大小相等。

作为优选的技术方案，直通波导和耦合波导的截面矩形尺寸为0.56×0.28mm；直通波导的直通波导耦合段长6mm、直通波导输入段长2.9mm、直通波导输出段长7.1mm，耦合波导的耦合波导耦合段长6mm、耦合波导隔离输出段长5mm、耦合波导耦合输出段长5mm，圆弧段的内圈半径为0.5mm、外圈半径为1.06mm；两排耦合孔的错位位移为0.13mm，两排耦合孔与各自最近的直通波导的窄边之间的间距都为0.15mm，两排耦合孔之间的间距为260µm；每排耦合孔包括十七个耦合孔，相邻耦合孔之间的间距为0.26mm；每个耦合孔的菱形中心到菱形顶角的距离为0.11mm，每个耦合孔的厚度为30µm。

本发明耦合器结构简单、易于加工, 可以直接采用传统工艺在腔体上加工实现。使用HFSS仿真，结果显示其具有较宽的工作带宽、较强的耦合度且耦合度平坦性良好和较小的插入损耗。相对于传统的波导定向耦合器,本发明耦合器具有体积小、结构简单、强耦合度、低插入损耗、高方向性的特点，能方便的集成在高频段的电路中。

附图说明

图1为本发明耦合器的结构示意图。

图2为本发明耦合器的侧视图。

图3为本发明耦合器的俯视图。

图4为本发明耦合器中耦合孔的示意图。

图5为本发明耦合器的仿真测试图。

图中：1-直通波导、1-1-直通波导耦合段、1-2-直通波导输入段、1-3-直通波导输出段、2-耦合波导、2-1-耦合波导耦合段、2-2-耦合波导隔离输出段、2-3-耦合波导耦合输出段、2-4-圆弧段、3-耦合孔。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明，以下结合参考附图并结合实施例对本发明作进一步清楚、完整的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1至图4所示，一种多菱形孔耦合型波导定向耦合器，包括直通波导1、耦合波导2和耦合孔3三层结构，直通波导1作为微波传输通道位于最底层、耦合波导2作为取样信号通道位于最上层，耦合孔3作为耦合通道位于中间层。

直通波导1和耦合波导2的截面均为矩形的规则金属波导，且截面积大小相等，具体尺寸为0.56×0.28mm。直通波导1和耦合波导2之间采用宽边耦合方式，直通波导1的主模面与耦合波导2的主模面相互平行，直通波导1与耦合波导2之间相互隔离并且通过耦合孔3耦合连通。直通波导1包括与耦合波导2耦合的直通波导耦合段1-1，直通波导耦合段1-1的一端延设有直通波导输入段1-2、另一端延设有直通波导输出段1-3，其中，直通波导耦合段1-1的长度w2=6mm、直通波导输入段1-2的长度w1=2.9mm、直通波导输出段1-3的长度w3=7.1mm；直通波导输入段1-2的端部为直通波导1的直通输入端，外接信号源，直通波导输出段1-3的端部为直通波导1的直通输出端，信号从直通波导1的直通输入端输入，并从直通输出端输出；耦合波导2包括与直通波导1耦合的耦合波导耦合段2-1，耦合波导耦合段2-1靠近直通波导输入段1-2的一端连接有与耦合波导耦合段2-1成90°设置的耦合波导隔离输出段2-2，耦合波导耦合段2-1靠近直通波导输出段1-3的一端连接有与耦合波导耦合段2-1成90°设置的耦合波导耦合输出段2-3，耦合波导隔离输出段2-2和耦合波导耦合输出段2-3分置于耦合波导耦合段2-1的两侧，并且耦合波导隔离输出段2-2和耦合波导耦合输出段2-3与耦合波导耦合段2-1的连接处分别采用圆弧段2-4过渡连接，采用圆弧段2-4过渡连接一是为了提高加工的可行性二是为了减小损耗，其中，耦合波导耦合段2-1的长度w2=6mm、耦合波导隔离输出段2-2的长度w4=5mm、耦合波导耦合输出段2-3的长度w5=5mm、圆弧段2-4的内圈半径r1为0.5mm、外圈半径r2为1.06mm；耦合波导隔离输出段2-2的端部为耦合波导2的隔离输出端，无信号输出，耦合波导耦合输出段2-3的端部为耦合波导2的耦合输出端，输出信号。

直通波导1的直通波导耦合段1-1与耦合波导2的耦合波导耦合段2-1之间通过耦合孔3实现耦合连通，耦合孔3包括两排沿直通波导1长度方向设置的耦合孔3，两排耦合孔3分置于直通波导1的宽边的中线两侧，两排耦合孔3的孔数、孔距、厚度都相同，并且两排耦合孔3错位排列，每个耦合孔3的大小相同且为菱形状耦合孔。两排耦合孔3的错位位移d1为0.13mm，两排耦合孔3与各自最近的直通波导1的窄边之间的间距l1都为0.15mm，两排耦合孔3之间的间距l2为260µm；每排耦合孔3包括十七个耦合孔，相邻耦合孔3之间的间距d2为0.26mm，上述各间距以耦合孔3的菱形中心算起；每个耦合孔3的菱形中心到菱形顶角的距离a为0.11mm，每个耦合孔3的厚度为30µm。

对本实施例所述的多菱形孔耦合型波导定向耦合器进行仿真测试，仿真测试结果如图5所示。本发明耦合器主要由直通输入端口、直通输出端口、耦合输出端口和隔离输出端口组成，四个端口的信号功率分别为P1、P2、P3、P4。S参数用来表征定向耦合器的性能，其表达公式为：Snm=10lg(Pm/Pn)式中：S11，S21，S31和S41分别代表回波损耗，插入损耗，耦合度，隔离度。由于网络是互易的，Sij=Sji,故图5中S（1,1），S（1,2）S（1,3）S（1,4）同样也分别代表回波损耗，插入损耗，耦合度，隔离度。图5中，横坐标代表频率变量，单位为GHZ，纵坐标代表幅度标量，单位为dB。本发明的耦合器在300-450GHZ频带内隔离度优于32dB，可以实现小于10dB的耦合度且耦合平坦度小于±0.4dB。插入损耗接近于0dB，同时在整个波导带宽达到的同时，可以大大减小耦合器的体积，使其实现小型化。

本发明为一种体积小、频带宽、方向性高、耦合平稳的菱形孔耦合型太赫兹波导定向耦合器，该耦合器整体尺寸为16*11.56*0.59mm，体积小型化。该耦合器使用多个菱形孔来提高工作带宽，工作频带为300-450GHZ，相对带宽达到了40%，且在工作频段内，耦合度小于10dB，属于强耦合，耦合度平坦性（即耦合度曲线的变化幅度）是检验耦合器的重要指标之一，它关系到测量精度的准确性，耦合度曲线波动越小，测得的结果越精确。从图5可知，耦合度曲线即S ₁₃ 曲线波动较小。该耦合器隔离度达到34dB以上，即方向性较好且优于24dB，平均插入损耗较低，在太赫兹频段，插入损耗过高会使该器件失去研究价值，该设计的耦合器为0.7 dB接近于0 dB。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种多菱形孔耦合型波导定向耦合器，其特征在于：包括作为微波传输通道的直通波导（1）、作为取样信号通道的耦合波导（2）以及作为耦合通道的耦合孔（3）；直通波导（1）和耦合波导（2）之间采用宽边耦合方式，直通波导（1）的主模面与耦合波导（2）的主模面相互平行，直通波导（1）与耦合波导（2）之间相互隔离并且通过耦合孔（3）连通；耦合孔（3）包括两排沿直通波导（1）长度方向设置的耦合孔（3），两排耦合孔（3）分置于直通波导（1）的宽边的中线两侧，两排耦合孔（3）的孔数、孔距、厚度都相同，并且两排耦合孔（3）错位排列，每个耦合孔（3）的大小相同且为菱形状耦合孔。

2.根据权利要求1所述的多菱形孔耦合型波导定向耦合器，其特征在于：直通波导（1）包括与耦合波导（2）耦合的直通波导耦合段（1-1），直通波导耦合段（1-1）的一端延设有直通波导输入段（1-2）、另一端延设有直通波导输出段（1-3）；耦合波导（2）包括与直通波导（1）耦合的耦合波导耦合段（2-1），耦合波导耦合段（2-1）靠近直通波导输入段（1-2）的一端连接有与耦合波导耦合段（2-1）成90°设置的耦合波导隔离输出段（2-2），耦合波导耦合段（2-1）靠近直通波导输出段（1-3）的一端连接有与耦合波导耦合段（2-1）成90°设置的耦合波导耦合输出段（2-3），耦合波导隔离输出段（2-2）和耦合波导耦合输出段（2-3）分置于耦合波导耦合段（2-1）的两侧，并且耦合波导隔离输出段（2-2）和耦合波导耦合输出段（2-3）与耦合波导耦合段（2-1）的连接处分别采用圆弧段（2-4）过渡连接。

3.根据权利要求2所述的多菱形孔耦合型波导定向耦合器，其特征在于：直通波导（1）和耦合波导（2）的截面均为矩形的规则金属波导，且截面积大小相等。

4.根据权利要求3所述的多菱形孔耦合型波导定向耦合器，其特征在于：直通波导（1）和耦合波导（2）的截面矩形尺寸为0.56×0.28mm；直通波导（1）的直通波导耦合段（1-1）长6mm、直通波导输入段（1-2）长2.9mm、直通波导输出段（1-3）长7.1mm，耦合波导（2）的耦合波导耦合段（2-1）长6mm、耦合波导隔离输出段（2-2）长5mm、耦合波导耦合输出段（2-3）长5mm，圆弧段（2-4）的内圈半径为0.5mm、外圈半径为1.06mm；两排耦合孔（3）的错位位移为0.13mm，两排耦合孔（3）与各自最近的直通波导（1）的窄边之间的间距都为0.15mm，两排耦合孔（3）之间的间距为260µm；每排耦合孔（3）包括十七个耦合孔，相邻耦合孔（3）之间的间距为0.26mm；每个耦合孔（3）的菱形中心到菱形顶角的距离为0.11mm，每个耦合孔（3）的厚度为30µm。