CN108649308A - 一种改进型太赫兹分支波导耦合器 - Google Patents

Abstract

一种改进型太赫兹分支波导耦合器，涉及定向分支波导耦合器领域。所述太赫兹分支波导耦合器中，第二电磁场通道位于第一金属隔栅和第二金属隔栅之间，第一金属隔栅靠近主通道和第二电磁场通道的一端形成第一耦合内圆角，靠近耦合通道和第二电磁场通道的一端形成第三耦合内圆角，第二金属隔栅靠近主通道和第二电磁场通道的一端形成第二耦合内圆角，靠近耦合通道和第二电磁场通道的一端形成第四耦合内圆角。本发明在第二电磁场通道两边的金属隔栅上形成4个内圆角，增大了第二电磁场通道的耦合系数，在保证与普通5分支线结构耦合器相同甚至更好性能的基础上，将分支波导结构最窄耦合通道的宽度提升至0.3mm级，大大降低了加工难度和成本。

Description

一种改进型太赫兹分支波导耦合器

技术领域

本发明涉及定向分支波导耦合器，具体涉及一种改进型太赫兹分支波导耦合器。

背景技术

太赫兹波是国际学术界公认的一个非常重要的前沿技术领域，它是波长在3mm-0.03mm(100GHz-10THz)区间的电磁辐射，其波段位于微波和红外之间。由于其所处的特殊位置，太赫兹波可以表现出许多有别于其他种类电磁辐射的独特特性，这些特性决定了太赫兹波在很多领域具有广泛的应用前景。伴随着太赫兹技术的发展，它在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、宽带移动通讯等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景。

定向耦合器是用于功率分配的四端口无源元件，在电子对抗、通信系统、雷达系统以及测试测量仪器中有着不可缺少的作用，主要用于合成和分配功率、扩大功率量程、监视功率和频谱等。在一些重要的微波测量仪器中如矢量网络分析仪、反射计等，定向耦合器也有着比较广泛的应用。太赫兹波作为当前电子技术解决未来电磁波频谱拥挤问题而开拓的主要频段，在通信、反恐侦测和天文探测等方面得到了广泛的关注，而定向耦合器是电路中重要的器件，因此研究太赫兹频段的定向耦合器有非常高的应用价值。

在太赫兹频段，由于电路尺寸急剧减小，导致传统微带线耦合器加工困难。波导电桥是一种常用的能够在太赫兹波段内实现功率分配/合成的电路结构，而且分支波导定向耦合器是一种四端口的紧耦合正交混合电桥，具有各端口匹配、隔离度高、插入损耗小等优点，改善了三端口元件的不足，且具有高功率容量的特性，使其在大功率合成中具有非常大的应用潜力。目前，为了保证其性能，太赫兹频段分支波导定向耦合器大都采用5分支线结构，如图1所示，而5分支线结构最窄耦合通道的宽度通常在0.1mm级，这不仅对腔体加工提出了较高的要求，窄隔栅结构在加工过程中也极易出现弯曲甚至折断。5分支线结构波导定向耦合器由于其最窄耦合通道的宽度较窄，导致其对尺寸极其敏感，在实际加工中，若无法保证加工精度，会明显恶化耦合器的性能；同时，高精度的腔体加工要求也极大地增加了加工成本，并且窄隔栅结构的存在又会导致耦合器的稳定性和使用寿命大打折扣。

发明内容

本发明的目的在于，针对传统的太赫兹分支波导定向耦合器存在的缺陷，提出了一种改进型的太赫兹分支波导耦合器。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种改进型太赫兹分支波导耦合器，包括信号输入端1、隔离端2、信号直接输出端3、第一电磁场通道4、第二电磁场通道5、第三电磁场通道6、第一金属隔栅8-1、第二金属隔栅8-2、信号耦合输出端9；其中，所述第二电磁场通道位于第一金属隔栅8-1和第二金属隔栅8-2之间，所述第一金属隔栅8-1靠近主通道和第二电磁场通道5的一端形成第一耦合内圆角7-1，靠近耦合通道和第二电磁场通道5的一端形成第三耦合内圆角7-3，所述第二金属隔栅8-2靠近主通道和第二电磁场通道5的一端形成第二耦合内圆角7-2，靠近耦合通道和第二电磁场通道5的一端形成第四耦合内圆角7-4；

信号经输入端1进入耦合器后，一部分经主通道输出至直接输出端3，另一部分经第一电磁场通道4、第二电磁场通道5和第三电磁场通道6后，经过耦合通道输出至信号耦合输出端9。

进一步地，所述太赫兹分支波导耦合器为轴对称结构。

进一步地，所述第一电磁场通道4、第二电磁场通道5以及第三电磁场通道6的宽度≥0.3mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、目前，太赫兹频段分支波导定向耦合器为了保证优良的性能大都采用5分支线结构，而5分支线结构最窄耦合孔的宽度通常在0.1mm级，这不仅对腔体加工提出了较高的要求，窄隔栅结构在加工过程中也极易出现弯曲甚至折断。为解决分支线波导定向耦合器最窄耦合通道加工困难的问题，本发明提出了一种新的分支波导结构，在传统的3分支线耦合器结构的第二电磁场通道两边的金属隔栅上形成4个内圆角，增大了第二电磁场通道的耦合系数，在保证与普通5分支线结构耦合器相同甚至更好性能的基础上，将分支波导结构最窄耦合通道的宽度提升至0.3mm级，大大降低了加工难度和成本。

2、本发明提供的太赫兹分支波导耦合器中最窄耦合通孔的宽度是传统5分支线结构耦合器最窄耦合通道宽度的2倍以上，得到的金属隔栅结构更加结实牢固，在长期使用过程中，相同应力下不易发生变形，提升了耦合器的使用寿命。

附图说明

图1为背景技术中传统的分支波导定向耦合器的结构示意图。

图2为本发明提供的一种改进型太赫兹分支波导耦合器的结构示意图。

图3为本发明提供的一种改进型太赫兹分支波导耦合器的正视图。

图4为实施例中第一金属隔栅8-1和第二金属隔栅8-2的结构及参数尺寸图。

图5为文章公开的五分支结构耦合器中金属隔栅的结构及参数尺寸图。

图6为实施例得到的分支波导耦合器的仿真结果；其中，(a)为S11和S23参数的仿真结果，(b)为S21和S31参数的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

分支矩形波导电桥是一种非常有用的功率分配/合成结构，是常用的能在较宽频带内实现紧耦合的正交混合电桥。传统的五分支波导定向耦合器如图1所示，包括输入端(Port1)、直通端(Port 2)、耦合端(Port 3)和隔离端(Port 4)，其中，直通端和耦合端为输出端口，且两输出端口的输出信号存在90°的相位差。其工作原理为：信号经输入端(Port1)进入耦合器后，一分为二为两路信号分别传输至直通端(Port 2)和耦合端(Port 3)，隔离端(Port 4)被隔离。如果直通端和耦合端接匹配放大器，则直通端和耦合端的输出信号经放大器放大后输出；当直通端和耦合端与外接放大器不完全匹配时，在直通端和耦合端存在被反射的反射波，反射波则在隔离端被匹配负载吸收。由于直通端和耦合端的输出信号存在90°的相位差，使得反射波在隔离端4上具有180°相位差而被抵消。

本发明提出的一种改进型太赫兹分支波导耦合器，是在传统的3分支线耦合器结构上进行改进得到的。如图2所示，为本发明提出的改进型太赫兹分支波导耦合器，包括信号输入端1、隔离端2、信号直接输出端3、第一电磁场通道4、第二电磁场通道5、第三电磁场通道6、第一金属隔栅8-1、第二金属隔栅8-2、信号耦合输出端9；其中，所述第二电磁场通道位于第一金属隔栅8-1和第二金属隔栅8-2之间，所述第一金属隔栅8-1靠近主通道(信号从输入端直接输出至输出端3的通道)和第二电磁场通道5的一端形成第一耦合内圆角7-1，靠近耦合通道(信号输出至耦合输出端9的通道)和第二电磁场通道5的一端形成第三耦合内圆角7-3，所述第二金属隔栅8-2靠近主通道和第二电磁场通道5的一端形成第二耦合内圆角7-2，靠近耦合通道和第二电磁场通道5的一端形成第四耦合内圆角7-4；所述第二磁场通道包括第一和第二耦合内圆角形成的靠近主通道的拱桥形腔体、中间部分的矩形腔体和靠近耦合通道的由第三和第四耦合内圆角形成的拱桥形腔体三个部分；

信号经输入端1进入耦合器后，一部分经主通道输出至直接输出端3，另一部分经第一电磁场通道4、第二电磁场通道5和第三电磁场通道6后，经过耦合通道输出至信号耦合输出端9，直接输出端3和耦合输出端9输出的信号存在90°的相位差，隔离端2接匹配负载。

进一步地，所述太赫兹分支波导耦合器为轴对称结构。

进一步地，所述第一电磁场通道4、第二电磁场通道5以及第三电磁场通道6的宽度≥0.3mm。

进一步地，所述第二电磁场通道两边的第一和第二金属隔栅上形成4个内圆角，增大了第二电磁场通道对场的控制效果，增加耦合系数，从而提高了耦合器的性能。

实施例

本实施例提供的一种3dB的分支波导耦合器中，腔体采用标准波导WR-4.3，a边长为1.092mm，b边长为0.546mm，其传输频率为170GHz到260GHz；第一电磁场通道4的宽度为0.3mm，第三电磁场通道6的宽度为0.3mm；第二电磁场通道5中，第一、二、三、四耦合内圆角的半径为0.15mm，中间部分的矩形腔体的宽度为0.38mm；第一金属隔栅8-1和第二金属隔栅8-2的结构及参数尺寸如图4所示，第一和第二金属隔栅中形成的内圆角的半径R均为0.15mm，第一和第二金属隔栅的最大厚度为0.3mm，长度为1.092mm，宽度为0.38mm，其宽高比为1.27(0.38mm/0.3mm)。所述分支波导耦合器采用微机械加工工艺得到，由0.3mm铣刀加工得到。

将实施例得到的分支波导耦合器与现有同频段的五分支结构的耦合器(查尔莫斯理工大学学者Peter J.Sobis发表的文章“A 170GHz 45Hybrid for Submillimeter WaveSideband Separating Subharmonic Mixers”公开的耦合器)进行性能对比。文章公开的五分支结构耦合器中，最窄的电磁场通道(最窄耦合通道的宽度)的宽度为0.166mm，微机械加工时需要0.1mm铣刀加工，且加工精度为10μm；而本发明实施例得到的分支波导耦合器中，最窄的电磁场通道(最窄耦合通道的宽度)的宽度为0.3mm，四个内圆角的半径为0.15mm，微机械加工时仅需要使用0.3mm铣刀加工，加工精度仅为100μm。由此可见，本发明得到的分支波导耦合器与现有同频段的五分支结构的耦合器相比，在保证优良性能的前提下，极大地降低了加工要求和成本。

如图5所示，为文章公开的五分支结构耦合器中金属隔栅的结构及参数尺寸图。由图4和图5可知，实施例分支波导耦合器中第一和第二金属隔栅的宽高比为1.27(0.38mm/0.3mm)，而文章公开的五分支结构耦合器中金属隔栅的宽高比为2.41(0.4mm/0.166mm)，表明实施例中金属隔栅的结构更加结实牢固，在长期使用过程中，相同应力下不易发生变形，提升了耦合器的使用寿命。

如图6所示，为实施例得到的分支波导耦合器的仿真结果；其中，(a)为S11和S23参数的仿真结果，(b)为S21和S31参数的仿真结果。本发明通过在传统的3分支线耦合器结构的第二电磁场通道两边的金属隔栅上形成4个内圆角，增大了第二电磁场通道的耦合系数，得到的耦合器其性能与普通5分支线结构耦合器相同甚至更优。由图6可知，本发明实施例得到的分支波导耦合器的回波损耗(S11)、直通端口和耦合端口隔离度(S23)在175GHz～215GHz频率范围内均基本优于13dB，同时从S21和S31的幅度不平坦度可以看出其具有功率等分的良好特性，与同频段查尔莫斯理工大学学者Peter J.Sobis发表的文章“A170GHz45Hybrid for Submillimeter Wave Sideband Separating Subharmonic Mixers”中公开的耦合器相比，带宽更宽，功率等分性能更加优越。

在太赫兹频段，电路尺寸急剧减小，使得分支线波导定向耦合器加工精度要求较高。目前，太赫兹频段分支波导定向耦合器为了保证优良的性能大都采用5分支线结构，而5分支线结构最窄耦合通道的宽度通常在0.1mm级，这不仅对腔体加工提出了较高的要求，窄隔栅结构在加工过程中也极易出现弯曲甚至折断。为解决分支线波导定向耦合器最窄耦合通道加工困难的问题，本发明提出了一种新的分支波导结构，在传统的3分支线耦合器结构的第二电磁场通道两边的金属隔栅上形成4个内圆角(普通的3分支线耦合器结构由于耦合性能较差、带宽较窄而较少使用)，增大了第二电磁场通道的耦合系数，在保证与普通5分支线结构耦合器相同甚至更好性能的基础上，将分支波导结构最窄耦合通道的宽度提升至0.3mm级，大大降低了加工难度和成本。同时，该耦合器中最窄耦合通道的宽度是传统5分支线结构耦合器最窄耦合通道宽度的2倍以上，得到的金属隔栅线结构更加结实牢固，在长期使用过程中，相同应力下不易发生变形，提升了耦合器的使用寿命。

Claims (3)

1.一种改进型太赫兹分支波导耦合器，包括信号输入端(1)、隔离端(2)、信号直接输出端(3)、第一电磁场通道(4)、第二电磁场通道(5)、第三电磁场通道(6)、第一金属隔栅(8-1)、第二金属隔栅(8-2)、信号耦合输出端(9)；其中，所述第二电磁场通道位于第一金属隔栅(8-1)和第二金属隔栅(8-2)之间，所述第一金属隔栅靠近主通道和第二电磁场通道的一端形成第一耦合内圆角(7-1)，靠近耦合通道和第二电磁场通道的一端形成第三耦合内圆角(7-3)，所述第二金属隔栅靠近主通道和第二电磁场通道的一端形成第二耦合内圆角(7-2)，靠近耦合通道和第二电磁场通道的一端形成第四耦合内圆角(7-4)；

信号经输入端(1)进入耦合器后，一部分经主通道输出至直接输出端(3)，另一部分经第一电磁场通道(4)、第二电磁场通道(5)和第三电磁场通道(6)后，经过耦合通道输出至信号耦合输出端(9)。

2.根据权利要求1所述的改进型太赫兹分支波导耦合器，其特征在于，所述太赫兹分支波导耦合器为轴对称结构。

3.根据权利要求1所述的改进型太赫兹分支波导耦合器，其特征在于，所述第一电磁场通道、第二电磁场通道以及第三电磁场通道的宽度≥0.3mm。