CN111883896B - 一种适用于毫米波及太赫兹波的定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于毫米波及太赫兹波的定向耦合器，耦合器本体内形成有对称设置的第一主波导和第二主波导，第一主波导和第二主波导之间形成有隔断，第一主波导的两端设置为第一端口和第二端口，第二主波导的两端设置为第三端口和第四端口；隔断的中部设置为耦合段，耦合段的两侧相互平行设置以使得第一主波导和第二主波导的中部形成有一段相互平行的区域，耦合段上沿其长度方向上排列设置有多个耦合窗，每个耦合窗内均设置有上下对称的两个金属耦合探针，金属耦合探针通过介质支柱固定于耦合窗内。该定向耦合器对装配的容忍度很高，易于工程实现，工作频段可以高达500GHz以上。

Description

一种适用于毫米波及太赫兹波的定向耦合器

技术领域

本发明涉及一种适用于毫米波及太赫兹波的定向耦合器。

背景技术

定向耦合器主要功能是实现信号的隔离、分离和混合，如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等，广泛使用于卫星通信、雷达系统、仪器仪表、导航和射电天文中。随着系统工作带宽和工作频率的提高，对器件的加工和装配误差提出越来越高的要求，已经成为制约该类器件发展的核心关键之一。在毫米波段和太赫兹波频段，E面缝隙波导定向耦合结构是众多类型的波导定向耦合器中普遍采用的方式。该类型结构对于强耦合，如3dB耦合器制备相对容易，但对于需要弱耦合的场景，窄分支波导耦合窗除了存在难以加工的问题外，波导的装配精度要求也极高。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于毫米波及太赫兹波的定向耦合器，该定向耦合器对装配的容忍度很高，易于工程实现，工作频段可以高达500GHz以上。

为了实现上述目的，本发明提供了一种适用于毫米波及太赫兹波的定向耦合器，该定向耦合器包括：耦合器本体，所述耦合器本体内形成有对称设置的第一主波导和第二主波导，所述第一主波导和第二主波导之间形成有隔断，所述第一主波导的两端设置为第一端口和第二端口，所述第二主波导的两端设置为第三端口和第四端口，所述第一端口、第三端口、第四端口和第二端口沿逆时针方向顺次排布；所述隔断的中部设置为耦合段，所述耦合段的两侧相互平行设置以使得所述第一主波导和第二主波导的中部形成有一段相互平行的区域，所述耦合段上沿其长度方向上排列设置有多个耦合窗，每个所述耦合窗内均设置有上下对称的两个金属耦合探针，所述金属耦合探针通过介质支柱固定于所述耦合窗内。

优选地，所述第一主波导和第二主波导的传输截面中，沿水平方向的高度均为b，沿纵向方向的长度均为a。

优选地，所述耦合段沿水平方向上的宽度为ch，

其中，λ为工作波长。

优选地，所述第一主波导和第二主波导的左端朝向彼此背向的方向弯曲以使得所述第一端口和第三端口远离，所述第一主波导和第二主波导的右端朝向彼此背向的方向弯曲以使得所述第二端口和第四端口远离。

优选地，所述耦合窗的长度为ck，高度为2cs，相邻两个所述耦合窗之间的间距为L；其中，ck＜λ，L＜λ，2cs＝0.1a～0.3a。

优选地，所述耦合段的两端对称设置。

优选地，所述耦合窗的高度2cs与所述耦合窗的数量n为反比关系，所述耦合窗的数量n与耦合度为正比关系。

优选地，所述金属耦合探针的长度为PL，PL＞ch，所述金属耦合探针深入所述第一主波导或第二主波导内的长度不大于

优选地，所述金属耦合探针的厚度为Pd，所述介质支柱的高度为S，所述介质支柱的的宽度为PW，其中，2(S+Pd)≤2cs，PW＝ch。

优选地，所述介质支柱为熔融石英材质，所述金属耦合探针的材料是易导电的金属。

根据上述技术方案，本发明对装配的容忍度很高，易于工程实现，工作频段可以高达500GHz以上。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是定向耦合器的一种优选实施方式的整体结构示意图；

图2是定向耦合器下半部的一种优选实施方式的整体结构示意图；

图3是定向耦合器中耦合窗内的局部放大结构示意图；

图4是有上下对称的两个金属耦合探针和介质支柱的定向耦合器的S参数情况；

图5是没有上下对称的两个金属耦合探针和介质支柱的定向耦合器的S参数情况。

附图标记说明

1 第一端口 2 第二端口

3 第三端口 4 第四端口

5 第一主波导 6 第二主波导

7 耦合器本体 8 耦合窗

9 耦合段 10 金属耦合探针

11 介质支柱

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，“上、下、顶、底、远、近、侧”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。

参见图1-3所示的适用于毫米波及太赫兹波的定向耦合器，该定向耦合器包括：耦合器本体7，所述耦合器本体7内形成有对称设置的第一主波导5和第二主波导6，所述第一主波导5和第二主波导6之间形成有隔断，所述第一主波导5的两端设置为第一端口1和第二端口2，所述第二主波导6的两端设置为第三端口3和第四端口4，所述第一端口1、第三端口3、第四端口4和第二端口2沿逆时针方向顺次排布；所述隔断的中部设置为耦合段9，所述耦合段9的两侧相互平行设置以使得所述第一主波导5和第二主波导6的中部形成有一段相互平行的区域，所述耦合段9上沿其长度方向上排列设置有多个耦合窗8，每个所述耦合窗8内均设置有上下对称的两个金属耦合探针10，所述金属耦合探针10通过介质支柱11固定于所述耦合窗8内。

通过上述技术方案的实施，该定向耦合器是一种四端口的正交混合耦合器，如图1所示，功率从任何一个端口入射，信号的主要能量将从同一波导的相对端口输出，另一个波导中与信号输入端口在同一侧面的端口是隔离端，与主输出端口在同一侧的端口是耦合端。如图1所示，假如信号从端口1输入，端口2将是直通端，端口3是隔离端，端口4是耦合端。

通过在第一主波导5和第二主波导6的壁面之间设置耦合窗8实现信号的耦合，为了改善耦合度，在耦合窗8中的耦合窗8内设置了金属耦合探针10，通过改变金属耦合探针10或耦合窗8的数量及结构参数，可以实现不同的耦合度。该发明涉及的核心部件可通过传统机械加工手段，如数控铣床实现结构制造。同时，该类器件对装配的容忍度很高，易于工程实现。通过合理优化，该类器件的工作频段可以高达500GHz以上。此外，在第一主波导5和第二主波导6的侧面壁面中心有一个能够使得第一主波导5和第二主波导6上下对称的对称面，由于没有电流流过这个对称平面，耦合器可以在这个平面上分开。

在该实施方式中，优选地，所述第一主波导5和第二主波导6的传输截面中，沿水平方向的高度均为b，沿纵向方向的长度均为a。其中a和b的长度是优化电性能时可以改变的参数，为了便于和其他系统相兼容，建议波导截面采用国际标准，即a＝2b，如工作在W波段的波导常用a＝2.54mm，b＝1.27mm。

在该实施方式中，如图2所示，为了进一步优化耦合性能，优选地，所述耦合段9沿水平方向上的宽度为ch，

其中，λ为工作波长。

在该实施方式中，优选地，所述第一主波导5和第二主波导6的左端朝向彼此背向的方向弯曲以使得所述第一端口1和第三端口3远离，所述第一主波导5和第二主波导6的右端朝向彼此背向的方向弯曲以使得所述第二端口2和第四端口4远离。主波导弯曲设置，这样便于同一端的两个波导口彼此分开，如第一端口1和第三端口3分开，第二端口2和第四端口4分开，利于信号输入和输出端口的工程化设计和实现。

在该实施方式中，优选地，所述耦合窗8的长度为ck，高度为2cs，相邻两个所述耦合窗8之间的间距为L；其中，ck＜λ，L＜λ，2cs＝0.1a～0.3a。耦合窗8的长度ck和耦合窗8之间的间距L可以根据电性能需要，借助常用电磁场仿真软件对其优化改变，当采用相同的耦合窗8时，耦合窗8的长度及其间距通常取工作波长的四分之一。

在该实施方式中，耦合窗8在两个主波导之间的排布可以是周期结构，也可以是非周期结构，当然，为了获得更加稳定的耦合效果，优选地，所述耦合段9的两端对称设置。

在该实施方式中，优选地，所述耦合窗8的高度2cs与所述耦合窗8的数量n为反比关系，所述耦合窗8的数量n与耦合度为正比关系。两个主波导之间耦合窗8数量n也影响器件工作的带宽，可以根据实际耦合器设计实际需求对耦合窗8数量n进行适当增减。基本规律是：随着n的增加工作带宽可以少量增加，但需要更小的耦合腔高度2CS，耦合腔高度与n成反比，当n＝6时，最小耦合窗8高度2CS为0.12a，而n＝7,最小耦合窗8高度2CS需要为0.11a。主波导之间的耦合度和带宽主要决定因素是主波导之间的耦合窗8和/或耦合探针数量n,功率耦合大约与探针数量的平方成正比，根据探头n的数量不同可以获得10到30dB的耦合度。

在该实施方式中，主波导之间的耦合也可以通过增减金属耦合探针10长度PL和改变金属耦合探针10的厚度Pd来进行微调，优选地，所述金属耦合探针10的长度为PL，PL＞ch，所述金属耦合探针10深入所述第一主波导5或第二主波导6内的长度不大于

将金属耦合探针10插入一个波导的主要效果是增加了一个波导中的驻波比，同时减少了另一个波导中的驻波比，耦合并没有实质性的影响，即通过增加金属耦合探头总长度可以微量增加耦合度，但也导致耦合器的耦合度随频率的变化明显。

在该实施方式中，优选地，所述金属耦合探针10的厚度为Pd，所述介质支柱11的高度为S，所述介质支柱11的的宽度为PW，其中，2S+Pd≤2cs，PW＝ch。使用更厚的金属耦合探针10可以增加耦合度，金属耦合探针10的厚度增加一倍可使耦合增加1至2dB左右。当然，2S+Pd≤2cs，即上下两组金属耦合探针10和介质支柱11的总长度不能够大于耦合窗8的总高度，上下两组金属耦合探针10和介质支柱11的组合之间可以形成有间隙。采用PW＝ch的目的是为了提高金属耦合探针10的稳定性，支柱的长度等于耦合段9的宽度ch。

在该实施方式中，介质支柱11的材料是具有一定硬度的微波介质材料，能够支撑住金属耦合探针10，且在该工作频段的介电常数相对稳定，优选地，所述介质支柱11为熔融石英材质，所述金属耦合探针10的材料是易导电的金属。金属耦合探针10的材料可以为Cu、Ag等，介质支柱11和金属耦合探针10可以通过金加工、化学铣削或电铸等方式分别获得。

这些组成材料之间的对位和金属耦合探针10的定位对器件的性能影响并不明显，故工艺容忍度相对较高。在组装过程中，介质支柱11可以使用环氧树脂胶粘剂安装在耦合窗8内，金属耦合探针10也可以采用相同的胶粘剂连接到介质支柱11上。

该专利中描述的耦合器各结构参数可以针对具体任务需求通过优化。这里给出了一个工作在W频段的耦合器结构参数，根据工作波长与结构参数成正比原则，如果想求其他工作波长的耦合器结构参数，可以对工作在W波段的耦合器参数乘以缩放因子A，并通过一定的优化以获得工作在其他频段的耦合器结构参数。

W波段(75-110GHz)某个定向耦合器结构参数如下：

主波导横截面a＝2.54mm,b＝1.27mm；耦合窗8数量n＝6个，耦合窗8在主波导平行波段均匀周期排列，耦合窗8长ck＝0.7mm，耦合窗8高2cs＝0.55mm,耦合窗8的宽ch＝0.3mm，耦合窗8之间的距离L＝0.5mm，介质支柱11的长、宽、高S分别等于0.3mm，0.3mm和0.2mm，金属探针的长PL、宽PW、高Pd分别等于0.85mm,0.3mm和0.04mm。

图4是在上述结构参数情况下的定向耦合器S参数情况，图5与图4具有相同的耦合腔结构参数，但没有介质支柱11和金属耦合探针10，通过对比发现，在直通参数S21良好情形下，通过添加耦合探针可以显著提高定向耦合器的S31参数，既可以改善耦合器的定向耦合度。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种适用于毫米波及太赫兹波的定向耦合器，其特征在于，所述定向耦合器包括：耦合器本体(7)，所述耦合器本体(7)内形成有对称设置的第一主波导(5)和第二主波导(6)，所述第一主波导(5)和第二主波导(6)之间形成有隔断，所述第一主波导(5)的两端设置为第一端口(1)和第二端口(2)，所述第二主波导(6)的两端设置为第三端口(3)和第四端口(4)，所述第一端口(1)、第三端口(3)、第四端口(4)和第二端口(2)沿逆时针方向顺次排布；

所述隔断的中部设置为耦合段(9)，所述耦合段(9)的两侧相互平行设置以使得所述第一主波导(5)和第二主波导(6)的中部形成有一段相互平行的区域，所述耦合段(9)上沿其长度方向上排列设置有多个耦合窗(8)，每个所述耦合窗(8)内均设置有上下对称的两个金属耦合探针(10)，所述金属耦合探针(10)通过介质支柱(11)固定于所述耦合窗(8)内。

2.根据权利要求1所述的一种适用于毫米波及太赫兹波的定向耦合器，其特征在于，所述第一主波导(5)和第二主波导(6)的传输截面中，沿水平方向的高度均为b，沿纵向方向的长度均为a。

3.根据权利要求2所述的一种适用于毫米波及太赫兹波的定向耦合器，其特征在于，所述耦合段(9)沿水平方向上的宽度为ch，

其中，λ为工作波长。

4.根据权利要求3所述的一种适用于毫米波及太赫兹波的定向耦合器，其特征在于，所述第一主波导(5)和第二主波导(6)的左端朝向彼此背向的方向弯曲以使得所述第一端口(1)和第三端口(3)远离，所述第一主波导(5)和第二主波导(6)的右端朝向彼此背向的方向弯曲以使得所述第二端口(2)和第四端口(4)远离。

5.根据权利要求4所述的一种适用于毫米波及太赫兹波的定向耦合器，其特征在于，所述耦合窗(8)的长度为ck，高度为2cs，相邻两个所述耦合窗(8)之间的间距为L；其中，ck＜λ，L＜λ，2cs＝0.1a～0.3a。

6.根据权利要求5所述的一种适用于毫米波及太赫兹波的定向耦合器，其特征在于，所述耦合段(9)的两端对称设置。

7.根据权利要求6所述的一种适用于毫米波及太赫兹波的定向耦合器，其特征在于，所述耦合窗(8)的高度2cs与所述耦合窗(8)的数量n为反比关系，所述耦合窗(8)的数量n与耦合度为正比关系。

8.根据权利要求7所述的一种适用于毫米波及太赫兹波的定向耦合器，其特征在于，所述金属耦合探针(10)的长度为PL，PL＞ch，所述金属耦合探针(10)深入所述第一主波导(5)或第二主波导(6)内的长度不大于

9.根据权利要求8所述的一种适用于毫米波及太赫兹波的定向耦合器，其特征在于，所述金属耦合探针(10)的厚度为Pd，所述介质支柱(11)的高度为S，所述介质支柱(11)的宽度为PW，其中，2(S+Pd)≤2cs，PW＝ch。

10.根据权利要求1-9中的任意一项所述的一种适用于毫米波及太赫兹波的定向耦合器，其特征在于，所述介质支柱(11)为熔融石英材质，所述金属耦合探针(10)的材料是易导电的金属。

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