CN112563710B - 一种e波段正交模耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种E波段正交模耦合器，包括方形波导、模式分离结构、Y型合路波导和垂直匹配波导；所述方形波导为截面为正方形的金属波导，所述方形波导经模式分离结构分别与Y型合路波导和垂直匹配波导连通，所述模式分离结构包括位于方形波导上下面的上层台阶和下层台阶，所述上层台阶和下层台阶均包括与方形波导连通的第一级凸台、第二级凸台，所述第一级凸台、第二级凸台首尾相连，所述第一级凸台通过两边臂波导向两侧延伸，与Y型合路波导连通，所述第二级凸台通过直通波导与垂直匹配波导连通。本发明针对E波段无线通信的极化复用技术，隔离度高、适用于毫米级通信系统，且结构简单，易于实现。

Description

一种E波段正交模耦合器

技术领域

本发明涉及耦合器领域，具体涉及一种E波段正交模耦合器。

背景技术

随着通信技术的不断发展，低频频谱资源日益紧张，通信频率由微波向毫米波发展。E波段毫米波(71-76/81-86GHz)可提供10GHz的可用带宽，是目前商用的最高频段。E波段可提供超高速无线通信速率服务，目前在基站无线回传、应急通信等应用场景中已经开始逐步使用。

为了提升E波段通信系统的频谱效率，极化复用是一种有效的同频复用技术。极化复用技术是指在相同信道带宽下，通过一对正交极化的电磁波进行信号的传输，并在接收端进行正交信号的分离和解调。这种方法可以实现两倍频谱效率，是一种高效率低成本实现通信速率翻倍的方式。

正交模耦合器(Ortho-mode transducer,OMT)作为极化复用技术中核心的射频关键器件，起到将两路载波信号合成和分离的作用，其性能直接影响两路同频信号是否相互干扰，最终影响通信系统误码性能的好坏。此外，毫米波波长短，器件尺寸小，对加工误差敏感。因此研究高隔离、易加工的正交模式转换器显得尤为重要。

目前基于波导传输线的正交模耦合器(OMT)主要有四类结构：锥变型OMT、十字转门型OMT、Boifot型OMT、双脊型OMT。

其中：锥变型OMT是非对称结构，容易产生高次模，因此隔离度性能较差且工作带宽低。

十字转门型OMT需要对两支相互垂直的Y型波导，因此在加工时通常分为多块处理，对装配精度要求较高，工艺复杂且成本高。

Boifot型OMT的缺点也是加工复杂，金属柱以及金属膜片结构存在定位误差，故整体加工精度要求较高。

双脊型OMT缺点是双脊较窄(大约是波导宽度的十分之一)并位于公共波导中心轴线上。在毫米波频段加工双脊型OMT，由于双脊太窄，对加工精度和双脊的机械强度都有很高的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种E波段正交模耦合器，针对E波段无线通信的极化复用技术，隔离度高、适用于毫米级通信系统，且结构简单，易于实现。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种E波段正交模耦合器，包括方形波导、模式分离结构、Y型合路波导和垂直匹配波导；

所述方形波导为截面为正方形的金属波导，所述方形波导经模式分离结构分别与Y型合路波导和垂直匹配波导连通，所述模式分离结构包括位于方形波导上下面的上层台阶和下层台阶，所述上层台阶和下层台阶均包括与方形波导连通的第一级凸台、第二级凸台，所述第一级凸台、第二级凸台首尾相连，所述第一级凸台通过两边臂波导向两侧延伸，与Y型合路波导连通，所述第二级凸台通过直通波导与垂直匹配波导连通。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述上层台阶和下层台阶中的第一级凸台、第二级凸台对称设置，所述第一级凸台、第二级凸台的中心线与方形波导的中心线重合，所述第一级凸台、第二级凸台距离方形波导的左右面的距离相等。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述边臂波导的高度与方形波导的边长相等。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述边臂波导与方形波导的夹角为135°。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述直通波导的宽度与方形波导的边长相等。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述Y型合路波导包括与两边臂波导连通的分支侧壁，所述分支侧壁内设置有弯转波导，所述分支侧壁的尾端汇合形成第一矩形端口。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述第一矩形端口的长边长度与方形波导的边长相等。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述垂直匹配波导包括与直通波导连通的水平连接部，所述水平连接部的尾端通过90°弯折部与第二矩形端口连通，所述90°弯折部内设置有多级台阶。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述第二矩形端口的长边长度与方形波导的边长相等。

本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述E波段正交模耦合器能够实现双向传输，电磁波能够从方形波导输入，经模式分离结构从Y型合路波导和垂直匹配波导输出；电磁波也能够从Y型合路波导和垂直匹配波导输入，经模式分离结构从方形波导输出。

本发明的有益效果：

本发明针对E波段无线通信的极化复用技术，隔离度高、插入损耗地、适用于毫米级通信系统，且结构简单，易于实现；

相比于非对称结构正交模耦合器，本发明的拓扑结构对于水平极化波和垂直极化波都是对称的，因此可以抑制高次模的产生，性能更优；

相比于其他对称结构正交模耦合器，本发明不需要复杂的加工工艺，也没有对定位精度要求高的金属柱等结构；

相比于传统的双脊型正交模耦合器，本发明解决了传统结构双脊较窄的问题，在毫米波频段加工双脊型正交模耦合器，由于双脊的厚度太薄，对加工精度和双脊的机械强度都有很高的要求，本发明降低加工难度后，使其能够应用于毫米波通信系统。

附图说明

图1是本发明的E波段正交模耦合器的整体结构示意图；

图2是本发明的模式分离结构的结构示意图；

图3是本发明的Y型合路波导的结构示意图；

图4是本发明的垂直匹配波导的结构示意图；

图5是本发明的反射系数的实验结果图；

图6是本发明的隔离度及插入损耗的实验结果图。

图中标号说明：1、方形波导；2、模式分离结构；21、上层台阶；22、下层台阶；23、第一级凸台；24、第二级凸台；25、边臂波导；26、直通波导；3、Y型合路波导；31、分支侧壁；32、弯转波导；33、第一矩形端口；4、垂直匹配波导；41、水平连接部；42、90°弯折部；43、多级台阶；44、第二矩形端口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1所示，本发明的E波段正交模耦合器的一实施例，包括方形波导1、模式分离结构2、Y型合路波导3和垂直匹配波导4；所述方形波导1为截面为正方形的金属波导，所述方形波导1设置有一正方形端口，所述方形波导1经模式分离结构2分别与Y型合路波导3和垂直匹配波导4连通，本实施例中的E波段正交模耦合器能够实现双向传输，电磁波能够从方形波导1输入，经模式分离结构2从Y型合路波导3和垂直匹配波导4输出；电磁波也能够从Y型合路波导3和垂直匹配波导4输入，经模式分离结构2从方形波导1输出，通过双向传输分别实现电磁波的模式分离和合并。

参照图2所示，所述模式分离结构2包括位于方形波导1上下面的上层台阶21和下层台阶22，所述上层台阶21和下层台阶22均包括与方形波导1连通的第一级凸台23、第二级凸台24，所述第一级凸台23、第二级凸台24首尾相连，所述第一级凸台23通过两边臂波导25向两侧延伸，与Y型合路波导3连通，所述第二级凸台24通过直通波导26与垂直匹配波导4连通。

通过第一级凸台23、第二级凸台24实现方形波导1分别与Y型合路波导3和垂直匹配波导4的连通，将电磁波中的水平极化波和垂直极化波分离，所述水平极化波经第一级凸台23进入到边臂波导25从Y型合路波导3中输出，所述垂直极化波经第二级凸台24进入到直通波导26从垂直匹配波导4连通中输出。

本实施中，所述第一级凸台23、第二级凸台24的宽度相同为方形波导1边长的35％，所述第一级凸台23的高度为方形波导1边长的15％，第二级凸台24高度为方形波导1边长35％。

具体地，所述上层台阶21和下层台阶22中的第一级凸台23、第二级凸台24对称设置，所述第一级凸台23、第二级凸台24的中心线与方形波导1的中心线重合，所述第一级凸台23、第二级凸台24距离方形波导1的左右面的距离相等，对于水平极化波和垂直极化波都是对称的，因此可以抑制高次模的产生，性能更优。

为了不影响电磁波分离后的信号传输，所述边臂波导25的高度与方形波导1的边长相等；所述直通波导26的宽度与方形波导1的边长相等；保证分离后电磁波的传输不受影响。

具体地，所述边臂波导25与方形波导1的夹角为135°，相比于传统结构双脊90°夹角，有效增大双脊的宽度，解决传统结构双脊较窄的问题。

参照图3所示，所述Y型合路波导3包括与两边臂波导25连通的分支侧壁31，所述分支侧壁31内设置有弯转波导32，所述分支侧壁31的尾端汇合形成第一矩形端口33，输入信号以水平极化波从方形波导1输入，进入正交模耦合器，经过模式分离结构2，水平极化波耦合进两边臂波导25，耦合到边臂波导25的电磁波等幅同相位，进入到Y型合路波导3中的分支侧壁31中，在Y型合路波导3分别经过一段弯转波导32传输后，从分支侧壁31的尾端汇合的第一矩形端口33输出，并且，保证所述第一矩形端口33的长边长度与方形波导1的边长相等。

参照图4所示，所述垂直匹配波导4包括与直通波导26连通的水平连接部，41所述水平连接部41的尾端通过90°弯折部42与第二矩形端口44连通，所述90°弯折部42内设置有多级台阶43，输入信号以垂直极化波从方形波导1输入，进入正交模耦合器，经过模式分离结构2，进入直通波导26的垂直极化波将进入垂直匹配波导4的水平连接部41，再进入到90°弯折部42实现高度降低，再次通过多级台阶43实现电磁波传输方向的改变，最终垂直极化波从第二矩形端口44输出，并且，保证所述第二矩形端口44的长边长度与方形波导1的边长相等。

本实施例中的E波段正交模耦合器，E波段无线通信的极化复用技术，隔离度高、插入损耗低、适用于毫米级通信系统，参照图5所示，本发明的正交模耦合器在E波段(频率为：71～86GHz)传输后，从Y型合路波导3中的第一矩形端口33以及从垂直匹配波导4中的第二矩形端口44输出信号的反射系数，参照实验结果所示，从两个端口输出的反射系数均低于-25dB；参照图6所示，本发明的正交模耦合器在E波段(频率为：71～86GHz)传输后，端口内的隔离度优于50dB，从方形波导1内的插入损耗低于0.1dB。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种E波段正交模耦合器，其特征在于，包括方形波导、模式分离结构、Y型合路波导和垂直匹配波导；

所述方形波导为截面为正方形的金属波导，所述方形波导经模式分离结构分别与Y型合路波导和垂直匹配波导连通，所述模式分离结构包括位于方形波导上下面的上层台阶和下层台阶，所述上层台阶和下层台阶均包括与方形波导连通的第一级凸台、第二级凸台，所述第一级凸台、第二级凸台首尾相连，所述第一级凸台通过两边臂波导向两侧延伸，与Y型合路波导连通，所述第二级凸台通过直通波导与垂直匹配波导连通；所述上层台阶和下层台阶中的第一级凸台、第二级凸台对称设置，所述第一级凸台、第二级凸台的中心线与方形波导的中心线重合，所述第一级凸台、第二级凸台距离方形波导的左右面的距离相等。

2.如权利要求1所述的E波段正交模耦合器，其特征在于，所述边臂波导的高度与方形波导的边长相等。

3.如权利要求1所述的E波段正交模耦合器，其特征在于，所述边臂波导与方形波导的夹角为135°。

4.如权利要求1所述的E波段正交模耦合器，其特征在于，所述直通波导的宽度与方形波导的边长相等。

5.如权利要求1所述的E波段正交模耦合器，其特征在于，所述Y型合路波导包括与两边臂波导连通的分支侧壁，所述分支侧壁内设置有弯转波导，所述分支侧壁的尾端汇合形成第一矩形端口。

6.如权利要求5所述的E波段正交模耦合器，其特征在于，所述第一矩形端口的长边长度与方形波导的边长相等。

7.如权利要求1所述的E波段正交模耦合器，其特征在于，所述垂直匹配波导包括与直通波导连通的水平连接部，所述水平连接部的尾端通过90°弯折部与第二矩形端口连通，所述90°弯折部内设置有多级台阶。

8.如权利要求7所述的E波段正交模耦合器，其特征在于，所述第二矩形端口的长边长度与方形波导的边长相等。

9.如权利要求1所述的E波段正交模耦合器，其特征在于，所述E波段正交模耦合器能够实现双向传输，电磁波能够从方形波导输入，经模式分离结构从Y型合路波导和垂直匹配波导输出；电磁波也能够从Y型合路波导和垂直匹配波导输入，经模式分离结构从方形波导输出。

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