CN114552158A - 一种基于新型分支波导结构的e面分支波导定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于新型分支波导结构的E面分支波导定向耦合器，所述主波导与副波导均为标准波导，所述多个分支波导结构中至少一个分支波导结构的波导宽度大于主波导的波导宽度。与传统E面分支波导结构相比，本发明中的新型分支波导结构具有更平坦的传输曲线，使得具有相同分支数的新型分支波导定向耦合器比传统分支波导定向耦合器的工作带宽更宽，并且不会恶化其他指标，这为拓展E面分支波导定向耦合器的工作带宽提供了一种更好的方法。

Description

一种基于新型分支波导结构的E面分支波导定向耦合器

技术领域

本发明涉及微波通信技术领域，尤其涉及一种基于新型分支波导结构的E面分支波导定向耦合器。

背景技术

定向耦合器是用于功率分配的四端口无源元件，在微波系统中应用广泛。其在电子对抗、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。其主要用途有合成和分配功率、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，因此研究毫米波甚至是太赫兹频段的定向耦合器有非常高的应用价值。在毫米波频段或者是太赫兹频段，电路尺寸急剧减小，导致传统微带线耦合器加工困难。波导定向耦合器是一种非常常用的能够在毫米波或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，而且具有高功率容量的特性，使其在大功率合成中具有非常高的应用潜力。

目前的E面分支波导定向耦合器是基于传统分支波导结构进行设计，通常工作带宽可以通过增加分支数量来提升，但是随着分支数量增多，每个分支波导的高度通常会急剧缩减，这将大幅度增加加工难度和成本。同时为了实现更宽的工作带宽，除了增加分支数量这种方法，目前的E面分支波导定向耦合器通常会采用增加一些匹配支节的方法，但这种方法会牺牲耦合器的一些其他指标，比如牺牲回波损耗和隔离度的性能等。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于新型分支波导结构的E面分支波导定向耦合器，用于解决传统E面分支波导定向耦合器增加分支数量时，分支波导结构波导高度太小不利于加工和传统E面分支波导定向耦合器提升工作带宽时会牺牲其他指标的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

针对上述问题，提出了一种基于新型分支波导结构的E面分支波导定向耦合器，能够提升波导高度从而降低加工难度和成本且在不恶化其他指标的情况下提高更宽的工作带宽，具体实现方式为：一种基于新型分支波导结构的E面分支波导定向耦合器，包括主波导、副波导和多个分支波导结构，所述分支波导结构设置在主波导与副波导之间并与主波导和副波导一体成型，所述主波导与副波导的波导宽度相同，所述多个分支波导结构中至少一个分支波导结构的波导宽度大于主波导的波导宽度。

进一步地，所述多个分支波导结构的波导宽度均大于主波导的波导宽度。

进一步地，所述E面分支波导定向耦合器为轴对称结构。

进一步地，所述多个分支波导结构的波导宽度和波导长度均相同。

进一步地，所述分支波导结构腔体的长度小于两个标准波导高度与分支宽度之和。

进一步地，所述主波导与副波导两端均设置有波导端口，所述多个分支波导结构中，靠近波导端口的分支波导结构为第一分支波导，其余分支波导结构为第二分支波导结构，所述两个第一分支波导的波导高度均相同，所述多个第二分支波导结构的波导高度均相同。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、当工作频段处于毫米波甚至是太赫兹频段时，传统E面分支波导定向耦合器的分支波导结构波导高度太小，非常不利于加工，因此本发明提出的新型分支波导结构可以大大提升分支波导高度从而大幅度降低加工难度和成本。

2、与传统E面分支波导结构相比，本发明中的新型分支波导结构具有更平坦的传输曲线，使得具有相同分支数的新型分支波导定向耦合器比传统分支波导定向耦合器的工作带宽更宽，并且不会恶化其他指标，这为拓展E面分支波导定向耦合器的工作带宽提供了一种更好的方法。

3、随着分支波导结构波导宽度的增加，每一个分支波导结构的腔体体积会增加，而较大的墙体体积会引入很多谐振模式，如果在工作频带中引入谐振模式会影响耦合器的正常工作，本发明中的新型分支波导结构减小了分支波导腔体的长度，使得谐振模式的谐振频率推远到工作频带外，保证耦合器的正常工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要的使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为波导端口和分支波导结构的结构示意图；

图2为波导宽度和波导高度和分支波导腔体长度示意图；

图3为波导端口和分支波导结构的俯视结构示意图；

图4为传统分支波导结构的传输曲线仿真结果图；

图5为新型分支波导结构的传输曲线仿真结果图；

图6为新型耦合器和传统耦合器的幅度不平坦度对比图；

图7为新型耦合器和传统耦合器的隔离度对比图；

图8为新型耦合器和传统耦合器的回波损耗对比图；

图9为新型耦合器和传统耦合器的相位不平坦度对比图；

附图中标记及对应的零部件名称：

1-第一分支波导结构，2-第二分支波导结构，3-主波导，4-副波导，5-波导端口。

具体实施方式

在下文中参考附图对本发明的各方面进行更充分的描述。然而，本发明可以具体化为许多不同形式且不应解释为局限于贯穿本发明所呈现的任何特定结构或功能。相反地，提供这些方面将使得本发明周全且完整，并且本发明将给本领域技术人员充分地传达本发明的范围。基于本文所教导的内容，本领域的技术人员应意识到，无论是单独还是结合本发明的任何其它方面实现本文所公开的任何方面，本发明的范围旨在涵盖本文中所公开的任何方面。例如，可以使用本文所提出任意数量的装置或执行方法来实现。另可理解，其可通过权利要求的一个或多个元件具体化本文所公开的任何内容。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或模型的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或模型。

在此使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与说明书的上下文一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

实施例1:

如图1所示，一种基于新型分支波导结构的E面分支波导定向耦合器包括主波导3、副波导4和多个分支波导结构，所述分支波导结构设置主波导3与副波导4之间并均与主波导和副波导一体成型，本实施例中耦合器设置有五个分支波导结构，值得说明的是，分支波导的数量不限于五个，本发明的结构设置能增大分支波导结构的高度，增加分支波导的数量时，波导高度不会急剧缩减，影响加工。分支波导的波导高度方向、波导宽度方向和分支波导的腔体长度如图2所示，主波导内信号传递方向为分支波导高度方向，主副波导之间分支波导结构延伸的方向为主波导高度方向，垂直于分支波导高度方向和主高度方向的方向为波导宽度方向，副波导的波导高度方向和波导宽度方向与主波导相同。所述主波导3、副波导4的两端分别设置有四个标准的WR-10波导端口5，所述主波导3、副波导4均为标准波导，本领域技术人员可以理解，标准波导为高度与宽度为标准值的波导，所述分支波导的波导宽度大于主波导的波导宽度。

通过理论推导可以得知分支波导的宽度和高度是和波导特性阻抗相关的，并且当阻抗一定时波导宽度和高度是呈非线性正相关的，因此可以通过增加宽度来实现增大波导高度，随着波导高度的增加从而降低加工难度和加工成本。

如图2所示，所述E面分支波导定向耦合器为轴对称结构，因此本发明的分支波导结构的波导宽度呈对称性地增加。对称地增加传统分支波导结构的宽度，在保证不损耗其他性能的前提下，能更有效地提升分支波导高度从而大幅度降低加工难度和成本。

如图3所示，d为分支波导结构腔体的长度分支波导结构腔体的长度，t为分支宽度，d小于主副波导4波导高度和分支宽度t之和。在分支波导宽度增加时，分支波导的高度也会随之增加，会导致每个分支波导结构的腔体体积大大增加，较大的墙体体积会使分支波导引入很多谐振模式，而如果在工作频带内引入谐振模式会影响耦合器的正常工作，因此需要调整分支波导结构腔体的长度d来调整分支波导腔体的尺寸来使得谐振模式的谐振频率推远到工作频带外，由此来保证耦合器的正常工作。所述多个分支波导结构中，靠近波导端口的分支波导结构为第一分支波导，其余分支波导结构为第二分支波导结构，所述两个第一分支波导的波导高度均相同，所述多个第二分支波导结构的波导高度均相同。

本发明提出的新型分支波导结构可以应用于任意分支数的耦合器设计中，首先以图3中的W波段为例，对这种新型分支波导结构的传输特性进行说明。传统分支波导结构的传输曲线仿真结果如图4所示，新型分支波导结构的传输曲线仿真结果如图5所示，图4和图5中方形线S21代表的是1端口传输到2端口的能量；圆形线S31代表的是1端口传输到3端口的能量，其中，1端口为主波导的输入端，2端口为主波导的信号直接输出端，3端口为副波导上的隔离端。从仿真结果能看到，新型分支波导结构的S31曲线更为平坦，新型分支波导结构与传统分支波导结果的S21曲线平坦度大致相同，因此S31和S21的差值更恒定，因此这种特性使得本申请更有利于设计更宽带的分支波导定向耦合器。

图6为新型耦合器和传统耦合器的性能对比图，图中的方形线代表不同频率下新型五分支耦合器的幅度不平坦度，图中的圆形线代表不通频率下传统五分支耦合器的幅度不平坦度，在保证频率90GHz时两条线中心点重合时，新型五分支耦合器幅度不平坦度小于0.4dB的工作带宽约为77GHz-105GHZ，约占30.3%，而传统五分支波导耦合器不平坦度小于0.4dB的工作带宽约为82GHz-98GHZ，约占17,1%，这验证了本发明结构可以大幅度提升E面分支波导耦合器的工作带宽。如图7所示，新型五分支耦合器与传统五分支波导耦合器的隔离度均小于-20dB；如图8所示，新型五分支耦合器与传统五分支波导耦合器的回波损耗均小于-20dB；如图9所示，新型耦合器和传统耦合器的相位不平坦度均处在90度附近；因此可以说明新型五分支耦合器与传统五分支波导耦合器一样能满足要求，说明本发明结构在不损耗其他性能的前提下，大幅度提高耦合器的工作带宽。

下面给出仿真试验中两种耦合器的结构参数（其中a代表分支波导宽度）

参数（mm）	p	q	t	w	d	a
							新型5分支波导耦合器	0.55	0.82	0.61	1.1	2.55	4.02
传统5分支波导耦合器	0.26	0.59	0.78	1.1	无	无

根据给出的结构参数可知，在保证耦合器各项性能指标及提高耦合器工作带宽的前提下，新型五分支波导耦合器的最小分支波导高度为0.55mm，比传统五分支波导耦合器的最小分支波导高度高约为0.29mm，这可以使波导器件的加工成本和难度大大降低。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于新型分支波导结构的E面分支波导定向耦合器，包括主波导（3）、副波导（4）和多个分支波导结构，所述分支波导结构设置在主波导（3）与副波导（4）之间并与主波导和副波导一体成型，所述主波导（3）与副波导（4）的波导宽度相同，其特征在于：所述多个分支波导结构中至少一个分支波导结构的波导宽度大于主波导（3）的波导宽度。

2.根据权利要求1所述的一种基于新型分支波导结构的E面分支波导定向耦合器，其特征在于：所述多个分支波导结构的波导宽度均大于主波导（3）的波导宽度。

3.根据权利要求2所述的一种基于新型分支波导结构的E面分支波导定向耦合器，其特征在于：所述E面分支波导定向耦合器为轴对称结构。

4.根据权利要求3所述的一种基于新型分支波导结构的E面分支波导定向耦合器，其特征在于：所述多个分支波导结构的波导宽度和波导长度均相同。

5.根据权利要求4所述的一种基于新型分支波导结构的E面分支波导定向耦合器，其特征在于：所述主波导（3）与副波导（4）之间的间距为分支宽度，所述分支波导结构腔体的长度小于两个标准波导高度与分支宽度之和。

6.根据权利要求5所述的一种基于新型分支波导结构的E面分支波导定向耦合器，其特征在于：所述主波导（3）与副波导（4）两端均设置有波导端口（5），所述多个分支波导结构中，靠近波导端口（5）的分支波导结构为第一分支波导（1），其余分支波导结构为第二分支波导（2）结构，所述两个第一分支波导（1）的波导高度均相同，所述多个第二分支波导（2）结构的波导高度均相同。

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