CN114914655A - 一种易加工太赫兹e面分支波导定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种易加工太赫兹E面分支波导定向耦合器，包括相互平行设置的主波导和副波导，以及设置在主波导和副波导的耦合面之间的多个波导分支，且多个波导分支相互平行设置，多个所述波导分支的宽度小于主波导和副波导的宽度。本发明的分支波导定向耦合器通过减小分支波导的宽度，使分支波导定向耦合器在满足指标要求的同时增大宽深比，从而降低加工难度和成本。

Description

一种易加工太赫兹E面分支波导定向耦合器

技术领域

本发明属于毫米波太赫兹雷达或通信技术领域，具体涉及一种易加工太赫兹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，其中传统五分支波导结构如图1所示。

然而，在传统分支波导定向耦合器中，每个波导分支的波导宽度与主副波导一致，且波导高度非常小，因此宽深比非常小，这非常不利于加工。

发明内容

为了降低太赫兹频段下分支波导定向耦合器的加工难度和成本，本发明提供了一种易加工太赫兹E面分支波导定向耦合器。本发明的分支波导定向耦合器通过减小分支波导的宽度，使分支波导定向耦合器在满足指标要求的同时增大宽深比，从而降低加工难度和成本。

本发明通过下述技术方案实现：

一种易加工太赫兹E面分支波导定向耦合器，包括相互平行设置的主波导和副波导，以及设置在主波导和副波导的耦合面之间的多个波导分支，且多个波导分支相互平行设置，多个所述波导分支的宽度小于主波导和副波导的宽度。

在传统分支波导定向耦合器中，每个波导分支的波导宽度都是与主副波导相同的，由于加工难度与成本是与宽深比呈反比，因此在本发明中，通过采用一种经过减宽处理的分支波导结构，对传统的分支波导定向耦合器进行改进，通过缩短波导分支的宽度，提高宽深比，降低了加工难度和成本。

作为优选实施方式，本发明的分支波导定向耦合器为中心对称结构。

作为优选实施方式，本发明的多个所述波导分支的结构参数相同。

作为优选实施方式，本发明的波导分支的宽深比为2*d/h。

作为优选实施方式，本发明的主波导和副波导均采用标准矩形波导。

作为优选实施方式，本发明的主波导和副波导的宽度为2.032mm。

作为优选实施方式，本发明的波导分支的宽度为1.63mm。

作为优选实施方式，本发明的波导分支的高度为0.32mm。

作为优选实施方式，本发明的定向耦合器包括五个波导分支。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的耦合器采用一种经过减宽的波导分支结构，通过缩短波导宽度，降低了加工难度和加工成本。

本发明提供的耦合器采用中心对称结构，且每个波导分支的结构参数一致，有利于降低设计难度和复杂度并有利于降低加工误差。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为传统的五分支波导定向耦合器结构示意图。

图2为本发明实施例的五分支波导定向耦合器结构示意图。

图3为传统的五分支波导定向耦合器结构参数示意图。

图4为本发明实施例的五分支波导定向耦合器结构参数三维示意图。

图5为本发明实施例的五分支波导定向耦合器结构参数侧视图。

图6为本发明实施例的五分支波导定向耦合器和传统五分支波导定向耦合器S11和S23的仿真结果对比图。

图7为本发明实施例的五分支波导定向耦合器和传统五分支波导定向耦合器S31和S21的仿真结果对比图。

图8为本发明实施例的五分支波导定向耦合器和传统五分支波导定向耦合器的幅度不平衡仿真结果对比图。

图9为本发明实施例的五分支波导定向耦合器和传统五分支波导定向耦合器的相位不平衡仿真结果对比图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-主波导，2-副波导，3-波导分支。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供了一种易加工太赫兹E面分支波导定向耦合器。在传统分支波导定向耦合器中，每个波导分支的波导宽度与主副波导一致，且波导高度非常小，因此宽深比非常小，由于加工难度与成本是与宽深比呈反比，因而本实施例的耦合器对传统的分支波导定向耦合器进行改进，采用一种经过减宽处理的分支波导结构，通过减小分支波导的宽度，增大宽深比，从而降低加工难度和成本。其中，宽深比是指波导分支加工阶段铣刀对应的宽度和深度，其中，铣刀对应的宽度为与铣刀垂直的波导面的长度或宽度，深度为波导的宽度。

本实施例的分支波导定向耦合器是中心对称结构。

本实施例以五分支波导定向耦合器为例对本实施例的分支波导减宽结构进行详细阐述。

具体如图2所示，本实施例的E面分支波导定向耦合器包括相互平行设置的主波导1和副波导2，以及设置在主波导1和副波导2的耦合面之间的五个波导分支3，且五个波导分支3相互平行设置。

本实施例的波导分支3的波导宽度小于主波导1和副波导2的宽度，通过缩短波导宽度，降低加工难度和成本。

本实施例的主波导1和副波导2的结构参数相同，均采用标准矩形波导，五个波导分支3的结构参数相同。

另外，由于本实施例的耦合器为中心对称结构，且每个波导分支3的高度一致，这有利于降低设计难度和复杂度并有利于降低加工误差。

需要说明的是，图2所示的五分支波导定向耦合器仅仅是一种实施方案，本实施例提出的分支波导减宽结构不仅适用于五分支波导定向耦合器，同样适用于其他分支波导数量的定向耦合器，例如，三分支波导定向耦合器、四分支波导定向耦合器等。

实施例2

本实施例以五分支波导定向耦合器为例，采用WR-8标准矩形波导(a×b＝2.032mm*1.016mm)，中心频率采用125GHz，通过对比传统和本发明实施例的五分支波导定向耦合器的性能和分支波导宽度来说明上述实施例的耦合器的易加工特性。

首先，给出传统和本发明实施例的五分支波导定向耦合器的结构参数示意图，如图3-5所示。其中，a表示主(副)波导的波导宽度，b表示主(副)波导的波导高度，c表示中间波导分支的波导高度，d表示首尾波导分支的波导高度，h表示波导分支的宽度，t表示波导分支的长度，w表示相邻波导分支中心的间距。

本实施例中，传统和本发明实施例的五分支波导定向耦合器的结构参数如表1所示。

表1(k为主副波导与波导分支的波导宽度比值)

本发明实施例中分支波导定向耦合器中波导分支的结构参数相同，即c＝d。

然后，分别对两种耦合器进行了仿真测试，得到图6-7所示的两种耦合器的S参数(包括S11、S23、S31和S21)仿真结果对比图，图8所示的两种耦合器的幅度不平坦度仿真结果对比图，图9所示的两种耦合器的相位不平坦度仿真结果对比图。

在工程应用中，通常要求S11低于-20dB，同时要求两个输出端口的隔离度优于20dB，从仿真结果中可以看到两种分支波导定向耦合器的S11和S23都满足要求。

另外，从S21和S31仿真结果可以看到两种耦合器的耦合度为3dB，同时幅度不平坦度在115-135GHz范围内小于1dB，相位不平衡度在90度附近，因此两种耦合器都符合工程指标要求。

即本发明实施例提出的耦合器满足性能要求，同时，从结构参数可以看出，本发明实施例的耦合器中，由于波导分支宽度更小，因此相较于传统波导分支耦合器具有更大的宽深比，由于太赫兹固态器件通常需要采用金属腔体在波导E面对称面进行切割并分别对上下腔体进行数控削铣，因此在计算宽深比时深度为h/2，从表中可以看到本发明五分支波导定向耦合器的最窄波导分支的宽深比为0.393，相较于传统五分支波导定向耦合器增大了47％，这对于太赫兹器件的加工是非常有利的，因此这说明采用本发明实施例提出的波导耦合器性能指标满足工程要求，且同时具有易加工的特性。

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 (9)

1.一种易加工太赫兹E面分支波导定向耦合器，包括相互平行设置的主波导和副波导，以及设置在主波导和副波导的耦合面之间的多个波导分支，且多个波导分支相互平行设置，其特征在于，多个所述波导分支的宽度小于主波导和副波导的宽度。

2.根据权利要求1所述的一种易加工太赫兹E面分支波导定向耦合器，其特征在于，所述分支波导定向耦合器为中心对称结构。

3.根据权利要求1所述的一种易加工太赫兹E面分支波导定向耦合器，其特征在于，多个所述波导分支的结构参数相同。

4.根据权利要求1所述的一种易加工太赫兹E面分支波导定向耦合器，其特征在于，所述波导分支的宽深比为2*d/h。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种易加工太赫兹E面分支波导定向耦合器，其特征在于，所述主波导和副波导均采用标准矩形波导。

6.根据权利要求1-4任一项所述的一种易加工太赫兹E面分支波导定向耦合器，其特征在于，所述主波导和副波导的宽度为2.032mm。

7.根据权利要求1-4任一项所述的一种易加工太赫兹E面分支波导定向耦合器，其特征在于，所述波导分支的宽度为1.63mm。

8.根据权利要求1-4任一项所述的一种易加工太赫兹E面分支波导定向耦合器，其特征在于，所述波导分支的高度为0.32mm。

9.根据权利要求1-4任一项所述的一种易加工太赫兹E面分支波导定向耦合器，其特征在于，包括五个波导分支。

Images