CN115566391A - 一种紧凑的十字形共面魔t结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种紧凑的十字形共面魔T结构，属于太赫兹器件技术领域，具有平面对称结构，包括上盖板和下腔体，下腔体包括依次构成十字形连通结构的E面输入波导、第一E面输出波导、H面隔离波导和第二E面输出波导；十字形连通结构中心设置波导匹配耦合结构，包括第一梯形波导膜片、第二梯形波导膜片、波导台阶和长方体匹配耦合结构；还在十字形连通结构的顶部设置钉床结构，构成对应间隙波导。本发明中E面输入/输出波导无需多级波导减高，波导匹配耦合结构也无需探入H面隔离波导内部，即可实现宽带匹配和隔离端口信号耦合，增加了结构紧凑性和强度，具有结构简单紧凑、强度高、易集成、低损耗、高隔离和宽带工作的优点。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹器件技术领域，具体涉及一种紧凑的十字形共面魔T结构。
背景技术
传统的魔T有四个不同方向的端口，且不在同一平面内，这使得其结构复杂。为获得宽带的性能，输入输出波导通常需要多级减高，波导路径增长，使整体结构较为庞大。由于系统紧凑性的要求，魔T的共面结构以及缩短波导匹配枝节更利于系统小型化。
目前的共面魔T结构大多基于微带探针实现，这类结构虽然能获得较宽的工作带宽，但需要进行额外的微带电路装配，人工装配在太赫兹频段的误差较大，易产生频率偏移、性能恶化等问题。基于基片集成波导的共面魔T采用低温共烧陶瓷技术制造，器件重量轻、成本低，然而其具有较高的介电损耗，不适用于太赫兹频段。并且，微带线及基片集成波导的效率和功率处理能力较差，无法用于大功率的场合。还有一类是利用脊波导探针耦合实现的波导魔T，脊结构一般位于隔离波导的下底面，并深入E面输入/输出波导相交的腔体内部，以实现不平衡信号的耦合，这种基于脊探针结构的波导魔T不用进行额外的电路装配，但匹配电路复杂，增加了设计难度，且探针结构精细，在太赫兹频段会面临加工制造难题。
发明内容
本发明目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种紧凑的十字形共面魔T结构，E面输入/输出波导无需进行多级波导减高，即可实现宽带匹配；波导匹配耦合结构也无需探入H面隔离波导内部，即可实现隔离端口信号耦合，增加了结构紧凑性和强度，具有结构简单紧凑、强度高、易集成、低损耗、高隔离和宽带工作的优点。
本发明所采用的技术方案如下：
一种紧凑的十字形共面魔T结构，其特征在于，包括上盖板和下腔体，所述下腔体包括：
按时针方向依次设置的E面输入波导、第一E面输出波导、H面隔离波导和第二E面输出波导，共同构成十字形连通结构，且E面输入波导与H面隔离波导正交；
位于十字形连通结构中心的波导匹配耦合结构，包括位于第一E面输出波导内部与E面输入波导连接处的第一梯形波导膜片，位于第二E面输出波导内部与E面输入波导连接处的第二梯形波导膜片，位于十字形连通结构中心底部的波导台阶，以及波导台阶上方与H面隔离波导的波导壁邻接的长方体匹配耦合结构；
以及分别位于E面输入波导、第一E面输出波导、H面隔离波导和第二E面输出波导的两侧顶部的钉床结构，构成对应的间隙波导；
所述十字形共面魔T结构关于E面输入波导平行于宽边面的中心剖分面对称。
进一步地，每一侧的钉床结构有两排方钉，内排方钉与对应的波导壁对齐。
进一步地，所述钉床结构的高度为四分之一波长；E面输入波导、第一E面输出波导和第二E面输出波导的方钉边长为H面隔离波导的方钉边长的1.25～1.75倍。
进一步地，所述E面输入波导、第一E面输出波导和第二E面输出波导的宽边面被对应的钉床结构部分替换，H面隔离波导的窄边面被对应的钉床结构部分替换，所形成的截面边长比均为2:1。
进一步地，所述第一梯形波导膜片和第二梯形波导膜片的截面为直角梯形，直角梯形的下底边与对应的第一E面输出波导或第二E面输出波导的波导壁邻接，直角边与E面输入波导的对应波导壁对齐。
进一步地，所述第一梯形波导膜片和第二梯形波导膜片的下底边长为上底边长的2倍，高为第一E面输出波导和第二E面输出波导的窄边长的1/4～1/2。
进一步地，所述波导台阶的长宽均小于等于E面输入波导、第一E面输出波导和第二E面输出波导的窄边尺寸，高度为八分之一波长。
进一步地，所述H面隔离波导在靠近十字形连通结构一端做一级波导减高处理，减高后的波导高度与钉床结构的高度相同。
进一步地，所述长方体匹配耦合结构的上表面位于H面隔离波导减高后的上下宽边面之间高度的1/4～1/2。
本发明所述紧凑的十字形共面魔T结构的工作原理为：
当电磁波从E面输入波导输入时，经过十字形连通结构中心，将信号等幅度反相位地分成两路信号，分别从第一E面输出波导和第二E面输出波导输出，由于E面输入波导与H面隔离波导正交，由E面输入波导输入的电磁波会在H面隔离波导截至，H面隔离波导几乎无能量输出；
当电磁波从H面隔离波导输入时，由于波导匹配耦合结构的存在，经过十字形连通结构中心，信号会被波导匹配耦合结构耦合，并被等幅度同相位地分成两路信号，分别从第一E面输出波导和第二E面输出波导输出，由于E面输入波导与H面隔离波导正交，由H面隔离波导输入的电磁波会在E面输入波导截至，E面输入波导几乎无能量输出，因此，E面输入波导与H面隔离波导之间具有极高的隔离度；
当电磁波从第一E面输出波导(第二E面输出波导)输入时，由于波导匹配耦合结构的存在，一半的信号从E面输入波导输出，另一半的信号被波导匹配耦合结构耦合至H面隔离波导输出，因此，相对的第二E面输出波导(第一E面输出波导)中几乎无任何信号输出，从而达到提高支路信号隔离度的效果；
H面隔离波导的波导减高可以降低特性阻抗，更容易获得宽带匹配，从而拓展带宽；构成间隙波导的钉床结构可等效于电磁带隙结构，在上盖板和下腔体不接触的情况下引导电磁波传输，从而抑制电磁波从缝隙向四周扩散泄露，以降低传输损耗。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出了一种紧凑的十字形共面魔T结构，通过在十字形连通结构中心设置波导匹配耦合结构，实现功率分配阻抗匹配，同时波导匹配耦合结构无需探入H面隔离波导内部，即可实现H面隔离波导对支路不平衡信号的高效耦合，在提高端口隔离度的同时，简单的结构增加了结构强度；
2、本发明仅在H面隔离波导进行一级波导减高处理，以提高阻抗匹配的带宽，其他三个端口波导无需多级减高，极大缩小结构尺寸，符合系统紧凑性要求，便于直接与外部电路装配；
3、本发明还通过设置钉床结构，抑制电磁泄露，降低太赫兹波损耗，具有结构简单紧凑、强度高、易集成、低损耗、高隔离和宽带工作的优点。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的紧凑的十字形共面魔T结构的三维图；
图2为本发明实施例1提供的紧凑的十字形共面魔T结构的十字形连通结构中心的结构放大图；
图3为本发明实施例1提供的紧凑的十字形共面魔T结构的俯视图；
图4为本发明实施例1提供的紧凑的十字形共面魔T结构的前视图；
图5为本发明实施例1提供的紧凑的十字形共面魔T结构的后视图；
图6为本发明实施例1提供的紧凑的十字形共面魔T结构应用于WR-4.3波导频段的S参数仿真结果图；
附图中各标记的说明如下：
1：上盖板；2：下腔体；21：E面输入波导；22：第一E面输出波导；23：第二E面输出波导；24：H面隔离波导；25：波导匹配耦合结构；251：第二梯形波导膜片；252：第一梯形波导膜片；253：波导台阶；254：长方体匹配耦合结构；261：E面间隙波导方钉；262：H面间隙波导方钉。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图与实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供了一种工作在170～260GHz频段的紧凑的十字形共面魔T结构，结构如图1～5所示，包括上盖板1和下腔体2。
所述上盖板1为金属表面，不含任何结构。
所述下腔体2包括：
按逆时针方向依次设置的E面输入波导21、第一E面输出波导22、H面隔离波导24和第二E面输出波导23，共同构成十字形连通结构，且E面输入波导21与H面隔离波导24正交；
位于十字形连通结构中心的波导匹配耦合结构25，包括位于第一E面输出波导22内部与E面输入波导21连接处的第一梯形波导膜片252，位于第二E面输出波导23内部与E面输入波导21连接处的第二梯形波导膜片251，位于十字形连通结构中心底部的波导台阶253，以及波导台阶253上方与H面隔离波导24的波导壁邻接的长方体匹配耦合结构254；
以及分别位于E面输入波导21、第一E面输出波导22、H面隔离波导24和第二E面输出波导23的两侧顶部的钉床结构，构成对应的间隙波导；
所述十字形共面魔T结构关于E面输入波导21平行于宽边面的中心剖分面对称。
进一步地，每一侧的钉床结构有两排方钉，内排方钉与对应的波导壁对齐；所述钉床结构的高度为0.32mm；E面输入波导21、第一E面输出波导22和第二E面输出波导23对应E面间隙波导方钉261，方钉边长为0.32mm，间距为0.2mm；H面隔离波导24对应H面间隙波导方钉262，方钉边长为0.2mm，间距为0.2mm。
进一步地，所述E面输入波导21、第一E面输出波导22和第二E面输出波导23的宽边面被E面间隙波导方钉261部分替换，H面隔离波导24的窄边面被H面间隙波导方钉262部分替换，均形成尺寸为1.092mm×0.546mm的WR-4.3波导。
进一步地，所述H面隔离波导24在靠近十字形连通结构一端做一级波导减高处理，波导减高长度为0.31mm，减高后的波导高度与钉床结构的高度相同，为0.32mm。
进一步地，所述第一梯形波导膜片252和第二梯形波导膜片251的截面为直角梯形，直角梯形的下底边与对应的第一E面输出波导22或第二E面输出波导23的波导壁邻接，直角边与E面输入波导21的对应波导壁对齐；下底边长为0.3mm，上底边长为0.15mm，高度为0.21mm。
进一步地，所述波导台阶253的长度为0.5mm，宽度为0.45mm，高度为0.175mm。
进一步地，所述长方体匹配耦合结构254的上表面位于H面隔离波导24减高后的上下宽边面之间，长度为0.3mm，宽度为0.16mm，高度为0.755mm。
进一步地，为便于加工，下腔体2的所有内角均倒圆角0.1mm。
需要说明的是，本实施例中所有长度方向为沿信号传输方向。此外，图3中标记的波导匹配耦合结构25的长宽方向(包含H面隔离波导24的波导减高长度)尺寸分别小于0.62倍波长(λ0)和0.85倍波长(λ0)，表明其结构非常紧凑。
本实施例采用三维电磁仿真软件对紧凑的十字形共面魔T结构的尺寸进行精确设计。为便于验证本实施例提出的十字形共面魔T结构性能，将其应用于WR-4.3波导对应的170～260GHz频段进行仿真，为准确模拟实际装配中上盖板与下腔体连接不紧密的情况，二者之间预留了0.01mm的缝隙，其仿真结果如图6所示，在180～250GHz，输入回波损耗超过18dB，输入与隔离端口的隔离度超过45dB，输出端口的回波损耗大于20dB，隔离度超过18dB，整体损耗小于0.3dB，相对带宽超过32％，实现了太赫兹电磁波宽带、高隔离、低损耗功率分配。
综上所述，本实施例提出的紧凑的十字形共面魔T结构，四个端口位于同一平面，构成十字结构，相对端口互相隔离，具有结构简单紧凑、强度高、易集成、低损耗、高隔离和宽带工作的优点。
上述实施例仅说明本发明的原理及优点，而非用于限制本发明，仅为帮助理解本发明原理，本发明保护范围亦不限于上述的配置和实施例，本领域技术人员可以根据公开技术做出不脱离本发明实质的其他各种具体变形与组合，但仍在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种紧凑的十字形共面魔T结构，其特征在于，包括上盖板和下腔体，所述下腔体包括：
按时针方向依次设置的E面输入波导、第一E面输出波导、H面隔离波导和第二E面输出波导，共同构成十字形连通结构，且E面输入波导与H面隔离波导正交；
位于十字形连通结构中心的波导匹配耦合结构，包括位于第一E面输出波导内部与E面输入波导连接处的第一梯形波导膜片，位于第二E面输出波导内部与E面输入波导连接处的第二梯形波导膜片，位于十字形连通结构中心底部的波导台阶，以及波导台阶上方与H面隔离波导的波导壁邻接的长方体匹配耦合结构；
以及分别位于E面输入波导、第一E面输出波导、H面隔离波导和第二E面输出波导的两侧顶部的钉床结构，构成对应的间隙波导；
所述十字形共面魔T结构关于E面输入波导平行于宽边面的中心剖分面对称。
2.根据权利要求1所述紧凑的十字形共面魔T结构，其特征在于，每一侧的钉床结构有两排方钉，内排方钉与对应的波导壁对齐。
3.根据权利要求2所述紧凑的十字形共面魔T结构，其特征在于，所述钉床结构的高度为四分之一波长；E面输入波导、第一E面输出波导和第二E面输出波导的方钉边长为H面隔离波导的方钉边长的1.25～1.75倍。
4.根据权利要求1所述紧凑的十字形共面魔T结构，其特征在于，所述E面输入波导、第一E面输出波导和第二E面输出波导的宽边面被对应的钉床结构部分替换，H面隔离波导的窄边面被对应的钉床结构部分替换，所形成的截面边长比均为2:1。
5.根据权利要求1所述无紧凑的十字形共面魔T结构，其特征在于，所述第一梯形波导膜片和第二梯形波导膜片的截面为直角梯形，直角梯形的下底边与对应的第一E面输出波导或第二E面输出波导的波导壁邻接，直角边与E面输入波导的对应波导壁对齐。
6.根据权利要求1所述紧凑的十字形共面魔T结构，其特征在于，所述第一梯形波导膜片和第二梯形波导膜片的下底边长为上底边长的2倍，高为第一E面输出波导和第二E面输出波导的窄边长的1/4～1/2。
7.根据权利要求1所述紧凑的十字形共面魔T结构，其特征在于，所述波导台阶的长宽均小于等于E面输入波导、第一E面输出波导和第二E面输出波导的窄边尺寸，高度为八分之一波长。
8.根据权利要求1所述紧凑的十字形共面魔T结构，其特征在于，所述H面隔离波导在靠近十字形连通结构一端做一级波导减高处理，减高后的波导高度与钉床结构的高度相同。
9.根据权利要求8所述紧凑的十字形共面魔T结构，其特征在于，所述长方体匹配耦合结构的上表面位于H面隔离波导减高后的上下宽边面之间高度的1/4～1/2。
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