CN116345096A

CN116345096A - 一种低幅度不平坦度的太赫兹90°波导滤波耦合器

Info

Publication number: CN116345096A
Application number: CN202310568250.4A
Authority: CN
Inventors: 张波; 刘路杰; 牛中乾; 丰益年; 罗秋艳; 王一荟; 管明; 张宇驰; 戴炳礼; 张季聪; 胡怡
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2023-05-19
Filing date: 2023-05-19
Publication date: 2023-06-27
Anticipated expiration: 2043-05-19
Also published as: CN116345096B

Abstract

本发明公开了一种低幅度不平坦度的太赫兹90°波导滤波耦合器，属于滤波耦合器技术领域，包括主波导部分、副波导部分和两个分支波导；主波导部分包括依次的第一输入波导、第一滤波器、第一感性膜片、第二滤波器和第二输入波导；副波导部分包括依次的第一输出波导、第一容性膜片、第一耦合腔、第二感性膜片、第二耦合腔、第二容性膜片和第二输出波导；第一滤波器中与第一感性膜片邻接的谐振腔通过一个分支波导与第一耦合腔连接，第二滤波器中与第一感性膜片邻接的谐振腔通过另一个分支波导与第二耦合腔连接。本发明结构简单，一体化设计，易于加工实现，在太赫兹频段实现滤波和功率分配功能的集成，具有低幅度不平坦度和低相位不平坦度。

Description

一种低幅度不平坦度的太赫兹90°波导滤波耦合器

技术领域

本发明属于滤波耦合器技术领域，具体涉及一种低幅度不平坦度的太赫兹90°波导滤波耦合器。

背景技术

滤波器具有频率选择功能，是外差接收机中的关键电路之一。对于射频系统而言，滤波器主要用于提取频谱中的有用信号，滤除其他无用或者干扰信号。随着微波频段的频谱资源日益拥挤，对滤波器性能，特别是其频率选择特性的要求也越来越高。

耦合器是一种用于功率分配的四端口无源元件，在微波系统中应用广泛。其主要用途有合成/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。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，并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。

由此，耦合器和滤波器作为通信系统中重要的无源器件，分别实现功率分配和频率选择的功能。然而，目前滤波器和耦合器采用分开设计，是两套独立的器件模块。如果能将二者进行一体化设计，将多种电路功能合并到一个器件中，可以有效减小射频前端的尺寸，避免法兰盘互连，减少模块间的连接损耗，使得一个器件实现两种功能。

现有滤波耦合器研究多聚焦于基于微带线的平面结构，但当频率扩展到太赫兹频段，随着频率升高，电路尺寸急剧减小，导致传统微带线滤波耦合器加工困难；相比于微带线，波导具有功率容量大、插入损耗低、加工精度高等优点，逐渐成为太赫兹频段器件结构的重要选择之一。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本发明提供了一种低幅度不平坦度的太赫兹90°波导滤波耦合器，解决微带线滤波耦合器无法应用于太赫兹频段的缺陷，同时显著降低工作带宽内的幅度不平坦度和相位不平坦度。

本发明所采用的技术方案如下：

一种低幅度不平坦度的太赫兹90°波导滤波耦合器，包括主波导部分、副波导部分和两个分支波导；

所述主波导部分包括依次的第一输入波导、第一滤波器、第一感性膜片、第二滤波器和第二输入波导；

所述副波导部分包括依次的第一输出波导、第一容性膜片、第一耦合腔、第二感性膜片、第二耦合腔、第二容性膜片和第二输出波导；

其中，第一滤波器和第二滤波器采用多个直接耦合的谐振腔构成，第一滤波器中与第一感性膜片邻接的谐振腔通过一个分支波导与第一耦合腔连接，第二滤波器中与第一感性膜片邻接的谐振腔通过另一个分支波导与第二耦合腔连接。

进一步地，以朝向分支波导的一面为内侧，在第一滤波器和第二滤波器中与第一感性膜片邻接的谐振腔的外侧，以及第一耦合腔和第二耦合腔的外侧，均连接有波导支节。

进一步地，所述第一输入波导、第一滤波器、第一感性膜片、第二滤波器和第二输入波导的中轴线位于同一直线上；所述第一输出波导、第一容性膜片、第一耦合腔、第二感性膜片、第二耦合腔、第二容性膜片和第二输出波导的中轴线位于同一直线上。

进一步地，所述太赫兹90°滤波耦合器为平面对称结构，以剖分波导E面的平面为对称平面，主波导部分和副波导部分均以平行于对称平面的边为窄边，以垂直于对称平面的边为宽边。

进一步地，所述第一输入波导、第二输入波导、第一输出波导、第一容性膜片、第一耦合腔、第二耦合腔、第二容性膜片和第二输出波导的宽边尺寸均为a。

进一步地，所述第一感性膜片和第二感性膜片通过减小波导宽度a实现。

进一步地，所述第一输入波导、第二输入波导、第一滤波器、第二滤波器、第一感性膜片、第一输出波导、第一耦合腔、第二感性膜片、第二耦合腔和第二输出波导的窄边尺寸均为b，第一容性膜片和第二容性膜片通过减小波导窄度（高度）b实现。

本发明的有益效果为：

本发明提出了一种低幅度不平坦度的太赫兹90°波导滤波耦合器，结构简单，一体化设计，易于加工实现，基于波导结构在太赫兹频段实现滤波和功率分配功能的集成；优选地，通过在外侧增加波导支节，进一步降低工作带宽内的幅度不平坦度和相位不平坦度。

附图说明

图1是本发明实施例1提出的低幅度不平坦度的太赫兹90°滤波耦合器的三维结构图；

图2是本发明实施例1提出的低幅度不平坦度的太赫兹90°滤波耦合器的正视图；

图3是本发明实施例1提出的低幅度不平坦度的太赫兹90°滤波耦合器的俯视图；

图4是本发明实施例1提出的低幅度不平坦度的太赫兹90°滤波耦合器的幅度曲线仿真结果；

图5是本发明实施例2提出的低幅度不平坦度的太赫兹90°滤波耦合器的正视图；

图6是本发明实施例1和实施例2提出的低幅度不平坦度的太赫兹90°滤波耦合器的幅度不平坦度仿真曲线对比；

图7是本发明实施例1和实施例2提出的低幅度不平坦度的太赫兹90°滤波耦合器的相位不平坦度仿真曲线对比；

附图中各标记的说明如下：

1：第一输入波导；2：第一滤波器；3：第一感性膜片；4：第二滤波器；5：第二输入波导；6：第一输出波导；7：第一容性膜片；8：第一耦合腔；9：第二感性膜片；10：第二耦合腔；11：第二容性膜片；12：第二输出波导；13：波导支节。

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频率范围为138~142 GHz的低幅度不平坦度的太赫兹90°滤波耦合器，结构如图1、图2和图3所示，包括主波导部分、副波导部分和两个分支波导。

所述主波导部分包括依次的第一输入波导1、第一滤波器2、第一感性膜片3、第二滤波器4和第二输入波导5，并且第一输入波导1、第一滤波器2、第一感性膜片3、第二滤波器4和第二输入波导5的中轴线位于同一直线上。

所述副波导部分包括依次的第一输出波导6、第一容性膜片7、第一耦合腔8、第二感性膜片9、第二耦合腔10、第二容性膜片11和第二输出波导12，并且第一输出波导6、第一容性膜片7、第一耦合腔8、第二感性膜片9、第二耦合腔10、第二容性膜片11和第二输出波导12的中轴线位于同一直线上。

其中，第一滤波器2和第二滤波器4采用4个直接耦合的谐振腔构成，可实现四阶切比雪夫滤波响应；第一滤波器2中与第一感性膜片3邻接的谐振腔通过一个分支波导与第一耦合腔8连接，第二滤波器4中与第一感性膜片3邻接的谐振腔通过另一个分支波导与第二耦合腔10连接，使主波导部分、副波导部分和两个分支波导一体成型。

以朝向分支波导的一面为内侧，在第一滤波器和第二滤波器中与第一感性膜片邻接的谐振腔的外侧，以及第一耦合腔和第二耦合腔的外侧，均连接有波导支节13。

本实施例提出的太赫兹90°滤波耦合器为平面对称结构，以剖分波导E面的平面为对称平面，主波导部分和副波导部分均以平行于对称平面的边为窄边，以垂直于对称平面的边为宽边。

所述第一输入波导1、第二输入波导5、第一输出波导6、第一容性膜片7、第一耦合腔8、第二耦合腔10、第二容性膜片11和第二输出波导12的宽边尺寸均为a，具体数值为1.651 mm；所述第一输入波导1、第二输入波导5、第一输出波导6和第二输出波导12的窄边尺寸均为b，具体数值为0.826 mm。即所述第一输入波导1、第二输入波导5、第一输出波导6和第二输出波导12均为WR-6标准矩形波导。

本实施例中，两个分支波导的窄度（高度）为0.1 mm，宽度为0.826 mm，长度为1.22mm；第一感性膜片3和第二感性膜片9通过减小波导宽度a实现，第一感性膜片3的宽度为0.66 mm，第二感性膜片9的宽度为0.9 mm；第一容性膜片7和第二容性膜片11通过减小波导窄度（高度）b实现，具体数值均为0.54 mm，在副波导部分引入第一容性膜片7和第二容性膜片11可以实现更大的外部耦合；波导支节13的窄度（高度）为0.1 mm，宽度为0.826 mm，长度为0.65 mm。

示例地，本实施例提出的低幅度不平坦度的太赫兹90°滤波耦合器的能量流动路径和相位关系具体为：

以第一输入波导1为输入端口，能量从第一输入波导1到达第二输入波导5，需经过两条路径：1）依次经第一滤波器2、第一感性膜片3和第二滤波器4到达第二输入波导5；2）依次经第一滤波器2、分支波导、第一耦合腔8、第二感性膜片9、第二耦合腔10、分支波导和第二滤波器4到达第二输入波导5，此时两条路径在第二输入波导5具有180°相位差，能量反向相消，因此第二输入波导5成为隔离端口；

以第一输出波导6为第一输出端口，第二输出波导12为第二输出端口，能量从第一输入波导1分别到达第一输出端口和第二输出端口时，经过具有滤波效应的谐振腔（即第一滤波器2包含的谐振腔）个数相同，能量将平均分配到第一输出端口和第二输出端口；由于能量到达第二输出端口的路径上多经过第二感性膜片9，使得第一输出端口和第二输出端口之间将形成90°相位差。

本实施例提出的低幅度不平坦度的太赫兹90°滤波耦合器的幅度曲线仿真结果如图4所示。其中，S11代表从输入端口反射回自身端口的能量，S21代表输入端口传输到隔离端口的能量，S31代表输入端口传输到第一输出端口的能量，S41代表输入端口传输到第二输出端口的能量，S43代表第一输出端口传输到第二输出端口的能量。由图4可以看出，本实施例提出的低幅度不平坦度的太赫兹90°滤波耦合器的3 dB带宽为138~142 GHz，在此工作频段内，|S11|低于-20 dB，实现了滤波响应；|S21|、|S43|均低于-20 dB，说明输入端口与隔离端口隔离良好；|S31|和|S41|达到-3 dB，说明输入端口的输入功率均匀分配到第一输出端口和第二输出端口。

实施例2

本实施例提供了一种工作频率范围为138~142 GHz的低幅度不平坦度的太赫兹90°滤波耦合器，结构如图5所示，与实施例1相比，区别仅在于：在第一滤波器和第二滤波器中与第一感性膜片邻接的谐振腔的外侧，以及第一耦合腔和第二耦合腔的外侧，均未连接波导支节13；其他结构相同。

实施例1与实施例2提出的低幅度不平坦度的太赫兹90°滤波耦合器的幅度不平坦度仿真曲线对比如图6所示，相位不平坦度仿真曲线对比如图7所示，可见实施例2中|S31|和|S41|的幅度不平坦度小于-0.45 dB，第一输出端口和第二输出端口在138~142 GHz的工作频带内实现了90°的相移，第一输出端口和第二输出端口的输出相位差误差接近2°；实施例1在外侧增加波导支节后，S31|和|S41|的幅度不平坦度进一步降低至0.148 dB，第一输出端口和第二输出端口在138~142 GHz的工作频带内实现了90°的相移，且第一输出端口和第二输出端口的输出相位差误差进一步降低至0.4°，具有优异的幅度不平坦度和相位不平坦度性能。

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

1.一种低幅度不平坦度的太赫兹90°波导滤波耦合器，其特征在于，包括主波导部分、副波导部分和两个分支波导；

2.根据权利要求1所述低幅度不平坦度的太赫兹90°波导滤波耦合器，其特征在于，以朝向分支波导的一面为内侧，在第一滤波器和第二滤波器中与第一感性膜片邻接的谐振腔的外侧，以及第一耦合腔和第二耦合腔的外侧，均连接有波导支节。

3.根据权利要求1或2所述低幅度不平坦度的太赫兹90°波导滤波耦合器，其特征在于，所述第一输入波导、第一滤波器、第一感性膜片、第二滤波器和第二输入波导的中轴线位于同一直线上；所述第一输出波导、第一容性膜片、第一耦合腔、第二感性膜片、第二耦合腔、第二容性膜片和第二输出波导的中轴线位于同一直线上。

4.根据权利要求1或2所述低幅度不平坦度的太赫兹90°波导滤波耦合器，其特征在于，所述太赫兹90°滤波耦合器为平面对称结构，以剖分波导E面的平面为对称平面。

5.根据权利要求4所述低幅度不平坦度的太赫兹90°波导滤波耦合器，其特征在于，所述第一输入波导、第二输入波导、第一输出波导、第一容性膜片、第一耦合腔、第二耦合腔、第二容性膜片和第二输出波导的宽边尺寸均为a，第一感性膜片和第二感性膜片通过减小波导宽度a实现。

6.根据权利要求4所述低幅度不平坦度的太赫兹90°波导滤波耦合器，其特征在于，所述第一输入波导、第二输入波导、第一滤波器、第二滤波器、第一感性膜片、第一输出波导、第一耦合腔、第二感性膜片、第二耦合腔和第二输出波导的窄边尺寸均为b，第一容性膜片和第二容性膜片通过减小波导窄度b实现。