CN117712656A - 一种毫米波波段的宽带波导交叉器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种毫米波波段的宽带波导交叉器及其工作方法，该宽带波导交叉器包括：金属波导，其包括平行布置且尺寸相同的上波导和下波导，上波导与下波导通过公共金属壁固定连接；公共金属壁中使用介质基板替换部分公共金属壁，该介质基板所在平面与金属波导平行，且与公共金属壁固定连接；介质基板上均匀分布设置有金属光栅，在金属光栅上下边沿设置有横向金属微带，用于实现金属光栅共地；金属光栅实现上下波导之间功率耦合，耦合系数较为稳定，有着较宽的工作频带，并且通过布置金属光栅消除了高阶模式，使得本结构在工作带宽中的传输特性保持平坦、稳定；此外，本交叉器的结构具有结构简单易制造组装的优点。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波波段技术领域，具体涉及一种毫米波波段的宽带波导交叉器及其工作方法。
背景技术
随着电子对抗、微波武器、雷达通信等技术的飞速发展，毫米波频段受到了越来越多的关注，逐渐成为军事国防、民用工业等领域争夺的热点。
波束赋形（Beamforming）又叫波束成型、空域滤波，通过调控天线阵单元的馈电相位和幅值，实现合成波束在某些角度获得相长干涉，而另一些角度相消干涉，从而实现合成波束的定向发送和接收。巴特勒矩阵（Butlermatrix）是无源波束赋形中应用最广泛的一种馈电网络，具有低成本和结构紧凑的优点。巴特勒矩阵主要包括：（1）3dB分支线耦合器（HybridNetwork），用以实现信号的均分；（2）交叉器（Crossover），用来实现两条传输线上的信号交叉传递；(3)移相器，用来调节输出端口的相位差。
传统的交叉器由微带线桥实现，具有体积小、可集成、成本低的优点。然而，微带线在毫米波频段上存在较大的介电损耗和辐射损耗。对于毫米波的应用，基于波导的解决方案比微带线更具吸引力。波导交叉器可以通过连接两个3-dB分支线耦合器或通过在两个交叉连接的波导中插入销钉或者介质片来实现。前者通过波导公共金属壁上布置耦合通孔实现功率耦合，具有宽带的特性，但是结构较为复杂；后者通过引入寄生电容电感形成谐振实现功率耦合，通常工作带宽狭窄。近年来，新的波导技术，如电磁带隙结构（EBG）推广并应用到分支线耦合器和交叉器。所谓电磁带隙是指在周期排布的金属结构中某些特定频段的电磁波不能传播。实践中，通过电磁带隙结构约束电磁波的传输，通过移除部分金属结构破坏周期性，可以实现耦合、移相等功能。然而，基于电磁带隙结构的波导交叉器设计和制造难度较大，需要精确控制周期金属结构的形状、位置和大小。在文献“Waveguide hybridseptum coupler,”（IEEE Trans. Microw. Theory Tech. ,vol. 69, no.6, pp.3030-3036, June 2021）中，通过级联两个对称波导极化转换器实现了一种新的波导支线。得益于该结构的设计思想是通过激励TE10/TE01混合模式来实现功率耦合，这种结构有着宽带的特性。然而，由于高阶模式的激励，该结构的带内平坦度较差。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种通过金属光栅代替波导公共金属壁之间的耦合孔，实现结构简单、易制造组装的毫米波波段的宽带波导交叉器及其工作方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种毫米波波段的宽带波导交叉器，包括：
金属波导，其包括竖直方向平行布置尺寸相同的两个金属波导，按相对位置分成上波导和下波导，所述上波导与下波导通过公共金属壁固定连接；
其特征在于，所述公共金属壁中使用介质基板替换部分公共金属壁；该介质基板所在平面与金属波导平行，且与公共金属壁固定连接；
所述介质基板上均匀分布设置有金属光栅，在所述金属光栅上下边沿设置有横向金属微带，用于实现金属光栅共地。
作为本发明的一种优选实施方式：所述介质基板的宽度与所述波导的宽边尺寸相同，长度长于所述公共金属壁的长边且在所述公共金属壁的两侧分别伸出一段凸起；交叉器外部均为金属，在外部金属靠近公共金属壁凸起的两端设置沟槽，所述介质基板的两端凸起嵌入沟槽中。
作为本发明的一种优选实施方式：所述金属波导为均匀的标准矩形波导，输入、输出口径与前级、后级连接的波导相同；
所述金属光栅为刻蚀在所述介质基板上的金属微带，且所用的金属为铜，并通过粘合剂粘贴在介质基板上。
另一方面，一种毫米波波段的宽带波导交叉器的工作方法，具体为当输入信号注入两条平行波导中任意一条波导，输入信号以TE10模式传播，当信号经过金属光栅时，部分信号通过光栅耦合至另一波导中；两波导之间的功率耦合为：
（1）；
（2）；
其中，A1、A2分别表示上波导和下波导中的信号归一化振幅，β1为上波导传播常数、β2为下波导传播常数，c 为耦合系数；
耦合能力Q为：
（3）；
上波导的功率P1和下波导的功率P2为：
（4）；
（5）；
作为本发明的一种优选实施方式：光栅的长度Ls为实现信号完全耦合的长度：
（6）；
作为本发明的一种优选实施方式：所述β1与β2相等，耦合能力Q为无限大，金属光栅将信号完整的从一个波导完全耦合到另一个波导上，完成信号的交叉传递。
作为本发明的一种优选实施方式：所述耦合系数c稳定，随频率变化的幅度小。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
1.本发明上下波导通过金属光栅连接，上下波导的传播常数相同，能够实现上下波导之间功率的完全耦合，从而实现信号交叉的效果。
2.本发明使用的金属光栅其耦合系数随频率变化较小，因此本发明有着较宽的工作频带。
3.本发明使用的金属光栅能够有效消除高阶模式，使得本结构在工作带宽中的传输特性保持平坦、稳定。
4.本发明结构波导部件分为两个对称的部分，可以直接采用数控加工制造后，将带有金属光栅的介质基板插入并固定，结构简单、便于制造和组装。
附图说明
图1为该毫米波波段的宽带波导交叉器的3D整体结构示意图；
图2为该毫米波波段的宽带波导交叉器的正面示意图；
图3为该毫米波波段的宽带波导交叉器的侧面示意图；
图4为该毫米波波段的宽带波导交叉器的金属光栅示意图；
图5为该毫米波波段的宽带波导交叉器的单周期耦合系数曲线；
图6为该毫米波波段的宽带波导交叉器的传输特性曲线；
图7为该毫米波波段的宽带波导交叉器的有/无金属光栅传输特性对比；
附图标记：1表示金属波导；2表示金属光栅；3表示介质基板；4表示公共金属壁；5表示沟槽；6表示金属。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1-4所示为一种毫米波波段的宽带波导交叉器，包括：
金属波导1，其包括平行设置且尺寸相同的上波导和下波导，所述上波导与下波导通过公共金属壁4固定连接，波导由金属包围的空气腔构成；且金属波导1为均匀的标准矩形波导，输入、输出口径与前级、后级连接的波导相同；
公共金属壁4中通过介质基板3替换部分公共金属壁4，使得该介质基板3所在平面与金属波导1平行，且所述介质基板3与公共金属壁4固定连接，介质基板3材质为Rogers5880；
介质基板3的宽度与所述波导的宽边尺寸相同，长度略长于所述公共金属壁4的长边，交叉器外部均为金属6，在介质基板3的两侧公共金属壁4上的形成沟槽5，所述介质基板3的两端嵌入沟槽5固定。
金属光栅2为刻蚀在所述介质基板3上的金属微带，并通过粘合剂粘贴在介质基板3上，金属光栅2均匀分布设置在介质基板3，在所述金属光栅2上下边沿设置有横向金属微带，用于实现金属光栅2共地，金属光栅2为铜箔；
图2为本发明的正面平面图，上下波导的长度均为30mm，高度为3.556mm；公共金属壁4长度为21.9mm，高度为1.1mm；Rogers5880介质基板3长度为22.9mm，高度为0.508mm；金属光栅2，高度0.01mm，间距0.75mm，总长度为22.9mm，附着在介质基板3上。
图3表示本发明的侧面平面图，金属波导1，金属光栅2，介质基板3宽度均为7.112mm。
图4表示金属光栅2的具体结构，上下横向金属条，以及纵向金属条（除两边最外边一条）宽度均为0.14mm，纵向金属条间距均为（除两侧最外边一条）0.75mm。两边金属条宽度为0.5mm，与相邻金属条间距（间距是指两根光栅对称中心的距离）为0.7mm。
另一方面，一种毫米波波段的宽带波导交叉器的工作方法，具体为当输入信号注入两条平行波导中任意一条波导，输入信号以TE10模式传播，当信号进入金属光栅2时，信号通过光栅耦合至另一波导中；两波导之间的功率耦合为：
（1）；
（2）；
其中，A1、A2分别表示上波导和下波导中的信号归一化振幅，β1为上波导传播常数、β2为下波导传播常数，c 为耦合系数；
耦合能力Q为：
（3）；
上波导的功率P1和下波导的功率P2为：
（4）；
（5）；
作为本发明的一种优选实施方式：光栅的长度Ls为实现信号完全耦合的长度：
（6）；
作为本发明的一种优选实施方式：所述β1与β2相等，耦合能力Q为无限大，金属光栅2可以将信号完整的从一个波导完全耦合到另一个波导上，完成信号的交叉传递。
作为本发明的一种优选实施方式：所述耦合系数c随频率变化的幅度小。
图5表示单周期内耦合系数随频率变化曲线，耦合系数在工作频带内稳定性强，变化的幅度小。
图6表示4个端口的传输曲线。从29.4GHz到39.6GHz，耦合（S31）大于-0.5dB，直通（S21）小于-10dB，回流损耗（S11）小于-20dB，隔离度（S41）小于-13dB。
图7表示有/无金属光栅2耦合特性（S31）的对比。没有金属光栅2的交叉器在28.6GHz附近有一个零耦合，因此工作频带被限制在33.2GHz到39.6GHz的范围内（对应的S31>-0.5dB）。将金属光栅2放置在被移除的公共波导壁上，在28.6GHz处的零耦合消失，工作带延伸到29.4GHz至39.6GHz。金属光栅2的存在使得交叉器的带宽从6.4GHz提升至10.2GHz，效果显著。
该毫米波波段的宽带波导交叉器使用金属光栅2替换部分公共金属壁4，该处信号的耦合系数较为稳定，有着较宽的工作频带，并且金属光栅2消除了高阶模式，使得本结构在工作带宽中的传输特性保持平坦、稳定。
由于光栅的存在，在移除部分公共金属壁4的情况下，两个波导只能支持波导基模TE10模式的传输。金属光栅2消除了高阶模式，使得本结构在工作带宽中的传输特性保持平坦、稳定。金属光栅2性能对参数变化不敏感，易于制造和组装。
该结构可以很好地适用于机械加工技术。加工时，波导部件分为两个对称的部分，采用数控加工技术由铝合金制造而成，然后插入带有金属光栅2的介质基板3，利用销钉将两个对称的波导拼合再利用螺母固定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种毫米波波段的宽带波导交叉器，包括：
金属波导，其包括竖直方向平行布置尺寸相同的两个金属波导，按相对位置分成上波导和下波导，所述上波导与下波导通过公共金属壁固定连接；
其特征在于，所述公共金属壁中使用介质基板替换部分公共金属壁；该介质基板所在平面与金属波导平行，且与公共金属壁固定连接；
所述介质基板上均匀分布设置有金属光栅，在所述金属光栅上下边沿设置有横向金属微带，用于实现金属光栅共地。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波波段的宽带波导交叉器，其特征在于，所述介质基板的宽度与所述波导的宽边尺寸相同，长度长于所述公共金属壁的长边且在所述公共金属壁的两侧分别伸出一段凸起；交叉器外部均为金属，在外部金属靠近公共金属壁凸起的两端设置沟槽，所述介质基板的两端凸起嵌入沟槽中。
3.根据权利要求1所述的一种毫米波波段的宽带波导交叉器，其特征在于，所述金属波导为均匀的标准矩形波导，输入、输出口径与前级、后级连接的波导相同；
所述金属光栅为刻蚀在所述介质基板上的金属微带，且所用的金属为铜，并通过粘合剂粘贴在介质基板上。
4.一种基于权利要求1-3中任一所述的毫米波波段的宽带波导交叉器的工作方法，其特征在于，当输入信号注入两条平行波导中任意一条波导，输入信号以TE10模式传播，当信号经过金属光栅时，部分信号通过光栅耦合至另一波导中；两波导之间的功率耦合为：
（1）；
（2）；
其中，A1、A2分别表示上波导和下波导中的信号归一化振幅，β1为上波导传播常数、β2为下波导传播常数，c 为耦合系数；
耦合能力Q为：
（3）；
上波导的功率P1和下波导的功率P2为：
（4）；
（5）。
5.根据权利要求4所述的毫米波波段的宽带波导交叉器的工作方法，其特征在于，光栅的长度Ls为实现信号完全耦合的长度：
（6）。
6.根据权利要求4所述的毫米波波段的宽带波导交叉器的工作方法，其特征在于，所述β1与β2相等，耦合能力Q为无限大，金属光栅将信号完整的从一个波导完全耦合到另一个波导上，完成信号的交叉传递。
7.根据权利要求4所述的毫米波波段的宽带波导交叉器的工作方法，其特征在于，所述耦合系数c稳定，随频率变化的幅度小。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4531809A (en) * | 1983-09-08 | 1985-07-30 | Gte Laboratories Incorporated | Optical waveguide coupling device |
| TW200718937A (en) * | 2005-11-03 | 2007-05-16 | Ind Tech Res Inst | Coupled waveguide-surface plasmon resonance biosensor |
| US20100119231A1 (en) * | 2006-12-05 | 2010-05-13 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Planar lightwave circuit (plc) device wavelength tunable light source comprising the same device and wavelength division multiplexing-passive optical network (wdm-pon) using the same light source |
| CN102540505A (zh) * | 2012-01-13 | 2012-07-04 | 中国科学院半导体研究所 | 基于对称垂直光栅耦合的soi基电光调制器 |
| CN103197386A (zh) * | 2013-04-01 | 2013-07-10 | 北京工业大学 | 一种金属键合的垂直耦合光栅耦合器及其制作方法 |
-
2024
- 2024-02-04 CN CN202410157837.0A patent/CN117712656B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4531809A (en) * | 1983-09-08 | 1985-07-30 | Gte Laboratories Incorporated | Optical waveguide coupling device |
| TW200718937A (en) * | 2005-11-03 | 2007-05-16 | Ind Tech Res Inst | Coupled waveguide-surface plasmon resonance biosensor |
| US20100119231A1 (en) * | 2006-12-05 | 2010-05-13 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Planar lightwave circuit (plc) device wavelength tunable light source comprising the same device and wavelength division multiplexing-passive optical network (wdm-pon) using the same light source |
| CN102540505A (zh) * | 2012-01-13 | 2012-07-04 | 中国科学院半导体研究所 | 基于对称垂直光栅耦合的soi基电光调制器 |
| CN103197386A (zh) * | 2013-04-01 | 2013-07-10 | 北京工业大学 | 一种金属键合的垂直耦合光栅耦合器及其制作方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| TZU-HSIANG YEN等: "Linewidth-adjustable bandpass filter based on silicon cladding-modulated waveguide moiré Bragg gratings", 《2018 CONFERENCE ON LASERS AND ELECTRO-OPTICS》, 9 August 2018 (2018-08-09) * |
| 张明;任建文;陈文;乐孜纯;: "光折变长周期波导光栅耦合器的设计和分析", 光学学报, no. 03, 10 March 2015 (2015-03-10) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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