CN208062483U - 一种高耦合效率的泵浦合束器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于泵浦合束器技术领域，公开了一种高耦合效率的泵浦合束器，设置有泵浦光纤，泵浦光纤通过固定架固定，泵浦光纤末端剥削成裸光纤，裸光纤聚集在输入连接器内；聚集在一起的裸光纤通过折射率匹配胶与石英玻璃结合，输入连接器与泵浦合束器螺钉连接；泵浦合束器通过传递光纤连接光纤隔离器，光纤隔离器末端螺钉连接输出连接器，输出连接器内部固定有输出光纤。本实用新型设计思路清晰，外界泵浦光纤数量可变，通过泵浦合束器将光纤合并，由光纤放大器进行放大，光纤合束器提高传输效率，耦合率高，连接器采用螺钉连接，拆卸组装方便。

Description

一种高耦合效率的泵浦合束器

技术领域

本实用新型属于泵浦合束器技术领域，尤其涉及一种高耦合效率的泵浦合束器。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：

泵浦合束器的内部结构一般为全光纤结构,光纤之间一般采用直接溶接的方式结合,端面直接溶融耦合与侧面溶接亲合所形成的这类结构就可称作泵浦合束器。泵浦合束器的集成度较高,稳定性较好可承受功率和亲合效率也比较高。随着光纤激光器的全光纤化发展,泵浦合束器已作为泵浦耦合的最主要手段应用于各类光纤激光器中。目前的泵浦合束器外接光纤的数量固定，适用范围有限，耦合率较低，效率损耗较高，光纤容易折断，且光纤在泵浦合束器内部连接不够牢固。使得输出效率较低，拆卸不易，安装维修比较麻烦。

随着无线通信的日益发展，各种现代通信系统快速发展。为了适应现代通信系统的要求，小尺寸、宽带、多通带无源器件成为研究的重点。在射频系统中，泵浦合束器可作为功分器、混频器、功率合成器以及移相器，广泛地被嵌入到电子系统之中，成为许多微波电路的重要组成部分。

根据研究报道，从结构上来看泵浦合束器种类繁多，差异很大，包括：同轴线型、波导型、微带线型和带状线型。从耦合机理来看主要分为四种，即小孔耦合、平行耦合、分支线耦合、匹配双T。在射频系统中，分支线泵浦合束器由于其能在保证泵浦合束器性能的基础上使微波电路实现小型化而受到重视。

目前，国内外对泵浦合束器进行了一系列研究工作，并取得了一些成果。但是，报道出来的泵浦合束器普遍面临着以下一些缺陷：

(1)泵浦合束器很多采用腔体结构实现，体积大重量重，不便于系统小型化与集成。

(2)一部分泵浦合束器采用多层结构，此类泵浦合束器一般具有宽带宽、高隔离度的特点，但多层技术使加工制作变得异常复杂。

(3)部分泵浦合束器采用平面分支线结构，此种实现方式的泵浦合束器相比于传统的腔体结构泵浦合束器，体积和重量上有一定改善，但尺寸仍然较大，性能仍无法达到最优。

针对传统泵浦合束器尺寸偏大的问题，目前已有一些文献提出在分支线输入端和输出端之间的微带线之间加载集总元件。通过加载集总电容元件，可以增加微带线的阻抗，为了使输入输出的阻抗达到匹配，在一定程度上要缩短微带线的长度，从而达到减小尺寸的目的。这种方法的缺点是引入集总元件的同时会使谐振频率发生偏移，工作带宽减小，降低泵浦合束器的性能。现有技术所提出的结构，分支线泵浦合束器小型化的实现是通过加载SIR枝节，这在一定程度上减小了尺寸，但没有达到很好的效果，而且SIR结构的使用造成调节的不灵活性，不能任意调整阻抗的大小实现双通带的不同频率比。

无论是工业应用还是集成化的需要，尤其是移动终端和通信系统的需求，都急需一种设计简单、插损小、隔离度好、平面结构的泵浦合束器。

综上所述，现有技术存在的问题是：

目前的泵浦合束器外接光纤的数量固定，适用范围有限，耦合率较低，效率损耗较高，使得输出效率较低，拆卸不易，安装维修比较麻烦。光纤容易折断，且光纤在泵浦合束器内部连接不够牢固。

改变主线和副线的传统微带线结构，在实现小型化的同时，现有技术不能解决现有小型化技术中引入集总元件或使用SIR结构造成谐振频率发生偏移或调节不灵活等问题，不能同时可以任意调整阻抗的大小实现双通带的不同频率比。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种高耦合效率的泵浦合束器。

本实用新型是这样实现的，一种高耦合效率的泵浦合束器，包括：泵浦光纤、裸光纤、输入连接器、泵浦合束器、传递光纤、光纤放大器、光纤隔离器、输出连接器、输出光纤。

所述泵浦光纤末端剥削成裸光纤，所述裸光纤聚集在输入连接器内，所述输入连接器与泵浦合束器螺钉连接；

所述泵浦合束器通过传递光纤连接光纤隔离器，所述光纤隔离器末端螺钉连接输出连接器，所述输出连接器内部固定有输出光纤。

泵浦合束器包括左右对称的主线和副线，主线和副线均由加载开路枝节的微带线构成；主线和副线与第一分支线、第二分支线和第三分支线连接，第二分支线由两条对称的微带线并联而成，连接在主线和副线长度的二分之一处；

还包括：金属地板、介质基板，金属地板设置在介质基板的底面。

进一步，主线两端分别设有输入端和第一隔离端口，副线两端分别设有第二隔离端口和耦合端；

第一分支线和第三分支线分别连在主线和副线的两端部，第一分支线靠近输入端和第二隔离端口，第三分支线靠近第一隔离端口和耦合端；

主线、副线、第一分支线、第二分支线、第三分支线、输入端、第一隔离端口、耦合端、第二隔离端口均印制在介质基板上；

主线和副线是由两节四分之一波长的传输线级联而成，每节四分之一波长传输线由两节传输微带线依次加载三个开路枝节的等效结构构成，级联过程中共用中间的开路枝节，形成主线和副线都是由四节微带线加载五个开路枝节的等效结构构成。

进一步，所述传递光纤上安装有光纤放大器。

进一步，所述输入连接器、输出连接器均用螺钉连接，可拆卸。

进一步，所述泵浦光纤数量可多可少，末端裸光纤均熔接聚集在输入连接器内。

本实用新型的优点及积极效果为：

该实用新型设计思路清晰，外界泵浦光纤数量可变，通过泵浦合束器将光纤合并，由光纤放大器进行放大，光纤合束器提高传输效率，耦合率高，连接器采用螺钉连接，拆卸组装方便。

本实用新型泵浦合束器采用微带结构，设计紧凑，加工简单，成本低廉，易于集成。

采用主线和副线的加载开路枝节的等效结构，便于实现小型化。

采用级联两个四分之一波长分支泵浦合束器的结构，可增大带宽。

具有很好的隔离度，隔离都大于20dB，优于已报道的大部分泵浦合束器的隔离度。

能根据实际需求进行自适应改进，对于双通带而言，通过改变中间分支线的阻抗来调节两个通带的中心频率比；通过将分支线的电长度调整为单通带耦合分支线电长度的两倍，可以实现耦合工作于双通带环境下，从而满足不同的应用需求，设计简单灵活。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的高耦合效率的泵浦合束器结构示意图。

图2是本实用新型实施例提供的高耦合效率的泵浦合束器固定架结构示意图。

图3是本实用新型实施例提供的高耦合效率的泵浦合束器光纤连接结构示意图。

图中：1、泵浦光纤；2、裸光纤；3、输入连接器；4、泵浦合束器；5、传递光纤；6、光纤放大器；7、光纤隔离器；8、输出连接器；9、输出光纤；10、固定架；11、折射率匹配胶；12、石英玻璃结合。

图4是本实用新型实施例提供的实施例1和实施例2涉及的电路原理结构图；

图5是本实用新型实施例提供的实施例1和2的整体结构示意图；

图中：13、金属地板；14、介质基板；15、主线；16、副线；17、第一分支线；18、第二分支线；19、第三分支线；20、输入端；21、第一隔离端口；22、耦合端；23、第二隔离端口；

图6是本实用新型实施例提供的实施例1和2的侧视图；

图7是本实用新型实施例提供的实施例1的整体结构尺寸示意图；

图8是本实用新型实施例提供的实施例2的整体结构尺寸示意图；

图9是本实用新型实施例提供的实施例1中的耦合特性仿真曲线图；

图中，S11是回波损耗的仿真结果；S21、S31、S41分别是输入端到第一隔离端口、耦合端和第二隔离端口的传输系数的仿真结果；

图10是是本实用新型实施例提供的实施例1中的耦合特性实测曲线图；

图中，S11是回波损耗的实测结果；S21、S31、S41分别是输入端到第一隔离端口、耦合端和第二隔离端口的传输系数的实测结果；

图11是本实用新型实施例提供的实施例1中的群时延特性仿真与实测曲线图；

图12是本实用新型实施例提供的实施例2中的耦合特性仿真曲线图；

图中，S11是回波损耗的仿真结果；S21、S31、S41分别是输入端到第一隔离端口、耦合端和第二隔离端口的传输系数的仿真结果；

图13是本实用新型实施例提供的实施例2中的耦合特性实测曲线图；

图中，S11是回波损耗的实测结果；S21、S31、S41分别是输入端到第一隔离端口、耦合端和第二隔离端口的传输系数的实测结果；

图14是本实用新型实施例提供的实施例2中的相位曲线图；

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的实用新型内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合附图对本实用新型的结构作详细的描述。

如图所示，该高耦合效率的泵浦合束器包括：泵浦光纤1、裸光纤2、输入连接器3、泵浦合束器4、传递光纤5、光纤放大器6、光纤隔离器7、输出连接器8、输出光纤9、固定架10、折射率匹配胶11、石英玻璃结合12。

所述泵浦光纤1通过固定架10固定于泵浦合束器4外侧。

所述泵浦光纤1末端剥削成裸光纤2，所述裸光纤2聚集在输入连接器3内，所述聚集在一起的裸光纤通过折射率匹配胶11与石英玻璃12结合。所述输入连接器3与泵浦合束器4螺钉连接；

所述泵浦合束器4通过传递光纤5连接光纤隔离器7，所述光纤隔离器7末端螺钉连接输出连接器8，所述输出连接器8内部固定有输出光纤9。

所述传递光纤5上安装有光纤放大器6。

所述输入连接器3、输出连接器8均用螺钉连接，可拆卸。

所述泵浦光纤1数量可多可少，末端裸光纤2均熔接聚集在输入连接器3内。

本实用新型的工作原理：

使用时，泵浦光纤1均匀插入固定架10的六边形孔槽内，通过螺钉固定于泵浦合束器4外侧，从而使泵浦光纤1有更高的连接刚度，与稳定性。将多束泵浦光纤1末端剥削成裸光纤2，裸光纤2插入输入连接器3内，进一步传输到泵浦合束器4内，在泵浦合束器4内聚集在一起的裸光纤通过折射率匹配胶11与石英玻璃12结合，进而进行光合，再由传递光纤5中的光纤放大器6将传递效率放大，通过光纤隔离器7防止光线逆向传输，增强传输效率，最终由输出连接器8在输出光纤9中进行输出。

该实用新型设计思路清晰，外界泵浦光纤数量可变，通过泵浦合束器将光纤合并，固定架泵固定，浦光纤有更高的连接刚度，与稳定性。由光纤放大器进行放大，光纤合束器提高传输效率，耦合率高，连接器采用螺钉连接，拆卸组装方便。

下面结合具体分析对本实用新新作进一步描述。

实施例1

主线是级联两节四分之一波长传输线，而每节四分之一波长传输线都可以等效为两节微带线加载三个开路枝节的等效结构，主线、副线等效电路的推导由来，具体等效过程可得：

其中，θ₂＝90deg,θ₂₁＝22.5deg,θ₂₂＝45deg and Z₂＝35.35Ω。

如图4所示，本实用新型的电路结构原型中包括十个开路枝节分别并联在两条横向传输线两端，横向传输线通过三条纵向传输线连接；其中，两条横向传输线即为实施例1和实施例2中的主线和副线，三条纵向传输线即为实施例1和实施例2中的第一分支线、第二分支线和第三分支线。直接连接在纵向传输线的开路枝节阻抗为Z₂₂，电长度为θ₂₂；夹在纵向传输线之间的开路枝节阻抗为Z₂₂/2,电长度为θ₂₂；横向传输线段阻抗为Z₂₁，电长度为θ₂₁，第一条和第三条纵向传输线段阻抗为Z₁，电长度为θ₁，第二条纵向传输线段阻抗为Z₃，电长度为θ₁；

如图5，6，7所示，本实用新型实施例1是一种平面结构的泵浦合束器，主要由：金属地板13，介质基板14，主线15，副线16，第一分支线17，第二分支线18，第三分支线19，输入端20，第一隔离端口21，耦合端22，第二隔离端口23组成；

金属地板13设置在介质基板14的底面，分支泵浦合束器的主线15两端分别设有输入端20和第一隔离端口21，副线16两端分别设有第二隔离端口23和耦合端22；主线15和副线16均由加载开路枝节的微带线构成；第一分支线、第二分支线和第三分支线连接主线和副线，其中，第一分支线和第三分支线分别连在主线和副线的两端部，第二分支线由两条对称的微带线并联而成，连接在主线和副线长度的二分之一处；主线、副线、第一分支线、第二分支线、第三分支线、输入端、第一隔离端口、耦合端、第二隔离端口均印制在介质基板上；金属地板为完整地；本实用新型实施例的平面结构的单通带分支泵浦合束器为只有一个端口输出的泵浦合束器。

本实用新型中用的介质板材料为RT/duroid 5880，相对介电常数为2.2，介质板厚度为0.787mm，覆铜厚度为0.018mm，损耗角正切为0.0009；如图7所示，其中L0＝6mm，L1＝42mm，L2＝8mm，L3＝4.7mm，L4＝5.45mm，L5＝5.1mm，L11＝2mm，L12＝1.65mm，L13＝2.7mm，L14＝3mm，L21＝2.85mm，L22＝6.59mm，L23＝4.65mm，L31＝1.7mm，L32＝5.7mm，L33＝2.65mm，W0＝2.39mm，W1＝2.2mm，W2＝1.54mm，W3＝1.3mm，W11＝0.35mm，W22＝1.59mm，W33＝1.59mm，g＝0.8mm；泵浦合束器总面积尺寸为0.46×0.32(λ_g×λ_g)，明显小于已有分支线泵浦合束器；

对本实用新型实施实例1的耦合特性进行仿真和测量，仿真工具采用三维电磁仿真软件的HFSS 15.0，测试仪器为N5230A矢量网络分析仪，图9是耦合特性的仿真结果，图10是耦合特性的实测结果；由实测结果图10可见，本实用新型的工作中心频率为2.4GHz，带宽为100MHz，回波损耗大于15dB(S11)，相邻端口隔离度分别在2.15-2.65GHz(S21)和2.35-2.45GHz(S41)频段大于20dB，仿真与实测的插入损耗在2.35-2.45GHz频率范围内都小于0.5dB(S31)，而且仿真与实测结果吻合地非常好，充分说明了本实用新型设计的可行性；

对本实用新型实施实例1的群时延进行仿真和测量，图11给出了场仿真结果与实测结果对比曲线；其中虚线为场仿真曲线，实线为实测曲线；由图9可见，群时延的变化范围小于0.15ns；

实施例2

基于同样的实用新型构思，本实用新型还提供一种双通带分支泵浦合束器，如图8所示；本实用新型实施例2也是一种平面结构的分支泵浦合束器，主要由：金属地板13，介质基板14，主线15，副线16，第一分支线17，第二分支线18，第三分支线19，输入端20，第一隔离端口21，耦合端22，第二隔离端口23组成；

金属地板设置在介质基板的底面，分支泵浦合束器的主线两端分别设有输入端和第一隔离端口，副线两端分别设有第二隔离端口和耦合端；主线和副线均由加载开路枝节的微带线构成；第一分支线、第二分支线和第三分支线连接主线和副线，其中，第一分支线和第三分支线分别连在主线和副线的两端部，第二分支线由两条对称的微带线并联而成，连接在主线和副线长度的二分之一处；主线、副线、第一分支线、第二分支线、第三分支线、输入端、第一隔离端口、耦合端、第二隔离端口均印制在介质基板上；金属地板为完整地；

本实用新型中用的介质板材料为RT/duroid 5880，相对介电常数为2.2，介质板厚度为0.787mm，覆铜厚度为0.018mm，损耗角正切为0.0009；如图6所示，其中L0＝10.4mm，L1＝29.2mm，L2＝9.6mm，L3＝8.7mm，L4＝5.45mm，L5＝10.2mm，L11＝2mm，L12＝2mm，L13＝2.7mm，L14＝3.65mm，L15＝4.7，L21＝3.5mm，L22＝7.5mm，L23＝4mm，L31＝4.9mm，L32＝6.7mm，W0＝2.39mm，W1＝1.54mm，W2＝2.5mm，W3＝1.3mm，W4＝0.3mm，W5＝0.55mm，W11＝0.35mm，W21＝1.5mm，W22＝0.5mm，W31＝1.4mm，g＝2mm泵浦合束器总面积尺寸为0.47×0.43(λ_g×λ_g)，明显小于已有分支线泵浦合束器；

对本实用新型实施实例2的耦合特性进行仿真和测量，仿真工具采用三维电磁仿真软件的HFSS 15.0，测试仪器为N5230A矢量网络分析仪，图12是耦合特性的仿真结果，图13是耦合特性的实测结果；由实测结果图13可见，本实用新型的工作中心频率为2.2/3.4GHz，带宽分别为40MHz和60MHz，比没有加载开路枝节的泵浦合束器带宽要宽；回波损耗大于25dB(S11)，在两通带内的插入损耗最大分别为0.6dB和0.8dB(S31)；

对本实用新型实施实例2的相位进行仿真和测量，图14给出了场仿真结果与实测结果对比曲线；其中虚线为场仿真曲线，实线为实测曲线；由图14可见，相位在通带内畸变很小。

以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种高耦合效率的泵浦合束器，其特征在于，所述高耦合效率的泵浦合束器设置有泵浦光纤；

泵浦光纤通过固定架固定于泵浦合束器外侧；

泵浦光纤末端剥削成裸光纤；裸光纤聚集在输入连接器内；输入连接器与泵浦合束器螺钉连接；聚集在一起的裸光纤通过折射率匹配胶与石英玻璃结合；

泵浦合束器通过传递光纤连接光纤隔离器；光纤隔离器末端螺钉连接输出连接器；输出连接器内部固定有输出光纤；

泵浦合束器包括左右对称的主线和副线，主线和副线均由加载开路枝节的微带线构成；主线和副线与第一分支线、第二分支线和第三分支线连接，第二分支线由两条对称的微带线并联而成，连接在主线和副线长度的二分之一处；

还包括：金属地板、介质基板，金属地板设置在介质基板的底面。

2.如权利要求1所述高耦合效率的泵浦合束器，其特征在于，主线两端分别设有输入端和第一隔离端口，副线两端分别设有第二隔离端口和耦合端；

第一分支线和第三分支线分别连在主线和副线的两端部，第一分支线靠近输入端和第二隔离端口，第三分支线靠近第一隔离端口和耦合端；

主线、副线、第一分支线、第二分支线、第三分支线、输入端、第一隔离端口、耦合端、第二隔离端口均印制在介质基板上；

主线和副线是由两节四分之一波长的传输线级联而成，每节四分之一波长传输线由两节传输微带线依次加载三个开路枝节的等效结构构成，级联过程中共用中间的开路枝节，形成主线和副线都是由四节微带线加载五个开路枝节的等效结构构成。

3.如权利要求1所述高耦合效率的泵浦合束器，其特征在于，所述传递光纤上安装有光纤放大器；石英玻璃形状为六边形。

4.如权利要求1所述高耦合效率的泵浦合束器，其特征在于，所述输入连接器、输出连接器均用螺钉连接。

5.如权利要求1所述高耦合效率的泵浦合束器，其特征在于，所述泵浦光纤数量多个，末端裸光纤均熔接聚集在输入连接器内。