CN216015645U - 一种用于探地雷达的低群时延双工器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了提供一种用于探地雷达的双工器，包括：蚀刻于介质板前壁面上的宽脉冲线性相位微带滤波器、窄脉冲线性相位微带滤波器和T形结；介质板的后壁面上覆盖有一金属板。宽脉冲线性相位微带滤波器的前端与宽脉冲输入端口相连接，窄脉冲线性相位微带滤波器的前端与窄脉冲输入端口相连接；宽脉冲线性相位微带滤波器和窄脉冲线性相位微带滤波器的末端对应的与T形结的两个端部相连接，T形结的第三端部与输出端口相连接。该一种用于探地雷达的低群时延双工器为一种小型化的双工器，具有低损耗和较好时域响应。

Description

一种用于探地雷达的低群时延双工器

技术领域

本实用新型属于隧道衬砌检测技术领域，具体涉及一种用于探地雷达的低群时延双工器。

背景技术

双工器是一个比较特殊的双向三端滤波器。双工器既要将接收信号发送到输出端，又要求两输入端各自完成其功能而不相互影响。双工器可以使信号共用通信设备，达到节省通信系统空间的目的，因此双工器一直都是研究热点，但传统的双工器只考虑了其频域响应，而在时域响应却具有较差的性能，无法适用于探地雷达。因此，用于探地雷达的具有较好时域响应的双工器的设计具有重要的研究意义。当探地雷达用于隧道衬砌检测时，使用一个宽脉冲信号和一个窄脉冲信号分别进行检测。使用宽脉冲信号可以达到更深的探测深度，使用窄脉冲信号可以达到更高的分辨率。用于探地雷达的双工器不仅要考虑宽脉冲信号和窄脉冲信号之间的隔离度，同时还要考虑输出信号的时域响应：1.输出响应应该与输入响应有较高的互信息，即相似程度，易于雷达识别返回信号；2.输出信号应该尽量损失掉较少的能量，易于雷达识别返回信号；3.输出的脉冲响应信号应该具有较短的拖尾，防止与其他时间产生的响应信号重叠，给双工器的设计带来了困难。同时，由于探地雷达对于探地深度的要求，脉冲信号的频率较低，若使用低损耗的分布电路必导致很大的物理尺寸，所以用于探地雷达的双工器的小型化也是设计难点。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种用于探地雷达的双工器，为一种小型化的双工器，具有低损耗和较好时域响应。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是，一种用于探地雷达的低群时延双工器，其特征在于，包括：蚀刻于介质板前壁面上的宽脉冲线性相位微带滤波器、窄脉冲线性相位微带滤波器和T形结；介质板的后壁面上覆盖有一金属板；

宽脉冲线性相位微带滤波器的前端与宽脉冲输入端口相连接，窄脉冲线性相位微带滤波器的前端与窄脉冲输入端口相连接；

宽脉冲线性相位微带滤波器和T形结的第一信号输入端相连接，窄脉冲线性相位微带滤波器和T形结的第二信号输入端相连接，T形结的输出端与双工器的信号输出端口相连接；

窄脉冲线性相位微带滤波器包括：

蚀刻于介质板前壁面上的第一水平传输线、弯折的细传输线、垂直细传输线、第四水平传输线、集总电容C1和集总电容C2；第一水平传输线、弯折的细传输线、垂直细传输线和第四水平传输线均为金属线；

第一水平传输线的前端与窄脉冲输入端口相连接，末端与集总电容C1 的一端相连接，末端还与弯折的细传输线相连接，且第一水平传输线和集总电容C1在同一直线上，第一水平传输线和弯折的细传输线的端部垂直连接；

集总电容C1的另一端与第四水平传输线的一端相连接，第四水平传输线的另一端与集总电容C2的一端相连接；垂直细传输线垂直连接于第四水平传输线。

进一步地，该弯折的细传输线包括与第一水平传输线垂直连接的第一竖直段，与第一竖直段的另一端部相连接的第一水平段，与第一水平段的另一端部垂直连接的第二竖直段，与第二竖直段的另一端部相连接的第二水平段，与第二水平段的另一端部垂直连接的第三竖直段；两个相连接段的连接处均为圆弧过度；其中第一水平段和第二水平段的朝向相一致。

进一步地，该第二水平传输线、第三水平传输线、集总电容C3、集总电容C4、集总电容C5、集总电感L3和集总电感L4；第二水平传输线、第三水平传输线、集总电感L3和集总电感L4在同一直线上；

第二水平传输线的前端与宽脉冲输入端口相连接，其末端与集总电感 L3的一端连接，其末端还与集总电容C3的一端垂直连接；集总电感L3的另一端与第三水平传输线的一端连接，第三水平传输线的另一端与集总电感 L4的一端连接；集总电感L4的另一端与集总电容C5垂直且连接；集总电容C4一端与第三水平传输线的中部垂直连接。

进一步地，该在介质板上开设有五个通孔，且分布在弯折的细传输线、垂直细传输线、集总电容C3、集总电容C4和集总电容C5的远端，在各通孔上及外围一周均覆盖有一金属片，且弯折的细传输线、垂直细传输线、集总电容C3、集总电容C4和集总电容C5的远端均各与对应位置的金属片相连接；在各金属片的中部均开设有直径与通孔直径相同的通孔。

进一步地，该第二水平传输线由前端到末端包括线宽渐变段和直线段，线宽渐变段由前端到末端线宽由宽变窄，直至与直线段的宽度相一致。

进一步地，该T形结包括：与窄脉冲线性相位微带滤波器相连接的第一传输线，与宽脉冲线性相位微带滤波器相连接的第二传输线和与输出端口相连接的第三传输线；各相连的传输线的连接段均为平滑的圆弧；该第三传输线由前端到末端包括直线段和宽度渐变段，宽度渐变段由前端到末端宽度由窄变宽。

本实用新型具有如下优点：1.用准分布的微带平面结构，实现了较小的物理尺寸和较低的插入损耗。2.通过优化T形结的输入端枝节的长度的办法实现了较好的隔离度，保证滤波器响应的同时将两滤波器的隔离度保持到 20dB以上，并且采用平滑的过渡结构避免信号多次反射产生拖尾。3.高通滤波器的接地电感转换为弯折的细传输线和垂直细传输线，减少能量损耗

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的双工器的电路图；

图2为本实用新型实施例提供的双工器的俯视图；

图3为本实用新型实施例提供的双工器的反射损耗图；

图4为本实用新型实施例提供的双工器的插入损耗图；

图5为本实用新型实施例提供的中心频率为200MHz的脉冲信号和仿真得到的时域响应图；

图6为本实用新型实施例提供的中心频率为900MHz的脉冲信号和仿真得到的时域响应图。

其中：1.窄脉冲线性相位微带滤波器；2.宽脉冲线性相位微带滤波器； 3.T形结；11.第一水平传输线，12.弯折的细传输线；13.垂直细传输线； 14.第四水平传输线；21.第二水平传输线；22.第三水平传输线；31.第一传输线；32.第二传输线；33.第三传输线。

具体实施方式

在本实用新型中，一种用于探地雷达的低群时延双工器，如图1和2所示，包括：蚀刻于介质板前壁面上的宽脉冲线性相位微带滤波器2、窄脉冲线性相位微带滤波器1和T形结3；介质板的后壁面上覆盖有一金属板；

宽脉冲线性相位微带滤波器2的前端与宽脉冲输入端口相连接，窄脉冲线性相位微带滤波器1的前端与窄脉冲输入端口相连接；

宽脉冲线性相位微带滤波器2和T形结3的第一信号输入端相连接，窄脉冲线性相位微带滤波器1和T形结3的第二信号输入端相连接，T形结3 的输出端与双工器的信号输出端口相连接。第一水平传输线11、弯折的细传输线12、垂直细传输线13和第四水平传输线14均为金属线。

上述窄脉冲线性相位微带滤波器1包括：蚀刻于介质板前壁面上的第一水平传输线11、弯折的细传输线12、垂直细传输线13、第四水平传输线14、集总电容C1和集总电容C2。

第一水平传输线11的前端与窄脉冲输入端口相连接，末端与集总电容 C1的一端相连接，末端还与弯折的细传输线12相连接，且第一水平传输线 11和集总电容C1在同一直线上，第一水平传输线11和弯折的细传输线12 的端部垂直连接；

集总电容C1的另一端与第四水平传输线14的一端相连接，第四水平传输线14的另一端与集总电容C2的一端相连接；垂直细传输线13垂直连接于第四水平传输线14。第一水平传输线11、弯折的细传输线12、垂直细传输线13和第四水平传输线14均为金属线；

弯折的细传输线12包括与第一水平传输线11垂直连接的第一竖直段，与第一竖直段的另一端部相连接的第一水平段，与第一水平段的另一端部垂直连接的第二竖直段，与第二竖直段的另一端部相连接的第二水平段，与第二水平段的另一端部垂直连接的第三竖直段；两个相连接段的连接处均为圆弧过度；其中第一水平段和第二水平段的朝向相一致。

宽脉冲线性相位微带滤波器2包括：第二水平传输线21、第三水平传输线22、集总电容C3、集总电容C4、集总电容C5、集总电感L3和集总电感 L4；第二水平传输线21、第三水平传输线22、集总电感L3和集总电感L4 在同一直线上；

第二水平传输线21的前端与宽脉冲输入端口相连接，其末端与集总电感L3的一端连接，其末端还与集总电容C3的一端垂直连接；集总电感L3 的另一端与第三水平传输线22的一端连接，第三水平传输线22的另一端与集总电感L4的一端连接；集总电感L4的另一端与集总电容C5垂直连接；集总电容C4一端与第三水平传输线22的中部垂直连接。

在介质板上开设有五个通孔，且分布在弯折的细传输线12、垂直细传输线13、集总电容C3、集总电容C4和集总电容C5的远端，在各通孔上及外围一周均覆盖有一金属片，且弯折的细传输线12、垂直细传输线13、集总电容C3、集总电容C4和集总电容C5的远端均各与对应位置的金属片相连接；在各金属片的中部均开设有直径与通孔直径相同的通孔。

第二水平传输线21由前端到末端包括线宽渐变段和直线段，线宽渐变段由前端到末端线宽由宽变窄，直至与直线段的宽度相一致。

T形结3包括：与窄脉冲线性相位微带滤波器1相连接的第一传输线31，与宽脉冲线性相位微带滤波器2相连接的第二传输线32和与输出端口相连接的第三传输线33；第三传输线33由前端到末端包括直线段和宽度渐变段，宽度渐变段由前端到末端宽度由窄变宽。

使用该一种用于探地雷达的低群时延双工器时，其作为脉冲源的发射端，脉冲交流信号传输至隧道待探测区域一定深度，待探测区域的存在介质层，则返回的信号时间、幅度等的不同，判定出存在不同的介质层，以及介质层的深度。

本实施例中，设计了一种用于探地雷达的低群时延双工器，设计过程如下：

步骤一、设计出一个截止频率为400MHz，在600MHz具有20dB插入损耗的宽脉冲线性相位微带滤波器2和一个截止频率为700MHz，在500MHz 具有20dB插入损耗的窄脉冲线性相位微带滤波器1。使用的介质板的介电常数为2.65，长度l₁₁＝85.8mm,宽度为36.8mm，厚度为1mm，底部覆盖 0.017mm的金属。

步骤二、设计T形结3，T形结3的两个端部作为入口，分别连接宽脉冲线性相位微带滤波器2和窄脉冲线性相位微带滤波器1，形成合路端口，另一端为输出端。

T形结3的设计原理如下：通过调节T形结3的连接两个滤波器部分的长度宽度，窄脉冲线性相位微带滤波器1工作时，宽脉冲线性相位微带滤波器2经过一段传输线后，在高通频段内等效为开路，此时窄脉冲线性相位微带滤波器1的输入信号则会全部从合路端口输出。同理，宽脉冲线性相位微带滤波器2工作时，窄脉冲线性相位微带滤波器1经过一段传输线后在低通频段内等效为开路，此时宽脉冲线性相位微带滤波器2的输入信号则会全部从合路端口输出，因此保证宽脉冲线性相位微带滤波器2和窄脉冲线性相位微带滤波器1响应的同时，将两滤波器的隔离度保持到20dB以下。合路端口的长度宽度没有严格要求。

优化得到电感L₁＝15.8nH，电容C₁＝2.8pF,电感L₂＝5.7nH，电容C₂＝6pF，电感L₃＝29.8nH，电容C₃＝12.1pF。为了减少优化变量，将T形结3的两个输入端口连接的枝节的宽度保持一致，三个端口都接50欧姆的负载。

步骤三、将双工器以微带结构建模，窄脉冲线性相位微带滤波器1的接地电感转换为宽度为0.2mm的细传输线，减少能量损耗，同时删除窄脉冲线性相位微带滤波器1的第五阶接地电感，以避免低通脉冲信号接地，其他所有接地的集总元件均穿过金属通孔连接到地。

连接窄脉冲线性相位微带滤波器1的传输线宽度w₂＝1.8mm，与连接宽脉冲线性相位微带滤波器2的传输线宽度保持一致，合路端的传输线宽度 w₅＝0.8mm，T形结3的三个端口均使用过渡线，将传输线宽度均过渡到宽度 w₁＝2.8mm的传输线与外界连接，避免与级联的其他器件产生阻抗失配。宽度w₆＝0.2mm，为了节省空间，采用弯折的细传输线12，宽度w₆＝0.2mm，长度l₆＝9.8mm。集总电容C1使用村田集总器件，型号为GJM1552C1H2R7GB01#，物理尺寸为0.5mm*1.0mm。两个电容C1之间使用宽度w₃＝1mm长度l₅＝2mm的传输线连接。宽脉冲线性相位微带滤波器2 中电容C2的型号为GJM1552C1H6R0CB01#，电容C3的型号为GJM1555C1H120FB01，电感L3的型号为LQW15AN30NG80#，集总器件的物理尺寸均为0.5mm*1.0mm，电感L3和电感L4之间使用宽度w3＝1mm长度l₅＝2mm的第四水平传输线14连接。T形结3的两个输入枝节的宽度 w₄＝1.8mm，其中，连接窄脉冲线性相位微带滤波器1的枝节经过长度l₇＝1mm 的第一传输线31后，使用平滑的圆弧垂直向下延伸长度l₈＝1mm的传输线.连接宽脉冲线性相位微带滤波器2的枝节经过长度l₇＝1mm的第二传输线32 后，使用平滑的圆弧垂直向上延伸长度l₉＝53mm的传输线，合路枝节第三传输线33前端的宽度w₅＝0.8mm，第三传输线33长度l₁₀＝10mm。平滑的圆弧可以避免结构突变产生的信号反射。所有接地的集总元件均穿过金属通孔连接到地，金属通孔开设在立方体上，通孔直径0.4mm。

图3为本实施例中的双工器的回波损耗示意图，窄脉冲的回波损耗(S11 在700-1400MHZ内，均大于10dB，宽脉冲的回波损耗(S22)在0-400MHZ 内均大于10dB，即几乎没有能量被反射。

图4为本实施例中的双工器的插入损耗示意图，窄脉冲的回波损耗 (S31)在700-1400MHZ内，均小于1.1dB，宽脉冲的插入损耗(S32)在 0-400MHZ内均小于0.5dB，即双工器在工作通带内的损耗很低。

图5为本实用新型实施例提供的中心频率为200MHz的脉冲信号和仿真得到的时域响应，输出信号较好的还原了输入信号波形，有少许拖尾，但是幅度很小，对其他时间产生输出信号几乎不会造成影响。

图6为本实用新型实施例提供的中心频率为900MHz的脉冲信号和仿真得到的时域响应，输出信号较好的还原了输入信号波形，拖尾非常小。

Claims (6)

1.一种用于探地雷达的低群时延双工器，其特征在于，包括：蚀刻于介质板前壁面上的宽脉冲线性相位微带滤波器(2)、窄脉冲线性相位微带滤波器(1)和T形结(3)；所述介质板的后壁面上覆盖有一金属板；

所述宽脉冲线性相位微带滤波器(2)的前端与宽脉冲输入端口相连接，所述窄脉冲线性相位微带滤波器(1)的前端与窄脉冲输入端口相连接；

所述宽脉冲线性相位微带滤波器(2)和所述T形结(3)的第一信号输入端相连接，所述窄脉冲线性相位微带滤波器(1)和所述T形结(3)的第二信号输入端相连接，所述T形结(3)的输出端与双工器的信号输出端口相连接；

所述窄脉冲线性相位微带滤波器(1)包括：

蚀刻于所述介质板前壁面上的第一水平传输线(11)、弯折的细传输线(12)、垂直细传输线(13)、第四水平传输线(14)、集总电容C1和集总电容C2；所述第一水平传输线(11)、弯折的细传输线(12)、垂直细传输线(13)和第四水平传输线(14)均为金属线；

所述第一水平传输线(11)的前端与窄脉冲输入端口相连接，末端与集总电容C1的一端相连接，末端还与所述弯折的细传输线(12)相连接，且所述第一水平传输线(11)和集总电容C1在同一直线上，所述第一水平传输线(11)和弯折的细传输线(12)的端部垂直连接；

所述集总电容C1的另一端与第四水平传输线(14)的一端相连接，所述第四水平传输线(14)的另一端与集总电容C2的一端相连接；所述垂直细传输线(13)垂直连接于所述第四水平传输线(14)。

2.根据权利要求1所述的一种用于探地雷达的低群时延双工器，其特征在于，所述弯折的细传输线(12)包括与所述第一水平传输线(11)垂直连接的第一竖直段，与所述第一竖直段的另一端部相连接的第一水平段，与所述第一水平段的另一端部垂直连接的第二竖直段，与所述第二竖直段的另一端部相连接的第二水平段，与所述第二水平段的另一端部垂直连接的第三竖直段；两个相连接段的连接处均为圆弧过度；其中所述第一水平段和第二水平段的朝向相一致。

3.根据权利要求2所述的一种用于探地雷达的低群时延双工器，其特征在于，所述宽脉冲线性相位微带滤波器(2)包括：第二水平传输线(21)、第三水平传输线(22)、集总电容C3、集总电容C4、集总电容C5、集总电感L3和集总电感L4；所述第二水平传输线(21)、第三水平传输线(22)、集总电感L3和集总电感L4在同一直线上；

所述第二水平传输线(21)的前端与宽脉冲输入端口相连接，其末端与所述集总电感L3的一端连接，其末端还与所述集总电容C3的一端垂直连接；所述集总电感L3的另一端与第三水平传输线(22)的一端连接，所述第三水平传输线(22)的另一端与集总电感L4的一端连接；所述集总电感L4的另一端与集总电容C5垂直连接；所述集总电容C4一端与第三水平传输线(22)的中部垂直且连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于探地雷达的低群时延双工器，其特征在于，在所述介质板上开设有五个通孔，且分布在所述弯折的细传输线(12)、垂直细传输线(13)、集总电容C3、集总电容C4和集总电容C5的远端，在各所述通孔上及外围一周均覆盖有一金属片，且所述弯折的细传输线(12)、垂直细传输线(13)、集总电容C3、集总电容C4和集总电容C5的远端均各与对应位置的金属片相连接；在各所述金属片的中部均开设有直径与所述通孔直径相同的孔，用于将所述弯折的细传输线(12)、垂直细传输线(13)、集总电容C3、集总电容C4和集总电容C5接地。

5.根据权利要求3所述的一种用于探地雷达的低群时延双工器，其特征在于，所述第二水平传输线(21)由前端到末端包括线宽渐变段和直线段，所述线宽渐变段由前端到末端线宽由宽变窄，直至与所述直线段的宽度相一致。

6.根据权利要求5所述的一种用于探地雷达的低群时延双工器，其特征在于，所述T形结(3)包括：与窄脉冲线性相位微带滤波器(1)相连接的第一传输线(31)，与宽脉冲线性相位微带滤波器(2)相连接的第二传输线(32)和与输出端口相连接的第三传输线(33)；各相连的传输线的连接段均为平滑的圆弧；

所述第三传输线(33)由前端到末端包括直线段和宽度渐变段，所述宽度渐变段由前端到末端宽度由窄变宽。

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