CN114725644B - 一种超低幅度不平坦度的e面分支波导定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超低幅度不平坦度的E面分支波导定向耦合器，包括两个相互平行的标准矩形波导，以及设置在两个标准矩形波导耦合面间的多个相互平行的波导分支，两个波导分支之间的波导壁设置有凹槽。本发明通过在分支波导之间的波导壁上增加凹槽进行优化，相比于传统分支波导定向耦合器，在相同工作带宽内实现超低幅度不平坦度。

Description

一种超低幅度不平坦度的E面分支波导定向耦合器

技术领域

本发明涉及毫米波太赫兹雷达或通信技术领域，具体涉及一种超低幅度不平坦度的E面分支波导定向耦合器。

背景技术

定向耦合器是用于功率分配的四端口无源元件，在微波系统中应用广泛。其在电子对抗、通信系统、雷达系统以及测试测量仪器中有着不可缺少的作用。其主要用途有合成和分配功率、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。太赫兹波作为当前电子技术解决未来电磁波频谱拥挤问题而开拓的主要频段，在通信、反恐侦测和天文探测等方面得到了广泛的关注，而定向耦合器是电路中重要的器件，因此研究毫米波甚至是太赫兹频段的定向耦合器有非常高的应用价值。在毫米波频段或者是太赫兹频段，电路尺寸急剧减小，导致传统微带线耦合器加工困难。波导定向耦合器是一种非常常用的能够在毫米波或太赫兹波段内实现功率分配/合成的电路结构，而且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，而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，其中传统五分支波导结构如图1所示。

然而传统分支波导定向耦合器的两个输出端口之间的幅度不平坦度与工作带宽呈反比，想要实现更宽的工作带宽，中心频率处的幅度不平坦度必然会恶化，从而影响分支波导定向耦合器的性能。

发明内容

为了在相对宽的工作频带内实现更低的幅度不平坦度，本发明提供了一种超低幅度不平坦度的E面分支波导定向耦合器，本发明通过在分支波导之间的波导壁上增加凹槽进行优化，相比于传统分支波导定向耦合器，在相同工作带宽内实现超低幅度不平坦度。

本发明通过下述技术方案实现：

一种超低幅度不平坦度的E面分支波导定向耦合器，包括两个相互平行的标准矩形波导，以及设置在两个标准矩形波导耦合面间的多个相互平行的波导分支，两个波导分支之间的波导壁设置有凹槽。

在传统分支波导定向耦合器中，波导分支之间由一段波导传输线相连，由于波导传输线的波导高度和阻抗是相关的，并且这段波导传输线的波导高度是一定的，因此无法实现耦合器的带宽匹配。为了改变这段传输线的阻抗，同时实现带宽匹配，本发明在每个波导分支之间的波导壁上设置凹槽。这种结构的波导传输线的波导高度随着凹槽的深度不断改变，这使得传输线的阻抗改变，从而实现带宽匹配。

作为优选实施方式，本发明的E面分支波导定向耦合器为中心对称结构。

作为优选实施方式，本发明的多个波导分支的高度相同。

作为优选实施方式，本发明的标准矩形波导的尺寸为1.295mm*0.648mm。

作为优选实施方式，本发明的凹槽的长度为0.2mm，深度为0.08mm-0.11mm。

作为优选实施方式，本发明的波导分支的高度为0.25mm。

作为优选实施方式，本发明的两个标准矩形波导之间的间距为0.33mm。

作为优选实施方式，本发明的分支波导定向耦合器包括五个波导分支。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的分支波导定向耦合器通过在两个波导分支之间的波导壁上设置凹槽，这使得波导分支之间的传输线的波导阻抗不断渐变，有利于拓展耦合器的工作带宽，另外由于工作带宽和幅度不平坦度呈反比，因此，在相同工作带宽条件下，采用本发明提出的耦合器结构的幅度不平坦度大大降低。

本发明耦合器采用中心对称结构，且每个波导分支的波导高度都相同，简化了耦合器的设计难度和结构复杂度，有利于降低加工误差。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为传统的分支波导定向耦合器结构示意图。

图2为本发明实施例的分支波导定向耦合器结构示意图。

图3为传统的分支波导定向耦合器的结构参数示意图。

图4为本发明实施例的分支波导定向耦合器的结构参数示意图。

图5为传统的五分支波导定向耦合器和本发明实施例的五分支波导定向耦合器的S11仿真结果对比图。

图6为传统的五分支波导定向耦合器和本发明实施例的五分支波导定向耦合器的S41仿真结果对比图。

图7为传统的五分支波导定向耦合器和本发明实施例的五分支波导定向耦合器的相位不平坦度仿真结果对比图。

图8为传统的五分支波导定向耦合器和本发明实施例的五分支波导定向耦合器的幅度不平坦度仿真结果对比图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-第一矩形波导，2-第二矩形波导，3-波导分支，4-凹槽，5-波导分支的波导高度，6-波导传输线。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

传统分支波导定向耦合器的两个输出端口之间的幅度不平坦度与工作带宽呈反比，想要实现更宽的工作带宽，中心频率处的幅度不平坦度必然会恶化，因此，为了在相对宽的工作频带内实现更低的幅度不平坦度，需要对分支波导定向耦合器的结构做进一步的优化。基于此，本实施例提供了一种超低幅度不平坦度的E面分支波导定向耦合器，本实施例提供的分支波导定向耦合器通过在分支波导之间的波导壁上增加凹槽进行优化，从而实现在相同工作带宽内实现超低幅度不平坦度。

本实施例以五分支波导定向耦合器为例对本实施例的E面分支波导定向耦合器结构进行详细说明。

如图2所示，本实施例的E面分支波导定向耦合器包括相互平行设置的第一矩形波导1和第二矩形波导2，以及设置在第一矩形波导1和第二矩形波导2耦合面之间的五个波导分支3，且五个波导分支3平行设置。在传统分支波导定向耦合器中，波导分支之间由一段波导传输线相连，由于波导传输线的波导高度和阻抗是相关的，并且这段波导传输线的波导高度是一定的，因此无法实现耦合器的带宽匹配，为了改变这段波导传输线的阻抗，同时实现带宽匹配，因此为了改变这段传输线的阻抗，同时实现带宽匹配，本实施例在相邻两个波导分支3之间波导传输线6的波导壁上设置凹槽4。这种带凹槽4的波导传输线6的波导高度随着凹槽的深度不断改变，这使得波导传输线的阻抗不断渐变，这有利于拓展耦合器的工作带宽，另外由于工作带宽和幅度不平坦度呈反比，因此，在相同带宽条件下，采用本实施例耦合器结构设计的分支波导定向耦合器的幅度不平坦度更低。

本实施例中的凹槽4的结构可为方形结构，为了便于加工，也可采用弧形结构。

本实施例的E面分支波导定向耦合器的结构是中心对称的。

另外，在传统分支波导定向耦合器中，波导分支的高度是不同的，从图1中可以看到，以五分支波导定向耦合器为例，第一分支和第五分支的波导高度为a，第二分支、第三分支和第四分支的波导高度为c，a和c的值是在理想条件下通过理论推导而得到。为了更好的实现带宽匹配，本实施例中将每个波导分支的波导高度5都相同，同时也降低了耦合器的设计难度和结构复杂度。

同时，由于本实施例耦合器的结构是中心对称，且每个波导分支的波导高度都是相同的，有利于降低加工误差。

需要注意的是，图2所示的五分支波导定向耦合器结构为一种实施例，本实施例提出的上述结构设计不仅适用于五分支波导定向耦合器，同样适用于其他分支波导数量的定向耦合器设计中，例如，三分支波导定向耦合器、四分支波导定向耦合器等。

实施例2

本实施例以五分支波导定向耦合器为例，采用WR-5.1标准矩形波导(a×b＝1.295mm*0.648mm)，中心频率采用191.5GHz，通过对比传统和上述实施例1提出的五分支波导定向耦合器的性能来说明本发明实施例1提出的耦合器的超低幅度不平坦度特性。

首先，给出传统分支波导定向耦合器和本发明实施例1提出的分支波导定向耦合器的结构参数，如图3-4所示。其中，t表示波导分支的长度，p表示首尾波导分支的高度，q表示中间波导分支的高度，w表示相邻波导分支中心的间距。

本实施例给出两种耦合器的结构参数，如表1所示，其中本发明实施例1提出的分支波导定向耦合器中p＝q，l表示凹槽的长度，h表示凹槽的深度(图4中标识了两种不同深度的凹槽，即h1和h2)。

表1本发明五分支波导定向耦合器和传统五分支波导定向耦合器结构参数

本实施例分别对两种耦合器的S参数、幅度不平坦度和相位不平坦度进行了仿真测试，得到图5所示的两种耦合器的S11仿真结果对比图，图6所示的两种耦合器的S41仿真结果对比图，图7所示的两种耦合器的相位不平坦度仿真结果对比图，图8所示的两种耦合器的幅度不平坦度仿真结果对比图。

在工程应用中，通常要求S11低于-15dB，因此从仿真结果中可以看出两种耦合器都符合工程要求。

另外从相位不平坦度仿真结果可以看出，两种耦合器的相位不平衡度均在90°附近，因此相位不平衡度也满足设计要求。

从幅度不平坦度仿真结果可以看出，在相同带宽的要求下(172GHz-211GHz)，在中心频率处，传统分支波导定向耦合器的幅度不平坦度为0.43dB，而上述实施例提出的分支波导定向耦合器幅度不平坦为0.06dB(降低了86％)，因此上述实施例提出的分支波导定向耦合器具有超低幅度不平坦度的特性。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超低幅度不平坦度的E面分支波导定向耦合器，包括两个相互平行的标准矩形波导，以及设置在两个标准矩形波导耦合面间的多个相互平行的波导分支，其特征在于，相邻两个波导分支之间的波导传输线的波导壁上设置有凹槽，使波导传输线的波导高度随着凹槽的深度不断改变，从而改变波导传输线的阻抗；所述E面分支波导定向耦合器为中心对称结构；多个波导分支的高度相同。

2.根据权利要求1所述的一种超低幅度不平坦度的E面分支波导定向耦合器，其特征在于，所述标准矩形波导的尺寸为1.295mm*0.648mm。

3.根据权利要求1所述的一种超低幅度不平坦度的E面分支波导定向耦合器，其特征在于，所述凹槽的长度为0.2mm，深度为0.08mm-0.11mm。

4.根据权利要求1所述的一种超低幅度不平坦度的E面分支波导定向耦合器，其特征在于，所述波导分支的高度为0.25mm。

5.根据权利要求1所述的一种超低幅度不平坦度的E面分支波导定向耦合器，其特征在于，两个标准矩形波导之间的间距为0.33mm。

6.根据权利要求1所述的一种超低幅度不平坦度的E面分支波导定向耦合器，其特征在于，包括五个波导分支。

Images