CN204966651U - 一种宽带毫米波波导分支定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种宽带毫米波波导分支定向耦合器，所述定向耦合器包括E面耦合的第一波导和第二波导，所述第一波导和第二波导互相平行，所述第一波导和第二波导之间设置有若干耦合缝隙，第一波导具有输入端口和直通端口，第二波导具有隔离端口和耦合端口，所述第一波导的耦合面上位于输入端口和直通端口处分别设置有阻抗变换器，所述第二波导的耦合面上位于隔离端口和耦合端口处分别设置有阻抗变换器。通过调整输入端口、隔离端口、直通端口和耦合端口处的阻抗变换器，就能够减小耦合部分输入端口和输出端口处的分支线波导的阻抗，从而可以加大此处耦合缝隙的宽度，这样就减小了加工难度，加大了该波导分支定向耦合器相对带宽。

Description

一种宽带毫米波波导分支定向耦合器

技术领域

本实用新型属于微波信号检测领域，具体涉及一种宽带毫米波波导分支定向耦合器。

背景技术

在现代无线通信领域，毫米波技术渐渐成为研究热点。在毫米波段，目前通常采用波导分支定向耦合器来检测毫米波信号。波导分支定向耦合器的耦合度和耦合缝隙的宽度有关，耦合缝隙的宽度越小，耦合过去的能量越小，耦合度就越大。但是由于频带的增高，波长越来越小，这就要求耦合缝隙进一步减小，从而导致了加工难度大甚至无法加工的问题。目前工程可实现的耦合缝隙的宽度无法适应高频带的毫米波，因此定向耦合器的相对带宽只能达到10％左右。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种易于加工、相对带宽大的宽带毫米波波导分支定向耦合器。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种宽带毫米波波导分支定向耦合器，所述定向耦合器包括E面耦合的第一波导和第二波导，所述第一波导和第二波导互相平行，所述第一波导和第二波导之间设置有若干耦合缝隙，第一波导具有输入端口和直通端口，第二波导具有隔离端口和耦合端口，所述第一波导的耦合面上位于输入端口和直通端口处分别设置有阻抗变换器，所述第二波导的耦合面上位于隔离端口和耦合端口处分别设置有阻抗变换器。

由上述技术方案可知，所述第一波导和第二波导构成两个主线波导，所述若干耦合缝隙构成若干分支线波导，由于靠近输入端口和输出端口的分支线波导阻抗相对较大，因此此处的耦合缝隙宽度比较小，在输入端口、隔离端口、直通端口和耦合端口处设置阻抗变换器之后，就能够通过调整阻抗变换器来减小耦合部分输入端口和输出端口处的分支线波导的阻抗，从而可以加大此处耦合缝隙的宽度，这样就减小了加工难度，采用常规的加工工艺即可实现。而且由于耦合缝隙的加宽，可适用于更高频带的毫米波，因此也加大了该波导分支定向耦合器相对带宽。

优选的，所述耦合缝隙的数量为四个。

优选的，所述阻抗变换器呈三层阶梯状，为三阶阻抗变换器。

优选的，所述三阶阻抗变换器每一阶层沿毫米波传播方向上的长度为中心频率的1/4波导波长。

优选的，所述耦合缝隙的深度为中心频率的1/4波导波长，所述各耦合缝隙的中心间距为中心频率的1/4波导波长。

优选的，所述第一波导和第二波导为矩形波导。

本实用新型实施例的有益效果如下：

⑴带宽大(相对带宽可达到40％以上)，带内传输损耗小；

⑵保证毫米波频段电性能的同时，微尺寸器件结构加工基于常规工艺

工程即可实现，加工难度低；

⑶插入损耗小，带内耦合平坦度好，隔离度高。

附图说明

图1为本实用新型波导分支定向耦合器的一个实施例的二维俯视图。

图2为本实用新型波导分支定向耦合器的一个实施例的三维结构示意图。

图3为本实用新型波导分支定向耦合器的一个实施例的输入端口的驻波结果图。

图4为本实用新型波导分支定向耦合器的一个实施例的直通端口的插入损耗结果图。

图5为本实用新型波导分支定向耦合器的隔离端口的隔离度结果图。

图6为本实用新型中波导分支定向耦合器的耦合端口的耦合度结果图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参照图1，本实用新型实施例提供的宽带毫米波波导分支定向耦合器包括E面耦合的第一波导10和第二波导20，所述第一波导10和第二波导20互相平行，所述第一波导10和第二波导20之间设置有若干耦合缝隙30，第一波导10具有输入端口Port1和直通端口Port2，第二波导具有隔离端口Port3和耦合端口Port4，所述第一波导10的耦合面上位于输入端口Port1和直通端口Port2处分别设置有阻抗变换器40，所述第二波导20的耦合面上位于隔离端口Port3和耦合端口Port4处分别设置有阻抗变换器40。

所述第一波导10和第二波导20构成两个主线波导，所述若干耦合缝隙30构成若干分支线波导，其中，直通端口Port2和耦合端口Port4为输出端口，且两输出信号存在90度的相位差。其原理为：毫米波信号从输入端口Port1输入并一分为二，一部分直接输出到直通端口Port2，另一部分通过耦合缝隙30输出到耦合端口Port4，隔离端口Port3无输出被隔离。耦合度的大小与耦合缝隙30的宽度有关，简单说来，就是耦合缝隙30越小，则从耦合缝隙30过去的能量越少，那么耦合度越大。由于靠近输入端口和输出端口(直通端口Port2和耦合端口Port4均为输出端口)的分支线波导阻抗相对较大，因此要求此处的耦合缝隙宽度相对远离输入端口和输出端口处的耦合缝隙要小(如图1中靠近输入端口Port1的耦合缝隙宽度H1比远离输入端口Port1的耦合缝隙宽度H2小)。随着频带的增高，波长越来越小，这就要求耦合缝隙进一步减小，因此在加工工艺上，主要加工难度来自于靠近输入端口和输出端口处的耦合缝隙的宽度较小。本实用新型的实施例在靠近输入端口、隔离端口、直通端口和耦合端口处设置阻抗变换器之后，就可以在不引入波导高次模的前提下通过调整阻抗变换器来减小耦合部分输入端口和输出端口处的分支线波导的阻抗，将该分支线波导的阻抗尽量变小，从而可以加大此处耦合缝隙的宽度，这样就减小了加工难度，采用常规的加工工艺即可实现。由此也大大提高了本实用新型的带宽，在本实用新型的某些优选实施例中，相对带宽可达40％以上。实际应用时，可以与相关宽带的射频微波模块配合使用。同时，还可以通过该阻抗变换器调节主线波导的阻抗，通过调整主线波导的阻抗，可使相邻两短截线的反射能够达到最大抵消，增加带内的电压驻波比和定向性等性能。

具体的，请参照图1和图2，在本实用新型的某些优选实施例中，所述耦合缝隙的数量为四个。耦合缝隙的数量也可以更多甚至可以达到七八节，本实用新型的实施例可以保证在实现相同性能的情况下，所需要的分支线波导更少，比其他定向耦合器可以少一半的分支线，从而使该实施例结构更简单，加工更容易。

具体的，请参照图1和图2，在本实用新型的某些优选实施例中，所述阻抗变换器采用三阶阻抗变换器，即所述阻抗变换器呈三层阶梯状，。

优选的，所述三阶阻抗变换器每一阶层沿毫米波传播方向上的长度为中心频率的1/4波导波长。在实际应用中，逼近函数可以选择切比雪夫函数，该优选实施例的主线波导和分支线波导的阻抗都以3阶1/4波长阶梯阻抗变换器为原型电路，通过调整主线波导的阻抗，可使相邻两短截线的反射能够达到最大抵消，对定向耦合器做奇偶模分析时，其带内的电压驻波比和定向性接近最佳；其次，还可以在不引入波导高次模的前提下改变输入端口和输出端口处的分支线波导的阻抗，将该分支线波导的阻抗尽量变大，从而可以加大此处耦合缝隙的宽度，降低工程实现的难度。

具体的，在本实用新型的某些优选实施例中，所述的宽带毫米波波导分支定向耦合器的耦合缝隙的深度为中心频率的1/4波导波长，所述各耦合缝隙的中心间距为中心频率的1/4波导波长。

具体的，在本实用新型的某些优选实施例中，所述第一波导和第二波导为矩形波导。

实际应用中，所述波导分支定向耦合器可以采用上、下和左、右均对称的结构。请参照图1和图2，波导采用波导BJ260，波导宽边a＝8.64mm，波导窄边b＝4.32mm，定向耦合器的节数n＝3，经过三阶阻抗变换后波导窄边尺寸为5mm，由此计算出分支线波导和主线波导的阻抗，H1的最小尺寸为0.31mm，大大降低加工难度和精度要求，并减小加工误差对电性能的影响，工程可实现。如果采用周期分支定向耦合器，该尺寸为0.14mm，工程实现困难，加工误差难以保证。该实施例的相对带宽约为37％。

需要说明的是，本实用新型主要应用于毫米波的收发前端，其工作频段是22GHz～32GHz。

本实用新型的优选实施例具有如下优点：

⑴实现了相对带宽达到40％以上，带内传输损耗小，可以与相关宽带的射频微波模块配合使用。

⑵保证毫米波频段电性能同时，微尺寸器件结构加工基于常规工艺工程可实现，加工难度低。

⑶插入损耗小，带内耦合平坦度好，隔离度高。

如图3所示，本实用新型实施例的宽带毫米波波导分支定向耦合器的输入端的驻波在整个宽带内均小于1.04。其中，S11为Port1归一化反射电压波与Port1归一化入射电压波的比值，即表示Port1的输入驻波比。

如图4所示，本实用新型实施例的宽带毫米波波导分支定向耦合器的直通端口的传输特性S12/S21在整个宽带内都小于0.17dB，表明了良好的传输特性。其中，S12为Port1归一化传输电压波与Port2归一化入射电压波的比值，S21为Port2归一化传输电压波与Port2归一化入射电压波的比值。

如图5所示，本实用新型实施例的宽带毫米波波导分支定向耦合器的隔离端口的隔离度在整个宽带内均大于30dB，隔离度很好。其中，S31为Port3归一化传输电压波与Port1归一化入射电压波的比值。

如图6所示，本实用新型实施例的宽带毫米波波导分支定向耦合器的耦合端口的耦合度均在15dB左右，带内耦合平坦度控制在1.5dB范围内。其中，S41为Port4归一化传输电压波与Port1归一化入射电压波的比值。

Claims (6)

1.一种宽带毫米波波导分支定向耦合器，其特征在于，所述定向耦合器包括E面耦合的第一波导和第二波导，所述第一波导和第二波导互相平行，所述第一波导和第二波导之间设置有若干耦合缝隙，第一波导具有输入端口和直通端口，第二波导具有隔离端口和耦合端口，所述第一波导的耦合面上位于输入端口和直通端口处分别设置有阻抗变换器，所述第二波导的耦合面上位于隔离端口和耦合端口处分别设置有阻抗变换器。

2.根据权利要求1所述的宽带毫米波波导分支定向耦合器，其特征在于，所述耦合缝隙的数量为四个。

3.根据权利要求1或2所述的宽带毫米波波导分支定向耦合器，其特征在于，所述阻抗变换器呈三层阶梯状，为三阶阻抗变换器。

4.根据权利要求3所述的宽带毫米波波导分支定向耦合器，其特征在于，所述三阶阻抗变换器每一阶层沿毫米波传播方向上的长度为中心频率的1/4波导波长。

5.根据权利要求1或2所述的宽带毫米波波导分支定向耦合器，特征在于，所述耦合缝隙的深度为中心频率的1/4波导波长，所述各耦合缝隙的中心间距为中心频率的1/4波导波长。

6.根据权利要求1或2所述的宽带毫米波波导分支定向耦合器，其特征在于，所述第一波导和第二波导为矩形波导。