具有高耦合平坦度的微波导毫米波脊波导双定向耦合器

1.本发明属于耦合器技术领域，具体涉及一种具有高耦合平坦度的微波导毫米波脊波导双定向耦合器。


背景技术：

2.定向耦合器是一种微波系统中重要的多端口宽带匹配网络，常用于系统网络中的功率分配与合成，同时还可以进行信号相位的转换。在微波领域中，定向耦合器广泛应用于频率变换器、滤波器、功率分配器和天线馈电网络等各类型微波电路中。现阶段随着技术的进步，定向耦合器的工作频带不断提高，太赫兹的应用以及微波系统精度的提高对定向耦合器的设计提出了更高的要求。
3.定向耦合器根据结构不同可分为多种类型，如波导定向耦合器、微带线定向耦合器、同轴线定向耦合器、和带状线定向耦合器等。波导定向耦合器通常通过在两波导公共壁开孔来实现信号的耦合。单孔的波导定向耦合器往往工作在极窄的带宽内，为了提高波导定向耦合器的工作带宽，常用的方法是在波导的公共壁开设更多的耦合小孔。但随着工作带宽的提高，耦合度随着频率的变化会产生明显的波动，对工程应用带来了一定程度的影响。


技术实现要素：

4.本发明旨在提供一种新型的脊波导定向耦合器，以解决上述提出的宽带波导定向耦合器存在的带宽内耦合度波动明显的问题，从而满足工程应用上对耦合信号强度在较小范围内波动的要求。
5.为达到上述目的，本发明提供一种具有高耦合平坦度的微波导毫米波脊波导双定向耦合器，包括作为微波主传输通道的主脊波导、作为信号取样通道的副脊波导以及耦合小孔，副脊波导平行设置在主脊波导两侧；
6.主脊波导的结构为上下不同脊的双脊波导；副脊波导为单脊波导，且两侧的副脊波导结构和尺寸均相同；主脊波导两侧分别通过耦合小孔与副脊波导连通，耦合小孔用于连通主副波导并作为耦合通道。
7.本发明的进一步改进在于，主脊波导的上脊与下脊的宽边s相同，下脊窄边d1和上脊窄边d2的比值范围为3:1～3:2。
8.本发明的进一步改进在于，副脊波导设置有下脊，副脊波导的下脊尺寸与主脊波导的下脊尺寸相同。
9.本发明的进一步改进在于，主脊波导和副脊波导沿波导窄壁并排放置。
10.本发明的进一步改进在于，耦合孔与主副脊波导的h面位于同一平面。
11.本发明的进一步改进在于，耦合小孔的数量由工作频带宽度确定，工作频带越宽所需耦合小孔的数量越多。
12.本发明的进一步改进在于，耦合小孔等间距排列，耦合小孔中心之间的距离等于
波导波长λg的四分之一。
13.本发明的进一步改进在于，耦合小孔关于中心位置对称分布，中心位置的耦合小孔最大，向两端延伸耦合小孔的大小依次递减。
14.本发明的进一步改进在于，耦合小孔的截面为矩形或圆形，或设计为耦合缝隙。
15.本发明的进一步改进在于，工作频段为170ghz-260ghz，s
11
在-25db以下。
16.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
17.本发明提供的具有高耦合平坦度的微波导毫米波脊波导双定向耦合器，信号通过波导h面进行耦合，主副波导结构上的差异使得该耦合器相对于传统脊波导耦合器在其工作频带较低频率处的耦合量有所下降，最终使得整个带宽上，耦合平坦度相对提高，同时保持了耦合器良好的方向性、较好的隔离度以及较小的插入损耗。与现有技术相比，本发明提供了一种较好的提高定向耦合器耦合平坦度的方法，能够满足工程上对耦合功率波动提出的更高要求。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面对发明描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1示意性示出了本发明提出的双定向耦合器的结构示意图；
20.图2示意性示出了本发明提出的双定向耦合器的主视图；
21.图3示意性示出了本发明提出的双定向耦合器耦合小孔切面图；
22.图4示意性示出了本发明提出的双定向耦合器的s参数图；
23.图5示意性示出了本发明提出的双定向耦合器的方向性图；
24.图6示意性示出了本发明提出的双定向耦合器与传统定向耦合器的耦合度带宽内波动对比图。
25.附图中，1-主脊波导，2-两侧副脊波导，3-耦合小孔，4-下脊，5-上脊，6-第一副脊波导下脊，7-第二副脊波导下脊，11-第一端口，12-第二端口，21-第三端口，22-第四端口，23-第五端口，24-第六端口。
具体实施方式
26.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。以下特定例子所描述的结构形式和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
27.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆
盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
28.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
29.本发明实施例公开的毫米波耦合系数高平坦度双定向耦合器，包括作为微波主传输通道的主脊波导1、作为信号取样通道的两侧副脊波导2、以及用于连通主副波导作为耦合通道的耦合小孔3。
30.主脊波导1和两个副脊波导2以波导h面为公共壁平行放置，主脊波导1和两个副脊波导2相互隔离，通过耦合通道3进行信号耦合。主脊波导1和两个副脊波导2的长边a、宽边b以及长度l均相同，波导尺寸由其工作频带决定。其中主脊波导1为双脊波导，在主脊波导的下壁和上壁中心位置分别存在下脊4和上脊5。下脊4和上脊5的长度与波导长度l相同，其宽边s尺寸相同，窄边d1与d2的比值范围为3:1～3:2。第一副脊波导和第二副脊波导均为单脊波导，第一副脊波导和第二副脊波导波导下壁分别设有第一副脊波导下脊6和第二副脊波导下脊7，第一副脊波导下脊6和第二副脊波导下脊7尺寸与主脊波导的下脊4尺寸完全相同。耦合小孔3的形状为矩形孔、圆形孔或其他多边形形状，也可以设计为耦合缝隙，耦合小孔3关于波导中心等间距分布，中间尺寸最大，向两侧依次减小。
31.按照如下尺寸制作上述毫米波耦合系数高平坦度双定向耦合器：
32.耦合器轴向长度l取15mm，主脊波导和两侧副脊波导的长边a为0.9mm，窄边b的尺寸为0.45mm。主脊波导的下脊长边尺寸为0.2mm，窄边尺寸为0.15mm，上脊长边尺寸为0.2mm，窄边尺寸为0.1mm。两侧副脊波导中的脊长边尺寸均为0.2mm，窄边尺寸均为0.15mm。所述实施例中，耦合小孔采用方形通孔，小孔贯通主脊波导和两侧副脊波导的公共壁，高度与波导窄边尺寸相同，均为0.45mm。耦合小孔的中心距为0.53mm，中间耦合小孔的尺寸为0.42mm，小孔向两边逐渐变小，相邻小孔的尺寸相差0.01mm，本实施例采用19个耦合小孔进行信号耦合。
33.本实施例所述的具有高耦合平坦度的微波导毫米波脊波导双定向耦合器工作频段为170ghz-260ghz。该双定向耦合器包括六个端口，在工作频段内，第一端口11为主脊波导端口，第一端口11和第二端口12同为信号输入和输出端口，从第一端口11输入的信号将从第二端口12输出，其中一部分信号被耦合到第四端口22，第三端口21为隔离端口，接吸波负载；从第二端口12输入的信号将从第一端口11输出，其中一部分信号被耦合到第五端口23，第六端口24为隔离端口，接吸波负载。在无线通信系统中，，双定向耦合器将两个不同的信号源进行耦合，使它们同时在电路中共存，并且可以在两个方向上进行传输。如图6所示，该实施例在170-260ghz的工作频带内都能保证在-25db以下，都能保持在-35db以下，基本为0db，保持在10db左右，说明该实施例能够在相当宽的带宽内保持较好的耦合性能。图5表明在整个工作频带内，该实施例的方向性都能保持在-25db以下，说明该实施例有良好的方向性。为了凸显该实施例与传统脊波导定向耦合器的差别，在图6中我们将本发明提出的双定向耦合器与传统定向耦合器的耦合度波动进行了对比，结果表明该实施例耦合度波动明显小于传统结构的脊波导定向耦合器。
34.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然
可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，如调整主脊波导上、下脊的窄边长度，更改耦合孔的形状等，未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种具有高耦合平坦度的微波导毫米波脊波导双定向耦合器，其特征在于，包括作为微波主传输通道的主脊波导(1)、作为信号取样通道的副脊波导(2)以及耦合小孔(3)；副脊波导(2)平行设置在主脊波导(1)两侧；主脊波导(1)的结构为上下不同脊的双脊波导；副脊波导(2)为单脊波导，且两侧的副脊波导结构和尺寸均相同；主脊波导(1)两侧分别通过耦合小孔(3)与副脊波导(2)连通，耦合小孔(3)用于连通主副波导并作为耦合通道。2.根据权利要求1所述的具有高耦合平坦度的微波导毫米波脊波导双定向耦合器，其特征在于，主脊波导(1)的上脊与下脊的宽边s相同，下脊窄边d1和上脊窄边d2的比值范围为3:1～3:2。3.根据权利要求1所述的具有高耦合平坦度的微波导毫米波脊波导双定向耦合器，其特征在于，副脊波导(2)设置有下脊，副脊波导(2)的下脊尺寸与主脊波导(1)的下脊尺寸相同。4.根据权利要求1所述的具有高耦合平坦度的微波导毫米波脊波导双定向耦合器，其特征在于，主脊波导(1)和副脊波导(2)沿波导窄壁并排放置。5.根据权利要求1所述的具有高耦合平坦度的微波导毫米波脊波导双定向耦合器，其特征在于，耦合孔(3)与主副脊波导的h面位于同一平面。6.根据权利要求5所述的具有高耦合平坦度的微波导毫米波脊波导双定向耦合器，其特征在于，耦合小孔(3)的数量由工作频带宽度确定，工作频带越宽所需耦合小孔(3)的数量越多。7.根据权利要求5所述的具有高耦合平坦度的微波导毫米波脊波导双定向耦合器，其特征在于，耦合小孔(3)等间距排列，耦合小孔(3)中心之间的距离等于波导波长λ
g
的四分之一。8.根据权利要求5所述的具有高耦合平坦度的微波导毫米波脊波导双定向耦合器，其特征在于，耦合小孔(3)关于中心位置对称分布，中心位置的耦合小孔最大，向两端延伸耦合小孔的大小依次递减。9.根据权利要求5所述的具有高耦合平坦度的微波导毫米波脊波导双定向耦合器，其特征在于，耦合小孔(3)的截面为矩形或圆形，或设计为耦合缝隙。10.根据权利要求1所述的具有高耦合平坦度的微波导毫米波脊波导双定向耦合器，其特征在于，工作频段为170ghz-260ghz，s
11
在-25db以下。

技术总结
本发明公开了一种毫米波耦合系数高平坦度双定向耦合器，该耦合器具体包括作为微波主传输通道的主脊波导、作为信号取样通道的副脊波导以及耦合小孔，副脊波导平行设置在主脊波导两侧；主脊波导的结构为上下不同脊的双脊波导；副脊波导为单脊波导，且两侧的副脊波导结构和尺寸均相同；主脊波导两侧分别通过耦合小孔与副脊波导连通，耦合小孔用于连通主副波导并作为耦合通道。微波信号从主脊波导一端输入，绝大部分信号能量传输至主脊波导另一端，少部分信号能量通过主脊波导H面的耦合通道耦合到副脊波导中。本发明提供的脊波导双定向耦合器适用于微波、毫米波、太赫兹领域，其拥有耦合输出平坦度高、工作频带宽，回波损耗低，方向性好等优点。性好等优点。性好等优点。


技术研发人员：郭诚 杨倩 张安学 弋航 盛靖超
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/8/16