CN114156624A - 基于间隙波导结构的毫米波宽带低损耗定向耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于间隙波导结构的毫米波宽带低损耗定向耦合器，该定向耦合器通过机械加工技术实现，包括三个部分：金属底板，耦合板和金属盖板，金属底板由两个U型金属槽和其周围的方形金属销钉以及间隙波导到标准WR‑28波导的阶梯过渡转换结构构成；两个U型金属槽的拐角处都有设计切角以实现电场传播方向的改变；耦合板***到金属底板的金属槽中，和金属盖板直接相连，开有五个相同尺寸且对称分布的耦合缝隙，用于实现能量从主通道到副通道耦合；最上方是金属盖板，将整个结构进行封装。该定向耦合器工作在毫米波频段，具有宽带，低损耗和易加工等优点。
Description
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术领域，特别是一种基于间隙波导结构的毫米波宽带低损耗定向耦合器。
背景技术
现代无线通信***正朝着高频和高数据传输速率的方向发展，以适应未来通信的应用。毫米波具有极宽的带宽、波束窄、可靠性高和方向性好等优点，是未来无源器件的主要应用频段。
定向耦合器是微波和毫米波***中最重要的无源器件之一，被广泛应用在平衡放大器、混频器以及阵列天线的馈电网络等微波电路中。特别是0dB定向耦合器，被广泛应用在测量以及信号源的隔离和屏蔽中，而且0dB耦合器不能用后向波的耦合机制来实现。在毫米波频段，传统的一些传输线技术在性能、易集成性以及制造成本等方面有所缺陷。在微波毫米波器件设计中，最常用的平面传输线是微带线和带状线，它们经常被选择是因为易与其他有源器件集成以及制造简单。但是随着工作频率的增加，它们的损耗会越来越大，而且封装的时候会存在腔体谐振等问题。空腔波导通常适合高频和低损耗的应用，但是它们很难和有源器件集成，而且对加工精细度要求很高，所以也有一定的局限性。因此，毫米波频段的应用就需要新的可替代传统传输线的技术来实现。近年来，基片集成波导(Substrateintegrated waveguide,SIW)技术作为一种低损耗传输线被广泛应用在毫米波频段。然而，在设计微波毫米波无源器件时，比如说耦合器，会恶化SIW的低损耗特性，因为弯曲、开缝隙或者其他一些行为都会破坏SIW主模的特性。而且，在SIW中，电磁波是在介质中传播，所以当频率增加的时候，介质损耗也会大幅增加。间隙波导技术(Gap waveguide,GWG)的出现可以很好的解决上述问题。
间隙波导技术是基于平行板波导构成的新型低损耗传输线，一面是理想电导体(PEC)，另一面设计成周期性表面，这种周期性表面就是电磁带隙(EBG)结构，可以看作是理想磁导体，最典型的电磁带隙结构就是周期性的金属销钉和蘑菇型结构。当两个金属平板的间距小于或等于1/4工作波长时，这个间隙就会成为一个高阻区域，可以阻止一定频率范围内任何方向电磁波的传输，形成电磁带隙。跟传统的波导不同，间隙波导不需要两部分导体紧密相连来防止电磁波的泄漏。这样，就可以将整体结构分为几部分来加工，最后再进行合固装配，大大降低了加工难度。而且，相比于基底集成波导和微带线，因为间隙波导的电磁波是在空气中传播，所以大大地减少了介质损耗和导体损耗，非常适合毫米波段的电路和器件设计。
利用间隙波导技术设计的耦合器一般具有宽带低损耗的特性，且可以应用在毫米波频段，而且易加工。值得一提的是，基于间隙波导结构设计的耦合器可以轻松地应用到其他的毫米波频段，只需要改变销钉单元的尺寸产生相应的电磁带隙即可。所以，利用间隙波导技术设计新型毫米波宽带耦合器很有应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于间隙波导结构的毫米波宽带低损耗定向耦合器，实现了毫米波频段宽带的0dB耦合，整个结构由全金属加工制造而成，有效降低了介质损耗。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于间隙波导结构的毫米波宽带低损耗定向耦合器，该定向耦合器采用槽间隙波导技术的传输线结构，整个结构由全金属机械加工制造而成，包括金属底板、耦合板和金属盖板；
所述金属底板由两个U型金属槽和其周围的方形金属销钉，以及间隙波导到标准WR-28波导的阶梯过渡转换结构组成；
所述耦合板***到金属底板的金属槽中，顶部和金属盖板直接相连，中间开有五个相同尺寸且对称分布的耦合缝隙，用于实现能量从主通道到副通道耦合；
所述金属盖板位于耦合器最上方，将整个结构进行封装。
进一步的，U型金属槽的拐角处设计有两个切角，用于改变电场传播方向。
进一步的，两个U型金属槽位于金属底板之中，两个U型金属槽中间用耦合板隔开。
进一步的，U型金属槽周围的周期性金属销钉至少有2排。
进一步的，U型金属槽两边槽的高度和中间槽的高度不相等，阶梯过渡转换结构设置在U型金属槽拐角处，实现阻抗匹配。
进一步的，四个阶梯过渡转换结构分别位于切角之后的U型金属槽中。
进一步的，所述耦合器还包括4个输入输出端口，分别为输入端口、直通端口、耦合端口以及隔离端口，4个输入输出端口与U型金属槽直接相连。
进一步的，4个输入输出端口为标准WR-28波导法兰端口。
进一步的，金属盖板与金属底板上的方形金属销钉之间有一定高度的空气间隙。
进一步的，所述耦合板底部和U型金属槽平齐。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)该定向耦合器工作在30GHz的毫米波频段，采用了新型间隙波导技术，大大降低了加工难度，带内最大***损耗仅为0.2dB，相对工作带宽为14.7％，带内回波损耗和隔离均大于10dB，实现了宽带和低损耗；(2)本发明还设计了槽间隙波导到标准WR-28波导的宽带过渡转换结构，可以直接测量和使用；(3)相比于目前已报道的其他定向耦合器而言，本发明具有较宽的带宽和较低***损耗，且更易加工制造，装配简单等优点。
附图说明
图1为本发明所提出的基于间隙波导结构的毫米波宽带低损耗定向耦合器三维示意图。
图2为本发明所提出的基于间隙波导结构的毫米波宽带低损耗定向耦合器xoy面视图及其尺寸标注。
图3为本发明所提出的基于间隙波导结构的毫米波宽带低损耗定向耦合器xoz面视图和耦合板结构及其尺寸标注。
图4为本发明所提出的基于间隙波导结构的毫米波宽带低损耗定向耦合器的电场分布图。
图5为本发明所提出的基于间隙波导结构的毫米波宽带低损耗定向耦合器性能的仿真和测量结果。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明所提出的一种基于间隙波导结构的毫米波宽带低损耗定向耦合器实施例进行具体说明：
如图1所示，基于间隙波导结构的毫米波宽带低损耗定向耦合器，包括：金属底板1，分布在U型金属槽4周围的周期性方形金属销钉2，改变电场传播方向的切角3，槽间隙波导到标准WR-28波导的阶梯过渡转换结构5，金属盖板6(附图中，为了方便看到内部结构，移除了一部分)，有五个耦合缝隙的耦合板7，4个输入输出端口8。
在金属底板1上设计两个U型金属槽4，U型金属槽4拐角处设计两个切角3以改变电场方向。因为U型金属槽4两边槽的高度和中间槽的高度不相等，所以在拐角处引入了两级阶梯过渡转换结构5来实现阻抗匹配，在U型金属槽4周围有两排周期性方形金属销钉2以形成电磁带隙，使电磁波能沿着设计的金属槽进行传输，两个U型金属槽4后面都设计了到标准WR-28波导的过渡转换，因为U型金属槽4两边的槽的尺寸经过切角3和阶梯过渡转换结构5已经匹配到了标准WR-28波导的尺寸，所以可以直接和标准WR-28波导口相连，不会产生反射。耦合板7***到金属底板之中，底部和U型金属槽4平齐，上面和金属盖板6直接相连，中间开有五个相同尺寸且对称分布的耦合缝隙，用于实现能量从主通道到副通道耦合，合理设计耦合缝隙的尺寸和间距，可以让能量都耦合到端口3，最上方是金属盖板6，放在金属底板上面，和金属底板上的周期性金属销钉之间有一定的空气间隙。将整个结构进行封装，其输入输出端口8共有4个，分别为输入端口1、直通端口2、耦合端口3以及隔离端口4，由于结构对称性，输入输出端口相对位置可以相应顺序变化。
实施例
如图1所示，为本实施例所示的基于间隙波导结构的毫米波宽带低损耗定向耦合器三维示意图，该定向耦合器采用全金属机械加工制作而成。
如图2和图3所示，为上述基于间隙波导结构的毫米波宽带低损耗定向耦合器的尺寸标注。金属底板长度为80mm，宽度为60mm，高度为11.4mm，周期性方形金属销钉宽度为2.5mm，销钉之间间距为1.5mm，销钉高度为1mm，空气间隙为0.4mm，耦合板厚度hm为0.5mm，耦合板上耦合缝隙的长度和宽度分别为8mm和1mm，缝隙间距为3.5mm，U型金属槽4两边的宽度为3.556mm，中间的宽度为2.4mm，高度为7mm，切角的两边边长分别为3.8mm和1.8mm，阶梯过渡转换的第一级长度和高度为6mm和0.85mm，第二级长度和高度分别为4mm和1mm。标准WR-28波导口的长度和宽度分别为7.112mm和3.556mm。具体结构尺寸为：l1＝6mm,l2＝4mm,a1＝3.8mm,a2＝1.8mm,hm＝0.5mm,W1＝2.4mm,W2＝3.556mm,p＝4mm,d＝2.5mm,h1＝2mm,h2＝0.4mm,h3＝0.85mm,h4＝1mm,h5＝7.112mm,hg＝7mm,ls＝8mm,Ws＝1mm,p1＝3.5mm。
图4为根据本发明所提出的一种基于间隙波导结构的毫米波宽带低损耗定向耦合器的电场分布图，从图中可以看出能量基本全部从输入端口1耦合到了端口3。
图5为本发明仿真结果图，可以观察到，在27.1GHz至31.5GHz频带范围内测量的最大***损耗在0.2dB左右，带内平均***损耗小于0.4dB，带内输入回波损耗优于与隔离均优于10dB。
Claims (10)
1.一种基于间隙波导结构的毫米波宽带低损耗定向耦合器，其特征在于，该定向耦合器采用槽间隙波导技术的传输线结构，整个结构由全金属机械加工制造而成，包括金属底板(1)、耦合板(7)和金属盖板(6)；
所述金属底板(1)由两个U型金属槽(4)和其周围的方形金属销钉(2)，以及间隙波导到标准WR-28波导的阶梯过渡转换结构(5)组成；
所述耦合板(7)***到金属底板(1)的U型金属槽(4)中，顶部和金属盖板(6)直接相连，中间开有五个相同尺寸且对称分布的耦合缝隙，用于实现能量从主通道到副通道耦合；
所述金属盖板(6)位于耦合器最上方，将整个结构进行封装。
2.根据权利要求1所述的基于间隙波导结构的毫米波宽带低损耗定向耦合器，其特征在于，所述U型金属槽(4)的拐角处设计有两个切角(3)，用于改变电场传播方向。
3.根据权利要求2所述的基于间隙波导结构的毫米波宽带低损耗定向耦合器，其特征在于，两个U型金属槽(4)位于金属底板(1)之中，两个U型金属槽(4)中间用耦合板(7)隔开。
4.根据权利要求2所述的基于间隙波导结构的毫米波宽带低损耗定向耦合器，其特征在于，所述U型金属槽(4)周围的周期性方形金属销钉(2)至少有2排。
5.根据权利要求2所述的基于间隙波导结构的毫米波宽带低损耗定向耦合器，其特征在于，U型金属槽(4)两边槽的高度和中间槽的高度不相等，阶梯过渡转换结构(5)设置在U型金属槽(4)拐角处，实现阻抗匹配。
6.根据权利要求5所述的基于间隙波导结构的毫米波宽带低损耗定向耦合器，其特征在于，四个阶梯过渡转换结构(5)分别位于切角(3)之后的U型金属槽(4)中。
7.根据权利要求1所述的基于间隙波导结构的毫米波宽带低损耗定向耦合器，其特征在于，所述耦合器还包括4个输入输出端口(8)，分别为输入端口、直通端口、耦合端口以及隔离端口，4个输入输出端口(8)与U型金属槽(4)直接相连。
8.根据权利要求7所述的基于间隙波导结构的毫米波宽带低损耗定向耦合器，其特征在于，4个输入输出端口(8)为标准WR-28波导法兰端口。
9.根据权利要求1所述的基于间隙波导结构的毫米波宽带低损耗定向耦合器，其特征在于，所述金属盖板(6)与金属底板(1)上的方形金属销钉(2)之间有一定高度的空气间隙。
10.根据权利要求1所述的基于间隙波导结构的毫米波宽带低损耗定向耦合器，其特征在于，所述耦合板(7)底部和U型金属槽(4)平齐。
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