CN115832660A - 一种新型易加工的超宽带太赫兹正交模耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型易加工的超宽带太赫兹正交模耦合器，属于电子元器件技术领域。本发明的过渡波导为具有两对对称双脊的方波导，两对对称双脊分别为双内脊和双外脊；双内脊位于该方波导垂直方向，以形成双内脊波导，双外脊波导位于该方波导水平方向，以形成双外脊波导；双内脊波导和双外脊波导的脊相互垂直；过渡波导靠近第二矩形波导的一端为阶梯腔，靠近第一方波导的一端为矩形腔；其宽度沿第一方波导方向逐渐增宽。该过渡波导能够代替传统正交模耦合器中“方波导‑矩形波导”的过渡结构，实现了两个正交极化模式的电磁波分离，且独立传输。解决了现有太赫兹正交模耦合器存在的加工难度大、生产成本高等问题。
Description
技术领域
本发明涉及电子元器件技术领域，尤其涉及一种新型易加工的超宽带太赫兹正交模耦合器。
背景技术
随着通信技术的不断发展，各种如 GSM、CDMA、WIFI、WiMAX、WLAN 和 LTE 的通信标准和制式不断提出，使得频谱资源越来越拥挤。太赫兹频段凭借其天然具有的宽频带特性以及可以接受的电磁传播特性受到越来越多的关注，成为目前无线通信领域广泛研究的热点技术之一。目前，太赫兹频段的无线***大多基于频分多工（FDM）技术，将总的频谱划分为多个相互独立的频带，用于不同信号的传输。FDM***通信模式简单，其单个通带仅用于一种信号的传输，对频谱的利用率不高；另外由于各个通带间隔极小，在复杂的电磁环境下，通带间不同信号的串扰无法消除，会恶化通信网络的稳定性，因此需要额外的信号处理过程或通带隔离模块来消除通带间干扰带来的问题，提高了通信***的成本。
为提高频谱资源利用率和通信网络的稳定性，有关方面研究学者提出了正交极化多工技术（OPM），即在同一个通带内同时传输两种极化方向彼此正交的信号。 OPM***能够在同一个通带内同时传输两种极化信号，其单通道的传输容量为FDM***的两倍，提高了频谱资源利用率；极化方向彼此正交的两种信号之间存在天然的隔离，通过采用极化分集手段可以提高整个通信网络的稳定性等，无需额外的处理来保证通信质量，大大缩减了***成本。
正交模耦合器是OPM***中的重要组成部件，其也行直接影响到整个***的通信质量。目前，在微波以及毫米波频段，各种类型的正交模耦合器层出不穷，比如Turnstile结构、Boifot形式和Side-arm结构等多种设计形式。图1（a）是传统正交模耦合器的一种实现形式,其腔体内加载堆叠式金属，图1（b）是传统正交模耦合器的另一种实现形式，其腔体内加载膜片。如图1（a）、图1（b）所示，传统正交模耦合器，往往利用堆叠式金属结构金属柱或者膜片等方式实现对称的结构，将两个正交极化信号的传输路径分离，进而实现正交极化信号之间的隔离。由于微波器件的加工尺寸随着工作频率的提高逐渐减小，在太赫兹频段，传统的正交模耦合器中常用的超薄膜片或者复杂堆叠式金属结构，难以保证其加工准确性，导致加工后的产品性能不尽如人意。因此，亟待提出相应的方案来解决太赫兹正交模耦合器加工难度大、生产成本高的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型易加工的超宽带太赫兹正交模耦合器，以解决现有太赫兹正交模耦合器存在的加工难度大、生产成本高等问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种新型易加工的超宽带太赫兹正交模耦合器，包括：过渡波导、第一矩形波导、第二矩形波导、第一方波导、反向耦合器、第一180度E面弯曲波导、第二180度E面弯曲波导、Y型波导以及90度H面弯曲波导；
所述过渡波导的一端连接第一方波导，另一端连接第二矩形波导；过渡波导为具有两对对称双脊的方波导，两对对称双脊分别为双内脊和双外脊；双内脊位于该方波导垂直方向，以形成双内脊波导，双外脊波导位于该方波导水平方向，以形成双外脊波导；双内脊波导和双外脊波导的脊相互垂直；过渡波导靠近第二矩形波导的一端为阶梯腔，靠近第一方波导的一端为矩形腔；其宽度W沿第一方波导方向逐渐增宽；
所述反向耦合器包括第一反向耦合器和第二反向耦合器，第一反向耦合器和第二反向耦合器分别位于双内脊波导两侧，并与双内脊波导相连；
所述Y型波导的第一端经第一180度E面弯曲波导与第一反向耦合器相连，第二端经第二180度E面弯曲波导与第二反向耦合器相连，第三端与第一矩形波导相连；
所述90度H面弯曲波导的一端与双外脊波导相连，另一端与第二矩形波导相连，用于转变双外脊波导输出的垂直极化信号的方向。
进一步的，所述第一矩形波导和第二矩形波导均为WR-4.3标准波导。
进一步的，所述过渡波导靠近第二矩形波导的一端为三级阶梯腔，其宽度W沿第一方波导方向采用两级增宽。
本发明将具有两对对称双脊的方波导作为过渡波导，以代替传统正交模耦合器中“方波导-矩形波导”的过渡结构。一方面优化了过渡波导内部的特性阻抗，使其可以在更宽频带的范围实现阻抗匹配，提高了正交模耦合器的工作带宽和隔离度；另一方面避免了超薄膜片或堆叠式金属结构的使用，降低了结构复杂度和加工难度，使得该设计可以在太赫兹频段广泛实现。
附图说明
图1（a）是传统正交模耦合器的一种实现形式,其腔体内加载堆叠式金属；
图1（b）是传统正交模耦合器的另一种实现形式，其腔体内加载膜片；
图2（a）是本发明超宽带太赫兹正交模耦合器中过渡波导的双内脊波导示意图；
图2（b）是本发明超宽带太赫兹正交模耦合器中过渡波导的双外脊波导示意图；
图3是本发明超宽带太赫兹正交模耦合器中的过渡波导结构图；
图4 是不同波导结构中特性阻抗值；
图5 是本发明的超宽带太赫兹正交模耦合器中结构图；
图6（a）是本发明超宽带太赫兹正交模耦合器中在在 WR-4.3波段回波损耗及***损耗仿真结果图；
图6（b）是本发明超宽带太赫兹正交模耦合器中在在 WR-4.3波段隔离度仿真结果图；
附图标记：
1、过渡波导；2、第一矩形波导；3、第二矩形波导；4、第一方波导；5、第一反向耦合器；6、第二反向耦合器；7、第一180度E面弯曲波导；8、第二180度E面弯曲波导；9、Y型波导；10、90度H面弯曲波导。
实施方式
下面结合附图和具体实施例对详述本发明技术方案。
如图5所示，本实施例提供的一种新型易加工的超宽带太赫兹正交模耦合器，包括过渡波导1、第一矩形波导2、第二矩形波导3、第一方波导4、反向耦合器、第一180度E面弯曲波导7、第二180度E面弯曲波导8、Y型波导9以及90度H面弯曲波导10。
如图3所示，所述过渡波导1的一端连接第一方波导4，另一端连接第二矩形波导3。过渡波导1为具有两对对称双脊的方波导，两对对称双脊分别为双内脊和双外脊。如图2（a）双内脊位于该方波导垂直方向，以形成双内脊波导；如图2（b）所示，双外脊位于该方波导水平方向，以形成双外脊波导；双内脊波导和双外脊波导的脊相互垂直。过渡波导1靠近第二矩形波导3的一端为三级阶梯腔，靠近第一方波导4的一端为矩形腔；其宽度W沿第一方波导4方向逐渐增宽，本实施例采用两级增宽。
所述反向耦合器包括第一反向耦合器5和第二反向耦合器6，第一反向耦合器5和第二反向耦合器6分别位于双内脊波导两侧，并与第一180度E面弯曲波导7和第二180度E面弯曲波导8相连。
所述Y型波导9的第一端经第一180度E面弯曲波导7与第一反向耦合器5相连，第二端经第二180度E面弯曲波导8与第二反向耦合器6相连，第三端与第一矩形波导2。
所述90度H面弯曲波导10的一端与双外脊波导相连，另一端与第二矩形波导3相连，用于转变双外脊波导输出的垂直极化信号的方向。
第一矩形波导2用于传输水平极化信号，第二矩形波导3用于传输垂直极化信号，第一180度E面弯曲波导7和第二180度E面弯曲波导8用于实现水平极化信号的反向，第一方波导4用于同时传输水平极化信号和垂直极化信号。对于水平极化信号，通过过渡波导1中的双外脊波导、第一双反向耦合器5及第二反向耦合器6实现了与垂直极化信号的分离，再经过第一180°E面弯曲波导7和Y型波导9由第一矩形波导2输出；对于垂直极化信号，经过过渡波导1实现了与水平极化信号的分离，再利用90°H面弯曲结构10由垂直极化第二矩形波导3输出。
过渡波导1作为本实施例太赫兹超宽带正交模耦合器的核心结构，其双内脊波导和双外脊波导如图3所示，双内脊波导和双外脊波导的脊相互垂直，使过渡波导1在水平方向和垂直方向上都具有对称性，从而实现了两个正交极化模式的电磁波分离，且独立传输。一方面避免了超薄膜片或堆叠式金属结构的使用，降低了结构复杂度和加工难度，使得该设计可以在太赫兹频段广泛实现；另一方面优化了过渡波导1内部的特性阻抗，实现更宽频带范围内的阻抗匹配，拓宽正交模耦合器的工作带宽。
图4 不同波导结构中特性阻抗值，如图4所示，在方波导中，特性阻抗波动很大，最大值与最小值相差306ohm，平均值高达792ohm；矩形波导中的特性阻抗波动很小，最大值与最小值相差153ohm，平均值仅为396ohm；所以“方波导-矩形波导”的连接结构很难实现宽频带的阻抗匹配效果。在本实施例的过渡波导1中，其中双内脊波导特性阻抗最大值与最小值相差111ohm，平均值为488ohm；双外脊波导特性阻抗波动最大值与最小值相差129ohm，平均值为551ohm，其特性阻抗波动小，因此能够实现更宽宽频带范围内的阻抗匹配，拓宽正交模耦合器的工作带宽。
实施例
对上述太赫兹超宽带正交模耦合器正交耦合器进行仿真。在该正交耦合器中，第一矩形波导2、第二矩形波导3及第一方波导4均选用WR-4.3标准波导，其中第一矩形波导2和第二矩形波导3尺寸均为a×b=1.092mm*0.546mm，第一方波导4尺寸为a×b=1.092mm*1.092mm。以WR-4.3波段（170-260GHz）为例，仿真结果表明，本实施例的正交耦合器在WR-4.3全频段，即170-260GHz范围内使用时，相对带宽达到42%。
图6（a）是本发明超宽带太赫兹正交模耦合器中在在 WR-4.3波段回波损耗及***损耗仿真结果图；图6（b）是本发明超宽带太赫兹正交模耦合器中在在 WR-4.3波段隔离度仿真结果图。由图6（a）、图6（b）可知，在整个WR-4.3频段范围内，两种极化信号的回波损耗均优于20dB，***损耗优于0.4dB，实现了超宽带的传输效果。同时，两种极化信号间的隔离度优于62dB，实现了超高的隔离度，保证了两种极化信号之间互不干扰。
综上可见，本实施例的太赫兹超宽带正交模耦合器，将具有两对对称双脊的方波导作为过渡波导1，以代替传统正交模耦合器中“方波导-矩形波导”的过渡结构。与传统的正交模耦合器相比，本发明结构简易、易于实现、且工作带宽超过40%，隔离度优于60dB，大幅提高了正交模耦合器的性能。
通过上述案例可以说明，本发明提出的新型易加工的超宽带太赫兹正交模耦合器可以在相应频段内实现良好的工作状态。本发明提出的方案和思路可以为其他的太赫兹频段正交模耦合器的设计提供借鉴，通过合理调整各结构的尺寸即可调整工作频段，且结构简单易加工，可以有效推广到其他太赫兹频段进行设计和使用。
Claims (3)
1.一种新型易加工的超宽带太赫兹正交模耦合器，包括过渡波导、第一矩形波导、第二矩形波导、第一方波导、反向耦合器、第一180度E面弯曲波导、第二180度E面弯曲波导、Y型波导以及90度H面弯曲波导，其特征在于：
所述过渡波导的一端连接第一方波导，另一端连接第二矩形波导；过渡波导为具有两对对称双脊的方波导，两对对称双脊分别为双内脊和双外脊；双内脊位于该方波导垂直方向，以形成双内脊波导，双外脊波导位于该方波导水平方向，以形成双外脊波导；双内脊波导和双外脊波导的脊相互垂直；过渡波导靠近第二矩形波导的一端为阶梯腔，靠近第一方波导的一端为矩形腔；其宽度沿第一方波导方向逐渐增宽；
所述反向耦合器包括第一反向耦合器和第二反向耦合器，第一反向耦合器和第二反向耦合器分别位于双内脊波导两侧，并与双内脊波导相连；
所述Y型波导的第一端经第一180度E面弯曲波导与第一反向耦合器相连，第二端经第二180度E面弯曲波导与第二反向耦合器相连，第三端与第一矩形波导相连；
所述90度H面弯曲波导的一端与双外脊波导相连，另一端与第二矩形波导相连，用于转变双外脊波导输出的垂直极化信号的方向。
2.根据权利要求1所述的一种新型易加工的超宽带太赫兹正交模耦合器，其特征在于：所述第一矩形波导和第二矩形波导均为WR-4.3标准波导。
3.根据权利要求1或2所述的一种新型易加工的超宽带太赫兹正交模耦合器，其特征在于：所述过渡波导靠近第二矩形波导的一端为三级阶梯腔，其宽度沿第一方波导方向采用两级增宽。
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