基于模式合成的交叉耦合器及构建方法、阻抗匹配结构

技术领域

本发明涉及毫米波通信技术领域，尤其涉及基于模式合成的交叉耦合器及构建方法、阻抗匹配结构。

背景技术

近年来，随着世界各国陆续发布第五代移动通信(5G)毫米波频谱规划，在全球范围内毫米波通信研发和产业化步入快速发展轨道。与传统微波通信相比，毫米波因其波长短，带宽较宽的特点，可有效解决6GHz以下微波无线通信中频谱紧张的问题，实现超高速率无线通信。但毫米波大气传输损耗较高，在毫米波通信系统中通常需要天线具备高增益特性以补偿链路损耗。然而，天线增益的提高无可避免的带来了窄波束问题，单一波束所能覆盖的范围因而减小。为了提升波束覆盖范围，多波束成为未来毫米波特性系统必不可少的技术。

巴特勒矩阵是实现多波束天线的一种馈电网络。其具有尺寸紧凑的优势，因而近年来成为研究热点。交叉耦合器是构建巴特勒矩阵的关键部件，其插入损耗、工作带宽、端口隔离度是衡量该器件性能的关键指标。传统的基于矩形波导设计的交叉耦合器存在带宽窄以及结构复杂加工难度大的缺点。例如传统的基于矩形波导设计的交叉耦合器一般在交叉耦合器的中心填充介电材料或者插入金属通孔得到。前者通过选择不同的介电材料以及不同的填充形状来实现交叉耦合器，然而这种方式对介电材料的介电常数和形状要求较高，结构相对复杂。后者则对金属通孔的尺寸要求较高，对加工工艺精度有着严格的要求。并且两种结构所得到的交叉耦合器工作带宽都较窄，所以传统的基于矩形波导的交叉耦合器在毫米波频段应用存在一定难度。因此设计一款宽带宽、结构简单的交叉耦合器十分有必要。

发明内容

为了解决目前基于矩形波导设计的交叉耦合器存在带宽窄及结构复杂的问题，本发明第一方面提供一种基于模式合成的交叉耦合器，包括本体，所述交叉耦合器本体包括两个隔板极化器，两个隔板极化器对称级联形成本体。

采用以上技术方案，所述本体包括方波导区域、第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述本体的一端设有第一端口和第二端口，所述本体的另一端设有第三端口和第四端口，所述本体的中部设有方波导区域。

采用以上技术方案，隔板极化器包括两个矩形波导端口和方波导输出端口，两个隔板极化器的方波导输出端口级联构成本体的方波导区域，其中一个隔板极化器的两个矩形波导端口构成本体的第一端口和第二端口，另一个隔板极化器的两个矩形波导端口构成本体的第四端口和第三端口。

采用以上技术方案，隔板极化器包括矩形波导和阶梯状隔板，所述矩形波导内插设有阶梯状隔板。

本发明第二方面提供一种基于模式合成的交叉耦合器构建方法，包括隔板极化器在偶模激励模式下和奇模激励模式下叠加构建本体。

采用以上技术方案，在所述偶模激励模式下，当隔板极化器的两个矩形波导端口输入等幅同相的激励时，在方波导输出端口输出TE10模式的电磁波；在所述奇模激励模式下，当隔板极化器的方波导输出端口输入等幅反相的激励时，两个矩形波导里的电流在阶梯状隔板处发生耦合，在方波导输出端口输出TE01模式的电磁波。

采用以上技术方案，在仅激励隔板极化器的一个端口时，在方波导输出端口叠加输出有TE10模式和TE01模式的电磁波，TE10模式的电磁波和TE01模式的电磁波由于阶梯状隔板的作用产生了90°相位差。

采用以上技术方案，当方波导区域传输的是左旋极化波时，输入和输出分别为本体的第一端口和第四端口；当方波导区域传输的是右旋极化波时，输入和输出分别为本体的第二端口和第三端口。

本发明第三方面提供一种阻抗匹配结构，包括上述的基于模式合成的交叉耦合器。

采用以上技术方案，该阻抗匹配结构还包括：

波导端口，用于输入或输出信号；

波导转换匹配段，所述波导转换匹配段分别耦合波导端口和交叉耦合器，用于对从波导端口输入的信号进行波导转换匹配后馈入交叉耦合器，或用于对从交叉耦合器馈出的信号进行波导转换匹配后输入波导端口。

本发明的有益效果：与传统的交叉耦合器结构相比较而言，本发明交叉耦合器由两个隔板极化器对称级联而成，采用模式合成的方法由隔板极化器在奇模和偶模两种激励模式下叠加得到交叉耦合器，该交叉耦合器不仅具有宽频带、低插入损耗和高隔离度的优点，而且结构简单紧凑，易于加工，使得基于矩形波导设计的交叉耦合器在毫米波段可以广泛应用，能够满足全性能试验和交叉耦合器基本测试性能。

附图说明

图1是本发明实施例1基于模式合成的交叉耦合器的结构示意图。

图2是本发明实施例1中隔板极化器的结构示意图。

图3是本发明实施例1中隔板极化器端口A和端口B等效激励情况的说明示意图。

图4是本发明实施例1中偶模激励模式下端口A和端口B激励的相位和幅度关系的说明示意图。

图5是本发明实施例1中由HFSS绘出的偶模激励模式下的电场分布的示意图。

图6是本发明实施例1中奇模激励模式下端口A和端口B激励的相位和幅度关系的说明示意图。

图7是本发明实施例1中由HFSS绘出的奇模激励模式下的电场分布的示意图。

图8是本发明实施例1中激励从端口A输入时隔板极化器在方波导区域的电场分布的示意图。

图9是本发明实施例1中偶模激励模式下TE10模式的电场分布的示意图。

图10是本发明实施例1中奇模激励模式下TE01模式的电场分布的示意图。

图11是本发明实施例1中端口A被激励时交叉耦合器的电场分布的示意图。

图12是本发明实施例1中交叉耦合器的S参数曲线图。

图13是本发明实施例2阻抗匹配结构的结构示意图。

图14是本发明实施例2中波导转换匹配段的结构示意图。

图中标号说明：1、本体；11、第一端口；12、第二端口；13、第三端口；14、第四端口；15、方波导区域；21、端口A；22、端口B；23、方波导输出端口；31、第一波导端口；32、第二波导端口；33、第三波导端口；34、第四波导端口；4、波导转换匹配段；41、阻抗匹配部；42、弯波导。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例1

参照图1和图2所示，本发明实施例1提供一种基于模式合成的交叉耦合器，包括本体1，交叉耦合器本体1包括两个隔板极化器，两个隔板极化器对称级联形成本体1，隔板极化器通过在矩形波导中插入阶梯状隔板得到，与传统的交叉耦合器相比，本发明交叉耦合器由两个隔板极化器对称级联而成，具有结构简单、紧凑以及易于加工的优势。

请继续参照图1所示，本体1包括方波导区域15、第一端口11、第二端口12、第三端口13和第四端口14，本体1的一端设有第一端口11和第二端口12，本体1的另一端设有第三端口13和第四端口14，本体1的中部设有方波导区域15。具体的，请继续参照图2所示，隔板极化器包括两个矩形波导端口和方波导输出端口23，两个隔板极化器的方波导输出端口23级联构成本体1的方波导区域15，其中一个隔板极化器的两个矩形波导端口构成本体1的第一端口11和第二端口12，另一个隔板极化器的两个矩形波导端口构成本体1的第四端口14和第三端口13。假设隔板极化器的两个矩形波导端口分别为端口A21和端口B22，那么两个隔板极化器在对称级联后，其中一个隔板极化器的端口A21和端口B22对应本体1的第一端口11和第二端口12，另一个隔板极化器的端口A21和端口B22对应本体1的第四端口14和第三端口13。

参照图3所示，本发明采用模式合成的方法由隔板极化器在偶模激励模式下和奇模激励模式下叠加构建该交叉耦合器，具体构建方法如下文所示(假设隔板极化器的两个矩形波导端口分别为端口A21和端口B22)。

在偶模激励模式下，隔板极化器的工作情况如下：

当隔板极化器的端口A21和端口B22输入等幅同相的激励时，阶梯状隔板不会对前后两个矩形波导里的电流产生影响，因此在方波导输出端口23输出TE10模式的电磁波，关于偶模激励模式下端口A21和端口B22激励的相位和幅度关系如图4所示，由HFSS绘出的偶模激励模式下的电场分布如图5所示。

在奇模激励模式下，隔板极化器的工作情况如下：

当隔板极化器的端口A21和端口B22输入等幅反相的激励时，阶梯状隔板会对前后两个矩形波导里的电流产生影响，电流会在阶梯状隔板处发生耦合，因此在方波导输出端口23输出TE01模式的电磁波，关于奇模激励模式下端口A21和端口B22激励的相位和幅度关系如图6所示，由HFSS绘出的偶模激励模式下的电场分布如图7所示。

因此在仅激励隔板极化器的端口A21时，隔板极化器在方波导输出端口23可看作是上述两种模式激励下的叠加，即在方波导输出端口23输出TE10模式和TE01模式的电磁波，关于激励从端口A21输入时隔板极化器在方波导区域15的电场分布如图8所示。

并且两种模式的电磁波在传播过程中由于阶梯状隔板的作用产生了90°相位差，其中偶模激励模式下TE10模式的电场分布如图9所示，奇模激励模式下TE01模式的电场分布如图10所示。即当x方向电场模值取最大时，对应的y方向电场取最小，满足圆极化的条件。

即当激励从端口A21输入时，在方波导区域15内产生的是左旋极化波；当激励从端口B22输入时，在方波导区域15内产生的是右旋极化波。其中端口A21被激励时，交叉耦合器的电场分布如图11所示。

由于交叉耦合器是由对称的隔板极化器级联而成，因此当交叉耦合器的方波导区域15传输的是左旋极化波时，输入和输出分别为本体1的第一端口11和第四端口14。同理，当方波导区域15传输的是右旋极化波时，输入和输出分别为本体1的第二端口12和第三端口13。

综上所述即为基于模式合成法所得到的交叉耦合器，图12所示为本发明交叉耦合器的S参数曲线图。从图中可以得出，该交叉耦合器在90-110GHz的频率范围内，回波损耗在-20dB以下，第一端口11和第二端口12、第三端口13之间的隔离度在-20dB以下，插入损耗小于0.4dB。与传统的交叉耦合器结构相比较而言，本发明交叉耦合器不仅具有宽频带、低插入损耗和高隔离度的优点，而且结构简单紧凑，易于加工，使得基于矩形波导设计的交叉耦合器在毫米波段可以广泛应用，能够满足全性能试验和交叉耦合器基本测试性能。

实施例2

考虑到测试时多采用标准矩形波导端口，为了便于测试。本发明实施例2提供一种阻抗匹配结构，其结构参照图13所示，该阻抗匹配结构包括波导端口、波导转换匹配段4和实施例1的交叉耦合器，波导端口用于输入或输出信号；波导转换匹配段4分别耦合波导端口和交叉耦合器，用于对从波导端口输入的信号进行波导转换匹配后馈入交叉耦合器，或用于对从交叉耦合器馈出的信号进行波导转换匹配后输入波导端口。参照图14所示，其中波导转换匹配段4包括耦合的阻抗匹配部41和弯波导42，优选的，阻抗匹配部41优选WR-10阻抗匹配部41，WR-10阻抗匹配部41耦合波导端口，弯波导42优选90°弯波导42，90°弯波导42耦合交叉耦合器。

具体的，考虑到交叉耦合器具有4个端口，因此本发明波导端口的数量也为4个，4个波导端口分别通过波导转换匹配段4耦合交叉耦合器，如图1所示，其中4个波导端口分别为第一波导端口31、第二波导端口32、第三波导端口33和第四波导端口34。

在一种情形中，如图13所示，第一波导端口31(图13)为标准矩形波导端口，线极化波输入第一波导端口31后，经过波导转换匹配段4(图14)馈入交叉耦合器的第一端口11(图1)，在交叉耦合器的方波导区域15(图1)产生左旋圆极化波，左旋圆极化波在对称的隔板极化器(图2)的作用下，由圆极化波转化为线极化波，从交叉耦合器的第四端口14(图1)输出，再通过波导转换匹配段4(图14)从第四波导端口34(图13)输出。

说明：本发明波导转换匹配段4的输入端口为标准WR-10矩形波导端口。

1.由于交叉耦合器的第一端口11(图1)的尺寸与标准矩形波导端口的尺寸不一定相同，且考虑到标准波导法兰盘接口的布局，输入信号以TE10模式输入第一波导端口31(该端口为标准矩形波导端口)，之后需要经过WR-10阻抗匹配部41和90°弯波导42后，馈入交叉耦合器的第一端口11(图1)。

2.TE10模式的电磁波，在隔板极化器的作用下，形成左旋圆极化波，并传输于方波导区域15。

3.由于隔板极化器的方波导输出端口23(图2)为左旋圆极化波，而对接收左旋圆极化波的隔板极化器来说，当方波导输出端口23输入为左旋圆极化波时，左旋圆极化波在隔板极化器的作用下，由圆极化波转化为TE10模式的线极化波并传输至隔板极化器的端口A21(图2)，对应到交叉耦合器为第四端口14(图1)，然后经过波导转换匹配段4输出至第四波导端口34(该端口为标准矩形波导端口)。

在另一种情形中，如图13所示，第二波导端口32(图13)为标准矩形波导端口，线极化波输入第二波导端口32后，经过波导转换匹配段4(图14)馈入交叉耦合器的第二端口12(图1)，在交叉耦合器的方波导区域15(图1)产生右旋圆极化波，右旋圆极化波在对称的隔板极化器(图2)的作用下，由圆极化波转化为线极化波，从交叉耦合器的第三端口13(图1)输出，再通过波导转换匹配段4(图14)从第三波导端口33(图13)输出。

说明：本发明波导转换匹配段4的输入端口为标准WR-10矩形波导端口。

1.由于交叉耦合器的第二端口12(图1)的尺寸与标准矩形波导端口尺寸不一定相同，且考虑到标准波导法兰盘接口的布局，输入信号以TE10模式输入第二波导端口32(该端口为标准矩形波导端口)，之后需要经过WR-10阻抗匹配部41和90°弯波导42后，馈入交叉耦合器的第二端口12(图1)。

2.隔板极化器具有两个矩形波导端口和一个方波导输出端口23(图2)。TE10模式的电磁波在隔板极化器的作用下，形成右旋圆极化波，并传输于方形波导区域。

3.由于隔板极化器的方波导输出端口23(图2)为右旋圆极化波，而对接收右旋圆极化波的隔板极化器来说，当方波导输出端口23输入为右旋圆极化波时，右旋圆极化波在隔板极化器的作用下，由圆极化波转化为TE10模式线极化波并传输至隔板极化器的端口B22(图2)，对应到交叉耦合器为第三端口13(图1)，然后经过波导转换匹配段4输出至第三波导端口33(该端口为标准矩形波导端口)。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。