一种毫米波多层间隙波导双工器及其设计方法

技术领域

本发明涉及双工器设计技术领域，特别涉及一种毫米波多层间隙波导双工器及其设计方法。

背景技术

双工器是将发射信号和接收信号隔离的关键器件，在频分双工系统中，其通常由一个功率分配单元和两个不同通带的滤波器为主要单元进行设计。其中，双工器的性能和复杂程度主要取决于功率分配单元的构成方式和各滤波器的性能。一般的，常用得功率分配单元可分为T型结结构和混合耦合器结构，T型结结构易于实现，且体积较小，但由其构成的双工器两个频率通道的滤波器能量会彼此耦合，进而影响其整体性能，其原理框图如图1所示；而利用混合耦合器构成的双工器由于其需要采用三个滤波器单元，导致其体积较大，但其隔离度较好，且各滤波单元不会产生相互耦合，其原理框图如图2所示。

E波段为60-90GHz的毫米波频段，存在较高的介质损耗与传输损耗，故在双工器设计中，通常采用空腔波导方式进行设计。另外，随着工作频率的提升，器件尺寸也会随之变小，器件装配的精度要求也越高，故传统的金属波导形式器件较难满足高性能要求。为解决此问题，近年来提出了间隙波导结构进行器件设计，但由于其具有周期性结构，会增大器件体积。由此本发明提出了一种基于混合耦合器结构的E波段多层间隙结构双工器及其设计方法，可增大装配误差，并可在一定程度上减小器件整体尺寸。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种毫米波多层间隙波导双工器及其设计方法。所述双工器可增大装配误差，并可在一定程度上减小器件整体尺寸。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种毫米波多层间隙波导双工器，所述双工器包括两个低频段带通滤波器1、一个高频段带通滤波器2和两个混合耦合器；其采用具有多层结构的周期性间隙波导传输线进行各部分组件设计；所述多层结构的周期性间隙波导传输线为背靠背形式的双层间隙波导传输线结构，该传输线具有三层结构，包括上下层盖板和中间金属钉板层，金属钉板上附着有周期性方形长柱，且分布于金属钉板两面。

进一步地，三个带通滤波器采用五阶切比雪夫型带通滤波器进行设计，其具有五个谐振腔体，输入输出耦合利用两个高度长度相同的脊进行设计；不同腔体之间利用长度相等、高度可变的脊进行设计；所述带通滤波器具备两个端口，分别为输入端口和输出端口。

进一步地，混合耦合器结构采用五分支混合耦合器进行设计，该结构具有三层结构，上下层金属盖板与中间层金属钉板，且在中间层金属钉板上具有五个耦合缝隙，且相邻耦合缝隙之间的连接部分进行了削薄处理，使其高度产生变化，进而实现更好的耦合匹配效果；该结构具有四个端口，分别为输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口。

本发明提出一种所述的毫米波多层间隙波导双工器的设计方法，所述设计方法具体为：该双工器具备四个端口，分别为公共端口、匹配端口、通道1和通道2；信号经公共端口进入，经混合耦合器后进行功率分配，直通端口和耦合端口均为输入功率的二分之一，由于直通端口和耦合端口接入两个低频段带通滤波器1，可对通带进行选择，一定频段的信号BW1通过两个低频段带通滤波器1筛选进入下一级混合耦合器进行功率合成，在通道1进行输出，频段为BW1；而不再BW1范围内的信号会在滤波器1处进行全反射，信号返回到混合耦合器的端口，而混合耦合器应用具备双向性，所以其他频段信号会反射到第一级混合耦合器的隔离端口，而后经高频段带通滤波器2再次对频率进行筛选，在通道2进行输出，频段为BW2，进而实现双工特性；而后，对所设计的混合耦合器、带通滤波器进行相互连接完成双工器设计。

本发明的有益效果可以归纳为：

1.由于采用间隙波导传输结构，可以较大程度上改善装配空气间隙对器件性能的影响；并将周期性方形钉结构分布于中间层两侧，进一步降低了双层装配过程中气隙的影响。

2.基于双层间隙波导结构设计的混合耦合器对相邻耦合缝隙的连接部分进行了削薄处理，增加了可调参数，易于优化出较好的性能指标。

3.基于混合耦合器拓扑进行双工器设计，易于优化，对各单元部分独立设计后进行连接，即可获得较好的双工器性能；并采用了双层间隙波导结构，在一定程度上减小了器件的尺寸。

附图说明

图1是T型结双工器原理框图。

图2是混合耦合器双工器原理框图。

图3是传统的层叠式传输线示意图，其中(a)俯视图(b)正视图(c)侧视图。

图4是本发明所采用的背靠背式传输线示意图，其中(a)俯视图(b)正视图(c)侧视图。

图5是五阶切比雪夫型带通滤波器示意图，其中(a)俯视图(b)正视图(c)侧视图。

图6是五分支混合耦合器示意图，其中(a)俯视图(b)正视图(c)侧视图。

图7是本发明所应用的混合耦合器双工器原理框图。

图8是本发明所提出的双工器示意图，其中(a)俯视图(b)正视图(c)侧视图。

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。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，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种毫米波多层间隙波导双工器，所述双工器包括两个低频段带通滤波器1、一个高频段带通滤波器2和两个混合耦合器；为实现双工器的高装配误差性能，并减小器件尺寸，其采用具有多层结构的周期性间隙波导传输线进行各部分组件设计；由于间隙波导结构的允许存在一定的空气间隙，不会造成漏波，在设计高装配容差的器件中被广泛应用。本发明在传统多层间隙波导层叠式结构(如图3所示)上进行改进，提出的所述多层结构的周期性间隙波导传输线为背靠背形式的双层间隙波导传输线结构，其结构如图4所示，该传输线具有三层结构，包括上下层盖板和中间金属钉板层，金属钉板上附着有周期性方形长柱，且分布于金属钉板两面。

三个带通滤波器采用五阶切比雪夫型带通滤波器进行设计，其具有五个谐振腔体，输入输出耦合利用两个高度长度相同的脊进行设计；不同腔体之间利用长度相等、高度可变的脊进行设计，结构如图5所示；所述带通滤波器具备两个端口，分别为输入端口和输出端口。

混合耦合器结构采用五分支混合耦合器进行设计，如图6所示，该结构具有三层结构，上下层金属盖板与中间层金属钉板，且在中间层金属钉板上具有五个耦合缝隙，且相邻耦合缝隙之间的连接部分进行了削薄处理，使其高度产生变化，进而实现更好的耦合匹配效果；该结构具有四个端口，分别为输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口。

本发明提出一种所述的毫米波多层间隙波导双工器的设计方法，其原理如图7所示，所述设计方法具体为：该双工器具备四个端口，分别为公共端口、匹配端口、通道1和通道2，内部结构由两个混合耦合器、两个滤波器1和滤波器2，三种共五个单元结构组成；信号经公共端口进入，经混合耦合器后进行功率分配，直通端口和耦合端口均为输入功率的二分之一，由于直通端口和耦合端口接入两个低频段带通滤波器1，可对通带进行选择，一定频段的信号BW1通过两个低频段带通滤波器1筛选进入下一级混合耦合器进行功率合成，在通道1进行输出，频段为BW1；而不再BW1范围内的信号会在滤波器1处进行全反射，信号返回到混合耦合器的端口，而混合耦合器应用具备双向性，所以其他频段信号会反射到第一级混合耦合器的隔离端口，而后经高频段带通滤波器2再次对频率进行筛选，在通道2进行输出，频段为BW2，进而实现双工特性；而后，对所设计的混合耦合器、带通滤波器进行相互连接完成双工器设计，如图8所示。所述双工器设计中具备三层结构，上下层金属盖板，中间金属钉板层，组成间隙波导结构的周期性方柱、构成滤波器的耦合结构柱和形成耦合器耦合关系的缝隙均位于中间金属钉板层。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。尽管为说明目的公开了本发明的相关实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解；在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化、修改都是可能的。因此，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定，而不应局限于最佳实施方式和附图所公开的内容。