一种基于间隙波导的宽带正交模耦合器

1.本发明涉及一种宽带正交模耦合器，属于微波器件技术领域。


背景技术：

2.无源毫米波成像技术是一种利用成像目标与背景亮度温度差异作为成像信息成像的方式，具有高隐蔽性、全天候等优点，目前偏振成像技术作为无源毫米波成像技术的补充对于成像质量以及目标信息的获取性能有着显著的提升。而传统的无源毫米波成像系统的馈源天线包括角锥喇叭天线或介质杆天线等形式，都只能产生单一极化模式的电磁波，无法满足双极化无源毫米波成像系统的要求。具有双极化性能的馈源天线目前的实现方式主要有两种：一是设计具有双极化性能的天线，通常采用阵列合成的方式，结构较为复杂，同时天线的馈电网络设计难度较大；一种是在天线的馈电阶段实现双极化的性能，目前主要采用的形式是使用正交模耦合器实现两种相互正交的线极化模式的合成。
3.正交模耦合器又被称为极化双工器或正交模变换器，用来分离或合成相同频段内的正交模式，是馈源实现双线极化性能的方式之一。通过两个输入通道输入相互正交的模式并在公共输出端口输出，目前正交模耦合器被广泛应用于通信、航空航天、遥感成像等领域。正交模耦合器主要采用波导形式，由于无源毫米波成像所采用的频段较高，对应的正交模耦合器物理尺寸较小，加工难度很大。
4.因此，亟需提出一种基于间隙波导的宽带正交模耦合器，以解决上述技术问题。


技术实现要素：

5.本发明解决对于较高频段的使用场景中，传统形式的正交模耦合器往往难以加工的问题，提供一种基于间隙波导的宽带正交模耦合器，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
6.本发明的技术方案：
7.一种基于间隙波导的宽带正交模耦合器，包括上金属板、下金属板和销钉，上金属板、下金属板均具有销钉，对应设置的所述上金属板上的销钉与下金属板上的销钉之间具有间隙，上金属板与下金属板之间具有顺次设置的水平极化功分器、垂直极化模式过渡结构、双脊正交结。
8.优选的：上金属板、下金属板一端均具有水平极化馈电通道，两个水平极化馈电通道对应设置形成水平极化功分器，水平极化功分器的中部具有t型通道，t型通道的竖向槽与水平极化馈电端口连接，t型通道的的横向槽两端与水平极化功分端口连接。
9.优选的：t型通道的竖向槽与横向槽的连接部具有阶梯匹配结构。
10.优选的：上金属板、下金属板另一端均具有y型槽，两个y型槽对应设置形成双脊正交结，双脊正交结的竖向槽为公共端口，双脊正交结的斜向槽为水平极化馈电端口，水平极
化功分器的水平极化功分端口与双脊正交结的水平极化馈电端口建立连接。
11.优选的：y型槽竖向槽的一端连接有两个对称设置的斜向槽，y型槽竖向槽与斜向槽的连接部具有阶梯式双脊结构，上金属板、下金属板上对应设置的阶梯式双脊结构形成双脊匹配结构。
12.优选的：上金属板中部具有垂直极化馈电端口，下金属板中部上具有阶梯式匹配结构，对应设置的垂直极化馈电端口、阶梯式匹配结构形成垂直极化模式过渡结构。
13.优选的：垂直极化馈电端口与上金属板上的阶梯式双脊结构之间具有空隙，阶梯式匹配结构与下金属板上的阶梯式双脊结构之间具有空隙，两个对应设置的空隙形成垂直极化馈电通道。
14.优选的：上金属板、下金属板中部均具有直槽，对应设置的直槽形成两个连接槽，水平极化功分器的水平极化功分端口与双脊正交结的水平极化馈电端口通过连接槽连接，两个连接槽之间设置垂直极化模式过渡结构。
15.本发明具有以下有益效果：
16.本发明采用双层加工的结构，便于加工，具有较大带宽、较好的端口隔离度、较大机械强度等优点，由于采用间隙波导的形式，实现波导端口馈电，不需要额外的转换结构，馈电方式较为简单。
17.本发明的上金属板、下金属板各有一层高度相同的销钉，两层销钉之间为空气间隙，组成电磁带隙结构，频率较高段有着更易加工、结构更为紧凑的优势。
18.本发明的双脊正交结由于采用斜向输入的方式，所设计的脊结构可以具有一个较大的宽度，对于频率较高段仍然具有可加工的尺寸，在采用间隙波导的基础上，进一步降低了结构的加工难度，同时也减小了整个正交模耦合器的横向尺寸。
附图说明
19.图1是一种基于间隙波导的宽带正交模耦合器的主视图；
20.图2是图1中a-a剖视图；
21.图3是一种基于间隙波导的宽带正交模耦合器的爆炸视图；
22.图4是上金属板的结构示意图；
23.图5是下金属板的结构示意图；
24.图6是一种基于间隙波导的宽带正交模耦合器的立体图；
25.图7是水平极化功分器的结构示意图；
26.图8是双脊正交结的结构示意图；
27.图9是垂直极化模式过渡结构的结构示意图；
28.图10是水平极化功分器的s参数；
29.图11是基于间隙波导的宽带正交模耦合器s参数。
30.图中：1-上金属板，2-下金属板，3-销钉，4-水平极化功分器，5-双脊正交结，6-垂直极化模式过渡结构，11-垂直极化馈电端口，21-阶梯式匹配结构，122-阶梯式双脊结构，123-阶梯匹配结构，124-水平极化馈电通道，125-连接槽，126-y型槽，127-垂直极化馈电通道，128-三级双脊匹配结构。
具体实施方式
31.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
32.具体实施方式一：结合图1-11说明本实施方式，本实施方式的一种基于间隙波导的宽带正交模耦合器，包括上金属板1、下金属板2和销钉3，上金属板1与下金属板2平行设置，可由螺栓进行固定，上金属板1、下金属板2均具有销钉3，对应设置的所述上金属板1上的销钉3与下金属板2上的销钉3之间具有空气间隙，上金属板1与下金属板2之间具有顺次设置的水平极化功分器4、垂直极化模式过渡结构6、双脊正交结5；本发明采用双层加工的结构，便于加工，同时利用间隙波导的非接触电磁带隙传输线结构，平行板波导中引入周期排列的销钉形成等效pmc(perfectmagneticconductor理想磁导体)表面引导电磁波定向传播，槽间隙波导和脊间隙波导为全金属结构，具有较大带宽、较好的端口隔离度、较大机械强度等优点，由于采用间隙波导的形式，针对馈电口设计即可实现波导端口馈电，不需要额外的转换结构，馈电方式较为简单。
33.具体实施方式二：结合图1-11说明本实施方式，本实施方式的一种基于间隙波导的宽带正交模耦合器，上金属板1、下金属板2一端均具有水平极化馈电通道124，两个水平极化馈电通道124对应设置形成水平极化功分器4，水平极化功分器4的中部具有t型通道，t型通道的竖向槽与水平极化馈电端口连接，t型通道的的横向槽两端与水平极化功分端口连接。
34.具体实施方式三：结合图1-11说明本实施方式，本实施方式的一种基于间隙波导的宽带正交模耦合器，t型通道的竖向槽的一端与横向槽的中部连接，t型通道的竖向槽与横向槽的连接部具有阶梯匹配结构123，t型通道的横向槽上与阶梯匹配结构对应位置设置有三级双脊匹配结构128；水平极化功分器基于半高型槽间隙波导，即采用半高型销钉结构设计的间隙波导，为三端口网络，采用两段不同宽度的槽间隙波导做阶梯匹配结构123，阶梯匹配结构123和三级双脊匹配结构来实现良好的匹配；半高型销钉槽间隙波导上金属板1、下金属板2各有一层高度相同的销钉，两层销钉之间为空气间隙，组成电磁带隙结构，与传统的销钉式槽间隙波导有相似的电磁特性，但在频率较高段有着更易加工、结构更为紧凑的优势，间隙波导的性能与金属波导性能相似，在设计过程中可以采用传统金属波导的分析方式对所设计的水平极化功分器进行分析，因此所设计的水平极化功分器具有较大的带宽、高馈电效率、结构紧凑、加工难度低的优点，同时由于输入端口与标准波导尺寸相同，可以采用波导直接馈入水平极化模式电磁波，阶梯宽度的槽间隙波导结构以及三级双脊匹配结构可以实现能量的等分以及输入输出端口的良好匹配。
35.具体实施方式四：结合图1-11说明本实施方式，本实施方式的一种基于间隙波导的宽带正交模耦合器，上金属板1、下金属板2另一端均具有y型槽126，两个y型槽126对应设置形成双脊正交结5的通道，双脊正交结5通道的竖向槽为公共端口，双脊正交结5通道的斜向槽为水平极化馈电端口，水平极化功分器4的水平极化功分端口与双脊正交结5的水平极化馈电端口建立连接。
36.具体实施方式五：结合图1-8说明本实施方式，本实施方式的一种基于间隙波导的
宽带正交模耦合器，y型槽126竖向槽的一端连接有两个对称设置的斜向槽，y型槽126竖向槽与斜向槽的连接部具有阶梯式双脊结构，y型槽126竖向槽的截面大于斜向槽截面，上金属板1、下金属板2上对应设置的阶梯式双脊结构122形成双脊匹配结构；双脊正交结5基于半高型槽间隙波导实现，水平极化输入通道(斜向槽)采用斜向45
°
输入，同时采用双脊匹配结构对其电性能进行提升，所设计的双脊匹配结构包括一级梯形脊和三级尺寸不同的矩形脊，可以同时实现对垂直极化和水平极化馈电端口匹配性能的调整，由于采用斜向输入的方式，所设计的双脊匹配结构可以具有一个较大的宽度，对于频率较高段仍然具有可加工的尺寸，在采用间隙波导的基础上，进一步降低了结构的加工难度，同时也减小了整个正交模耦合器的横向尺寸；采用较窄的馈电通道(y型槽)进行两种极化模式的馈电，由于尺寸差距较大，保证了结构对于两种极化模式有良好的隔离度，解决了常规对于正交模耦合器设计中为了实现良好的匹配和隔离度采用更精细的结构而造成难以加工的问题，采用间隙波导分层加工以及斜向输入增加结构尺寸的形式，使得所提出正交模耦合器能够适用于高频的加工设计。
37.具体实施方式六：结合图1-11说明本实施方式，本实施方式的一种基于间隙波导的宽带正交模耦合器，上金属板1中部具有垂直极化馈电端口11，下金属板2中部上具有阶梯式匹配结构21，对应设置的垂直极化馈电端口11、阶梯式匹配结构21形成垂直极化模式过渡结构6。
38.具体实施方式七：结合图1-11说明本实施方式，本实施方式的一种基于间隙波导的宽带正交模耦合器，垂直极化馈电端口11与上金属板1上的阶梯式双脊结构之间具有空隙，阶梯式匹配结构21与下金属板2上的阶梯式双脊结构之间具有空隙，两个对应设置的空隙形成垂直极化馈电通道127。
39.具体实施方式八：结合图1-11说明本实施方式，本实施方式的一种基于间隙波导的宽带正交模耦合器，上金属板1、下金属板2中部均具有直槽，对应设置的直槽形成两个平行的连接槽125，水平极化功分器4的水平极化功分端口与双脊正交结5的水平极化馈电端口通过连接槽125连接，两个连接槽125之间设置垂直极化模式过渡结构6，垂直极化馈电端口11、垂直极化馈电通道127垂直设置；实现垂直极化馈电端口能够实现高效率馈电，适用于垂直极化模式的90
°
转弯过渡结构，采用阶梯式匹配结构21，实现了馈电方向由垂直到水平的低损转换，同时馈电端口与标准波导口尺寸相同，可以实现波导口直接馈电，馈电方式较为简单。
40.本发明通过基于半高型间隙波导的水平极化功分器和双脊正交结组成基于间隙波导的宽带正交模耦合器，通过采用半高型槽间隙波导以及正交结水平极化通道斜向输入的方式，使得整体结构更为简单，并在相对简单的结构下实现了宽频带、高端口隔离度的性能，同时具有结构整体机械强度较大，加工难度低的实际应用优点，可以解决目前双极化馈源设计方式单一、工作带宽较窄、加工难度较高的问题，本发明能够很好的满足采用双线极化的无源毫米波成像系统的馈源要求，应用于系统中。
41.本发明的实例为w波段槽间隙波导宽带正交模耦合器，本发明包括水平极化功分器、双脊正交结，本发明整体可由铜金属加工，其基于槽间隙波导的水平极化功分器的s参数如图10所示，其中水平极化馈电端口为水平极化模式的输入端口，即端口1，两个水平极化功分端口为输出端口，即端口2和端口3，所设计的示例可以实现在w波段内的宽带性能；
如图11所示即为所设计的正交模耦合器的s参数，其中s
hh
为水平极化输入端口的反射系数，s
vv
为垂直极化输入端口的反射系数，s
vh
为两种极化模式的隔离度，所设计的正交模耦合器整体可覆盖w波段的带宽，相对带宽可达30％，同时两极化输入通道的隔离度均大于70db，在相对简单的结构下实现了宽带高隔离度的工作性能。
42.需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。
43.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于间隙波导的宽带正交模耦合器，其特征在于：包括上金属板(1)、下金属板(2)和销钉(3)，上金属板(1)、下金属板(2)均具有销钉(3)，对应设置的所述上金属板(1)上的销钉(3)与下金属板(2)上的销钉(3)之间具有间隙，上金属板(1)与下金属板(2)之间具有顺次设置的水平极化功分器(4)、垂直极化模式过渡结构(6)、双脊正交结(5)。2.根据权利要求1所述的一种基于间隙波导的宽带正交模耦合器，其特征在于：上金属板(1)、下金属板(2)一端均具有水平极化馈电通道(124)，两个水平极化馈电通道(124)对应设置形成水平极化功分器(4)，水平极化功分器(4)的中部具有t型通道，t型通道的竖向槽与水平极化馈电端口连接，t型通道的的横向槽两端与水平极化功分端口连接。3.根据权利要求2所述的一种基于间隙波导的宽带正交模耦合器，其特征在于：t型通道的竖向槽与横向槽的连接部具有阶梯匹配结构(123)。4.根据权利要求2所述的一种基于间隙波导的宽带正交模耦合器，其特征在于：上金属板(1)、下金属板(2)另一端均具有y型槽(126)，两个y型槽(126)对应设置形成双脊正交结(5)，双脊正交结(5)的竖向槽为公共端口，双脊正交结(5)的斜向槽为水平极化馈电端口，水平极化功分器(4)的水平极化功分端口与双脊正交结(5)的水平极化馈电端口建立连接。5.根据权利要求4所述的一种基于间隙波导的宽带正交模耦合器，其特征在于：y型槽(126)竖向槽的一端连接有两个对称设置的斜向槽，y型槽(126)竖向槽与斜向槽的连接部具有阶梯式双脊结构，上金属板(1)、下金属板(2)上对应设置的阶梯式双脊结构(122)形成双脊匹配结构。6.根据权利要5所述的一种基于间隙波导的宽带正交模耦合器，其特征在于：上金属板(1)中部具有垂直极化馈电端口(11)，下金属板(2)中部上具有阶梯式匹配结构(21)，对应设置的垂直极化馈电端口(11)、阶梯式匹配结构(21)形成垂直极化模式过渡结构(6)。7.根据权利要6所述的一种基于间隙波导的宽带正交模耦合器，其特征在于：垂直极化馈电端口(11)与上金属板(1)上的阶梯式双脊结构之间具有空隙，阶梯式匹配结构(21)与下金属板(2)上的阶梯式双脊结构之间具有空隙，两个对应设置的空隙形成垂直极化馈电通道(127)。8.根据权利要7所述的一种基于间隙波导的宽带正交模耦合器，其特征在于：上金属板(1)、下金属板(2)中部均具有直槽，对应设置的直槽形成两个连接槽(125)，水平极化功分器(4)的水平极化功分端口与双脊正交结(5)的水平极化馈电端口通过连接槽(125)连接，两个连接槽(125)之间设置垂直极化模式过渡结构(6)。

技术总结
本发明涉及一种基于间隙波导的宽带正交模耦合器，属于微波器件技术领域。本发明解决对于较高频段的使用场景中，传统形式的正交模耦合器往往难以加工的问题。包括上金属板、下金属板和销钉，上金属板、下金属板均具有销钉，对应设置的所述上金属板上的销钉与下金属板上的销钉之间具有间隙，上金属板与下金属板之间具有顺次设置的水平极化功分器、垂直极化模式过渡结构、双脊正交结。本发明的双脊正交结由于采用斜向输入的方式，所设计的脊结构可以具有一个较大的宽度，对于频率较高段仍然具有可加工的尺寸，在采用间隙波导的基础上，进一步降低了结构的加工难度，同时也减小了整个正交模耦合器的横向尺寸。交模耦合器的横向尺寸。交模耦合器的横向尺寸。


技术研发人员：王楠楠 梁若宇 王鹏程 邱景辉
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/7/20