一种可工作于微波/毫米波频段的共口径双频传输线

1.本公开涉及通信技术领域，特别是涉及一种可工作于微波/毫米波频段的共口径双频传输线。


背景技术：

2.双频段天线能够同时工作于微波频段及毫米波频段，具有长距离、高可靠性、大带宽及高速率等优点，因此双频段天线被广泛应用。双频传输线是组成双频段天线的基础部分，用于为双频段天线提供可靠、高效率的馈电基础。
3.相关技术中，双频天线的结构为嵌套喇叭式，其馈电部分采用的是同轴线结构，内部为用于传输毫米波信号的圆波导，外部为用于传输微波信号的同轴线。但同轴线的剖面较大，难以与平面化器件作集成设计。
4.为解决平面化集成的问题，提出了几种基于微波频段的传输线与siw(substrate integrated waveguide，衬底集成波导)结合的双频传输线。这些双频传输线通过结构复用的方式将两种传输线融合在一起，低频传输tem模式、高频传输te
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模式的电磁波，在保证双频段单模传输的同时降低了整体结构的复杂度，实现了平面化。然而在毫米波频段，siw的介质损耗变得不可忽略，很大程度上影响传输线的高频性能。此外，现有的实现双频传输的形式较为单一，多为采用结构复用的方式，结构较为复杂，因此急需一种结构复杂度低、低损耗、且频率跨度高的双频传输线。


技术实现要素：

5.本公开实施例的目的在于提供一种双频传输线及馈电结构，以实现一种高频性能好、结构复杂度低、低损耗且频率跨度高的双频传输线。具体技术方案如下：
6.本公开实施例的一个方面，提供了一种可工作于微波/毫米波频段的共口径双频传输线，所述可工作于微波/毫米波频段的共口径双频传输线包括至少一个传输单元，每一所述传输单元包括：
7.金属腔体，所述金属腔体的一端为第一端口；
8.第一矩形波导，设置于所述金属腔体的其中一侧表面，且靠近所述金属腔体的另一端，所述第一矩形波导的一端为第二端口；
9.耦合缝隙，将所述第一端口与所述第二端口连通；
10.间隙波导，位于所述第一矩形波导的内腔内，包括与所述第二端口垂直相交设置的两组间隙波导单元，所述每组间隙波导单元之间具有通道，每组间隙波导单元包括沿垂直于所述第二端口的方向排列的多个金属块；所述金属腔体的一端设有第四端口，所述第四端口与所述通道连通；
11.第二矩形波导，设置于所述第一矩形波导远离所述金属腔体的表面，且在所述金属腔体表面的正投影位于所述两组间隙波导单元在所述金属腔体表面的正投影之间，所述第二矩形波导的延伸方向垂直于所述表面，所述第二矩形波导的一端与所述第一矩形波导
的内腔连通，另一端为第三端口；
12.其中，所述第一矩形波导和所述间隙波导为双频传输结构，所述金属腔体、所述耦合缝隙及所述第二矩形波导为馈电结构。
13.一些实施例中，所述第一端口和所述第三端口为输入端口，所述第二端口和所述第四端口为输出端口。
14.一些实施例中，所述金属腔体的内腔包括：沿远离所述第一端口的方向依次设置且连通的第一子内腔、第二子内腔和第三子内腔；
15.所述第二子内腔的形状呈四棱台状，且所述四棱台的底面靠近所述第一子内腔，所述四棱台的顶面靠近所述第三子内腔，所述四棱台的底面的面积大于所述四棱台的顶面的面积。
16.一些实施例中，每一所述传输单元还包括：
17.第一匹配金属块，固定于所述第三子内腔内，且位于所述耦合缝隙的下方；所述第一匹配金属块远离所述第一端口的一侧与所述金属腔体远离所述第一端口的一侧之间具有间隙。
18.一些实施例中，所述第一匹配金属块的形状呈阶梯状。
19.一些实施例中，每一所述传输单元还包括：
20.第二匹配金属块，固定于所述第一矩形波导远离所述金属腔体的一侧；
21.第三匹配金属块，固定于所述第一矩形波导的内腔内，且所述第三匹配金属块位于所述第二矩形波导的中心线上，所述中心线平行于所述第二矩型波导的延伸方向。
22.一些实施例中，所述第二匹配金属块的形状和所述第三匹配金属块的形状均呈阶梯状。
23.一些实施例中，所述至少一个传输单元包括两个传输单元；
24.所述两个传输单元沿水平方向呈中心对称设置，且所述两个传输单元的第二端口对接。
25.本公开实施例的另一方面，提供了一种双频天线，所述双频天线包括上述任一所述的可工作于微波/毫米波频段的共口径双频传输线。
26.本公开实施例有益效果：
27.本公开实施例提供的一种可工作于微波/毫米波频段的共口径双频传输线，该共口径双频传输线可传输微波(低频)信号及毫米波(高频)信号。通过本公开实施例提供的共口径双频传输线传输低频信号时，低频信号由第一端口输入金属腔体，经过金属腔体的内腔的侧壁反射后进入耦合缝隙，然后经由耦合缝隙进入第一矩形波导的内腔，然后由第二端口输出。通过本公开实施例提供的共口径双频传输线传输高频信号时，高频信号由第三端口输入第二矩形波导的内腔，然后进入位于第一矩形波导的内腔中的间隙波导内，最后由第四端口输出。本公开实施例提供的双频传输线中，含有间隙波导的第一矩形波导用于传输低频信号，含有通道的间隙波导用于传输高频信号，因此本公开实施例提供的共口径双频传输线既可以传输低频信号，又可以传输高频信号，高频性能好、损耗低且频率跨度大。此外，由于间隙波导置于第一矩形波导内，降低了双频传输线的结构复杂度。
28.当然，实施本公开的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
29.为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
30.图1为本公开一些实施例的可工作于微波/毫米波频段的共口径双频传输线的传输单元的一种结构示意图；
31.图2为本公开一些实施例的可工作于微波/毫米波频段的共口径双频传输线的传输单元的一种局部结构示意图；
32.图3为本公开一些实施例的可工作于微波/毫米波频段的共口径双频传输线的传输单元的另一种局部结构示意图；
33.图4为本公开一些实施例的可工作于微波/毫米波频段的共口径双频传输线在传输低频信号时插入损耗及回波损耗的一种仿真结果示意图；
34.图5为本公开一些实施例的可工作于微波/毫米波频段的共口径双频传输线在传输高频信号时插入损耗及回波损耗的一种仿真结果示意图；
35.图6为本公开一些实施例的包括两个传输单元的可工作于微波/毫米波频段的共口径双频传输线的一种结构示意图；
36.图7为本公开一些实施例的包括两个传输单元的可工作于微波/毫米波频段的共口径双频传输线在传输低频信号时插入损耗、回波损耗及隔离度的一种仿真结果示意图；
37.图8为本公开一些实施例的包括两个传输单元的可工作于微波/毫米波频段的共口径双频传输线在传输高频信号时插入损耗、回波损耗及隔离度的一种仿真结果示意图。
具体实施方式
38.下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。
39.为增大双频传输线的频率跨度，降低双频传输线的结构复杂度及插入损耗，本公开实施例提供了一种可工作于微波/毫米波频段的共口径双频传输线，为便于描述，下面将称为双频传输线。
40.如图1、图2和图3所示，本公开实施例提供的双频传输线包括至少一个传输单元100，每一传输单元100包括：
41.金属腔体1，金属腔体1的一端为第一端口2；
42.第一矩形波导3，设置于金属腔体1的其中一侧表面，且靠近金属腔体1的另一端，第一矩形波导3的一端为第二端口4；
43.耦合缝隙5，将金属腔体1与第一矩形波导3连通；
44.间隙波导6，位于第一矩形波导3的内腔内，包括与第二端口4垂直相交设置的左右两组间隙波导单元61，两组间隙波导单元61之间具有通道62，每组间隙波导单元61包括沿垂直于第二端口4的方向排列的多个金属块；金属腔体1的一端设有第四端口41，第四端口
41与通道62连通；
45.第二矩形波导7，设置于第一矩形波导3远离金属腔体1的表面，且在金属腔体1表面的正投影位于两组间隙波导单元61在金属腔体1表面的正投影之间，第二矩形波导7的延伸方向垂直于第一矩形波导3远离金属腔体1的表面，第二矩形波导7的一端与第一矩形波导3的内腔连通，第二矩形波导7的另一端为第三端口8；
46.其中，第一矩形波导3和间隙波导6为双频传输结构，金属腔体1、耦合缝隙5及第二矩形波导7为馈电结构。
47.本公开实施例中，馈电结构用于给双频传输结构馈电。金属腔体1内具有横截面为矩形的内腔，第一端口2位于金属腔体1的一端，并与金属腔体1的内腔连通，用于向金属腔体1内输入信号，或将金属腔体1内的信号输出。第一端口2可以设为标准wr137矩形波导端口，从而提高双频传输线的通用性，使得双频传输线能够和更多的通信设备及测试设备相匹配。
48.本公开实施例中，第一矩形波导3内也具有横截面为矩形的内腔，第一矩形波导3固定于金属腔体1的表面上，与金属腔体1层叠放置。第一矩形波导3的一端设有第二端口4，第二端口4与第一矩形波导3的内腔连通，用于向第一矩形波导3内输入信号，或将第一矩形波导3内的信号输出。其中，由于第一端口2通过耦合缝隙5与第二端口4连通，因此由第一端口2输入的信号可通过耦合缝隙5进入第一矩形波导3的整个内腔，因此，第一端口2输入的为微波(低频)信号。
49.其中，耦合缝隙5的一端与第一矩形波导3的内腔连通，另一端与金属腔体1的内腔连通，使得金属腔体1内的电磁波(信号)可经由耦合缝隙5进入第一矩形波导3内，或使第一矩形波导3内的电磁波可经由耦合缝隙5进入金属腔体1。耦合缝隙5的尺寸及与第一矩形波导3的相对位置变化时，耦合缝隙5可通过的电磁波的频段也会发生变化，因此，可根据实际需求调整耦合缝隙5的尺寸及位置，本公开实施例对此不作具体限定。一个示例中，耦合缝隙5的长、宽、高分别为24mm、3mm、11.5mm。
50.本公开实施例中，第一矩形波导3的内腔内设有间隙波导6，间隙波导6包括两组间隙波导单元61。两组间隙波导单元61之间具有通道62。两组间隙波导单元61用于阻挡阻带频率范围内的电磁波的传输，从而使得电磁波沿两组间隙波导单元61之间的通道62传输。每一组间隙波导单元61都包括多个金属块，多个金属块沿间隙波导单元的延伸方向排列，如图2所示。其中，多个金属块可以沿平行于每组间隙波导单元61的方向排列为一列、两列或三列，本公开实施例对此不作具体限定。间隙波导单元61之间的通道62可用于传输预设频段的电磁波，如61ghz
‑
94ghz的电磁波。
51.第一矩形波导3的一端还设有第四端口41，第四端口41与两组间隙波导单元的通道62连通，用于输出经过通道62的信号或向通道62内输入信号。基于此，第四端口41的宽度可以与通道62的宽度相同。
52.第二矩形波导7内也具有横截面为矩形的内腔，第二矩形波导7的一端具有与第二矩形波导7的内腔连通的第三端口8，另一端与第一矩形波导3的内腔连通。第二矩形波导7在金属腔体1上的正投影落在两组间隙波导单元61在金属腔体1上的正投影内，当向第三端口8输入电磁波时，电磁波仅会沿两组间隙波导单元61间的通道62传播，基于此，第三端口8输入的为毫米波(高频)信号。其中，第三端口8可以为标准矩形波导wr12端口，从而便于与
通信设备或测量设备连接。
53.此外，为使高频信号能更好的输入两组间隙波导单元61间的通道62内，第二矩形波导7在金属腔体1上的正投影位于两组间隙波导单元61在金属腔体1表面上的正投影的中心线上，且该中心线平行于两组间隙波导单元61的延伸方向。
54.一些实施例中，第一端口2和第三端口8为输入端口，第二端口4和第四端口41为输出端口。
55.本公开实施例提供的双频传输线既可以传输微波信号，又可以传输毫米波信号。该双频传输线传输微波信号时，微波信号由第一端口2输入，由第一端口2向金属腔体1远离第一端口2的一端传输。由于金属腔体1远离第一端口2的一端为封闭结构，信号被阻挡及反射，使得信号进入与金属腔体1的内腔连通的耦合缝隙5内，并由耦合缝隙5输入与耦合缝隙5连通的第一矩形波导3的内腔内。由于微波信号的频率较低，当微波信号进入第一矩形波导3的内腔时，间隙波导6处于通带状态，不对微波信号造成阻挡，且由于第一矩形波导3远离第二端口4的一侧对微波信号进行阻挡及反射，使得微波信号最终由第二端口4输出。
56.本公开实施例提供的双频传输线传输毫米波信号时，毫米波信号由第三端口8输入，第二矩形波导7的一端与第一矩形波导3的内腔连通，且第二矩形波导7远离第三端口8的一端位于两组间隙波导单元61之间，由于毫米波信号的频率处于间隙波导6的阻带频率内，毫米波信号经过第二矩形波导7进入并被限制在两组间隙波导单元61之间的通道62内。由于第一矩形波导3远离第二端口4的一侧对毫米波信号进行阻挡及反射，使得毫米波信号向靠近第四端口41的方向传输并由第四端口41输出。
57.本公开实施例提供的双频传输线中，含有间隙波导6的第一矩形波导3用于传输微波信号，间隙波导6及中间的通道62用于传输毫米波信号，因此既可以传输低频信号，又可以传输高频信号，高频性能好、损耗低且频率跨度大。此外，由于间隙波导置于第一矩形波导内，降低了双频传输线的结构复杂度。
58.例如，图4为本公开实施例提供的双频传输线在传输微波信号时插入损耗及回波损耗的仿真结果示意图。图4中，横坐标为频率，纵坐标为s参数，s(1,1)及s(2,1)。s(1,1)及s(2,1)的相反数可以分别代表低频回波损耗及插入损耗。如图4所示，当微波信号的频率为6.7ghz
‑
8ghz(低频)时，s(1,1)小于
‑
10db，s(2,1)大于
‑
0.3db，即双频传输线的回波损耗较高且插入损耗较小。
59.图5为本公开实施例提供的双频传输线在传输毫米波信号时插入损耗及回波损耗的仿真结果示意图。图5中，横坐标为频率，纵坐标为s参数，s(3,3)及s(4,3)。s(3,3)及s(4,3)的相反数可以分别代表高频回波损耗及插入损耗。如图5所示，当毫米波信号的频率为71ghz
‑
86ghz(高频)时，s(3,3)小于
‑
17db，s(4,3)大于
‑
0.4db，即双频传输线的回波损耗较高且插入损耗较小，因此双频传输线的高频性能好。
60.一些实施例中，金属腔体1的内腔包括：沿远离第一端口2的方向依次设置且连通的第一子内腔110、第二子内腔120和第三子内腔130。第二子内腔120的形状呈四棱台状，且四棱台的底面靠近第一子内腔110，四棱台的顶面靠近第三子内腔130，四棱台的底面的面积大于四棱台的顶面的面积。
61.本公开实施例中，第一子内腔110远离第二子内腔120的一端设有第一端口2，信号由第一端口2进入第一子内腔110，并第一子内腔110进入第二子内腔120，然后经过第二子
内腔120进入第三子内腔130，并进入耦合缝隙5。第二子内腔120呈四棱台状，且如图1所示，四棱台的底面对应第二子内腔120靠近第一子内腔110的一侧，四棱台的顶面对应第二子内腔靠近第三子内腔130的一侧。基于此，沿由第一子内腔110至第三子内腔130的方向上，第二子内腔120的横截面积逐渐减小，使得信号由第一子内腔110经过第二子内腔120到达第三子内腔130时，第二子内腔120对信号起到较好的过渡转换的作用。此外，第二子内腔120的截面面积是处于渐变的状态而非突变的状态，可以避免因截面面积突变而导致信号发生能量损失的问题。
62.此外，第二子内腔120也可以呈其他形状，具体可以根据实际使用需要进行选择和设计，本公开实施例对此不作具体限定。
63.一些实施例中，至少一个传输单元100还包括第一匹配金属块9，固定于第三子内腔130内，且位于耦合缝隙5的下方。第一匹配金属块9远离第一端口2的一侧与金属腔体1远离第一端口2的一侧之间具有间隙。
64.本公开实施例中，第一金属块9位于耦合缝隙5的下方，用于改善双频传输线的宽带阻抗匹配，并使信号能够更好地耦合进入耦合缝隙5。
65.一些实施例中，至少一个传输单元100还包括第二匹配金属块10，固定于第一矩形波导3远离金属腔体1的一侧。
66.第三匹配金属块11，固定于第一矩形波导3的内腔内，且第三匹配金属块11位于第二矩形波导11的中心线上，中心线平行于第二矩型波导11的延伸方向。
67.本公开实施例中，第二匹配金属块10用于改善双频传输线的宽带阻抗匹配。且第二匹配金属块10与第一匹配金属块9共同作用，使得双频传输线的s(1,1)能够产生两个谐振点，从而增大双频传输线的带宽，增大双频传输线传输的微波信号的频率范围。
68.第三匹配金属块11置于第二矩形波导7的内腔内，两组间隙波导单元61之间，如图3所示。第三匹配金属块11用于在通过第三端口8输入毫米波信号时，使毫米波信号能够更好地由第二矩形波导7的内腔进入两组间隙波导单元61之间的通道62内，改善双频传输线的高频阻抗匹配。
69.其中，第一匹配金属块9、第二匹配金属块10及第三匹配金属块11的材质及尺寸可以根据实际需求设定，本公开对此不作具体限定，例如第一匹配金属块9、第二匹配金属块10及第三匹配金属块11的材质可以为铜、铝或金等。
70.一些实施例中，第一匹配金属块9及第二匹配金属块10的形状均呈阶梯状，如图1所示。
71.一些实施例中，第三匹配金属块11的形状呈阶梯状，如图3所示。
72.本公开实施例中，第一匹配金属块9、第二匹配金属块10及第三匹配金属块11可以设置为阶梯状，为便于描述，下面将第一匹配金属块9、第二匹配金属块10及第三匹配金属块11简称为匹配金属块。匹配金属块设置为阶梯状，增加了匹配金属块的可调节的尺寸变量。也就是说，当匹配金属块为层长方体状时，匹配金属块的尺寸变量只有长度、宽度及高度，将匹配金属块设置为阶梯状，匹配金属块可调节的尺寸变量包括了两个长度、两个宽度及两个高度等，增加了匹配金属块的可调节的尺寸变量，能够更好地调节双频传输线的阻抗匹配。
73.本公开实施例中，匹配金属块为阶梯状时，各个台阶的尺寸及位置都可根据实际
需求设定，本公开实施例对此不做具体限定。
74.例如，第一匹配金属块9的靠近第一矩形波导3的一侧在第一平面上的正投影落入第一匹配金属块9的远离第一矩形波导3的一侧在第一平面上的正投影内，第一平面为金属腔体1的远离第一矩形波导3的表面所在的平面。即以图1为例，第一匹配金属块9上表面的宽度小于下表面的宽度。
75.第二匹配金属块10靠近第二端口4的一侧在第二平面内的正投影落入第二匹配金属块10远离第二端口4的一侧在第二平面内的正投影内，第二平面为第一矩形波导3的远离第二端口4的表面所在的平面。即以图1为例，第二匹配金属块10靠近第二端口4的一侧表面的长度大于第二匹配金属块10远离第二端口4的一侧表面的长度。
76.第三匹配金属块11靠近第二矩形波导7的一侧在金属腔体1表面的正投影落入第三匹配金属块11远离第二矩形波导7的一侧在金属腔体1表面的正投影内。即以图3为例，第三匹配金属块11上表面的宽度小于下表面的宽度。
77.一些实施例中，至少一个传输单元100包括两个传输单元100。两个传输单元100沿水平方向呈中心对称设置，且两个传输单元100的第二端口4相抵接，如图6所示。
78.本公开实施例中，如图6所示，当本公开实施例提供的双频传输线及馈电结构包括两个传输单元100，双频传输线及馈电结构包括第一端口2、第五端口2’、第三端口8及第六端口8’。其中，第五端口2’为第一端口2中心对称后得到的端口，第六端口8’为第三端口8中心对称后得到的端口。
79.基于此，包括两个传输单元100的双频传输线在传输微波信号时，微波信号由第一端口2输入，进入与金属腔体1的内腔连通的耦合缝隙5内，并由耦合缝隙5输入与耦合缝隙5连通的第一矩形波导3的内腔内，然后输入第一矩形波导3对称后得到的第四矩形波导3’内，然后进入耦合缝隙5对称后得到的第二耦合缝隙5’，经过第二耦合缝隙5’进入金属腔体1对称后的第二金属腔体1’内，最后由第五端口2’输出。
80.包括两个传输单元100的双频传输线在传输毫米波信号时，毫米波信号由第三端口8输入，经过第二矩形波导7进入两组间隙波导单元61之间的通道62内，然后沿间隙波导6远离第二矩形波导7的方向传输并进入第四矩形波导3’中的间隙波导内的通道，最后由第六端口8’输出。
81.本公开实施例提供的包括两个传输单元100的双频传输线中，包含间隙波导6的第一矩形波导3及第四矩形波导3’用于传输微波信号，两组间隙波导61之间的通道62用于传输毫米波信号，因此既可以传输低频信号，又可以传输高频信号，插入损耗低且频率跨度大。此外，由于间隙波导6置于第一矩形波导3及第四矩形波导3’内，降低了双频传输线的结构复杂度。
82.例如，图7为本公开实施例提供的包括两个传输单元100的双频传输线在传输微波信号时插入损耗、回波损耗及隔离度的仿真结果示意图。图7中，横坐标为频率，纵坐标为s参数，s(1,1)、s(5,1)、s(6,1)的相反数分别代表低频的回波损耗、插入损耗及隔离度。如图7所示，当微波信号的频率为6.8ghz
‑
8.01ghz(低频)时，s(1,1)小于
‑
10db，s(5,1)大于
‑
0.6db，s(6,1)小于
‑
105db，即包括两个传输单元的双频传输线的回波损耗较高、插入损耗较小且隔离度较高。
83.图8为本公开实施例提供的包括两个传输单元100的双频传输线在传输毫米波信
号时插入损耗、回波损耗及隔离度的仿真结果示意图。图8中，横坐标为频率，纵坐标为s参数，s(3,3)、s(6,3)、s(1,3)的相反数分别代表高频的回波损耗、插入损耗及隔离度。如图8示，当毫米波信号的频率为71
‑
86ghz(高频)时，s(3,3)小于
‑
15db，s(6,3)大于
‑
0.3db，s(1,3)小于
‑
34db，即包括两个传输单元的双频传输线的回波损耗较高、插入损耗较小且隔离度较高。
84.本公开实施例还提供了一种双频天线，该双频天线包括上述双频传输线。由于上述双频传输线既可用于传输微波信号，又可用于传输毫米波信号，本公开实施例提供的双频天线也既可以用于传输微波信号，又可用于传输毫米波信号。
85.本公开实施例提供的双频天线可以包括一个双频传输线，且该双频传输线包括一个传输单元100。
86.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
87.以上所述仅为本公开的较佳实施例，并非用于限定本公开的保护范围。凡在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本公开的保护范围内。