具有功率分配器/合路器功能的介质射频双向耦合器

本发明总体上涉及具有功率分配器/合路器功能的射频双向耦合器，一种用于射频工程领域的器件，其将通过m个输入之一传播的射频信号的能量分割到一组n个输出当中(分配器)，其也使得能够将通过各种输入传播的能量组合成共同的输出(合路器)。本发明公开了一种基于宽带(wideband)和广带(broadband)的介质波导的定向耦合器结构。宽带，是因为它工作在宽频率范围内，而广带，是因为它适合用于占用宽带宽的调制信号。

背景技术：

1、射频(radiofrequency，rf)系统以导引电磁波的形式操作处理信号，频率从30mhz左右开始上升到频谱的毫米(30ghz至300ghz)和太赫兹(300ghz至3000ghz)区域。在处理这些信号的过程中，rf系统可能需要将通过波导传播的射频信号分割成自身的几个副本，其中每个副本内具有不同的能量的量(分割比率)，每个副本在不同的输出波导中递送。该功能构成功率分配器。反向的功能，将不同的rf信号组合成共同的输出，构成功率合路器，也是令人感兴趣的。

2、这种功能的特定情况是称为双向耦合器的被动器件，其示意性地表示于图1中。该图示出了具有四个接入端口的双向耦合器(100)。进入信号到达定向耦合器的输入端口(p1)，将从该输入端口至输出传输端口(p2)的能量的限定量与另一量耦合至第二输出，称为耦合端口(p4)。输入端口(p1)处的进入信号功率通常利用彼此接近的传输线而分割在输出端口之间，从而允许行经一个波导的能量通过消逝波泄漏而耦合到另一个波导。在一些器件中，通过输出端口(p2)逸出的信号的任何返回向器件的反射进入该端口(p2)，并被路由至隔离端口(p3)。器件是双向的，因为任何端口都可以是输入，这将导致直接地连接的端口是传输端口，相邻端口是隔离端口，而对角端口是耦合端口。

3、定向耦合器和功率分配器有很多应用。这些应用包括提供用于测量或监控的信号样本、组合馈入天线和从天线馈出的反馈、天线波束形成、为诸如有线电视(cable tv)等有线分布式系统提供接头、以及分离电话线路上传输和接收的信号。

4、采用传输线设计，当前的定向耦合器主要限于微波频率范围(3ghz至30ghz)。因此，需要获得覆盖宽频率范围的超宽带定向耦合器，包括同轴标准的范围(诸如1-mm连接器，上至110ghz)，并且能够独立于射频工程技术对以上频率(诸如wr8 -90ghz至140ghz-、wr6 -110ghz至170ghz-和wr5 -140ghz至gh 220ghz-)使用的不同矩形波导标准来工作。本发明满足了这种需求，能够使得工作频率范围非常宽。

技术实现思路

1、本发明提出了一种基于介质波导结构的具有功率分配器/合路器功能的新型双向耦合器，以将器件的工作频率范围扩展到覆盖微波范围(3ghz至30ghz)、毫米波范围(30ghz至300ghz)和太赫兹波范围(300ghz至3000ghz)。

2、该耦合器包括具有一对相对边缘的自由传播区域基板。此外，该耦合器包括沿着自由传播区域基板的该相对边缘中的第一边缘的第一组接入端口和沿着自由传播区域基板的该相对边缘中的第二边缘的第二组接入端口。第一组接入端口和第二组接入端口包括介质波导结构，该介质波导结构提供高通滤波器传输功能，工作在从微波范围内或毫米波范围内的低截止频率fcl开始的高频率范围内。

3、在第一示例中，相对边缘中的第一边缘可以成形为具有半径r1的圆的弧，该具有半径r1的圆的中心oa位于更靠近第二边缘(240b)处。

4、在另一示例中，相对边缘中的第二边缘也可以成形为具有半径r2的第二圆的弧，该具有半径r2的第二圆的中心ob位于更靠近第一边缘(240a)处。

5、在另一示例中，这些圆的弧可以具有相同的半径(r1＝r2)，中心oa和ob位于端口轴线之中的一个端口轴线中。

6、在一些示例中，超宽带射频双向还包括多个臂，其中，多个臂分派第一组接入端口和第二组接入端口。

7、在一些示例中，介质波导结构建立在自由传播区域基板的顶部。

8、在一些示例中，介质波导结构嵌入于自由传播区域基板中。

9、在优选示例中，介质波导“dw”结构包括，包括dw锥形轮廓的锥形端。第一组接入端口和第二组接入端口还包括锥形缝隙天线“tsa”，该锥形缝隙天线“tsa”提供带通滤波器传输功能，工作在上至毫米/亚毫米波范围内的高截止频率fch的低频率范围内。

10、锥形缝隙天线包括围绕介质波导结构的第一锥形端的tsa锥形轮廓，其中tsa锥形轮廓与dw锥形轮廓相匹配。

11、在一些示例中，tsa锥形轮廓和dw锥形轮廓是线性锥形的。

12、在一些示例中，tsa锥形轮廓和dw锥形轮廓是指数锥形的。

13、在一些示例中，tsa锥形轮廓和dw锥形轮廓是费米(fermi)锥形的。

14、在另一优选示例中，具有功率分配器/合路器功能的超宽带双向耦合器包括：第二基板，其上建立有低频定向耦合器，配置为工作在从dc(或极低频，低至几khz)上至毫米波范围内的低截止频率fcl。在该结构中，多个传输线和波导过渡件连接低频定向耦合器和锥形缝隙天线，用于实现具有从低频上至fch的工作频率范围的定向耦合器。

15、在另一优选示例中，具有功率分配器/合路器功能的超宽带双向耦合器包括，沿着自由传播区域基板的至少一个边缘的两个第一接入端口，包括具有锥形端的两个介质波导结构，和沿着自由传播区域基板的相对边缘的两个第二接入端口，包括具有锥形端的两个介质波导结构。在该示例中，四个介质波导结构包括dw锥形轮廓，超宽带双向耦合器还包括四个锥形缝隙天线，这些锥形缝隙天线提供低通特性，工作在上至毫米波范围内的高截止频率fch的低频率范围内，其中，锥形缝隙天线包括围绕介质波导结构的第一锥形端的锥形轮廓，其中，tsa锥形轮廓与dw锥形轮廓相匹配。

16、在其他示例中，介质波导结构可以包括至少一个截断端。

17、在其他示例中，自由传播区域基板可以具有与介质波导结构不同的介电常数。

18、在其他示例中，自由传播区域基板可以包括吸收体。

19、在其他示例中，自由传播区域基板可以包括介电材料。

技术特征：

1.一种具有功率分配器/合路器功能的宽带和广带射频双向耦合器(200a、200b、300、400a、400b、400c)，用于频率上至300ghz的信号，包括：

2.根据权利要求1所述的超宽带射频双向耦合器(200a、200b、300、400a、400b、400c)，其中，所述一对相对边缘中的所述第一边缘(240a)成形为具有半径r1的圆的弧，所述具有半径r1的圆的中心oa位于更靠近所述第二边缘(240b)处。

3.根据权利要求2所述的超宽带射频双向耦合器(200a、200b、300、400a、400b、400c)，其中

4.根据权利要求3所述的超宽带射频双向耦合器(200a、200b、300、400a、400b、400c)，其中，r1＝r2。

5.根据权利要求1至4所述的超宽带射频双向耦合器(200a、200b、300、400a、400b、400c)，还包括多个臂，其中，所述多个臂分派所述第一组接入端口(p-l1–p-lm)和所述第二组接入端口(p-r1–p-rn)。

6.根据权利要求1至5所述的超宽带射频双向耦合器(300)，其中，所述介质波导结构(dw-l1–dw-lm)、(dw-r1–dw-rn)建立在所述自由传播区域基板(310)的顶部。

7.根据权利要求1至5所述的超宽带射频双向耦合器(400a、400b)，其中，所述介质波导结构(dw-l1–dw-lm)、(dw-r1–dw-rn)嵌入于所述自由传播区域基板(310)中。

8.根据前述权利要求中任一项所述的超宽带射频双向耦合器(200b、300)，

9.根据权利要求8所述的超宽带射频双向耦合器(200b)，其中，所述tsa锥形轮廓(300a)和所述dw锥形轮廓是线性锥形的。

10.根据权利要求8所述的超宽带射频双向耦合器(200b)，其中，所述tsa锥形轮廓(300b)和所述dw锥形轮廓是指数锥形的。

11.根据权利要求8所述的超宽带射频双向耦合器(200b)，其中，所述tsa锥形轮廓(300c)和所述dw锥形轮廓是费米锥形的。

12.根据前述权利要求中任一项所述的超宽带双向耦合器(700)，还包括：

13.根据权利要求6或7所述的超宽带双向耦合器(300)，包括：

14.根据权利要求13所述的超宽带双向耦合器(300)，

15.根据权利要求1至7所述的超宽带射频双向耦合器(400a、400c)，其中，所述介质波导结构(dw-l1–dw-lm)、(dw-r1–dw-rn)包括至少一个截断端。

16.根据前述权利要求中任一项所述的超宽带双向耦合器(200a、200b、300、400a、400b、400c)，其中，所述自由传播区域基板(310)具有与所述介质波导结构(dw-l1–dw-lm)、(dw-r1–dw-rn)不同的介电常数。

17.根据前述权利要求中任一项所述的超宽带双向耦合器(200a、200b、300、400a、400b、400c)，其中，所述自由传播区域基板(310)包括吸收体。

18.根据权利要求1至3所述的超宽带双向耦合器(400c)，其中，所述自由传播区域基板(310)包括介电材料。

19.根据前述权利要求中任一项所述的超宽带双向耦合器(200a、200b、300、400a、400b、400c)，其中，所述第一组接入端口(p-l1–p-lm)的圆的弧等于所述第二圆的弧的所述半径r2；并且其中，两个所述圆的所述中心(oa、ob)径向对齐。

技术总结
具有功率分配器/合路器功能的超宽带射频双向耦合器(200A、200B、300、400A、400B、400C)，用于频率上至300GHz的信号：具有一对相对边缘(240A、240B)的自由传播区域基板(210)；沿着所述自由传播区域基板(210)的至少一个边缘建立的第一组接入端口(P‑L1‑P‑LM)；以及沿着所述自由传播区域基板(210)的相对边缘建立的第二组接入端口(P‑R1‑P‑RM)。其中，第一组接入端口(P‑L1–P‑LM)和第二组接入端口(P‑R1–P‑RN)包括介质波导结构(DW‑L1‑DW‑LM)、(DW‑R1‑DW‑RN)，该介质波导结构(DW‑L1‑DW‑LM)、(DW‑R1‑DW‑RN)提供高通特性互连，工作在从微波范围内或毫米波范围内的低截止频率fCL开始的高频率范围内。

技术研发人员：G·卡平特罗·德尔·巴里奥,A·里维拉·拉瓦多,L·E·加西亚·穆尼奥斯,阿里·穆赫辛
受保护的技术使用者：马德里卡洛斯三世大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17