CN100342582C - 利用可变阻抗传输线从各种传输线耦合射频能量的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种从传输线(100)耦合能量的装置和方法。这种装置包括一个设计成能穿过传输线(100)外导体上的孔“分接”入传输线内导体(102)的触头(104)。触头(104)的一部分可以是线圈(例如，一个弹簧)，这个线圈的特征可以加以改变以控制装置的插入损耗和耦合损耗。例如，可以控制线圈的线长度、线圈直径、匝数、和节距设计。这种装置还可以包括一个接到线圈上的次级传输线，这个次级传输线可允许对耦合能量进行附加控制。

Description

利用可变阻抗传输线从各种传输线耦合射频能量的装置
相关申请交叉参考
本申请是2000年5月3日提交的美国专利申请No.09/563,328的部分继续申请，要求1999年12月8日递交的美国临时专利申请No.60/169,722的权益。
发明领域
本发明与射频装置有关，具体地说，与从传输线耦合射频能量的方法和装置有关。
背景技术
在本发明以前，同轴分接头和耦合器通过切断RF电缆再用同轴跨接器予以连接来安装。这种方法的主要缺点是对主电缆有过大损耗。后来，Stein等人的美国专利5,729,184揭示了可以在不用连接器化的情况下使用分接头，然而，Stein等人的发明仍然导致对主电缆有超过1dB的损耗。Stein等人提到理论上能设计耦合损耗高达20dB的分接头，但是没有揭示制造这种装置的方法。
因此，所需的是具有选择RF系统内耦合损耗和伴随的插入损耗的能力的方法和装置。特别，这种方法和装置不仅应该允许无线系统可以得到调谐而且还应该允许使RF照射一个设备所需的放大器和有源器件最少。
发明概要
本发明一般地与从传输线得到能量的耦合装置有关。在一个实施例中，这种耦合装置包括一个穿过传输线的外导体上的一个孔接触传输线的内导体的触头。至少触头的一部分包括一个具有限定所传递的能量的至少一个属性的预选形状的线圈。这种耦合装置还包括一个具有一个与触头耦合的内导体的连接器。
在另一个实施例中，这种耦合装置包括定位在触头与连接器之间的具有预选形状的一段丝线。这段丝线与接地面隔开，以形成选定的寄生电容，而丝线的形状至少部分限定了耦合装置的中心频率。
附图简要说明
为了更完全地了解本发明及其优点，下面将结合附图进行说明。在这些附图中：
图1A为按照本发明的原理设计的第一耦合装置的原理图；
图1B为按照本发明的原理设计的第二耦合装置的原理图；
图1C为按照本发明的原理设计的第三耦合装置的原理图；
图1D为按照本发明的原理设计的第四耦合装置的原理图；
图2示出了按照本发明的原理设计的耦合装置的组装和剖视图；
图3A示出了诸如图1B原理性所示的超低插入损耗、高耦合损耗的耦合装置的电子组装；
图3B示出了诸如图1B原理性所示的低插入损耗、中耦合损耗的耦合装置的电子组装；
图3C示出了诸如图1C原理性所示的低插入损耗、低耦合损耗的耦合装置的电子组装；
图3D示出了诸如图1A原理性所示的低插入损耗的高频耦合装置的电子组装；
图4A和4B分别例示了第五耦合装置的剖面侧视图和俯视图；
图5A和5B分别例示了第六耦合装置的剖面侧视图和俯视图；
图6A和6B分别例示了第七耦合装置的剖面侧视图和俯视图；
图7A-7C分别例示了第八耦合装置的剖面侧视图、俯视图和近视图；
图8例示了图7A-7C的耦合装置的另一个实施例；
图9为例示使用图8的耦合装置的变型时两条典型的插入损耗样值的曲线图；
图10为例示使用图8的耦合装置的变型时两条典型的耦合响应样值的曲线图；
图11A-C分别例示了第九耦合装置的剖面未组装侧视图、组装后侧视图和俯视图。
优选实施例说明
从附图的图1-3所示的例示性实施例中可以更透彻地了解本发明的原理及其优点。在这些附图中同样的编号所标的是同样的部分。
图1A和3D分别示出了将RF能量从一个同轴电缆耦合给一个第二同轴电缆、RF辐射器或RF放大器的耦合装置的原理图和配置图。虽然所示的是同轴电缆，但可以理解可以是任何传输线和从任何传输线分接。有一个孔穿透主传输线的外导体100，触头104(图3D的300)插入孔内与主传输线的中央导体102接触。触头可以是有弹簧加压的，但可以理解可以采用任何接触中央导体的措施。最好使中央导体触头104(300)绝缘，但对于合乎本发明的原理来说这并不是必需的。触头104(300)的轴上加了绝缘，以防止无意中与外导体100接触。
耦合器的内部传输线106(图3D的326)是一段低损耗丝线。丝线的长度和直径确定了装置的频率响应，以及在某种程度上确定了装置的耦合损耗和插入损耗。传输线的丝线可以是绝缘的，以使丝线用于较低频率时可以较长而仍然合乎本发明的意图。
本发明的一个原理是使用高导电的丝线。这防止了由于绝缘而引起的介质损耗。
丝线接到由外导体110和中央导体111(310)表示的输出连接器的中央导体引脚111(310)上。可以理解，输出端可以是一个硬线连接的电缆、直接连接的天线、放大器或等效负载。无论是其中哪种负载都合乎本发明的原理。
损耗元件112(314)连接在输出连接器的中央引脚111(310)和外屏蔽层110之间，以提供与接到输出连接器上的装置的较好阻抗匹配。损耗元件加到本发明的实现上，但是就本发明的原理来说这不是必要的。
图1A和3D的配置用于耦合值从将近-15dB至-6dB的耦合装置。内部传输线106(306)的损耗元件是低损耗的丝线。丝线的长度和直径确定了装置的频率响应，以及在某种程度上确定了装置的耦合损耗和插入损耗。传输线的丝线可以是绝缘的，以使丝线用于较低频率时可以较长而仍然合乎本发明的意图。图1B、3A和3B分别为按照本发明的原理设计的将极少RF能量从主电缆耦合到输出连接器从而大大减小主电缆内的插入损耗的另一个耦合装置的原理图和配置图。
有一个孔穿透主传输线外导体100，触头104(300)插入孔内与主传输线的中央导体102接触。触头可以是有弹簧加压的，但可以理解可以采用任何接触中央导体的措施。最好使中央导体触头102绝缘，但对于满足本发明的原理来说这并不是必需的。
内部传输线114(图3A和3B中的306和320)是一段低损耗、非绝缘的丝线，但对于较长的长度可以是绝缘的，以适应较低的频率而仍然合乎本发明的原理。传输线丝线不与任何介质接触，除了在与终接点连接处。
图1A和3D的配置用于耦合值从将近-15dB至-6dB的耦合装置。内部传输线106(326)的损耗元件是低损耗的丝线。丝线的长度和直径确定了装置的频率响应，在某种程度上也确定了装置的耦合损耗和插入损耗。寄生电容105取决于丝线的直径和离图3D中所示的接地面108(308)(图2中的202)的距离。丝线的寄生电容和形状确定了装置的中心频率响应。传输线的丝线可以是绝缘的，以使丝线用于较低频率时可以较长而仍然合乎本发明的意图。如图3D所示，PC板312包括一些孔316，其作用将在下面说明。
本发明的一个原理是使用高导电的丝线。这防止了由于绝缘而引起的介质损耗。本发明的另一个原理是除连接点处避免传输线丝线与任何介质表面接触。
丝线接到由外导体110和中央导体111(310)表示的输出连接器的中央导体引脚111(310)上。可以理解，输出端可以是一个硬线连接的电缆、直接连接的天线、放大器或等效负载。无论是其中哪种负载都合乎本发明的原理。
本发明的又一个原理是不使传输线与中央触头102(300)连接而是采用电容耦合，对引脚102周围的场采样，具体如图3A中302和图3B中318处所示。采样越重，耦合能量越大。
在图1B中，元件132表示在传输线114和与主电缆中央导体102连接的引脚104之间的隔直流连接的复阻抗。这种连接还示于图3A和3B。这种连接可以是如图3A所示允许耦合少量功率(从20至30dB)的浅连接，也可以是如图3B所示允许耦合值为从15至20dB的深连接。高耦合损耗导致插入损耗为0.3至0.05dB。
图1C和3C的配置使耦合装置可以传送若干选定的频率，在这些频率上具有低的插入损耗。内部传输线在图1C中标为116，而在图3C中标为322。图1C中的集总阻抗117和图3C中所示的线圈325使耦合装置可以配置成在强调选定的频率的同时大大减小在选定的频率处的插入损耗。
本发明的又一个原理是采用诸如图1C和3C中所示的集总阻抗输入和图1B和3A、3B的选择耦合，这使设计人员不仅可以选择耦合、插入损耗，而且还可以选择所需的频率，从而在同一个电缆上可以发送和接收若干频率。
图1D通常与本发明的在耦合端口的输入端上带隔直流的复阻抗119的有关。这使设计人员可以将耦合装置配置成设定反射损耗和在一定程度上设定频率响应。在这里，传输线(内部)标为118。
图3D概括地说与本发明的用于2GHz附近的单个频率的耦合装置有关。这个装置如在这里所说明的其他装置那样应用了选择耦合损耗和插入损耗需要不同的丝线尺寸的原理。可以理解，本发明的这些原理的任何组合也是本发明的组成部分。
图2概括地说与本发明的机械结构情况有关。这个组装包括底部210、顶部206和顶封214三个塑料零件。耦合端口连接器200示为“N”连接器，但也可以使用任何适当的RF连接器。与耦合端口的连接也可以是“挤入”或“硬线连接”式的。与主电缆的连接标为208，但可以理解任何接触主电缆中央导体的探针或其他装置也合乎本发明的原理。
系紧螺杆212用来将装置的顶、底部接到主电缆上。使用系紧螺杆有利于安装。
螺钉216配置在连接法兰的相对的角部，穿过PC板312(图2中的204)中的通孔316，起着防转动的作用，还提供了从主电缆到耦合端口的外导体的接地通路。虽然防转动对于装置的工作来说并不需要，但它增加了总强度。对于工作在高于400MHz的来说并不需要接地，但是接地提高了整体的电稳定性。螺钉216通常在制造时部分安装而在安装时最后安装好。
现在来看图4-9，其中例示了另一些实施例，下面将予以详细说明。
先来看图4A和4B，在一个实施例中，耦合装置400用一段丝线绕成的线圈402(例如，为一个弹簧)来接触同轴电缆的中央导体(未示出)。耦合装置400可以包括一个塑料或非铁磁性材料的外壳，但为了清晰起见外壳没有示出。弹簧402可以是一个节距不变或可变的非铁磁性材料弹簧。在本例中弹簧402包括线圈部412、在线圈部412顶上的较直的延伸部和在线圈部412的底下的较直延伸部412。弹簧402的丝线直径、线圈直径和匝数可以根据诸如耦合和插入损耗之类的所希望的效果选择。
弹簧402的底延伸部416通过次级传输线404接到中央导体引脚406上。印刷电路板(PCB)408可用来为弹簧402、次级传输线404和中央导体引脚408提供一个安装面。在本例中，RF接口连接器410安装在弹簧402相反的那侧，通过中央导体引脚408和次级传输线404与弹簧402连接。PCB 408上有一个或多个孔(未示出)，可以提供PCB 408两侧的信号连接通道以及作为安装孔。
在工作中，弹簧402可以将阻抗从同轴电缆的传输线特征阻抗(例如大约为50或75欧)变换为较高的所需值。这种变换基本上在虚平面内实现，弹簧402的复阻抗确定了总频率响应和从同轴电缆提取的能量。具体地说，变换在虚平面内是因为复阻抗主要是与匝间寄生电容的串联感抗。因此，一般说来这阻抗几乎没有电阻性的实平面分量。
复阻抗与传输线阻抗的比决定了从传输线提取的能量的大小。这个复阻抗部分是弹簧402和直径、节距、匝数和线长的函数。此外，弹簧402的顶、底延伸部414、416可以对总复阻抗进行二阶控制。此外，次级传输线404可用来完成使复阻抗达到所需值的变换。例如，次级传输线404可以控制频率响应和从同轴电缆提取/送入同轴电缆的功率。
现在来看图5A和5B，在另一个实施例中，耦合装置500包括线圈502、次级传输线504、中央导体引脚506、PCB 508和RF接口连接器510，以与就图4A和4B所说明的类似的方式连接。在本例中，可以将次级传输线504做成任何允许在所需频带上得到所希望的复阻抗的形状。例如，线圈502用作初级阻抗变换器，而次级传输线504可以是可用来获得所希望的插入和耦合损耗的传输线或任何无源元件(诸如一个集总元件电阻、电容或电感)。
现在来看图6A和6B，在又一个实施例中，耦合装置600包括一个线圈602，这个线圈可以与分别就图4和5所说明的线圈402和502类似。线圈602可以包括单个节距固定或可变的非铁磁性线圈，直径可以是固定或可变的。线圈602直接接到RF接口连接器606的中央引脚604上。如前面所说明的那样，耦合装置600的插入损耗和耦合损耗可以通过设计线圈602的线长、线圈直径、匝数和节距确定。
本例可以构造成不用PCB。这可以简化耦合装置600的制造、降低成本，但效益类似。此外，线圈602直接连接到RF接口连接器606上可以避免通过PCB连接而会出现的能量损耗。此外，由于有线圈602而得到的频率响应可以是宽带的。所以出现宽频带的频率响应部分是因为上述直接连接的方式去掉了电路板和不用次级线圈/传输线，这就减小了总次级/寄生阻抗。这种减小使线圈602本身谐振频率上升到所关心的频带以外，从而导致宽频带的频率响应。
现在来看图7A-7C，在再一个实施例中，耦合装置700包括一个直接接到RF接口连接器706的中央引脚704的线圈702。线圈702的一部分封装在诸如低损耗塑料(例如，聚苯乙烯)之类的材料708内。在本例中，线圈702只有靠近底部的一小部分没有封装，而大部分上部都被封装起来。
线圈702的上部起着主要的阻抗变换器的作用，它的复阻抗可以通过用材料708机械上限制线圈的尺寸而保持不变。弹簧702的下部起着次级阻抗变换器的作用，但是允许压缩，实际上就是线圈702的这个部分维护与主电缆的中央导体接触。具体地来看图7C，为了例示起见，线圈702是用美国线径(AWG)25号线绕14匝，外径为0.120英寸。线圈702的标为“A”的部分表示上面的12.5匝，用材料708封装。线圈702的标为“B”的部分表示下面的1.5匝，没有封装。
这样封装的特色是可以在控制线圈702的同时通过改变介质护套的厚度使耦合装置700能安装到同轴电缆上(例如，非密封部分可以压缩或伸展以与电缆接合)。此外，由于有线圈702而得到的频率响应可以是宽带的。所以出现宽频带的频率响应部分是因为上述直接连接的方式去掉了电路板和不用次级线圈/传输线，这就减小了总次级/寄生阻抗。这种减小使线圈702本身谐振频率上升到所关心的频带以外，从而导致宽频带的频率响应。
现在来看图8，在再一个实施例中，图7A-7C的耦合装置700包括一个可以从装置700伸入同轴电缆的管形延伸段710。延伸段710可以做成耦合装置700的一部分，也可以作为一个独立的组装加到耦合装置上。延伸段710可以起各种作用，诸如起线圈702的稳定器的作用和作为一个防转动装置。
此外，可以在耦合装置700的外壳714内形成一个腔712。可以通过调整腔712大小来调整寄生电容，从而微调频率响应。更准确地说，腔712可以形成一个电磁谐振电路。在将线圈702(或传输线)装入腔712时，包围线圈702的场就受到限制(例如，由于有在自由空间内不存在的电磁边界条件)。因此，腔702将呈现一个基本上是虚数的复阻抗，这个复阻抗可以是电容性的。
现在来看图9，曲线图900例示了由于分接而引起的典型插入损耗。曲线图900的X轴902表示频率(MHz)，而Y轴904表示插入损耗(dB)。两条样值906和908各表示图8的耦合装置700的两个不同的变型的典型性能情况。样值906例示了在提取标称功率时的结果，而样值908例示了所提取的功率增大3dB左右时的结果。
现在来看图10，曲线图1000例示了由于分接而引起的典型耦合响应。曲线图1000的X轴1002表示频率(MHz)，而Y轴1004表示耦合损耗(dB)。两条曲线1006和1008各表示图8的耦合装置700的两个不同的变型的典型性能情况。曲线1006例示了在提取标称功率时的结果，而曲线1008例示了所提取的功率增大3dB左右时的结果。
图9和10的曲线图内的样值906、908和1006、1008分别是根据图8的两个变型得出的。样值906和1006与从一个变型得到的结果相应，而样值908和1008与从另一个变型得到的结果相应。例如，由样值906和1006表示的变型可以制作成具有一个线圈基线长度、线圈内径、线圈线长度和线圈匝数。在基线确定的情况下，在制作一个相同的线圈长度但线圈匝数减少20％、线圈直径增大10％和线圈线长度增加5％的变型时可以得到样值908和1008。这两个变型是根据线圈的直径不变和节距不变得出的。用这两个参数中的一个或两个来代替或结合所改变的这些参数可以获得类似的结果。此外，可以理解可以用各种参数来产生一个所希望的变型。
现在来看图11A-C，在再一个实施例中，示范性耦合装置1100包括线圈1102、次级传输线1104、中央导体引脚1106、PCB 1108和RF接口连接器1110，以与就图4和5所说明的类似的方式连接。如前面所说明的那样，次级传输线1104可以做成任何允许在所需频带上得到所希望的复阻抗的形状。例如，线圈1102用作初级阻抗变换器，而次级传输线1104可以是可用来获得所希望的插入和耦合损耗的传输线或任何无源元件(诸如一个集总电阻、电容或电感元件)。
装置1100包括一个外壳1112。在本例中，外壳1112包括下外壳1112a、上外壳1112b和顶板1112c。顶板1112c可以由多个螺钉1114固定到上外壳1112b上，而上外壳1112b可以由多个螺钉1116固定到下外壳1112a上。也可用其他紧固装置来替换或补充螺钉1114和1116。
装置1100也可以包括如就图8所说明的管形延伸段1118和腔1120。管形延伸段1118可以从装置1100伸入同轴电缆。延伸段1118可以做成耦合装置1118的一部分，也可以作为一个独立的组装加到耦合装置上。延伸段1118可以起各种作用，诸如起线圈1102的稳定器的作用和作为一个防转装置。可以在耦合装置1100的外壳1112内形成腔1120。例如，可以在上外壳1112b内形成腔，如图所示。可以通过调整腔1120大小来调整寄生电容，从而微调频率响应，如前面所述。
虽然本发明是结合具体实施例说明的，但不应该将这说明看作限制性的。对于熟悉该技术的人员来说，在参考了本发明的说明后，对所揭示的这些实施例和本发明的另一些实施例都是显而易见的。熟悉该技术领域的人员可以看到，所揭示的构思和具体实施例很容易用来修改或设计实现本发明同样用途的其他设备。熟悉该技术领域的人员还应看到这种等效结构并没有背离如在所附权利要求书中所提出的本发明的精神实质和专利保护范围。因此，权利要求书涵盖了属于本发明的专利保护范围的任何这种修改或实施例。

Claims (18)

1.一种用于从传输线得到能量的耦合装置，所述耦合装置包括：
一个用于穿过所述传输线的外导体中的孔接触所述传输线的内导体的触头，其中，所述触头的第一部分包括一个具有预选形状的线圈，所述形状限定所传送能量的属性，该属性选自包括频率、耦合损耗和插入损耗的组，以及其中，所述触头的第二部分被配置为形成所述传输线的内导体与所述触头的第一部分之间的连接；以及
一个具有与所述触头耦合的内导体的连接器。
2.权利要求1的耦合装置，所述耦合装置还包括一段设置在所述触头和所述连接器之间的具有预选形状的丝线，其中所述丝线与接地面隔开以形成选定的寄生电容，所述丝线的所述形状可用来至少部分限定所述耦合装置的中心频率。
3.权利要求2的耦合装置，其中所述丝线是一个无源元件。
4.权利要求1的耦合装置，所述耦合装置还包括：
一个外壳；以及
一个在所述外壳内的腔，其中所述腔容纳所述触头，而且所述腔可用来引起所述寄生电容。
5.权利要求1的耦合装置，所述耦合装置还包括一个包围所述线圈的至少一部分的封装件，所述封装件机械地限制该线圈的被包围部分。
6.权利要求1的耦合装置，其中所述线圈具有可变节距。
7.权利要求1的耦合装置，其中所述线圈具有可变直径。
8.权利要求1的耦合装置，其中所述触头的第二部分为第一直端部，该触头还包括第二直端部，所述第一直端部和第二直端部分别位于所述线圈的两端，所述第一直端部与所述传输线接合，而所述第二直端部与所述连接器的内导体耦合。
9.一种射频耦合装置，所述射频耦合装置包括：
一个外壳；以及
一个至少部分位于该外壳内的电路，所述电路包括：
一个可用来与传送能量的传输线接合的触头，所述触头包
括一个配置成限定所传送能量的属性的线圈部分，所述属性选
自包括频率、耦合损耗和插入损耗的组；
一个与所述触头耦合的导体引脚；以及
一个与所述导体引脚耦合的接口连接器。
10.权利要求9的射频耦合装置，其中所述外壳还包括一个从所述射频耦合装置伸入所述传输线的延伸部，所述延伸部至少部分包围所述触头，可用来限制所述触头相对外壳的横向运动。
11.权利要求10的射频耦合装置，其中所述延伸部是管状的。
12.权利要求10的射频耦合装置，其中所述延伸部可用来避免所述射频耦合装置相对所述传输线的转动。
13.权利要求9的射频耦合装置，所述射频耦合装置还包括一段定位在所述触头和导体引脚之间的丝线，所述丝线至少部分由一个空气隙与接地面分开，而且配置成还限定所传送能量的属性。
14.权利要求9的射频耦合装置，所述射频耦合装置还包括一个位于所述外壳内的腔，其中所述腔容纳所述触头，而且所述腔大小被确定以调整所述射频耦合装置的寄生电容。
15.一种从一个具有分开的内导体和外导体的传输线耦合能量的方法，所述方法包括下列步骤：
形成一个穿过所述传输线的外导体以露出内导体的一部分的孔；
将一个线圈触头穿过所述孔插入；
改变所述线圈触头相对所述内导体的位置以与所述内导体接合，这种改变由于所述线圈触头自动进行；以及
使所述线圈触头与一个接口电耦合。
16.权利要求15的方法，所述方法还包括将一个延伸部插入所述传输线，该延伸部从所述接口延伸，并至少部分包围所述触头。
17.权利要求15的方法，所述方法还包括用所述线圈改变所传送能量的属性，该属性选自包括频率、耦合损耗和插入损耗的组。
18.权利要求15的方法，其中所述使线圈触头与接口电耦合的步骤包括在所述线圈触头和所述接口之间设置一段丝线。
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