CN102299396A - 微波频段合路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微波频段合路器，包括矩形腔体和将该矩形腔体分隔为两个波导腔的耦合板，定义耦合板的纵长方向为全局纵长方向，定义耦合板的宽度方向为全局宽度方向，所述耦合板在全局纵长方向的中部设置窗孔以形成相距的两部分，该窗孔的全局宽度方向两侧的矩形腔体内壁上，各设有竖立于内壁且彼此相对顶的金属柱体；金属柱体与耦合板的两个部分之间和/或相邻的两个金属柱体之间形成耦合缝隙；两个波导腔内还设有阻抗匹配器。本发明采用金属柱体与耦合板上的窗孔共同形成耦合缝隙，且与波导腔内阶梯状匹配器两者并用的方式，使得其调节灵活方便，无论是频率带宽还是耦合能量大小及其在频带内的平衡度，都有其绝对优势，从而使性能大为改善。

Description

微波频段合路器

【技术领域】

本发明涉及一种微波无源器件，尤其涉及一种微波频段合路器。

【背景技术】

微波通信是目前国际上常用的无线通信手段之一，被广泛的应用于数据传输、广播电视传送、卫星通信、移动通信等领域。合路器是无线传输产品的室外三端口网络器件，连接天线和两个室外单元(ODU)，即两个收发一体信道通过合路器共用一个天线。

合路器连接天线和两个ODU单元，它的存在必然会带来天线的插损增大，驻波比抬高，从而恶化天线的整体性能。所以合路器的设计就是要使合路器在工作条件下带来的电性能恶化不超过规定的限度。

为达到这个目的，采用波导宽边耦合方式的合路器，目前采用的最简单的方法就是如图1所示，在合路器的中间隔板1’处沿着宽边并以波导为中心，中心对称地加上两个耦合槽孔12’，13’，耦合槽孔12’，13’所在的隔板1’两侧有一定的金属补偿结构3’。这样的合路器，其频带较窄，且插损曲线在频带内不平衡，特别是三个端口的驻波比恶化较大。

一种改进的方案如图2所示，合路器的两个波导腔体和隔板4’及其隔板4’中间的孔5’整体加工，隔板4’的中间长孔5’处放置一带间隙小孔61’的金属块6’，金属块6’上设置的间隙小孔61’及所述隔板4’中间的长孔5’共同构成了合路器的耦合缝隙组件7’，对于这样的合路器，带间隙小孔61’的金属块6’很难同时完全与合路器的两个波导腔体8’的左右两个壁充分接触，接触不完全，会有缝隙，导致合路器的插损恶化，在高频段尤为严重，相应地对加工精度要求也会加高，其制造成本随之亦高，不利于规模化大批量生产。

【发明内容】

因此，本发明的首要目的在于克服上述不足，提供一种微波频段合路器，以改善其整体电气性能和物理结构特质。

为实现本发明的目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的微波频段合路器，包括矩形腔体和将该矩形腔体分隔为两个波导腔的耦合板，定义耦合板的纵长方向为全局纵长方向，定义耦合板的宽度方向为全局宽度方向，所述耦合板在全局纵长方向的中部设置窗孔以形成相距的两部分，该窗孔的全局宽度方向两侧的矩形腔体内壁上，各设有竖立于内壁且彼此相对顶的金属柱体；于全局纵长方向，金属柱体与耦合板的两个部分之间和/或相邻的两个金属柱体之间形成用于所述两个波导腔之间进行信号耦合的耦合缝隙。具体的，所述矩形腔体的两侧内壁上所设置的金属柱体，彼此间数量相等、位置相对、尺寸相同。

较佳的，所述金属柱体与其所在的矩形腔体内壁紧密连接。为确保金属柱体与矩形腔体内壁的紧密连接，彼此相对顶的每对金属柱体中的两个金属柱体的相对面间留有空隙。两种优选的连接方式分别为：所述金属柱体与其所在的矩形腔体内壁之间螺纹连接；所述金属柱体镶嵌于其所在的矩形腔体内壁。

为进一步改善电气性能，彼此相对顶的多对金属柱体，沿耦合板的全局纵长方向成单行或矩阵排列。

作为简化的实例，所述矩形腔体的两侧内壁上所设置的金属柱体各为一个或多个，金属柱体与耦合板的两部分之间均形成有所述耦合缝隙；优化的实施中，所述矩形腔体的两侧内壁上所设置的金属柱体各为多个，同一内壁上所设置的相邻金属柱体之间形成所述耦合缝隙。进一步的，所述多个金属柱体中的两个居于外侧的金属柱体分别与耦合板的两部分之间形成所述耦合缝隙。

较佳的，所述金属柱体的截面呈中心对称图形，或，所述金属柱体的截面呈圆形、正方形、正三角形、正多边形中任意一种。

该合路器呈中心对称结构，此举能获得最佳性能。

具体的，所述矩形腔体包括在全局宽度方向上相互组合的两个部分，所述耦合板与所述矩形腔体的两个部分之一一体成型，而另一部分呈平板状，彼此相对顶的每两个金属柱体分别与该两个部分紧密固定。这种结构便于对矩形腔体进行铣加工。

进一步定义耦合板的厚度方向为全局厚度方向，矩形腔体于所述全局厚度方向的两侧的内壁、对应所述耦合板的窗孔的位置处，分别设置有阻抗匹配器。阻抗匹配器的两种优选的设计为：所述阻抗匹配器呈单层或多层台阶状凸出；所述阻抗匹配器呈单层或多层台阶状凹陷。

较佳的，所述耦合板的两个部分彼此相对的边呈圆角或尖角。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

首先，本发明提出的微波频段合路器，由若干金属柱体和耦合板中部窗孔构成的耦合缝隙和台阶状阻抗匹配器两者并用，适当地调节金属柱体大小、间隔及调节耦合板中部窗孔的长度、厚度等几何尺寸，可灵活方便地调节合路器的耦合能量的大小及其平衡度，且对端口驻波比也有一定的优化作用；台阶状阻抗匹配器可很大程度上优化端口的驻波比性能，从而大为改善合路器的整体性能；

其次，金属柱体的直径大小可优选设定，既可以是较粗的单个柱体，亦可以是较细的两个或多个金属柱体并行排列，且排数可灵活变化以组成矩阵排列，且金属柱体对称地分布在所述波导腔与所述耦合板相垂直的两侧壁上，金属柱体之间的对接留有一定的空隙，这样就能使金属柱体与矩形腔体相应内壁之间实现紧密配合，确保在波导腔内，能量最大且最活跃的波导宽边两侧，金属柱体与矩形腔体相应内壁之间无缝隙接触，把间隙留在了能量最小的波导宽边正中间位置，此举可以大为提高合路器产品的合格率和生产效益；

再者，增设台阶状阻抗匹配器，进一步为合路器四个端口的驻波比提供优化可能，可通过调节阻抗匹配器的台阶的长度、厚度以及匹配器的阶梯形状、层数、大小等等多种手段综合对合路器的整体性能进行优化。

【附图说明】

图1为传统的一种波导宽边耦合形式合路器的结构示意图；

图2为现有技术中用带间隙小孔的金属块实现能量耦合性能的微波频段合路器的结构示意图；

图3为本发明微波频段合路器的立体图，其中金属柱体以单行排列，且给出了方向参照系；

图4为本发明微波频段合路器的立体图，其中金属柱体以矩阵排列；

图5为图4所示矩形腔体的第一部分、耦合板、及安装于矩形腔体该第一部分的相应内壁上的金属柱体的详细的结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：

请参阅图3，本发明的优选实施例中，微波频段合路器由矩形腔体4、耦合板1以及若干金属柱体31、32构成。为描述的便利，定义耦合板1的纵长方向也即矩形腔体4的纵长方向为全局纵长方向Z，定义耦合板1的宽度方向也即矩形腔体4的宽度方向为全局宽度方向X，定义耦合板1的厚度方向也即矩形腔体4的厚度方向为全局厚度方向Y。所述矩形腔体4一体贯通形成由四个侧内壁4110、4120、4130、420共同定义的一个纵长内腔，为构图的便利，图3的矩形腔体4在全局纵长方向Z的长度被省略为较短的长度。矩形腔体4由相连接的三个侧壁411、412、413共同构成其第一部分41；另一侧壁42呈平板状，单独构成其第二部分42，该第一部分41与第二部分42在全局宽度方向X上对接且紧密安装。耦合板1与矩形腔体4的该第一部分41通过铣加工一体成型，形成全局纵长方向Z截面呈E字型的结构。当然，耦合板1与矩形腔体4的第二部分42一体成型也是允许的。耦合板1将矩形腔体4的内腔一分为二，形成分别位于耦合板1上、下方的波导腔81、82。所述金属柱体31、32分别竖立装设于矩形腔体4的第一部分41和第二部分42相对于全局宽度方向X两侧的内壁4120、420。

基于耦合板1的分隔作用，两个波导腔81、82以各自的开口同向且关于耦合板1呈全局厚度方向Y上的上下对称设置，具体而言，两个波导腔81、82关于耦合板1的几何中心呈对称结构，这种情况下，两个波导腔81、82便形成四个端口。

众所周知，合路器为可逆器件，即，合路器既可用于对多路信号进行合路形成一路输出，也可反之将一路信号分路为多路输出，故可利用本合路器的四个端口对信号进行合路或分路。例如，图3所示上波导腔81的前向端口可用于接受一路信号的输入(可逆向输出一路合路后信号)，而下波导腔82的前向端口接匹配负载(未图示)，上波导腔81与下波导腔82的后向的两个端口则可分别用于输出分路信号(可逆向输入两路信号用于合路)。

显然，上波导腔81与下波导腔82之间需要相互耦合信号才能实现所述的合路或分路功能。

为此，参阅图3，所述耦合板1由彼此相距的两部分10、12在同一平面上安装而成，该两部分10、12与全局宽度方向X上的矩形腔体4的两个侧内壁4120、420共同定义出一窗孔11，另一角度观之，在耦合板1的中部设置所述窗孔11即自然使得耦合板1被一分为二。耦合板1的两个部分10、12彼此相对的边被设计成圆角，也可设为尖角，最佳的方式是满足合路器的中心对称结构。图3左侧的金属柱体31对应于此窗孔11的位置，固定在全局宽度方向X上矩形腔体4的第一部分41的相应侧的内壁4120上，右侧的金属柱体32固定在全局宽度方向X上矩形腔体4的第二部分42的相应侧的内壁420上。左侧的金属柱体31与右侧的金属柱体32的数量相等，均为两个；尺寸相同，以保持合路器的整体中心对称结构；且，位置相对，即保持在全局宽度方向X的同一轴线上进行安装。

矩形腔体4的第一部分41与第二部分42相组装后，左侧的金属柱体31与右侧的金属柱体32关于窗孔11的几何中心呈对称结构，彼此位置相对的一个左侧金属柱体31和一个右侧金属柱体32构成一对相对顶的金属柱体，即该两个金属柱体31、32处于同一轴线，且分别于一个内壁4120、420上向另一相对内壁420、4120延伸，该两个金属柱体31、32各自的外露面彼此相对设置。在同一内壁4120或420上设置的多个金属柱体31或32，其在全局纵长方向Z上呈单行排列，两个相对内壁4120、420上的金属柱体31、32均单行排列是确保彼此的金属柱体(31、32)相对顶的基础。

在全局纵长方向Z上单行排列的多对相对顶的金属柱体(31、32)中，最外侧的两对相对顶的金属柱体(31、32)分别与耦合板1的两个部分10、12形成耦合缝隙61(参阅图5，下同)，两个波导腔81、82之间的信号得以通过该两个耦合缝隙61进行耦合。同理，在全局纵长方向Z上单行排列的多对相对顶的金属柱体(31、32)中，相邻的两对相对顶的金属柱体(同一内壁上的相邻两个金属柱体)之间保有一定空隙也可形成所述的耦合缝隙62(参阅图5，下同)，同理可用于完成两个波导腔81、82之间的信号耦合。理论上，左侧的金属柱体31、右侧的金属柱体32、矩形腔体4整体、耦合板1等构成的整个微波频段合路器要求严格按窗孔11的几何中心对称安装，实践中，本领域技术人员均知晓，物理上的合理误差是允许的，因此，合理误差不应视为脱离本发明的精神实质。此外，无论是由金属柱体31、32与耦合板1任意部分形成的耦合缝隙61，还是在全局纵长方向Z上相邻的两个金属柱体(两对相对顶的金属柱体)之间形成的耦合缝隙62，均可以单独实现两个波导腔81、82之间的耦合作用，因此，也落入本发明的权利要求应有的保护范围之内。

所述于矩形腔体4内部对应于耦合板1的窗孔11设置的多对相对顶的金属柱体(31、32)，不仅可以单行排列，还可以多行排列，当其多行排列时，最佳的情况是形成矩阵排列，具体请参阅图4所示。无论金属柱体31、32的排列情形如何，均应兼顾整个合路器整体呈中心对称结构的特征以取得最优效果。

所述的金属柱体31、32，其截面形状适宜呈中心对称图形，优选圆形、正方形、正多边形中任意一种，正三角也是允许的。

请具体参阅图3，所述左金属柱体31安装在矩形腔体4的第一部分41的相应内壁4120上，两者之间紧密配合；右金属柱体32安装在矩形腔体4的第二部分42的内壁420上，两者之间紧密配合。当矩形腔体4的第一部分41与第二部分42连接后，为保证该两部分41、42之间的紧密配合，由于左金属柱体31与右金属柱体32关于窗孔11中心对称，这就势必要求同一相对顶的金属柱体(31、32)，如左金属柱体31与右金属柱体32之间留有一定的空隙，同一相对顶的金属柱体(31、32)之间的空隙是客观存在的，并不以肉眼感知为依据，而应扩展至物理上因误差而形成的实际的细微间隙。

为了满足金属柱体31、32与其所在的内壁4120、420之间的连接的紧密性，优选两种方式加以实现，其一是在金属柱体31、32的固定端形成螺钉(未图示)，而在矩形腔体4的相应内壁4120、420位置处形成螺孔(未图示)，特别的，可以在内壁4120、420上设计用于置入该金属柱体31、32的槽位(未图示)，借助螺钉与螺孔的配合将金属柱体31、32与相应内壁4120、420实现螺纹连接；其二是在矩形腔体4的相应内壁4120、420位置处形成槽孔(未图示)，直接将金属柱体31、32镶嵌入该槽孔中实现，这种情况下，金属柱体31、32适宜与该槽孔内壁实现过盈配合。

相对顶的一对金属柱体(31、32)各自的一端与矩形腔体4的相应内壁4120、420实现了无缝隙紧密连接，各自的另一端端面彼此相对，且形成有所述间隙，这种情况下，确保在波导腔81、82内，能量最大且最活跃的波导宽边两侧，金属柱体31、32与矩形腔体4相应内壁4120、420之间无缝隙接触，把间隙留在了能量最小的波导宽边正中间位置。

请再次参阅图3并结合图5，所述由耦合板1的两个部分10、12与矩形腔体4共同定义的耦合缝隙61、62通过进一步与全局厚度方向Y上设置的阻抗匹配器51、52的配合，起到综合改善本发明的合路器的电气性能的作用。所述阻抗匹配器51、52与矩形腔体4一体成型或相互装设，分别设置于矩形腔体4在全局厚度方向Y两侧的内壁4110、4130上，其位置与所述耦合板1的窗孔11的位置相对应，且满足合路器整体为中心对称结构的要求。

第一阻抗匹配器51和第二阻抗匹配器52，在物理结构上完全一致，这样，当其各自形成于或装设于矩形腔体4在全局厚度方向Y的两侧内壁4110、4130时，便容易起到完全对称的作用，用于信号在波导腔81、82中传输时的阻抗匹配。为了更清楚地揭示阻抗匹配器51、52的详细结构，可进一步参阅用于揭示本发明另一实施例的结构的图5，由图5中可以明显地看出，第一阻抗匹配器51在一个波导腔体81中被严格置中安装，第二阻抗匹配器52在另一波导腔82中亦被置中安装，即与窗孔11的几何中心严格呈中心对称安装相对应。

本发明的微波频段合路器，正是通过耦合缝隙61和/或62的特殊形状设计和台阶状的阻抗匹配器51、52的设计而实现的，其中，阻抗匹配器51、52主要完成波导腔81、82两端信号的匹配，包括阻抗匹配器51、52的整体形状以及其台阶的层数、台阶具体形状在内，均会对匹配效果、耦合量等起到相应的影响，具体的设置由本领域普通技术人员在通读本发明后，在实践中，配合对耦合缝隙61和/或62的形状的微调进行检测、调试、最终确定。因此，阻抗匹配器51、52既可以呈单层台阶状凸出，也可以呈多层台阶状凸出；既可以呈单层台阶状凹陷，也可以呈多层台阶状凹陷。

进一步参阅图4和图5，其揭示一种不同于前述的实施例，不同之处在于矩形腔体4同一内壁4120、420上设置的多个所述的金属柱体31、32呈矩阵排列，其行与行之间、列与列之间均存有间隙，然后，应当指出的是，本发明在全局纵长方向Z上的相邻金属柱体之间可以不形成任何间隙，只要该方向Z两个外侧的金属柱体与耦合板1自身的各部分10、12之间形成了本发明所需的耦合缝隙61即可。

同理，一个未图示的实施例中，矩形腔体4的两个部分41、42的相对内壁4120、420，也即全局宽度方向X两侧的内壁4120、420上仅设置一个金属柱体31、32，两个金属柱体31、32相对顶，设置金属柱体31、32的径向尺寸至合适程度，由该对相对顶的金属柱体31、32与耦合板1的两个部分10、12之间形成仅两个耦合缝隙61，这种结构同样满足本发明的精神实质的要求。

需要指出的是，本发明的微波频段合路器适宜采用中心对称结构，但是，这样的优选方式不应用于限定本发明应有的权利保护范围，对其所做出的结构上的细微修改所引起的非严格对称，而又因本发明所设计的耦合缝隙所取得的等同于本发明的技术效果的改进，也应视为不超脱本发明的精神实质。

综上所述，本发明提出的微波频段合路器，采用金属柱体与耦合板1上的窗孔11共同形成耦合缝隙，且与波导腔内阶梯状匹配器两者并用的方式，使得其调节灵活方便，无论是频率带宽还是耦合能量大小及其在频带内的平衡度，都有其绝对优势，从而使性能大为改善。

本发明已在毫米波段内的任意耦合能量中生产出未公开的正式产品，性能测试良好，满足市场要求，对于其它任意耦合能量，满足一定频带宽的合路器也都有广泛的用途。

本发明尽管只给出以上实施例，但是，本领域内普通技术人员在通读本说明书后，结合公知常识，应能联想到更多的具体实施方式，但是这样的具体实施方式并不超脱本发明权利要求的精神，任何形式的等同替换或简单修饰均应视为被本发明所包括的实施例。

Claims (20)

1.一种微波频段合路器，包括矩形腔体和将该矩形腔体分隔为两个波导腔的耦合板，定义耦合板的纵长方向为全局纵长方向，定义耦合板的宽度方向为全局宽度方向，其特征在于：

所述耦合板在全局纵长方向的中部设置窗孔以形成相距的两部分，该窗孔的全局宽度方向两侧的矩形腔体内壁上，各设有竖立于内壁且彼此相对顶的金属柱体；于全局纵长方向，金属柱体与耦合板的两个部分之间和/或相邻的两个金属柱体之间形成用于所述两个波导腔之间进行信号耦合的耦合缝隙。

2.根据权利要求1所述的微波频段合路器，其特征在于，所述矩形腔体的两侧内壁上所设置的金属柱体，彼此间数量相等、位置相对、尺寸相同。

3.根据权利要求1所述的微波频段合路器，其特征在于，彼此相对顶的每对金属柱体中的两个金属柱体的相对面间留有空隙。

4.根据权利要求1所述的微波频段合路器，其特征在于，彼此相对顶的多对金属柱体，沿耦合板的全局纵长方向成单行或矩阵排列。

5.根据权利要求1所述的微波频段合路器，其特征在于，所述矩形腔体的两侧内壁上所设置的金属柱体各为一个或多个，金属柱体与耦合板的两部分之间均形成有所述耦合缝隙。

6.根据权利要求1所述的微波频段合路器，其特征在于，所述矩形腔体的两侧内壁上所设置的金属柱体各为多个，同一内壁上所设置的相邻金属柱体之间形成所述耦合缝隙。

7.根据权利要求6所述的微波频段合路器，其特征在于，所述多个金属柱体中的两个居于外侧的金属柱体分别与耦合板的两部分之间形成所述耦合缝隙。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的微波频段合路器，其特征在于，所述金属柱体的截面呈中心对称图形。

9.根据权利要求1至7中任意一项所述的微波频段合路器，其特征在于，所述金属柱体的截面呈圆形、正方形、正三角形、正多边形中任意一种。

10.根据权利要求1至7中任意一项所述的微波频段合路器，其特征在于，该合路器呈中心对称结构。

11.根据权利要求1至7中任意一项所述的微波频段合路器，其特征在于，所述矩形腔体包括在全局宽度方向上相互组合的两个部分。

12.根据权利要求11所述的微波频段合路器，其特征在于，所述耦合板与所述矩形腔体的两个部分之一一体成型。

13.根据权利要求11所述的微波频段合路器，其特征在于，彼此相对顶的每两个金属柱体分别与该两个部分紧密固定。

14.根据权利要求1至7中任意一项所述的微波频段合路器，其特征在于，定义耦合板的厚度方向为全局厚度方向，矩形腔体于所述全局厚度方向的两侧的内壁、对应所述耦合板的窗孔的位置处，分别设置有阻抗匹配器。

15.根据权利要求14所述的微波频段合路器，其特征在于，所述阻抗匹配器呈单层或多层台阶状凸出。

16.根据权利要求14所述的微波频段合路器，其特征在于，所述阻抗匹配器呈单层或多层台阶状凹陷。

17.根据权利要求1至7中任意一项所述的微波频段合路器，其特征在于，所述耦合板的两个部分彼此相对的边呈圆角或尖角。

18.根据权利要求1至7中任意一项所述的微波频段合路器，其特征在于，所述金属柱体与其所在的矩形腔体内壁紧密连接。

19.根据权利要求1至7中任意一项所述的微波频段合路器，其特征在于，所述金属柱体与其所在的矩形腔体内壁之间螺纹连接。

20.根据权利要求1至7中任意一项所述的微波频段合路器，其特征在于，所述金属柱体镶嵌于其所在的矩形腔体内壁。

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