CN102780057A - 脊波导定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了脊波导定向耦合器，包括作为微波主通道的主脊波导和作为取样信号通道的副脊波导、以及作为耦合通道的耦合孔；主脊波导和副脊波导相互隔离；主脊波导通过1个或2个耦合孔与副脊波导连通，至少1个耦合孔包括贴附在主脊波导侧壁或\和副脊波导侧壁的中空耦合管，中空耦合管靠近脊波导的侧壁连接有三端开口的耦合腔，耦合腔与中空耦合管导通，耦合腔位于主脊波导和副脊波导之间并与主脊波导和副脊波导导通。本发明的优点在于：结构紧凑、加工简单、工作带宽宽、功率容量大、插入损耗低，特别是在毫米波和太赫兹波段，与普通多孔定向耦合器相比，在低插损方面具有突出优势。

Description

脊波导定向耦合器

技术领域

本发明涉及脊波导定向耦合器，具体地说，是涉及一种利用单孔或双孔进行耦合的脊波导定向耦合器。

背景技术

定向耦合器是微波系统中应用广泛的一种微波器件，它的主要作用是将微波信号按一定的比例进行功率分配；定向耦合器由两根传输线构成，同轴线、矩形波导、脊波导、圆波导、带状线和微带线等都可构成定向耦合器；所以从结构来看定向耦合器种类繁多，差异很大，但从它们的耦合机理来看主要分为四种，即小孔耦合、平行耦合、分支耦合以及匹配双T。

    在20世纪50年代初以前，几乎所有的微波设备都采用金属波导和波导电路，那个时候的定向耦合器也多为波导小孔耦合定向耦合器；其理论依据是Bethe小孔耦合理论，Cohn和Levy等人也做了很多贡献。

    随着航空和航天技术的发展，要求微波电路和系统做到小型化、轻量化和性能可靠，于是出现了带状线和微带线，随后由于微波电路与系统的需要又相继出现了鳍线、槽线、共面波导和共面带状线等微波集成传输线，这样就出现了各种传输线定向耦合器。

传统单孔定向耦合器有一些的优点：如结构简单、参数少，设计起来比较方便；但是它还存在着一些缺点：如带宽窄、方向性差，只有在设计频率处工作合适，偏离开这个频率，方向性将降低。

传统多孔定向耦合器虽然可以做到很宽的带宽，但也存在着一些缺点，如体积大、加工精度要求高、插入损耗高，特别是在毫米波太赫兹波段，过高的插损使该器件失去使用价值；这就激励我们去设计一种能克服这些缺点的新型定向耦合器。

发明内容

本发明的目的在于克服传统定向耦合器的一些缺点，提供了一种紧凑型、插入损耗低的宽带脊波导定向耦合器。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：脊波导定向耦合器，包括相互隔离的主脊波导和副脊波导、以及作为耦合通道的耦合孔；主脊波导和副脊波导的结构一致，其中主脊波导包括矩形波导空腔体、以及设置在矩形波导空腔体上壁或\和矩形波导下壁的加载导体脊；主脊波导通过1个或2个耦合孔与副脊波导连通，至少1个耦合孔包括中空耦合管、以及设置在中空耦合管侧壁的耦合腔，所述中空耦合管贴附在主脊波导侧壁或\和副脊波导侧壁，耦合腔为三端开口的中空腔体，耦合腔与中空耦合管导通，耦合腔位于主脊波导和副脊波导之间并与主脊波导和副脊波导导通。

中空耦合管在其俯视方向的投影形状为半圆形，耦合腔在其俯视方向的投影形状为圆形。

所述耦合孔内设置有金属体，其中金属体的轴线与耦合孔的轴线平行并与主脊波导的轴线垂直或副脊波导的轴线垂直，且柱状金属体的横截面为三角形。

所述主脊波导的轴线和副脊波导的轴线之间的角度为0°至170°之间。

所述耦合孔的数目为2时，两耦合孔的中心点分别位于主脊波导和副脊波导在俯视方向投影后相交构成的平行四边形的两个相对的顶点的正上方。

所述主脊波导的一端或两端还连接有弯曲脊波导。

所述主脊波导或\和副脊波导在其一端或两端连接有与外界器件匹配的匹配结构。

基于上述结构，本发明相较于以往的单孔定向耦合器而言其改进点为：将传统的耦合孔改进为由耦合腔和中空耦合管组成的耦合通道，其中耦合腔设置在主脊波导和副脊波导之间，中空耦合管贴附在主脊波导侧壁或\和副脊波导侧壁。这样可增加其方向性。

一般的主脊波导的轴线和副脊波导的轴线之间的角度为0°至170°之间。为了使其整个耦合器的体积减少，我们优先考虑主脊波导的轴线和副脊波导的轴线平行设置，即，主脊波导的轴线和副脊波导的轴线之间的角度为0°。同时，其主脊波导的轴线和副脊波导的轴线之间的角度大小根据该定向耦合器的耦合度、方向性和工作带宽等指标经过优化而定。

当耦合孔的数目为1个时，相比以往的单孔耦合器，性能有明显的提高，当耦合孔的数目增加为2个时，可进一步的提高其方向性，此时我们需要使中空耦合管贴附在主脊波导侧壁或\和副脊波导侧壁才能提高其方向性。

耦合孔在其俯视方向的投影形状不受限制，当考虑制作成本时，我们优先考虑能简易批量生产的圆形或三角形或四边形。

增加柱状金属体时，所述耦合孔3在俯视方向的投影形状为一字形或Y字形或十字型和其它多于4个分支的星状。

单孔定向耦合器的工作原理可以叙述如下：

由于波导内壁可以近似看成理想导电平面，根据交变电磁场的边界条件，理想导电平面E只有与表面相垂直的分量，没有切向分量；磁场H只有与表面相切的分量，没有法向分量。主波导内电场垂直主副波导公共宽边，通过小孔达到副波导的那一部分电场仍垂直与主副波导公共宽边，其电力线形成一个弯头。磁场（磁力线）为平行于主波导宽壁的闭合曲线，故主波导的磁场（磁力线）在小孔处形成一组穿进穿出副波导的连续曲线。

通过小孔进入副波导的那一部分电场在副波导耦合孔两侧耦合出垂直向下的电场E^’，交变的电场E^’激发出感生磁场H^’(方向由S=E*H决定)，电、磁场交替激发，形成分别向耦合端和隔离端输出的电磁波。

通过小孔进入副波导的那一部分磁场在副波导耦合孔两侧耦合出水平向右的磁场H^’，交变的磁场H^’激发出感生的电场E^’， 电、磁场交替激发，形成分别向耦合端和隔离端输出的电磁波。

小孔耦合是上述电耦合和磁耦合的叠加，即把两种耦合形成的电磁波合并，我们可以看出往耦合端方向传输的电磁波同向叠加，形成耦合输出；往隔离端方向传输的电磁波反向叠加，相互抵消构成隔离，所以原则上是无耦合输出的；但是由于小孔电、磁耦合的不对称性，两者叠加产生了方向性。

本发明的优点在于：结构紧凑、加工简单、工作带宽宽、功率容量大、插入损耗低，特别是在毫米波和太赫兹波段，与普通单孔定向耦合器相比，在低插损方面具有突出优势。本发明的紧凑型脊波导定向耦合器可望广泛用于各微波波段及太赫兹波段的电子系统中，特别是雷达、导弹制导、通信等军事及民用领域。

附图说明

图1为本发明中主脊波导的轴线和副脊波导的轴线平行时的立体图。

图2为耦合孔的结构立体图。

图3为本发明实施例一的俯视图。

图4为本发明实施例一中A—A剖面图。

图5为本发明实施例二的俯视图。

图6为本发明实施例三的俯视图。

图7本发明实施例四的俯视图。

图中的标号分别表示为：1、主脊波导；2、副脊波导；3、耦合孔；31、耦合腔；32、中空耦合管；7、柱状金属体；4、弯曲脊波导；5、脊波导。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明实施方式不限于此。

如图1、2所示，脊波导定向耦合器，包括作为微波主通道的主脊波导1和作为取样信号通道的副脊波导2、以及作为耦合通道的耦合孔3；主脊波导1和副脊波导2相互隔离；主脊波导1通过1个或2个耦合孔3与副脊波导2连通，至少1个耦合孔3包括贴附在主脊波导1侧壁或\和副脊波导2侧壁的中空耦合管32，中空耦合管32靠近脊波导1的侧壁连接有三端开口的耦合腔31，耦合腔31与中空耦合管32导通，耦合腔31位于主脊波导1和副脊波导2之间并与主脊波导1和副脊波导2导通。其中耦合孔3在其俯视方向的投影形状为圆形，且主脊波导1的轴线和副脊波导2的轴线互相平行。

相较于以往的单孔定向耦合器而言其改进点为：将传统的耦合孔改进为由耦合腔31和中空耦合管32组成的耦合通道，其中耦合腔31设置在主脊波导1和副脊波导2之间，中空耦合管32贴附在主脊波导1侧壁或\和副脊波导侧壁。这样可增加其方向性。

实施例一

如图3、4所示，本实施例包括设置有主脊波导1和副脊波导2，主脊波导1为微波主通道，副脊波导2为取样信号通道；主脊波导1和副脊波导2的轴线相互平行，主脊波导1和副脊波导2相互隔离，有1个耦合孔3包括贴附在主脊波导1侧壁或\和副脊波导2侧壁的中空耦合管32，中空耦合管32靠近脊波导1的侧壁连接有三端开口的耦合腔31，耦合腔31与中空耦合管32导通，耦合腔31位于主脊波导1和副脊波导2之间并与主脊波导1和副脊波导2导通。耦合孔3中加入另一个轴线与耦合孔3的轴线平行并与主脊波导1的轴线垂直的柱状金属体7，该柱状金属体7的横截面的形状为矩形，可以得到方向性更好的定向耦合器。

实施例二

如图5所示，与实施例一不同的地方是主脊波导1和副脊波导2之间是平行的，没有夹角。耦合孔3都只有部分在主脊波导1和副脊波导2里面，还有一部分在外面；耦合孔3内没有设置柱状金属体7。

实施例三

如图6所示，与实施例一不同的地方是主脊波导1和副脊波导2之间通过2个耦合孔3连通，两耦合孔3的中心点分别位于主脊波导和副脊波导在俯视方向投影后相交构成的平行四边形的两个相对的顶点处。

实施例四

如图7所示，与实施例三不同的地方是主脊波导1和副脊波导2只通过一个耦合孔3连通，在主脊波导1的两端有弯曲波导4的过渡，这样可以得到方向性更好、带宽更宽的波导定向耦合器，在弯曲脊波导4的另一端连接着脊波导5。

如上所述便可较好的实现本发明。

Claims (7)

1.脊波导定向耦合器，其特征在于：包括相互隔离的主脊波导（1）和副脊波导（2）、以及作为耦合通道的耦合孔（3）；主脊波导（1）和副脊波导（2）的结构一致，其中主脊波导（1）包括矩形波导空腔体、以及设置在矩形波导空腔体上壁或\和矩形波导下壁的加载导体脊；主脊波导（1）与副脊波导（2）相互隔离，主脊波导（1）通过1个或2个耦合孔（3）与副脊波导（2）连通，至少1个耦合孔（3）包括中空耦合管（32）、以及设置在中空耦合管（32）侧壁的耦合腔（31），所述中空耦合管（32）贴附在主脊波导（1）侧壁或\和副脊波导（2）侧壁，耦合腔（31）为三端开口的中空腔体，耦合腔（31）与中空耦合管（32）导通，耦合腔（31）位于主脊波导（1）和副脊波导（2）之间并与主脊波导（1）和副脊波导（2）导通。

2.根据权利要求1所述的脊波导定向耦合器，其特征在于：中空耦合管（32）在其俯视方向的投影形状为半圆形，耦合腔（31）在其俯视方向的投影形状为圆形。

3.根据权利要求1所述的脊波导定向耦合器，其特征在于：所述耦合孔（3）内设置有金属体（7），其中金属体（7）的轴线与耦合孔（3）的轴线平行并与主脊波导（1）的轴线垂直或副脊波导（2）的轴线垂直，且柱状金属体（7）的横截面为三角形。

4.根据权利要求1所述的脊波导定向耦合器，其特征在于：所述主脊波导（1）的轴线和副脊波导（2）的轴线之间的角度为0°至170°之间。

5.根据权利要求1所述的脊波导定向耦合器，其特征在于：所述耦合孔（3）的数目为2时，两耦合孔（3）的中心点分别位于主脊波导（1）和副脊波导（2）在俯视方向投影后相交构成的平行四边形的两个相对的顶点的正上方。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的脊波导定向耦合器，其特征在于：所述主脊波导（1）的一端或两端还连接有弯曲脊波导（4）。

7.根据权利要求1-5中任意一项所述的脊波导定向耦合器，其特征在于：所述主脊波导（1）或\和副脊波导（2）在其一端或两端连接有与外界器件匹配的匹配结构。

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