CN102780061A - 尺寸不同的多孔矩形同轴线定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了尺寸不同的多孔矩形同轴线定向耦合器，包括主矩形同轴线和副矩形同轴线、以及耦合孔；主矩形同轴线和副矩形同轴线相互隔离，主矩形同轴线通过至少3个耦合孔与副矩形同轴线连通；耦合孔包括贴附在主矩形同轴线侧壁或\和副矩形同轴线侧壁的中空耦合管和靠近主矩形同轴线的侧壁的三端开口的耦合腔，耦合腔与中空耦合管导通，耦合腔位于主副矩形同轴线之间并与主副矩形同轴线导通；沿主矩形同轴线轴线方向相邻的耦合孔依次交错分布于主矩形同轴线轴线的左侧和右侧。本发明的优点在于结构紧凑、加工简单、超宽工作带宽、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

尺寸不同的多孔矩形同轴线定向耦合器

技术领域

本发明涉及多孔定向耦合器，具体地说，是涉及一种利用多个孔进行耦合的尺寸不同的多孔矩形同轴线定向耦合器。

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、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、方向性也有很所改善，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多孔定向耦合器。

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、插入损耗低的尺寸不同的多孔矩形同轴线定向耦合器。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：尺寸不同的多孔矩形同轴线定向耦合器，包括作为微波主通道的主矩形同轴线和作为取样信号通道的副矩形同轴线、以及作为耦合通道的耦合孔；主矩形同轴线和副矩形同轴线的结构一致，其中主矩形同轴线和副矩形同轴线都是由矩形波导内置导体构成的；主矩形同轴线和副矩形同轴线相互隔离；主矩形同轴线通过至少3个耦合孔与副矩形同轴线连通，耦合孔包括贴附在主矩形同轴线侧壁或\和副矩形同轴线侧壁的中空耦合管，中空耦合管靠近主矩形同轴线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，耦合腔位于主矩形同轴线和副矩形同轴线之间并与主矩形同轴线和副矩形同轴线导通；所述耦合孔沿主矩形同轴线的轴线方向排列，沿主矩形同轴线轴线方向相邻的耦合孔依次交错分布于主矩形同轴线轴线的左侧和右侧；沿主矩形同轴线轴线方向上，相邻两耦合孔的孔心间距在主矩形同轴线的中心工作频率的波导波长的20%~30%之间；

主矩形同轴线的尺寸表示为：a1*h1，副矩形同轴线的尺寸表示为：a2*h2，a1、a2分别表示为主矩形同轴线和副矩形同轴线外导体的宽度，h1 、h2分别表示为主矩形同轴线和副矩形同轴线外导体的高度；

主矩形同轴线的尺寸和副矩形同轴线的尺寸情况如下：

情况A：当主矩形同轴线的尺寸小于副矩形同轴线的尺寸时，

h2*15%＜h1＜h2*85%或\和a2*15%＜a1＜a2*85%；

情况B：当主矩形同轴线的尺寸大于副矩形同轴线的尺寸时，

h1*15%＜h2＜h1*85%或\和a1*15%＜a2＜a1*85%；

情况C：主矩形同轴线的尺寸等于副矩形同轴线的尺寸时，

a1=a2且h1=h2。

当主矩形同轴线和副矩形同轴线的尺寸选取上述三种不同的情况，可以得到三种不同的结果。以往人们都是优先选择相同的矩形同轴线作为波导定向耦合器的传输通道，但是当选用情况A或情况B时，在毫米波段和太赫兹波段可以得到低插损、方向性更好的多孔定向耦合器。也就是这个额外的自由度可以帮助我们设计出方向性更好的多孔定向耦合器。

耦合孔在其俯视方向上的投影形状为圆形；中空耦合管在其俯视方向上的投影形状为圆形；耦合腔在其俯视方向上的投影形状为圆形。

耦合孔在其俯视方向上的投影形状为三角形；中空耦合管在其俯视方向上的投影形状为三角形；耦合腔在其俯视方向上的投影形状为三角形。

耦合孔在其俯视方向上的投影形状为矩形；中空耦合管在其俯视方向上的投影形状为矩形；耦合腔在其俯视方向上的投影形状为矩形。

耦合孔在其俯视方向上的投影形状为圆形；中空耦合管在其俯视方向上的投影形状为半圆形；耦合腔在其俯视方向上的投影形状为半圆形。

所述耦合孔中加入了一个轴线与耦合孔的轴线平行并与主矩形同轴线轴线垂直的柱状金属体，该柱状金属体一端与对应的耦合孔的内壁连接，该柱状金属体的横截面的形状为多边形，且柱状金属体延伸进主矩形同轴线的内部。

所述主矩形同轴线和副矩形同轴线的轴线相互平行。

所述主矩形同轴线或副矩形同轴线的一端或两端还连接有弯曲波导。

所述主矩形同轴线或\和副矩形同轴线在其一端或两端连接有与外界器件匹配的匹配结构。

单孔定向耦合器在方向性上有相对窄的带宽，于是人们想到了设计一系列耦合孔，这一系列的耦合孔组成一个阵列，若干个阵列还可以叠加起来，由此来综合耦合度和方向性响应。利用小孔的方向性和阵列的方向性在耦合端叠加，就可以获得更好的方向性，并且这个额外的自由度还可以提高带宽。因此，为了增加耦合孔的耦合性能，我们将耦合孔沿主矩形同轴线的轴线排列，同时为了增加耦合孔的口径，我们将相邻的耦合孔依次交错的分布于主矩形同轴线轴线的左侧和右侧。

将耦合孔交错排列后，在满足耦合加强的条件下，即相邻两耦合孔的孔心间距应设置在主矩形同轴线的中心工作频率的波导波长的20%~30%之间，可以增大耦合孔的口径，这样一来又可以进一步的加强耦合，从而进一步提高该矩形波导定向耦合器的方向性。

同时，优先选择横截面为矩形柱状金属体设置在耦合孔内，且柱状金属体在耦合孔内的位置不受限制，可根据实际需求进行设置。

为了使其整个耦合器的体积减少，我们优先考虑主矩形同轴线的轴线和副矩形同轴线的轴线平行设置。

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。

基于上述结构，本发明相较于以往的多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矩形同轴线和副矩形同轴线之间，中空耦合管贴附在主矩形同轴线侧壁或\和副矩形同轴线侧壁。这样可增加其方向性。

由于存在多个耦合孔，其多个耦合孔可以达到耦合加强的效果，同时为了使得耦合孔的孔径加大，可进一步增加其耦合效果，因此本发明进一步的改进点为：耦合孔沿主矩形同轴线的轴线排列，沿主矩形同轴线轴线方向相邻的耦合孔依次交错分布于主矩形同轴线轴线的左侧和右侧；沿主矩形同轴线轴线方向上，相邻两耦合孔的孔心间距在主矩形同轴线的中心工作频率的波导波长的20%~30%之间。即，将相邻的耦合孔依次交错的分布于主矩形同轴线轴线的左侧和右侧。相邻的耦合孔交错分布以后，在单位面积内，由于我们采用交错的将耦合孔排布的主矩形同轴线的两侧，那么势必在相同孔数的条件下，我们就可以增大耦合孔的口径，这样一来又可以进一步的耦合加强，从而进一步提高该多孔矩形波导定向耦合器的方向性。

经过上述，我们综合分析得出：本发明首先将传统的耦合孔分割成耦合腔和中空耦合管，其中耦合腔和中空耦合管共同作为连通主矩形同轴线和副矩形同轴线的耦合通道，基于此设计，我们可以改进定向耦合器的方向性，使其方向性变的更好。除此之外，由于存在多孔的设计，本发明也是针对多孔矩形同轴线做出的相应改进，考虑到多个耦合孔在排布问题，因为作为定向耦合器，不能使得耦合孔简单的随意排布，而随意排布的结果常常是会造成耦合器件的性能扰乱，为此，本发明将耦合孔分布于主矩形同轴线轴线的左侧和右侧，同时相邻两耦合孔的孔心间距应设置在主矩形同轴线的中心工作频率的波导波长的20%~30%之间，主要按照耦合的需求可以进一步的增强其耦合性，同时考虑到耦合孔的口径多耦合性的影响，一般耦合孔的口径需要设置的大些才能更好的增加其方向性，为此，进一步的，本发明将相邻的耦合孔依次交错发布。除此之外，由于在滤波器行业，一般制作滤波器或耦合器时，选用的波导元件均是采用的标准波导，即波导的尺寸采用国家标准或国际通用标准，经过研究发现，对于本发明，如果不用标准尺寸的波导结构，其方向性能相比于标准尺寸的结构要好，同时，主矩形同轴线和副矩形同轴线的尺寸要不一致时最好，即主矩形同轴线的尺寸和副矩形同轴线的尺寸情况如下：

情况A：当主矩形同轴线的尺寸小于副矩形同轴线的尺寸时，

h2*15%＜h1＜h2*85%或\和a2*15%＜a1＜a2*85%；

情况B：当主矩形同轴线的尺寸大于副矩形同轴线的尺寸时，

h1*15%＜h2＜h1*85%或\和a1*15%＜a2＜a1*85%；

情况C：主矩形同轴线的尺寸等于副矩形同轴线的尺寸时，

a1=a2且h1=h2；

我们优先考虑情况A和情况B。

多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矩形同轴线公共宽边，通过小孔达到副波导的那一部分电场仍垂直于主副波导公共宽边，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矩形同轴线的连续曲线。

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。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，相互抵消构成隔离端，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。

多孔定向耦合器就是利用一系列耦合孔组成一个阵列，若干个阵列还可以叠加起来，由此来综合耦合度和方向性响应。利用小孔的方向性和阵列的方向性在耦合端叠加，就可以获得更好的方向性，并且这个额外的自由度还可以提高带宽。

本发明的优点在于结构紧凑、加工简单、超宽工作带宽、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。本发明的紧凑型多孔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为本发明中主矩形同轴线的轴线和副矩形同轴线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为本发明实施例一的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为本发明实施例四的俯视图。

图8为本发明实施例五的俯视图。

图中的标号分别表示为：1、主矩形同轴线；2、副矩形同轴线；3、耦合孔；31、耦合腔；32、中空耦合管；4、柱状金属体；5、弯曲波导。

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，尺寸不同的多孔矩形同轴线定向耦合器，包括作为微波主通道的主矩形同轴线1和作为取样信号通道的副矩形同轴线2、以及作为耦合通道的耦合孔3；主矩形同轴线1和副矩形同轴线2相互隔离；耦合孔3包括贴附在主矩形同轴线1侧壁或\和副矩形同轴线侧壁的中空耦合管32，中空耦合管32靠近矩形波导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位于主矩形同轴线1和副矩形同轴线2之间并与主矩形同轴线1和副矩形同轴线2导通。其中，耦合孔3的数目为3个；耦合孔3在其俯视方向的投影形状为圆形，且主矩形同轴线1的轴线和副矩形同轴线2的轴线互相平行。耦合孔3沿主矩形同轴线1的轴线排列，沿主矩形同轴线1轴线方向相邻的耦合孔依次交错分布于主矩形同轴线1轴线的左侧和右侧；沿主矩形同轴线1轴线方向上，相邻两耦合孔3的孔心间距在主矩形同轴线1的中心工作频率的波导波长的22%~28%之间。

相较于以往的多孔定向耦合器而言其改进点为：1、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矩形同轴线和副矩形同轴线之间，中空耦合管贴附在主矩形同轴线侧壁或\和副矩形同轴线侧壁；2、将相邻的耦合孔依次交错的分布于主矩形同轴线轴线的左侧和右侧。相邻的耦合孔交错分布以后，我们就可以增大耦合孔的口径。这样可增加其方向性。

耦合孔沿主矩形同轴线的轴线排列，沿主矩形同轴线轴线方向相邻的耦合孔依次交错分布于主矩形同轴线轴线的左侧和右侧；沿主矩形同轴线轴线方向上，相邻两耦合孔的孔心间距在主矩形同轴线的中心工作频率的波导波长的20%~30%之间。即，将相邻的耦合孔依次交错的分布于主矩形同轴线轴线的左侧和右侧。相邻的耦合孔交错分布以后，在单位面积内，由于我们采用交错的将耦合孔排布的主矩形同轴线的两侧，那么势必在相同孔数的条件下，我们就可以增大耦合孔的口径，这样一来又可以进一步的耦合加强，从而进一步提高该矩多孔形波导定向耦合器的方向性。本发明中采用的主矩形同轴线和副矩形同轴线在在尺寸方面做出调整，可额外的增加耦合器的方向性。

实施例一

如图3,4所示，本实施例包括设置有主矩形同轴线1和副矩形同轴线2，主矩形同轴线1为微波主通道，副矩形同轴线2为取样信号通道；主矩形同轴线1和副矩形同轴线2相互隔离，主矩形同轴线1和副矩形同轴线2通过5个耦合孔3连通；5个耦合孔3的部分在主矩形同轴线1和副矩形同轴线2以外。所述耦合孔3的轴线与主矩形同轴线1的轴线垂直，其横截面的形状为不规则多边形；耦合孔3位于主矩形同轴线的两侧，沿主矩形同轴线1轴线方向上，相邻两耦合孔的孔心间距在主矩形同轴线1的中心工作频率的波导波长22%~28%之间。每个耦合孔3中都加入了另一个轴线与主矩形同轴线1的轴线垂直的柱状金属体4，该柱状金属体4的横截面的形状为矩形。主矩形同轴线的尺寸和副矩形同轴线的尺寸情况如下：

情况A：当主矩形同轴线的尺寸小于副矩形同轴线的尺寸时，

h2*15%＜h1＜h2*85%或\和a2*15%＜a1＜a2*85%；

情况B：当主矩形同轴线的尺寸大于副矩形同轴线的尺寸时，

h1*15%＜h2＜h1*85%或\和a1*15%＜a2＜a1*85%；

实施例二

如图5所示，与实施例一不同的地方是主矩形同轴线1和副矩形同轴线2通过4个耦合孔3连通，副矩形同轴线2的两端还连有弯曲波导5，在弯曲波导5的另一端还连接有与外界匹配的匹配结构。这样可以方便定向耦合器与外界器件的连接，从而可以得到方向性更好，带宽更宽的波导定向耦合器。

实施例三

如图6所示，与实施实例一不同的地方是5个耦合孔3交错分布在主矩形同轴线1的两侧，耦合孔3的横截面为椭圆，并且耦合孔3内都没有加柱状金属体4。

实施例四

如图7所示，与实施实例三不同的地方是耦合孔3的横截面为矩形，并且耦合孔3内设置有横截面形状为矩形的柱状金属体4。

实施例五

如图8所示，与实施实例三不同的是耦合孔3的横截面为三角形。

如上所述便可较好的实现本发明。

Claims (9)

1.尺寸不同的多孔矩形同轴线定向耦合器，其特征在于：包括作为微波主通道的主矩形同轴线（1）和作为取样信号通道的副矩形同轴线（2）、以及作为耦合通道的耦合孔（3）；主矩形同轴线（1）和副矩形同轴线（2）的结构一致，其中主矩形同轴线（1）和副矩形同轴线（2）都是由矩形波导内置导体构成的；主矩形同轴线（1）和副矩形同轴线（2）相互隔离；主矩形同轴线（1）通过至少3个耦合孔（3）与副矩形同轴线（2）连通，耦合孔（3）包括贴附在主矩形同轴线（1）侧壁或\和副矩形同轴线（2）侧壁的中空耦合管（32），中空耦合管（32）靠近主矩形同轴线（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）位于主矩形同轴线（1）和副矩形同轴线（2）之间并与主矩形同轴线（1）和副矩形同轴线（2）导通；所述耦合孔（3）沿主矩形同轴线（1）的轴线方向排列，沿主矩形同轴线（1）轴线方向相邻的耦合孔（3）依次交错分布于主矩形同轴线（1）轴线的左侧和右侧；沿主矩形同轴线（1）轴线方向上，相邻两耦合孔（3）的孔心间距在主矩形同轴线（1）的中心工作频率的波导波长的20%~30%之间；

主矩形同轴线（1）的尺寸表示为：a1*h1，副矩形同轴线（2）的尺寸表示为：a2*h2，a1、a2分别表示为主矩形同轴线（1）和副矩形同轴线（2）外导体的宽度，h1 、h2分别表示为主矩形同轴线（1）和副矩形同轴线（2）外导体的高度；

主矩形同轴线（1）的尺寸和副矩形同轴线（2）的尺寸情况如下：

情况A：当主矩形同轴线（1）的尺寸小于副矩形同轴线（2）的尺寸时，

h2*15%＜h1＜h2*85%或\和a2*15%＜a1＜a2*85%；

情况B：当主矩形同轴线（1）的尺寸大于副矩形同轴线（2）的尺寸时，

h1*15%＜h2＜h1*85%或\和a1*15%＜a2＜a1*85%；

情况C：主矩形同轴线（1）的尺寸等于副矩形同轴线（2）的尺寸时，

a1=a2且h1=h2。

2.根据权利要求1所述的尺寸不同的多孔矩形同轴线定向耦合器，其特征在于：耦合孔（3）在其俯视方向上的投影形状为圆形；中空耦合管（32）在其俯视方向上的投影形状为圆形；耦合腔（31）在其俯视方向上的投影形状为圆形。

3.根据权利要求1所述的尺寸不同的多孔矩形同轴线定向耦合器，其特征在于：耦合孔（3）在其俯视方向上的投影形状为三角形；中空耦合管（32）在其俯视方向上的投影形状为三角形；耦合腔（31）在其俯视方向上的投影形状为三角形。

4.根据权利要求1所述的尺寸不同的多孔矩形同轴线定向耦合器，其特征在于：耦合孔（3）在其俯视方向上的投影形状为矩形；中空耦合管（32）在其俯视方向上的投影形状为矩形；耦合腔（31）在其俯视方向上的投影形状为矩形。

5.根据权利要求1所述的尺寸不同的多孔矩形同轴线定向耦合器，其特征在于：耦合孔（3）在其俯视方向上的投影形状为圆形；中空耦合管（32）在其俯视方向上的投影形状为半圆形；耦合腔（31）在其俯视方向上的投影形状为半圆形。

6.根据权利要求1所述的尺寸不同的多孔矩形同轴线定向耦合器，其特征在于：所述耦合孔（3）中加入了一个轴线与耦合孔（3）的轴线平行并与主矩形同轴线（1）轴线垂直的柱状金属体（4），该柱状金属体（4）一端与对应的耦合孔（3）的内壁连接，该柱状金属体（4）的横截面的形状为多边形，且柱状金属体（4）延伸进主矩形同轴线（1）的内部。

7.根据权利要求1所述的尺寸不同的多孔矩形同轴线定向耦合器，其特征在于：所述主矩形同轴线（1）和副矩形同轴线（2）的轴线相互平行。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的尺寸不同的多孔矩形同轴线定向耦合器，其特征在于：所述主矩形同轴线（1）或副矩形同轴线（2）的一端或两端还连接有弯曲波导（5）。

9.根据权利要求1-7中任意一项所述的尺寸不同的多孔矩形同轴线定向耦合器，其特征在于：所述主矩形同轴线（1）或\和副矩形同轴线（2）在其一端或两端连接有与外界器件匹配的匹配结构。

Images