CN103107405A - H-面波导超级耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种H-面波导超级耦合器，包括耦合腔，与耦合腔连通的输入端口、隔离端A、隔离端B、输出端口，其特征在于，输入端口和隔离端B位于耦合腔的前端面，隔离端A和输出端口位于耦合腔的后端面，前端面和后端面为耦合腔互相对称的两个端面，隔离端B输入端口的右侧，输出端口隔离端A的右侧。本发明的输出端口位于与主波导相耦合的副波导上，主要用于解决传统波导交叉或跨接等所带来的一系列问题。本发明还具有结构简单、体积小，加工难度低的特点。本发明在引导能量传输的导行系统中存在的交叉或跨接应用领域中有着广泛的应用。

Description

H-面波导超级耦合器

技术领域

本发明涉及一种耦合器,具体地说，是涉及一种H-面的波导超级耦合器。

背景技术

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；其中波导结构的耦合器由于其本身具有的优点在微波界被广泛应用。金属波导具有导体损耗和介质（管内一般为空气）损耗小、功率容量大、没有辐射损耗、结构简单、易于制造等优点。广泛应用于3000MHz至300GHz的厘米波段和毫米波段的通信、雷达、遥感、电子对抗和测量等系统中。波导作为导行系统，在传输过程中传输线路往往需要交叉或跨接。在以往解决此类问题时，通常是通过波导组件来实现，如弯曲波导、扭波导、波导管等组件实现。但是，这种方案通常导致在连接和交叉处需要采用法兰盘连接，导致连接精度的降低和体积的增大。集成波导系统将上述所有元器件集成在一个金属底板上，通过数控铣床，一次加工完成，大大地改善了加工精度，降低了加工难度，并使系统的体积大大缩小。但是，在波导传输线的连接和交叉处，为使两波导交叉通过，通常要两波导错开使之形成立体结构并使用渐变结构才能恢复到处于同一平面内继续传播，这样不但造成交叉处体积增大、损耗增加、电压驻波比增大，还会由于渐变结构的复杂性给加工带来难度。

发明内容

本发明的目的在于克服由于波导跨接、交叉需要立体的复杂结构而造成交叉处体积增大、加工精度降低等一系列问题，提供了一种在一个平面上即可实现波导跨接、交叉传输的超级耦合器。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下： H-面波导超级耦合器，包括耦合腔，与耦合腔连通的输入端口、隔离端A、隔离端B、输出端口，其特征在于，输入端口和隔离端B位于耦合腔的前端面，隔离端A和输出端口位于耦合腔的后端面，前端面和后端面为耦合腔互相对称的两个端面，隔离端B位于输入端口的右侧，输出端口位于隔离端A的右侧。

一条贯穿于耦合腔上内底面和下内底面的直线在耦合腔区域内只与波导壁至多有两个交点。

所述耦合腔的上内底面或\和下内底面设置有至少一个增强耦合体，所述增强耦合体为开口方向指向耦合腔内部的凹槽或所述增强耦合体为凸起方向指向耦合腔内部的金属凸台。

耦合腔为左右对称形状，所有的凹槽以耦合腔的前后向轴线为对称轴成左右对称分布。

所有的金属凸台以耦合腔的前后向轴线为对称轴成左右对称分布。

所述耦合腔为矩形体结构，输入端口的横截面、隔离端A的横截面、隔离端B的横截面、输出端口的横截面均为矩形。

耦合腔的上表面、输入端口的上表面、隔离端A的上表面、隔离端B的上表面、输出端口的上表面均位于同一个平面内。

为了方便设计计算，耦合腔优先设置成矩形体结构，且输入端口的横截面、隔离端A的横截面、隔离端B的横截面、输出端口的横截面均设置成矩形。

对于给定的设计指标，设计指标包括反射系数，隔离度，总插入损耗等，为了获得更宽的工作带宽，耦合腔的上内底面或\和下内底设置有一个或多个凹槽或金属凸台，而且所有的凹槽或金属凸台以耦合腔的前后向轴线为对称轴成左右对称分布。

为了便于采用普通的铣切加工，所有结构，包括耦合腔以及所述输入输出端口1-4的上表面位于同一个平面内，即耦合腔的上表面、输入端口的上表面、隔离端A的上表面、隔离端B的上表面、输出端口的上表面均位于同一个平面内。

本发明的最大特点是能量从主波导的输入端口输入，全部耦合到副波导的输出端口中输出，即耦合腔包括互相耦合的主波导和副波导。由于波导传输能量往往需要交叉或跨接，我们发明的H面波导超级耦合器解决了由于波导交叉或跨接带来的一系列问题，使波导在一个平面内即可实现交叉而不产生附加的损耗和加工难度。

本发明的工作原理可以在矩形的耦合腔和矩形的输入端口、输出端口，以及矩形的主波导和副波导作为输入输出波导的情况下简述如下。输入端口在矩形的耦合腔中主要激励起两个波导工作模式，即TE10模式和TE20模式。该两个模式的波都将沿输入波导（主波导）轴线方向传播。由于该两个模式的波导波长不同，在耦合腔的另一端，输出端口以及隔离端A从耦合腔中耦合出来的功率是分别从两个工作模式TE10模式和TE20模式的波中耦合出来的功率的和。通过选取耦合腔的宽度和长度，以及输入端口、隔离端A、隔离端B、输出端口的尺寸和位置，可以使隔离端A分别从两个工作模式耦合出来的功率相位相差180度，相互抵消，同时使输出端口从两个工作模式耦合出来的功率相位相差0度或360度的整数倍，相互叠加。 这时，基本上所有能量都从输出端口耦合输出，而不从隔离端A输出。由于输入端口激励的两个工作模式TE10模式和TE20在隔离端B处自然满足反相相消，从隔离端B耦合出来的功率都很小，从而使隔离端B为隔离端使用。为了进一步拓宽器件的工作带宽，可以在耦合腔的上内底面或\和下内底面增加凹槽或金属凸台。各输入输出端都可以增加一级或多级匹配段。耦合腔和输入端口、隔离端A、隔离端B、输出端口的形状为其它变形时，该H-面波导超级耦合器的工作原理也可以根据以上内容加以阐述和理解。

上述前后向轴线为由前端面指向后端面的耦合腔轴线。

本发明的优点在于：本发明的输出端口位于与主波导相耦合的副波导上，主要用于解决传统波导交叉或跨接等所带来的一系列问题。本发明还具有结构简单、体积小，加工难度低的特点。本发明在引导能量传输的导行系统中存在的交叉或跨接应用领域中有着广泛的应用。

附图说明

图1为本发明的俯视图。

图2为实施实例1的俯视图。

图3为实施实例1的计算结果曲线。

图4为实施实例2的俯视图。

图5为实施实例3俯视图

附图中标号对应名称：1-输入端口，2-隔离端A，4-隔离端B，3-输出端口，5-耦合腔，6-凹槽，7-金属凸台。

图中↓箭头表示前方向，↑箭头表示后方向，←箭头表示左方向，→箭头表示右方向。前后向轴线指由前方向指向后方向的轴直线。

具体实施方式

实施实例1

如图2所示， H-面波导超级耦合器，包括耦合腔5，与耦合腔5连通的输入端口1、隔离端A2、隔离端B4、输出端口3，其特征在于，输入端口1和隔离端B4位于耦合腔5的前端面，隔离端A2和输出端口3位于耦合腔5的后端面，前端面和后端面为耦合腔互相对称的两个端面，隔离端B4输入端口1的右侧，输出端口3隔离端A2的右侧。一条贯穿于耦合腔5上内底面和下内底面的直线在耦合腔区域内只与波导壁至多有两个交点。

所述耦合腔5的上内底面或\和下内底面设置有至少一个增强耦合体，所述增强耦合体为开口方向指向耦合腔5内部的凹槽6。

所有的凹槽6以耦合腔的前后向轴线为对称轴成左右对称分布。

所述耦合腔5为矩形体结构，输入端口1的横截面、隔离端A2的横截面、隔离端B4的横截面、输出端口3的横截面均为矩形。

该H-面波导超级耦合器相对于整个耦合器的轴线为左右对称结构。

耦合腔5底部设置有一个凹槽6，而且一个凹槽6对整个耦合器的轴线成左右对称分布。

该H-面波导超级耦合器的所有结构的上表面位于同一个平面内。即耦合腔5的上表面、输入端口1的上表面、隔离端A2的上表面、隔离端B4的上表面、输出端口3的上表面均位于同一个平面内。

根据实施实例1的结构计算得到的该H-面波导超级耦合器的S参数如图3所示。从中可以看出，在7.2到9.0GHz的工作带宽内，输入端口1的反射S参数低于-15dB。隔离端A2和隔离端B4的隔离高于15dB。而输出端口3的S参数接近于0dB。因此，该实施实例提供了一只相对工作带宽22%，插损低于0.01dB, 隔离好于15dB的超级波导耦合器。

实施实例2

如图4.与实施实例1的区别仅在于，采用一根金属凸台7代替了凹槽6。 

实施实例3

如图5.与实施实例1和2的区别仅在于，在输入输出端口处采用弯波导进行信号的输入输出。即在输入端口1、隔离端A2、隔离端B4、输出端口3处采用弯波导进行信号的输入输出。

上述仅为举例。实际生产中，耦合腔5的形状可构成俯视方向的矩形、梯形或其他更复杂的图型。各输入输出端口既可以为简单的矩形波导，也可以轴线弯曲的各种形状的其他形状。

如上所述，即可较好的实现本发明。

Claims (7)

1.H-面波导超级耦合器，包括耦合腔（5），与耦合腔（5）连通的输入端口（1）、隔离端A（2）、隔离端B（4）、输出端口（3），其特征在于，输入端口（1）和隔离端B（4）位于耦合腔（5）的前端面，隔离端A（2）和输出端口（3）位于耦合腔（5）的后端面，前端面和后端面为耦合腔互相对立的两个端面，隔离端B（4）位于输入端口（1）的右侧，输出端口（3）位于隔离端A（2）的右侧。

2.根据权利要求1所述的H-面波导超级耦合器，其特征在于，一条贯穿于耦合腔（5）上内底面和下内底面的直线在耦合腔区域内只与波导壁至多有两个交点。

3.根据权利要求2所述的H-面波导超级耦合器，其特征在于，所述耦合腔（5）的上内底面或\和下内底面设置有至少一个增强耦合体，所述增强耦合体为开口方向指向耦合腔（5）内部的凹槽（6）或所述增强耦合体为凸起方向指向耦合腔（5）内部的金属凸台（7）。

4.根据权利要求3所述的H-面波导超级耦合器，其特征在于，耦合腔（5）为左右对称形状，所有的凹槽（6）以耦合腔（5）的前后向轴线为对称轴成左右对称分布。

5.根据权利要求3所述的H-面波导超级耦合器，其特征在于，所有的金属凸台（7）以耦合腔的前后向轴线为对称轴成左右对称分布。

6.根据权利要求2所述的H-面波导超级耦合器，其特征在于，所述耦合腔（5）为矩形体结构，输入端口（1）的横截面、隔离端A（2）的横截面、隔离端B（4）的横截面、输出端口（3）的横截面均为矩形。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的H-面波导超级耦合器，其特征在于，耦合腔（5）的上表面、输入端口（1）的上表面、隔离端A（2）的上表面、隔离端B（4）的上表面、输出端口（3）的上表面均位于同一个平面内。

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