CN104051837A - 六端口双向定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了六端口双向定向耦合器，包括主传输线、副传输线A和副传输线B，还包括连通主传输线和二根副传输线A和B的耦合孔，和设置在耦合孔附近的加载体，耦合孔位于主传输线和副传输线A的公共壁和主传输线和副传输线B的公共壁上，主传输线的两端分别为输入端口和输出端口，副传输线A的两端分别为耦合端口A和隔离端口A，副传输线B的两端分别为耦合端口B和隔离端口B。主传输线、副传输线A和副传输线B的轴线都与水平面平行。本发明具有结构简单紧凑、工作频带宽、方向性好、插入损耗低、加工调试成本低等特点，可以用于微波功率信号的分路取样，以便对微波信号进行功率测量、信号检测、显示指示和监视等。

Description

六端口双向定向耦合器

技术领域

本发明涉及一种耦合器，具体地说，是涉及一种高方向性超宽带波导型双向定向耦合器。

背景技术

在电子设备与系统当中，尤其是微波高功率设备中，定向耦合器是不可或缺的重要微波元件之一。双向定向耦合器主要用于微波功率信号的分路取样，以便对两个不同方向的微波信号进行功率测量、信号检测、显示指示和监视等。已有的双向定向耦合器有各种各样的类型和具体形式，按耦合输出方向分类有同向和反向之分，按传输线形式分类有波导、同轴、带线、微带之分，按耦合方式分类有离散耦合与连续耦合之分，按耦合强弱分类有强耦合与弱耦合之分，按承受功率的大小分类有小功率双向定向耦合器和大功率双向定向耦合器之分，而且每一种类的双向定向耦合器，由于具体的用途和应用场合的不同，又将会有多种不同的具体形式。然而报道中的十字双向定向耦合器的带宽大都小于30%，方向性大都低于20dB, 而对于其他波导型双向定向耦合器，为了增加带宽，多采用多孔耦合的方式，难于实现耦合器的小型化，插入损耗也大大升高，尤其在毫米波和太赫兹频段，太高的插入损耗可能使多孔双向定向耦合器无法使用 。

发明内容

本发明将介绍一种高方向性超宽带波导型双向定向耦合器，主线和副线均采用波导结构，耦合机构采用孔和加载体实现，以其电路简单、结构新颖、加工装配方便、无需调试为主要特点，提供一种插入损耗小，端口驻波比好，方向性及可靠性高的超宽带紧凑型双向定向耦合器。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：六端口双向定向耦合器，包括主传输线、副传输线A和副传输线B，还包括连通主传输线和副传输线A的耦合孔A，连通主传输线和副传输线B的耦合孔B，设置在主传输线内或\和副传输线A内的加载体A，设置在副传输线B内的加载体B ，加载体A相邻于耦合孔A，加载体B相邻于耦合孔B ，主传输线的两端分别为输入端口和输出端口，副传输线A的两端分别为耦合端口A和隔离端口A，副传输线B的两端分别为耦合端口B和隔离端口B。

在本发明中，副传输线A和副传输线B分别位于主传输线的上方和下方，二者相对于主传输线的关系是一致的。同理，耦合孔A和耦合孔B相对于主传输线的关系，加载体A和加载体B相对于主传输线的关系都是一致的。为了方便叙述，我们先叙述主传输线，副传输线A，耦合孔A和加载体A之间的关系如下：

主传输线和副传输线A被公共壁隔开，主传输线和副传输线B也被公共壁隔开，耦合孔A位于主传输线和副传输线A的公共壁上，耦合孔B位于主传输线和副传输线B的公共壁上，耦合孔A和耦合孔B的深度分别与公共壁的厚度一致。即主传输线和副传输线A被公共壁A隔开，耦合孔A位于主传输线和副传输线A的公共壁A上，耦合孔A的深度与公共壁A的厚度一致。即主传输线和副传输线B被公共壁B隔开，耦合孔B位于主传输线和副传输线B的公共壁B上，耦合孔B的深度与公共壁B的厚度一致。

所述主传输线，副传输线A为矩形空波导或矩形脊波导。

所述的耦合孔A至少部分位于或全部位于俯视时主传输线和副传输线A的重叠区域A中。所述的耦合孔B7至少部分位于或全部位于俯视时主传输线1和副传输线B6的重叠区域B9中。

当耦合孔A的数目为1，且耦合孔A在水平方向的横截面为中心对称图形或正多边形，以及俯视时主传输线和副传输线A的重叠区域A的形状为中心对称图形或正多边形时，耦合孔A的对称中心点或内切圆圆心与重叠区域对称中心点或内切圆圆心的距离大于0，正多边形的边数为奇数。

当耦合孔A的数目大于或等于2，且耦合孔A在水平方向的横截面为中心对称图形或正多边形，以及俯视时主传输线和副传输线A的重叠区域的形状为中心对称图形或正多边形时，至少有一个耦合孔A的对称中心点或内切圆圆心与重叠区域对称中心点或内切圆圆心的距离大于0，正多边形的边数为奇数。

当俯视时主传输线和副传输线A的重叠区域的形状为中心对称图形或正多边形时，两个耦合孔相对于重叠区域的对称中心点或内切圆圆心对称排布。

当耦合孔A的数目大于或等于2，且耦合孔A在水平方向的横截面为中心对称图形或正多边形，以及俯视时主传输线和副传输线A的重叠区域A的形状为中心对称图形或正多边形时，至少有一个耦合孔A的对称中心点或内切圆圆心与重叠区域A对称中心点或内切圆圆心的距离大于0，正多边形的边数为奇数；当耦合孔B的数目大于或等于2，且耦合孔B在水平方向的横截面为中心对称图形或正多边形，以及俯视时主传输线和副传输线B的重叠区域B的形状为中心对称图形或正多边形时，至少有一个耦合孔B的对称中心点或内切圆圆心与重叠区域B对称中心点或内切圆圆心的距离大于0，正多边形的边数为奇数。

当俯视时，主传输线和副传输线A的重叠区域A的形状为中心对称图形或正多边形时，而且当耦合孔A的数目大于等于2个时，多个耦合孔A相对于重叠区域A的对称中心点或内切圆圆心对称排布；当俯视时，主传输线和副传输线B的重叠区域B的形状为中心对称图形或正多边形时， 而且当耦合孔B的数目大于等于2个时，多个耦合孔B相对于重叠区域B的对称中心点或内切圆圆心对称排布。

由于当重叠区域A 的形状为中心对称图形和耦合孔A在水平方向的横截面为中心对称图形时，如果将耦合孔A 放置在重叠区域A正中位置，即耦合孔A对称中心点与重叠区域A对称中心点重合时，则不产生方向性，因此在实施本发明时，应当排除这种技术方案，但是当重叠区域A的形状为非中心对称图形或耦合孔A在水平方向的横截面为非中心对称图形时，则无论耦合孔A放置在哪个位置均会产生方向性，因此不限制其排布。另外，经研究发现，当耦合孔A距离重叠区域A中心位置越远时，其方向性越好。为此，在实施本发明时，优先将耦合孔A放置在距离重叠区域A边界位置较近处，同时进一步的研究发现，当耦合孔A的数目为2时，优先将耦合孔A放置在对称的两个角落区域上，双向定向耦合器的方向性最佳。即所述的耦合孔A的数目为1，且重叠区域A为矩形或平行四边形或正多边形时，耦合孔A分布在俯视时主传输线和副传输线A的重叠区域的一条对角线的一边；所述的耦合孔A的数目为2，且重叠区域A为矩形或平行四边形或正多边形时，两个耦合孔A分别分布在俯视时主传输线和副传输线A的重叠区域A的一条对角线的两边，进一步的，还可以将两个耦合孔A相对于重叠区域A对称中心点或内切圆圆心对称排布，以改善其耦合效果。

所述的加载体A为金属体或介质体，加载体A置于副传输线A的下内壁或\和上内壁上，加载体A在水平面上的位置在俯视时主传输线和副传输线A的重叠区域A中。

所述耦合孔A的在水平方向的横截面形状为圆形，或在水平方向的横截面形状为十字形，或在水平方向的横截面形状为矩形。

主传输线轴线与副传输线A轴线的夹角的角度为а，а的取值范围为0度~180度，以90度为佳。且主传输线和副传输线A的轴线都与水平面平行。

以上我们完成了主传输线，副传输线A，耦合孔A和加载体A之间的关系的说明。由于副传输线A和副传输线B分别位于主传输线的上方和下方，二者相对于主传输线的关系是一致的。所以，主传输线，副传输线B，耦合孔B和加载体B之间的关系依据同等原则也得到了说明。

以往的双向定向耦合器，其耦合孔均全部位于主传输线和副传输线的重叠区域中，且没有在传输线中添加任何加载体，主要具有方向性差、带宽窄的缺陷。在现有的技术中，为了增加带宽，常常增加多个耦合孔，因此以现有技术生产出来的双向定向耦合器的结构较大，在很多场合中都不太实用，并限制了带有双向定向耦合器设备的发展。而本发明通过在耦合孔附近的副传输线内或\和主传输线内添加若干加载体，使得该双向定向耦合器的方向性得到了很大的改善，带宽也得到相应的增加，达到了波导基模工作的全带宽，这是以往双向定向耦合器所有不能达到的技术。

具体的说，本发明的最大特点是摒弃了以往只改变耦合孔的大小，方向及数目来调谐驻波比，耦合度及方向性，而在耦合孔附近的传输线中添加加载体，进而增加调谐驻波比，耦合度及方向性的自由度，且通过改变加载体的尺寸及方向，影响该紧凑型双向定向耦合器的方向性最为显著。为了方便加工和装配，降低器件成本，主传输线和副传输线的轴线都与水平面平行。

本发明的工作原理可以简述如下：微波信号通过主传输线上的输入端口输入，信号的一部分功率通过耦合孔耦合到副传输线中，传输到副传输线上的耦合端口时同相叠加，从耦合端口输出。在隔离端口，由于信号在这里叠加时，相位相反，输出功率很小。而输入信号的其余功率则通过主传输线的输出端口输出。输入端口的反射很小，隔离端口中的输出功率也很小，从而很好地实现了六端口双向定向耦合器的功能。微波信号通过耦合孔后，微波信号有向加载体方向集中的趋势，形成定向耦合效果。

所述的加载体A为金属体或介质体，加载体A置于副传输线A的下内壁或\和上内壁上，加载体A在水平面上的位置在俯视时主传输线和副传输线A的重叠区域A中；所述的加载体B为金属体或介质体，加载体B置于副传输线B的下内壁或\和上内壁上，加载体B在水平面上的位置在俯视时主传输线和副传输线B的重叠区域B中。

所述耦合孔A在水平方向的横截面形状为圆形，或在水平方向的横截面形状为十字形，或在水平方向的横截面形状为矩形；所述耦合孔B在水平方向的横截面形状为圆形，或在水平方向的横截面形状为十字形，或在水平方向的横截面形状为矩形。

主传输线轴线与副传输线A轴线的夹角的角度为а，а的取值范围为0度~180度，且主传输线和副传输线A的轴线都与水平面平行；主传输线轴线与副传输线B轴线的夹角的角度为b，b的取值范围为0度~180度，且主传输线和副传输线B的轴线都与水平面平行。

本发明的优点在于：结构体积小，相比于传统的双向定向耦合器，其耦合孔的数目可以只设置1个或2个，其性能也远远优于现有的多孔双向定向耦合器。本发明还具有显著的高方向性和超宽带的特点。与多孔高方向性和超宽带双向定向耦合器相比，本发明的更重要的优点是其低插损。在毫米波和太赫兹频段，传统的多孔双向定向耦合器可能由于插损太高而失去使用价值。

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的侧视图。

附图中标号对应名称：1-主传输线，2-副传输线A,3-耦合孔A,4-加载体A,5-重叠区域A，6-副传输线B,7-耦合孔B,8-加载体B,9-重叠区域B 。

具体实施方式

实施实例1

如图2和3所示，六端口双向定向耦合器，包括主传输线1、副传输线A2和副传输线B6，还包括连通主传输线和副传输线A2的耦合孔A3，连通主传输线和副传输线B6的耦合孔B7，设置在耦合孔A3附近的加载体A4，设置在耦合孔B7附近的加载体B8，耦合孔A3位于主传输线1和副传输线A2的公共壁上，耦合孔B7位于主传输线1和副传输线B6的公共壁上，主传输线1的两端分别为输入端口和输出端口，副传输线A2的两端分别为耦合端口A和隔离端口A，副传输线B6的两端分别为耦合端口B和隔离端口B。

在本实施实例中，副传输线A和副传输线B分别位于主传输线的上方和下方，二者相对于主传输线的关系是一致的。同理，耦合孔A和耦合孔B相对于主传输线的关系，加载体A和加载体B相对于主传输线的关系都是一致的。为了方便叙述，我们先叙述主传输线，副传输线A，耦合孔A和加载体A之间的关系如下：

    所述主传输线1和副传输线A2都为矩形空波导或矩形脊波导。

所述加载体A4为金属。

所述的耦合孔A3至少部分位于或全部位于俯视时主传输线1和副传输线A2的重叠区域A5中。

所述的耦合孔A3附近的加载体A4位于副传输线A2中，即离耦合孔A3最近的加载体A4位于副传输线A2中，加载体A4还可以位于主传输线1中，耦合孔A3在水平方向的位置至少部分或全部位于俯视时主传输线1和副传输线A2的重叠区域A5中。离耦合孔B最近的加载体B位于副传输线B中。

当耦合孔A3的数目为1，且耦合孔A3在水平方向的横截面为中心对称图形或正多边形，以及俯视时主传输线1和副传输线A2的重叠区域A5的形状为中心对称图形或正多边形时，耦合孔A3的对称中心点或内切圆圆心与重叠区域A5对称中心点或内切圆圆心的距离大于0，正多边形的边数为奇数。

当耦合孔A3的数目大于或等于2，且耦合孔A3在水平方向的横截面为中心对称图形或正多边形，以及俯视时主传输线1和副传输线A2的重叠区域A5的形状为中心对称图形或正多边形时，至少有一个耦合孔的对称中心点或内切圆圆心与重叠区域A5对称中心点或内切圆圆心的距离大于0，正多边形的边数为奇数。

当俯视时主传输线1和副传输线A2的重叠区域A5的形状为中心对称图形或正多边形时，两个耦合孔相对于重叠区域A5的对称中心点或内切圆圆心对称排布。

在本实施例中，耦合孔A3的数目为2，且耦合孔在水平方向的横截面为中心对称图形以及俯视时主传输线1和副传输线A2的重叠区域A5的形状为中心对称图形（平行四边形）时，至少有一个耦合孔的对称中心点与重叠区域A5对称中心点的距离大于0，或两个耦合孔的对称中心点都与重叠区域A5A对称中心点的距离大于0且两个耦合孔分布在该重叠区域A5的一条对角线的两边。

由于当重叠区域A5A的形状为中心对称图形和耦合孔在水平方向的横截面为中心对称图形时，如果将耦合孔放置在重叠区域A5正中位置，即耦合孔对称中心点与重叠区域对称中心点重合时，则不产生方向性，因此在实施本发明时，应当排除这种技术方案，但是当重叠区域A5的形状为非中心对称图形或耦合孔在水平方向的横截面为非中心对称图形时，则无论耦合孔放置在哪个位置均会产生方向性，因此不限制其排布。另外，经研究发现，当耦合孔距离重叠区域A5中心位置越远时，其方向性越好。即所述的耦合孔A3的数目为1时，耦合孔A3分布在俯视时主传输线1和副传输线Ａ2的重叠区域A5的一条对角线的一边；所述的耦合孔A3的数目为2时，两个耦合孔Ａ3分别分布在俯视时主传输线1和副传输线Ａ2的重叠区域A5的一条对角线的两边。

加载体 A4置于副传输线A2的下内壁或\和上内壁上，其在水平面上的位置在俯视时主传输线1和副传输线A2的重叠区域A5中无耦合孔的区域上。

所述的加载体A4为金属体或介质体， 加载体A4置于副传输线A2的下内壁或\和上内壁上，加载体A4在水平面上的位置在俯视时主传输线1和副传输线A2的重叠区域A5中；所述的加载体B8为金属体或介质体，加载体B8置于副传输线B6的下内壁或\和上内壁上，加载体B8在水平面上的位置在俯视时主传输线1和副传输线B6的重叠区域B9中。

所述耦合孔A3的在水平方向的横截面形状为圆形，或在水平方向的横截面形状为十字形，或在水平方向的横截面形状为矩形。

所述耦合孔B7在水平方向的横截面形状为圆形，或在水平方向的横截面形状为十字形，或在水平方向的横截面形状为矩形。

主传输线1轴线与副传输线A2轴线的夹角的角度为а，а的取值范围为0度~180度。优选的方案，如图2，主传输线1轴线与副传输线A2轴线的夹角为90度。当然还可以为45度或30度或60度。

为了方便加工及装配，主传输线1和副传输线A2的轴线都与水平面平行。

微波信号通过主传输线1上的输入端口输入,信号的一部分功率通过耦合孔A3耦合到副传输线A2中,传输到副传输线A2上的耦合端口时同相叠加,从耦合端口输出。在隔离端口,由于信号在这里叠加时,相位相反,输出功率很小。而输入信号的其余功率则通过主传输线1的输出端口输出。输入端口的反射很小，隔离端口中的输出功率也很小。

上述仅为举例。实际生产中，耦合孔A3的个数可以为1个或多个，加载体A4的个数亦可以为1个或多个。

以上我们完成了主传输线，副传输线A，耦合孔A和加载体A之间的关系的说明。由于副传输线A和副传输线B分别位于主传输线的上方和下方，二者相对于主传输线的关系是一致的。所以，主传输线，副传输线B，耦合孔B和加载体B之间的关系依据同等原则也得到了说明。

如上所述，即可较好的实现本发明。

Claims (10)

1.六端口双向定向耦合器，其特征在于，包括主传输线（1）、副传输线A（2）、副传输线B（6），还包括连通主传输线（1）和副传输线A（2）的耦合孔A（3），连通主传输线（1）和副传输线B（6）的耦合孔B（7）， 设置在主传输线（1）内或\和副传输线A（2）内的加载体A（4），和设置在主传输线（1）内或\和副传输线B（6）内的加载体B（8），加载体A（4）相邻于耦合孔A（3），加载体B（8）相邻于耦合孔B（7），主传输线（1）的两端分别为输入端口和输出端口，副传输线A（2）的两端分别为耦合端口A和隔离端口A，副传输线B（6）的两端分别为耦合端口B和隔离端口B。

2.根据权利要求1所述的六端口双向定向耦合器，其特征在于，主传输线（1）和副传输线A（2）被公共壁隔开，主传输线（1）和副传输线B（6）也被公共壁隔开，耦合孔A（3）位于主传输线（1）和副传输线A（2）的公共壁上，耦合孔B（7）位于主传输线（1）和副传输线B（6）的公共壁上，耦合孔A（3）和耦合孔B（7）的深度分别与公共壁的厚度一致。

3.根据权利要求1所述的六端口双向定向耦合器，其特征在于，所述主传输线（1）、副传输线A（2）和副传输线B（6）都为矩形空波导或矩形脊波导。

4.根据权利要求1所述的六端口双向定向耦合器，其特征在于，所述的耦合孔A（3）至少部分位于或全部位于俯视时主传输线（1）和副传输线A（2）的重叠区域A（5）中，所述的耦合孔B（7）至少部分位于或全部位于俯视时主传输线（1）和副传输线B（6）的重叠区域B（9）中。

5.根据权利要求1所述的六端口双向定向耦合器，其特征在于，当耦合孔A（3）的数目为1，且耦合孔A（3）在水平方向的横截面为中心对称图形或正多边形，以及俯视时主传输线（1）和副传输线A（2）的重叠区域A（5）的形状为中心对称图形或正多边形时，耦合孔A（3）的对称中心点或内切圆圆心与重叠区域（5）的对称中心点或内切圆圆心的距离大于0，正多边形的边数为奇数；当耦合孔B（7）的数目为1，且耦合孔B（7）在水平方向的横截面为中心对称图形或正多边形，以及俯视时主传输线（1）和副传输线B（6）的重叠区域B（9）的形状为中心对称图形或正多边形时，耦合孔B（7）的对称中心点或内切圆圆心与重叠区域B（9）对称中心点或内切圆圆心的距离大于0，正多边形的边数为奇数。

6.根据权利要求1所述的六端口双向定向耦合器，其特征在于，当耦合孔A（3）的数目大于或等于2，且耦合孔A（3）在水平方向的横截面为中心对称图形或正多边形，以及俯视时主传输线（1）和副传输线A（2）的重叠区域A（5）的形状为中心对称图形或正多边形时，至少有一个耦合孔A（3）的对称中心点或内切圆圆心与重叠区域A（5）对称中心点或内切圆圆心的距离大于0，正多边形的边数为奇数；当耦合孔B（7）的数目大于或等于2，且耦合孔B（7）在水平方向的横截面为中心对称图形或正多边形，以及俯视时主传输线（1）和副传输线B（6）的重叠区域B（9）的形状为中心对称图形或正多边形时，至少有一个耦合孔B（7）的对称中心点或内切圆圆心与重叠区域B（9）对称中心点或内切圆圆心的距离大于0，正多边形的边数为奇数。

7.根据权利要求1所述的六端口双向定向耦合器，其特征在于，当俯视时，主传输线（1）和副传输线A（2）的重叠区域A（5）的形状为中心对称图形或正多边形时，而且当耦合孔A（3）的数目大于等于2个时，多个耦合孔A（3）相对于重叠区域A（5）的对称中心点或内切圆圆心对称排布；当俯视时，主传输线（1）和副传输线B（6）的重叠区域B（9）的形状为中心对称图形或正多边形时， 而且当耦合孔B（7）的数目大于等于2个时，多个耦合孔B（7）相对于重叠区域B（9）的对称中心点或内切圆圆心对称排布。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的六端口双向定向耦合器，其特征在于，所述的加载体A（4）为金属体或介质体， 加载体A（4）置于副传输线A（2）的下内壁或\和上内壁上，加载体A（4）在水平面上的位置在俯视时主传输线（1）和副传输线A（2）的重叠区域A（5）中；所述的加载体B（8）为金属体或介质体，加载体B（8）置于副传输线B（6）的下内壁或\和上内壁上，加载体B（8）在水平面上的位置在俯视时主传输线（1）和副传输线B（6）的重叠区域B（9）中。

9.根据权利要求1-7中任意一项所述的六端口双向定向耦合器，其特征在于，所述耦合孔A（3）在水平方向的横截面形状为圆形，或在水平方向的横截面形状为十字形，或在水平方向的横截面形状为矩形；所述耦合孔B（7）在水平方向的横截面形状为圆形，或在水平方向的横截面形状为十字形，或在水平方向的横截面形状为矩形。

10.根据权利要求1-7中任意一项所述的六端口双向定向耦合器，其特征在于，主传输线（1）轴线与副传输线A（2）轴线的夹角的角度为а，а的取值范围为0度~180度，且主传输线（1）和副传输线A（2）的轴线都与水平面平行；主传输线（1）轴线与副传输线B（6）轴线的夹角的角度为b，b的取值范围为0度~180度，且主传输线（1）和副传输线B（6）的轴线都与水平面平行。