CN107078372B - 渐缩式直线定向耦合器 - Google Patents
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Abstract
渐缩式直线定向耦合器包含具有输入端和输出端的长的壳体，所述壳体具有形成在其中的槽，所述槽在所述输入端和所述输出端之间延伸。耦合器还包含：主导体，所述主导体与安装在所述壳体的输入端处的输入端口连接器以及与安装在所述壳体的输出端处的输出端口连接器电连通；以及耦合导体，所述耦合导体是与安装在所述壳体上与其输入端相邻的正向耦合端口连接器以及与安装在所述壳体上与其输出端相邻的反向耦合端口连接器电连通并且在所述正向耦合端口连接器和所述反向耦合端口连接器之间延伸。所述槽、主导体和耦合导体各自具有横截面面积，所述横截面面积根据沿着所述壳体的长度截取截面的位置而变化。
Description
发明领域
本发明总体涉及定向耦合器，更具体地涉及高功率、低无源互调(PIM)、低损耗、宽带宽的定向耦合器。
发明背景
术语“定向耦合器”通常指的是四端口或三端口内部端接的无源微波设备，其中主线路导体(也称为“直通线”)承载射频(RF)功率。所述主线路导体紧邻次级导体，并由RF信号产生的电磁场耦合到所述次级导体。通过主线正向流动的RF电流将引起耦合导体中反向流动的RF电流，并且将仅出现在耦合端口中的一个端口(即，在主线上从左向右流动的信号电流将引起耦合导体中从右向左流动的信号电流，并且仅从左耦合输出端出现)。因此，在主线路上的正向和反向流动的RF电流的耦合输出将出现在不同的耦合输出端。
例如，从美国专利号6,066,994、6,573,807和6,600,307中，用于定向耦合器(包括单向和双向耦合器)的许多不同设计在过去是已知的。然而，在这些参考文献中公开的定向耦合器具有许多缺点，尤其是在它们的设计和它们的可制造性方面。
美国专利No.7,429,903代表了在先前已知设计方面的显著进步，在设计相对简单和制造相对便宜且容易的套件中提供了展现出相对高的功率、相对低的无源互调(PIM)、相对低的损耗和相对宽的带宽的直线定向耦合器。虽然美国专利No.7,429,903特别针对双定向耦合器，但其教导将适用于单定向耦合器。
然而，虽然美国专利No.7,429,903确实是对其现有技术的改进，但是其教导仍然具有显著的缺点。例如，尽管与过去的设计相比，美国专利No.7,429,903中公开的设计的频率带宽相对较宽，但是仍然导致了局限性。更具体地，在美国专利No.7,429,903中教导的阶梯式构型是由1/4波长段或‘n段’的数量进行频率限制，并且对于大量段而言实现是不实际的。
因此，需要的是与已知设计相比，设计相对简单且制造相对便宜且容易的高功率、低无源互调(PIM)、低损耗、宽带宽的直线定向耦合器，同时还提供比现有的已知设计更宽的带宽。
发明概述
根据本发明的一个方面，渐缩式直线定向耦合器包括具有布置在其长度相反端处的输入端和输出端的长的壳体，所述壳体具有形成在其中的槽，所述槽在所述输入端与所述输出端之间延伸。所述槽的横截面面积根据沿着所述壳体的长度所截取的截面的位置来变化。定向耦合器还包括布置在所述槽内并在所述壳体的输入端和输出端之间延伸的主导体，所述主导体与安装在所述壳体的输入端处的输入端口连接器以及与安装在所述壳体的输出端处的输出端口连接器电连通。所述主导体的横截面面积根据沿着所述壳体的长度所截取截面的位置而变化。另外，所述定向耦合器包括布置在所述槽内且与所述主导体间隔开的耦合导体，所述耦合导体是与安装在所述壳体上与其输入端相邻的正向耦合端口连接器以及与安装在所述壳体上与其输出端相邻的反向耦合端口连接器电连通并且在所述正向耦合端口连接器和所述反向耦合端口连接器之间延伸。所述耦合导体的横截面面积根据沿着所述壳体的长度所截取截面的位置而变化。
在一些实施例中，所述槽包括接收所述主导体且具有总体上圆形横截面的下部分和接收所述耦合导体且具有总体上矩形横截面的上部分。在这些实施例的某些实施例中，所述槽的下部分具有沿所述壳体的长度的基本恒定的直径。在某些实施例中，所述槽的上部分的宽度从与所述壳体的输入端相邻的较大宽度渐缩到与所述壳体的输出端相邻的较小宽度。在某些实施例中，槽的总深度沿着壳体的长度总体上是恒定的。
在某些实施例中，所述主导体沿着所述壳体的长度不论在何处截取的截面均具有总体上圆形的横截面，并且所述主导体的直径根据沿着所述壳体的长度截取横截面的位置而变化。在这些实施例的某些实施例中，所述主导体的直径具有从所述壳体的长度的中部的较大直径朝向所述壳体的输入端和所述壳体的输出端的较小直径的锥度。在某些实施例中，所述主导体的直径在所述壳体的输出端处比在所述壳体的输入端处更大。在某些实施例中，所述主导体沿着所述壳体的长度以基本上恒定的深度定位在所述槽内。
在一些实施例中，所述耦合导体沿着所述壳体的长度无论在何处截取的截面均具有总体上矩形的横截面。在这些实施例的某些实施例中，沿着所述壳体的长度无论在何处截取截面，所述耦合导体的厚度基本上保持恒定。在某些实施例中，所述耦合导体的高度从与所述壳体的输入端相邻的较大高度渐缩到与所述壳体的输出端相邻的较小高度。在某些实施例中，与所述槽内的所述主导体相对的所述耦合导体的边缘的深度沿着所述壳体的长度基本上保持恒定。
在某些实施例中，所述主导体和所述耦合导体各自包括实心的一件式棒。主导体的横截面形状在一些实施例中是圆形的，在一些实施例中是矩形的，并且在一些实施例中是另一种多边形形状。
根据本发明的另一个方面，渐缩式直线定向耦合器包括具有在长度上布置在相反端的输入端和输出端的长的壳体，所述壳体具有形成在其中的槽，所述槽在所述输入端与所述输出端之间延伸，所述槽具有总体上圆形横截面的下部分和总体上矩形横截面的上部分。所述槽的上部分的宽度从与所述壳体的输入端相邻的较大宽度渐缩到与所述壳体的输出端相邻的较小宽度。所述耦合器还包括布置在槽的下部分中并在所述壳体的输入端和输出端之间延伸的主导体，所述主导体与安装在所述壳体的输入端处的输入端口连接器以及与安装在所述壳体的输出端处的输出端口连接器电连通，所述主导体沿着所述壳体的长度不论在何处截取的截面均具有总体上圆形的横截面。所述主导体的直径具有从所述壳体的长度的中部的较大直径朝向所述壳体的输入端和所述壳体的输出端的较小直径的锥度。另外，所述耦合器包括布置在所述槽的上部分中且与所述主导体间隔开的耦合导体，所述耦合导体是与安装在所述壳体上与其输入端相邻的正向耦合端口连接器以及与安装在所述壳体上与其输出端相邻的反向耦合端口连接器电连通并且在所述正向耦合端口连接器和所述反向耦合端口连接器之间延伸，所述耦合导体沿着所述壳体的长度不论在何处截取的横截面均具有总体上矩形的横截面。耦合导体的高度从与所述壳体的输入端相邻的较大高度渐缩到与所述壳体的输出端相邻的较小高度。
从以下参考附图考虑的详细描述中，本发明及其具体特征和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是根据本发明的示例性实施例的定向耦合器的俯视图；
图2是沿图1中的线A-A截取的定向耦合器的截面侧视图；
图3是图1的定向耦合器的等轴分解图；
图4是结合表1展示了图1的定向耦合器沿其长度的各部件的尺寸的示意图；并且
图5A至图5H是展示了图1的定向耦合器的各部件的各替代横截面的示意图。
具体实施方式
首先参考图1至图3，示出了根据本发明的示例性实施例的定向耦合器(10)。定向耦合器(10)包括壳体(12)，所述壳体具有使用多个紧固件(16)，例如螺钉、螺栓、铆钉等，固定到所述壳体上的盖(14)。定向耦合器(10)还包括主导体(18)以及也称为次级导体的耦合导体(20)。
主导体(18)布置在壳体(12)内部的槽(22)内，并且通过绝缘体支撑件相对于槽(22)的壁以间隔开的安排被支撑，这些绝缘体支撑件形成输入端口连接器(24)和输出端口连接器(26)的一部分。输入端口连接器(24)和输出端口连接器(26)电连接至主导体(18)，并提供通过定向耦合器(10)的主功率流的路径。输入端口连接器(24)和输出端口连接器(26)可以包括同轴连接器。由于用于在壳体的槽内支撑主导体的各连接器和装置在本领域中是众所周知的，在此不提供示例性实施例在此方面的进一步细节。
耦合导体(20)也布置在壳体(12)内的槽(22)中，并且通过绝缘体支撑件相对于槽(22)的壁以及相对于主导体(18)以间隔开的安排被支撑，这些绝缘体支撑件形成正向耦合端口连接器(28)和反向耦合端口连接器(30)的一部分。正向耦合端口连接器(28)和反向耦合端口连接器(30)电连接到耦合导体(20)，并提供用于测量通过定向耦合器(10)的采样功率流的装置。正向耦合端口连接器(28)和反向耦合端口连接器(30)可以包括同轴连接器。由于用于在壳体中的槽内支撑耦合导体的各连接器和装置在本领域中是众所周知的，在此不提供示例性实施例在此方面的进一步细节。
如本领域已知的，在正向(即，从输入端口连接器(24)到输出端口连接器(26))流过主导体(18)的少量功率将被耦合到耦合导体(20)，并且在正向耦合端口连接器(28)处可获得。对应地，在反向(即，从输出端口连接器(26)到输入端口连接器(24))流过主导体(18)的少量功率将被耦合到耦合导体(20)，并且在反向耦合端口连接器(30)处可获得。
具体地，现在参考图4和下面的表1，示出了定向耦合器(10)的各部件尺寸。应当理解，图4是展示图1的定向耦合器(10)沿其长度的各部件的尺寸的示意图。具体地，表1中的No.1表示与输入端口连接器(24)侧相邻的各部件的尺寸，而表1中的No.41表示与输出端口连接器(26)相邻的各部件的尺寸。另外，应该指出的是，虽然具有变化的尺寸的各部件是连续渐缩的，但实际上它们可以被建模制成具有有限数量的部分(如表1所示)。
表1--各部件的尺寸
如在图4中可以看出，槽(22)被构形成具有接收主导体(18)的总体上圆形横截面的下部分以及接收耦合导体(20)的具有总体上矩形横截面的上部分。槽(22)的下部圆形部分具有190.0密耳的基本上恒定的直径(D0)，槽(22)的总深度(L)为总体上恒定的305密耳。槽(22)的上部矩形部分的宽度(B)具有从一端的159.95密耳到另一端的66密耳的基本恒定的锥度(见表4)。
再次参考图4和表1，主导体(18)具有直径(D1)，其直径具有从一端的82.95密耳增加到与中心相邻的84.40密耳的最大值然后在另一端回到83.5密耳的锥度。然而，主导体(18)以210.0密耳的基本上恒定的深度(G)定位在槽(22)的下部圆形部分内。
还再次参考图4和表1，当沿着其长度截取时，耦合导体(20)具有总体上矩形的横截面。与槽(20)内的耦合导体(20)的顶部的深度(也是20密耳)一样，耦合导体(20)的厚度(T)保持基本上恒定在20密耳。然而，耦合导体(20)的高度(W)具有从一端的115.10密耳到另一端的43.75密耳的总体上恒定的锥度。
应当注意，表1具体针对具有正或负0.26dB波动的示例性20dB高通耦合器。在表1中还示出了每个模型部分的耦合因子(K)(范围从一端的-14.05dB到另一端的-44.29dB)，低频截止(L/λ0)为0.278。应当理解，这些尺寸适用于一个示例性耦合器，并且均可以随着不同的客户要求而变化，例如耦合度、功率电平、插入损耗和频率范围。
壳体(12)和盖(14)可以由铝制成并且组合为约1.5平方英寸，而所有导体和连接器可以由黄铜制成。为防止氧化并提供良好的PIM性能和低插入损耗，黄铜部件可以镀银，并且可以使用化学转化镀层来防止铝壳体腐蚀。
现在参考下面的表2，提供了性能比较，其示出了与现有技术设备相比在上述两个不同功率电平(50W和500W)下操作的本发明实施例的各性能指标。具体来说，这些现有技术设备是在500W下操作的美国专利号7,429,903(上文更详细地讨论过)中描述的设备，以及在50W下操作的传统工业标准带状线设备。
表2-性能比较
在表1中可以看出，本发明提供了优于美国专利No.7,429,903中描述的设备(在上文更详细地讨论过)和传统工业标准带状线设备的益处。
现在参考图5A至图5H，应当理解，本发明的发明方面可以与具有不同于上述具体示例性实施例的配置的定向耦合器一起使用。例如，壳体(12)中的主导体(18)和或槽(22)不需要各自具有圆形横截面。此外，可以提供不止一个耦合导体(20)。例如，图5A示出了具有总体上正方形横截面的主导体、所述壳体中具有总体上正方形的横截面的槽和两个耦合导体，而图5B示出了具有总体上正方形横截面的主导体、所述壳体中具有总体上正方形的横截面的槽和一个耦合导体。图5C示出了具有部分扁平且部分成圆形的横截面的主导体、所述壳体中具有总体上圆形横截面的槽和两个耦合导体，而图5D示出了具有部分扁平且部分成圆形的横截面的主导体、所述壳体中具有总体上圆形横截面的槽和一个耦合导体。图5E示出了具有总体上圆形横截面的主导体、所述壳体中具有总体上圆形横截面的槽和两个耦合导体，而图5F示出了具有总体上圆形横截面的主导体、所述壳体中具有总体上圆形横截面的槽和一个耦合导体(如同样结合图1至图4所描述和所示的)。图5G示出了具有横截面的主导体、所述壳体中具有总体上正方形横截面的槽和两个耦合导体，而图5H示出了具有总体上圆形横截面的主导体、所述壳体中总体上圆形具有总体上正方形横截面的槽和一个耦合导体。
在不脱离本发明的发明方面的情况下，其他构形也是可能的。例如，尽管未示出，但是应当认识到，所述(多个)耦合导体的横截面形状也可以变化。
虽然已经参考部件、特征之类的具体安排描述了本发明，但是这些并不旨在详述所有可能的安排或特征，并且实际上对本领域技术人员来说可以确定许多其他修改和变化。一些变型示例包括连接器类型，以及在组件中的多个耦合器的组合。
Claims (7)
1.一种渐缩式直线定向耦合器，包括：
壳体(12)，其长度具有布置在所述长度的相反端处的输入端和输出端，所述壳体具有形成在其中且在所述输入端和所述输出端之间延伸的槽(22)，其中所述槽的横截面面积沿着所述壳体的长度变化；
主导体(18)，布置在所述槽内并在所述壳体的输入端和输出端之间延伸，所述主导体与在其输入端处安装在所述壳体上的输入端口连接器(24)并且与在其输出端处安装在所述壳体上的输出端口连接器(26)电连通，所述主导体具有沿所述壳体的长度变化的横截面面积；以及
耦合导体(20)，布置在所述槽内且与所述主导体间隔开，所述耦合导体是与安装在所述壳体上且与其输入端相邻的正向耦合端口连接器(28)以及与安装在所述壳体上且与其输出端相邻的反向耦合端口连接器(30)电连通并且在所述正向耦合端口连接器和所述反向耦合端口连接器之间延伸，所述耦合导体具有沿所述壳体的长度变化的横截面面积，
其中，所述槽具有：
接收所述主导体且具有总体上圆形横截面和基本恒定的直径的下部分；和
接收所述耦合导体且具有总体上矩形横截面的上部分，其中所述上部分的宽度从与所述壳体的输入端相邻的较大宽度渐缩到与所述壳体的输出端相邻的较小宽度，
所述主导体具有总体上圆形的横截面、以及根据沿着所述壳体的长度截取横截面的位置而变化的直径，
所述耦合导体具有总体上矩形的横截面、沿着所述壳体的长度保持基本上恒定的厚度、以及从与所述壳体的输入端相邻的较大高度渐缩到与所述壳体的输出端相邻的较小高度的高度。
2.根据权利要求1所述的定向耦合器，其中，所述槽的总深度沿着所述壳体的长度总体上是恒定的。
3.根据权利要求1或2所述的定向耦合器，其中，所述主导体的直径具有从所述壳体的长度的中部处的较大直径朝向所述壳体的输入端和所述壳体的输出端处的较小直径的锥度。
4.根据权利要求1或2所述的定向耦合器，其中，所述主导体的直径在所述壳体的输出端处比在所述壳体的输入端处更大。
5.根据权利要求1或2所述的定向耦合器，其中，所述主导体沿着所述壳体的长度以基本上恒定的深度定位在所述槽内。
6.根据权利要求1或2所述的定向耦合器，其中，与所述槽内的所述主导体相对的所述耦合导体的边缘的深度沿着所述壳体的长度基本上保持恒定。
7.根据权利要求1或2所述的定向耦合器，其中，所述主导体和所述耦合导体各自包括实心的一件式棒。
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