CN109361045B - 一种小型化宽带大功率耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化宽带大功率耦合器，属于射频、微波工程技术领域，包括同轴线耦合电路，同轴线耦合电路包括内导体和外导体，其内导体和外导体之间由介质材料隔开，在内、外导体之间形成了一个电容，电磁信号在内导体和外导体之间进行电磁耦合；外导体作直通电路承载大功率信号，内导体承载耦合过来的小功率抽样信号；大功率特指千瓦级功率，小功率为瓦级功率。本发明的不仅结构简单合理、体积小、损耗低、方向性好、工作带宽较宽，该耦合器采用单根同轴线的外导体做直通电路，内导体作耦合电路，提高了耦合器的高功率耐受特性；通过加载均衡电路很好地改善了耦合器在低频段的耦合度，耦合器的总体尺寸大大缩小。

Description

一种小型化宽带大功率耦合器

技术领域

本发明属于射频、微波工程技术领域，具体涉及一种小型化宽带大功率耦合器。

背景技术

定向耦合器是微波系统中可实现定向耦合的无源微波器件，在功率测量、功率监测、功率分配与合成等微波毫米波领域得到广泛的应用。例如，自动增益控制器、调相器、反射计，以及微波阻抗电桥仪等设备，可通过定向耦合器定量提取一定功率，从而对微波系统中的信号功率进行准确测量；雷达馈线系统的信号采集及注入，信号发生器中的功率计，大功率微波加热器的控制模块等通过定向耦合器的监测功能实现通信、馈线系统的实时控制；另外，稳频装置、衰减器、混频器等关键微波器件同样需要定向耦合器进行功率分配与合成。

定向耦合器种类繁多，根据其结构和电磁耦合机理可分为几种类型。根据电磁信号传输方向，可分为“同向定向耦合器”和“反向定向耦合器”；根据传输线类型的不同，可分为波导(包括脊波导)定向耦合器、同轴定向耦合器、微带线定向耦合器，以及带状线等定向耦合器等；根据电磁耦合方式的不同，可分为平行耦合、分支耦合、缝隙耦合和孔径耦合等，可以满足不同耦合度大小及耦合精度的需求；根据主副传输线的差异，可分为同种传输线型定向耦合器和异种传输线型定向耦合器。

目前，雷达系统、微波馈线、功率计等关键仪器设备的制造趋于小型化，对定向耦合器的空间尺寸提出了更高的要求，而很多大功率微波应用领域又要求定向耦合器能够承受很高的功率，甚至高达千瓦(kw)量级，另外，工程上还必须考虑定向耦合器可能产生的温漂、频点漂移、宽频带等问题，因此，研制小型化、宽带、大功率耦合器具有很好的实际应用价值和意义。

申请公布号为CN104378906A的专利申请中，名称为“一种射频大功率耦合器”公开了一种用于粒子加速器的射频大功率耦合器，该耦合器采用碗状陶瓷窗结构及合理的生产工艺来解决了耦合器传输线阻抗匹配问题，内外导体均采用无氧铜材做成圆筒型结构，主要工作在162.5MHz附近，这种结构的大功率耦合器不适用于一般的射频、微波系统。

授权公告号为CN206921990U的专利中，名称为“一种超宽带大功率耦合器”公开了一种射频耦合器，该耦合器采用带状线结构，工作带宽为1～520MHz，盒体封装，该耦合器设计属于常规结构，其体积较大，耐受功率也难以进一步提高。

综上，在几兆到几百兆赫兹频段，现有的定向耦合器主要采用微带线、带状线、或者波导结构的设计，这类设计很难做到同时实现体积小，频带宽，耐受功率大，以及耦合度高等综合指标。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种小型化宽带大功率耦合器，该耦合器能够在更宽的频带范围内实现很低的电压驻波比低，且插入损耗小、输出方向性高、双向耦合一致性高，以及能够承受千瓦级的大功率。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种小型化宽带大功率耦合器，包括同轴线耦合电路，同轴线耦合电路包括内导体和外导体，其内导体和外导体之间由介质材料隔开，在内导体和外导体之间形成了一个电容，电磁信号在内导体和外导体之间进行电磁耦合；外导体作直通电路承载大功率信号，内导体承载耦合过来的小功率抽样信号；大功率特指千瓦级功率，小功率为瓦级功率。

所述的同轴线耦合电路的输入端的信号经外导体与直通端直接相连。

在所述的内导体两侧均设有衰减器电路。

所述的输入端的信号依次经外导体与内导体的电磁耦合、衰减器电路、均衡电路后与耦合端相连；同轴线耦合电路的输入端依次经外导体与内导体的电磁耦合、衰减器电路、均衡电路后与隔离端相连。

所述的同轴线耦合电路的同轴电缆长度为λ₀/90～λ₀/360，其中λ₀是工作频段中最低频的自由空间波长。

有益效果：与现有技术相比，本发明的一种小型化宽带大功率耦合器，不仅结构简单合理、体积小、损耗低、方向性好、工作带宽较宽，而且能够承受千瓦级功率的射频耦合器；该耦合器采用单根同轴线的外导体做直通电路，内导体作耦合电路，极大地提高了耦合器的高功率耐受特性；通过加载均衡电路很好地改善了耦合器在低频段的耦合度；通过增减衰减器电路可以进一步调控耦合器的耦合度；同轴线电长度可以很短(大约为λ₀/90～λ₀/360，其中λ₀是工作频段中最低频的自由空间波长)，从而导致耦合器的总体尺寸大大缩小。

附图说明

图1是一种小型化宽带大功率耦合器的等效电路图；

图2是插入损耗、隔离度随频率的变化关系图；

图3是输入端口的回波损耗随频率的变化关系图；

图4是耦合度及方向性随频率的变化关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，附图标记为：同轴线耦合电路1、输入端2、直通端3、衰减器4、均衡电路5、耦合端6和隔离端7。大功率特指千瓦(10^3w)级功率，小功率一般指瓦(10^0w)级功率。同轴线耦合电路1即为普通同轴电缆。同轴线耦合电路1的同轴电缆长度为λ₀/90～λ₀/360，其中λ₀是工作频段中最低频的自由空间波长，从而导致耦合器的总体尺寸大大缩小。

如图1所示，一种小型化宽带大功率耦合器，包括同轴线耦合电路1，同轴线耦合电路1包括内导体和外导体，其内导体和外导体之间由介质材料(例如特氟龙)隔开，从而在内、外导体之间形成了一个电容，电磁信号在内导体和外导体之间进行电磁耦合。

同轴线耦合电路1的输入端2的信号经外导体与直通端3直接相连；在内导体两侧均设有衰减器4电路，输入端2的信号依次经外导体与内导体的电磁耦合、衰减器4电路、均衡电路5后与耦合端6相连；同轴线耦合电路1的输入端2依次经外导体与内导体的电磁耦合、衰减器4电路、均衡电路5后与隔离端7相连。

同轴线耦合电路的同轴传输线，其内导体和外导体之间由介质材料隔开，从而在内、外导体之间形成了一个电容，电磁信号在内导体和外导体之间进行电磁耦合。传统的同轴线型射频耦合器往往采用内芯导体作直通电路来承载大功率信号，因其半径较小、不易散热，导致耐受功率不高。

同轴传输线外导体作直通电路承载大功率信号，内导体承载耦合过来的小功率抽样信号。因为同轴线的外导体半径比内导体半径要大得多，且散热良好，所以可以承受更高的功率。为了进一步增加该定向耦合器(小型化宽带大功率耦合器)的耐受功率，同轴传输线的长度采用电小长度(～λ₀/180，其中λ₀是工作频段中最低频的自由空间波长)，使得定向耦合器(小型化宽带大功率耦合器)的总体尺寸也很小。

同轴传输线的内导体和外导体之间具有稳定的波阻抗(常用同轴线波阻抗就两种：50Ohm；75Ohm)，所以端口之间(定向耦合器的输入端口至隔离端口)可实现很高的隔离度。考虑到传统的定向耦合器很难在宽频段范围内实现稳定的耦合度，本发明在耦合器的耦合端和隔离端分别串联了若干级均衡电路(按照输出信号平衡度的技术指标进行设计，平衡度越高，级数越多)，使得电磁耦合量在100％的中心带宽段范围内保持很好的稳定值，输出信号幅度的平坦度，最好为一定值(一根直线)。

实施例

一个10～100MHz的大功率定向耦合器，同轴传输线的长度为9.5cm，其内导体半径为0.2cm，外导体半径为0.7cm，其特性阻抗为50欧姆，内导体两端各串联了一级衰减电路(衰减电路可根据耦合度要求增加或者去除)，以及两级均衡电路。该定向耦合器用铝壳封装之后的总体尺寸为：15cm×3cm×2cm。经实际测量得到：输入端至直通端的插入损耗(S₂₁)曲线和输入端与隔离端的隔离度(S₄₁)曲线如图2所示，从图中可看出，在10～100MHz工作频段范围内，插入损耗<0.6dB，隔离度大于85dB。图3所示为定向耦合器输入端口的回波损耗，可看出在整个工作频带内S₁₁<-15dB。图4所示为定向耦合器的耦合系数以及方向性，可看出在整个工作频带内耦合度都在-53±1dB内，非常稳定，而方向性系数>31dB。实测结果表明，在入射功率达到2kW时，该定向耦合器仍然工作正常。

本发明虽然以同轴电缆(内、外导体皆为圆柱形)为实施案例，但不限于此圆柱形同轴电缆，耦合电路部分的内、外导体也可以是其他形状，如矩形、多边形等。内、外导体的波阻抗也可以是非均匀的。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对各设施位置进行调整，这些调整也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种小型化宽带大功率耦合器，其特征在于：包括同轴线耦合电路（1），所述的同轴线耦合电路（1）包括内导体和外导体，其内导体和外导体之间由介质材料隔开，在内导体和外导体之间形成了一个电容，电磁信号在内导体和外导体之间进行电磁耦合；所述的外导体作直通电路承载大功率信号，所述的内导体承载耦合过来的小功率抽样信号；所述的大功率特指千瓦级功率，所述的小功率为瓦级功率。

2.根据权利要求1所述的一种小型化宽带大功率耦合器，其特征在于：所述的同轴线耦合电路（1）的输入端（2）的信号经外导体到达直通端（3）。

3.根据权利要求2所述的一种小型化宽带大功率耦合器，其特征在于：在所述的内导体两侧均设有与之相连的衰减器（4）电路。

4.根据权利要求3所述的一种小型化宽带大功率耦合器，其特征在于：所述的同轴线耦合电路（1）的输入端（2）的信号依次经外导体与内导体的电磁耦合后依次进入衰减器（4）电路、均衡电路（5）后，最后到达耦合端（6）；同轴线耦合电路（1）的输入端（2）的信号依次经外导体与内导体的电磁耦合后依次进入衰减器（4）电路、均衡电路（5）后，最后到达隔离端（7）。

5.根据权利要求1所述的一种小型化宽带大功率耦合器，其特征在于：所述的同轴线耦合电路（1）的同轴电缆长度为λ ₀/90 ~λ ₀/360，其中λ ₀是工作频段中最低频的自由空间波长。

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