CN109585998A - 一种定向耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种定向耦合器，用于解决现有定向耦合器隔离性能不可靠的技术问题。所述的定向耦合器包括上模块和下模块，所述上模块的底面和下模块的顶面对称设置有波导槽，所述上模块和下模块组合之后所述波导槽组合构成第一波导通路和第二波导通路，所述第一波导通路呈L形，所述第二波导通路呈U形，所述第一波导通路和第二波导通路之间设置有若干个耦合口，所述耦合口的宽度不等。本发明结构简单稳定，性能可靠，功率容量高，在耦合端与输出端需要隔离的定向耦合器设计应用中，具有广阔的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及射频通信技术领域，具体涉及一种定向耦合器。
背景技术
定向耦合器是微波系统中广泛应用的元件，可用于监测功率、频率和频谱，测量馈线系统和元件的反射系数、插入衰减等，还可用做衰减器、功率分配器。微波系统中凡属功率分配，信号间一定幅度、相位关系的获得，都可以考虑或必须采用定向耦合器。
近年来，随着微波通信的迅速发展，通信系统的性能指标要求越来越高。这对系统中定向耦合器的性能指标，也提出了新的要求。例如在需要功率监测的系统中，定向耦合器的性能指标关系到系统的功率监测和控制精度。在需要正反向功率监测时，采用常规的定向耦合器就可以达到功能需求。但是常规的定向耦合器存在一个隐患，即定向耦合器的耦合端与隔离端是相通的，两个端口没有隔离度，在实际工作中，如果其中一个端口(如隔离端口)失配或故障损坏，信号就会反射到对应端口(如耦合端口)与对应端口的信号进行叠加，会产生较大的指标误差，影响系统功率检测和控制精度，甚至会因为功率问题损害系统其他器件。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种定向耦合器，该定向耦合器可以实现耦合端与输出端的高隔离，避免了实际工作中两个端口的互相影响。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种定向耦合器，包括上模块和下模块，所述上模块的底面和下模块的顶面对称设置有波导槽，所述上模块和下模块组合之后所述波导槽组合构成第一波导通路和第二波导通路，所述第一波导通路呈L形，所述第二波导通路呈U形，所述第一波导通路和第二波导通路之间设置有若干个耦合口，所述耦合口的宽度不等。
可选地，所述第一波导通路为射频的信号输入通路，所述第二波导通路为射频的信号耦合通路；
或者，所述第一波导通路为射频的信号耦合通路，所述第二波导通路为射频的信号输入通路。
可选地，所述第一波导通路和第二波导通路的截面呈矩形，所述第一波导通路和第二波导通路的高度和宽度相等。
可选地，所述第一波导通路和第二波导通路的高度为7.9mm，宽度为15.8mm。
可选地，所述第一波导通路和第二波导通路的拐角处设置内倒角。
可选地，所述内倒角为等腰直角三角形，腰长度为5.7mm。
可选地，所述耦合口依次包括第一耦合口、第二耦合口、第三耦合口、第四耦合口和第五耦合口，五个所述耦合口的高度和长度相等，具有三个不等的宽度，所述第一耦合口和第五耦合口的宽度相等，所述第二耦合口和第四耦合口的宽度相等。
可选地，五个所述耦合口的高度为5.4mm，长度为15.8mm。
可选地，所述第一耦合口和第五耦合口的宽度为2.5mm，所述第二耦合口和第四耦合口的宽度为2.4mm，所述第三耦合口的宽度为2.6mm。
可选地，所述上模块和下模块的材质采用铝，表面镀银。
可选地，所述上模块和下模块均为矩形块，长宽高相等，为80mm×55.4mm×20mm。
可选地，所述上模块上设置有若干上连接孔，所述上连接贯穿所述上模块，所述上连接孔为沉头孔。
可选地，所述下模块上设置有若干下连接孔，所述下连接孔为螺纹盲孔。
可选地，所述上连接孔和下连接孔分别对齐后装入螺钉连接组合。
可选地，所述上模块和下模块的侧面上在所述第一波导通路和第二波导通路的端口周围设置有螺纹孔，在所述螺纹孔中装入螺钉用于在所述端口处安装波导同轴转换接头。
可选地，所述上模块的底面设置有若干定位柱和/或定位孔，所述下模块的顶面设置有若干定位孔和/或定位柱；
所述上模块和下模块组合时，通过所述上模块的定位柱和下模块的定位孔进行定位，和/或，通过所述上模块的定位孔和下模块的定位柱进行定位。
本发明的优点及有益效果是：
本发明的定向耦合器由一个L形波导通路、一个U形波导通路和连接两个通路间的若干个耦合口构成，耦合口的宽度不等。本发明的定向耦合器可以实现耦合端与输出端的高隔离，避免了实际工作中两个端口的互相影响。
本发明的定向耦合器结构简单稳定，性能可靠，功率容量高，在耦合端与输出端需要隔离的定向耦合器设计应用中，具有广阔的应用价值。
附图说明
图1为本发明定向耦合器的上模块的立体图；
图2为本发明定向耦合器的上模块的主视图；
图3为本发明定向耦合器的上模块的俯视图；
图4为本发明定向耦合器的上模块的仰视图；
图5为本发明定向耦合器的上模块的左视图；
图6为本发明定向耦合器的下模块的立体图；
图7为本发明定向耦合器的下模块的主视图；
图8为本发明定向耦合器的下模块的俯视图；
图9为本发明定向耦合器的下模块的仰视图；
图10为本发明定向耦合器的下模块的左视图；
图11为本发明定向耦合器的尺寸图(以下模块为例进行展示)；
图12为本发明定向耦合器的上模块和下模块的组合立体图；
图13为本发明定向耦合器的上模块和下模块的组合立体图(安装有波导同轴转换接头)；
图14为本发明定向耦合器作为功率分配器使用时的工作状态图(以下模块为例进行展示)；
图15为本发明定向耦合器作为功率分配器使用时的仿真数据与测试数据对比图(图中S21表示输出端的传输系数随频率变化曲线，S31表示耦合端的传输系数随频率变化曲线)；
图16为本发明定向耦合器作为功率分配器使用时的仿真数据与测试数据对比图(图中S23表示输出端与耦合端的隔离度随频率变化曲线，S11表示输入端的反射系数随频率变化曲线)。
图中：1.上模块；1-1.本体；1-2.第二波导槽；1-3.第一槽口；1-4.第二槽口；1-5.连通口；1-6.第一波导槽；1-7.第三槽口；1-8.第四槽口；1-9.上连接孔；1-10.螺纹孔；
2.下模块；2-1.本体；2-2.第二波导槽；2-3.第一槽口；2-4.第二槽口；2-5.连通口；2-6.第一波导槽；2-7.第三槽口；2-8.第四槽口；2-9.下连接孔；2-10.螺纹孔；
3.波导同轴转换接头。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
如图1、图6、图13、图14所示为本发明实施例1，在该实施例中提供了一种定向耦合器，包括上模块1和下模块2，上模块1的底面和下模块2的顶面对称设置有波导槽，上模块1和下模块2组合之后波导槽组合构成第一波导通路和第二波导通路，第一波导通路呈L形，第二波导通路呈U形，第一波导通路和第二波导通路之间设置有五个耦合口，耦合口的宽度不等。
现有技术中定向耦合器的波导通路之间的耦合口通常是等宽的，本实施例中的定向耦合器通过将耦合口设计为不等宽，实现了耦合端与输出端的高隔离。
上模块1和下模块2组合之后如图12、图13所示。
如图2、图3、图4、图5所示，上模块1的底面设置有第一波导槽1-6和第二波导槽1-2，第一波导槽1-6呈L形，具有第一槽口1-3和第二槽口1-4。第二波导槽1-2呈U形，具有第三槽口1-7和第四槽口1-9。
第一波导槽1-6的宽度是所设计的第一波导通路的一半，高度和第一波导通路相等。第二波导槽1-2的宽度是所设计的第二波导通路的一半，高度和第二波导通路相等。
第一波导槽1-6和第二波导槽1-2之间设置有五个连通口1-5，连通口1-5位于第一波导槽1-6和第二波导槽1-2平行的位置，连通口1-5的长度是所设计的耦合口的一半。
如图7、图8、图9、图10所示，下模块2的顶面设置有第一波导槽2-6和第二波导槽2-2，第一波导槽2-6呈L形，具有第一槽口2-3和第二槽口2-4。第二波导槽2-2呈U形，具有第三槽口2-7和第四槽口2-9。
第一波导槽2-6的宽度是所设计的第一波导通路的一半，第二波导槽2-2的宽度是所设计的第二波导通路的一半。
第一波导槽2-6和第二波导槽2-2之间设置有五个连通口2-5，连通口2-5位于第一波导槽2-6和第二波导槽2-2平行的位置，连通口2-5的长度是所设计的耦合口的一半。
上模块1和下模块2组合之后，第一波导槽1-6和第一波导槽2-6组合构成所设计的第一波导通路，第二波导槽1-2和第二波导槽2-2组合构成所设计的第二波导通路，连通口1-5和连通口2-5组合构成所设计的耦合口。
根据电路功能的不同，第一波导通路或第二波导通路均可以作为射频的信号输入通路，相应地另一条波导通路作为射频的信号耦合通路。
如图14所示，定向耦合器作为功率分配器使用，当第一波导通路作为射频的信号输入通路时，一端为输入端，另一端为输出端，第二波导通路作为射频的信号耦合通路，一端为耦合端、另一端为隔离端。
定向耦合器作为功率分配器使用时的仿真数据和实际产品测试数据如图15、图16所示，仿真数据和实际产品测试数据是基本相符的，从图16中可以看出，在14GHz-16GHz的频段内，仿真数据的S23低于-20dB，S11低于-20dB，实际产品测试数据的S23低于-15dB，S11低于-19dB，隔离效果好，插损低，定向耦合器可以应用在功率分配与合成电路中。
在本实施例中，第一波导通路和第二波导通路的截面呈矩形，第一波导通路和第二波导通路的高度和宽度相等。
优选地，第一波导通路和第二波导通路的高度为7.9mm，宽度为15.8mm。图2、图7中的尺寸d是第一波导通路和第二波导通路的宽度的一半，d＝7.9mm，当上模块1和下模块2组合之后，第一波导通路和第二波导通路的宽度就可以达到15.8mm。
图11所示的尺寸a、b是第一波导通路和第二波导通路的高度，a＝b＝7.9mm。
第一波导通路和第二波导通路的拐角处设置内倒角。
内倒角为等腰直角三角形，优选地，腰长度为5.7mm。如图11中所示的尺寸c为腰长，c＝5.7mm。
五个耦合口依次包括第一耦合口、第二耦合口、第三耦合口、第四耦合口和第五耦合口，五个耦合口的高度和长度相等，具有三个不等的宽度，第一耦合口和第五耦合口的宽度相等，第二耦合口和第四耦合口的宽度相等。
优选地，五个耦合口的高度为5.4mm，长度为15.8mm。如图11中所示的尺寸h为高度，h＝5.4mm。图2、图7中的尺寸d是五个耦合口的长度的一半，d＝7.9mm，当上模块1和下模块2组合之后，第一波导通路和第二波导通路的宽度就可以达到15.8mm。
第一耦合口和第五耦合口的宽度为2.5mm，如图11中所示的尺寸e＝5.7mm。
第二耦合口和第四耦合口的宽度为2.4mm，如图11中所示的尺寸f＝5.7mm。
第三耦合口的宽度为2.6mm，如图11中所示的尺寸g＝5.7mm。
以上尺寸为优选尺寸，根据电路频率的不同，隔离的不同，耦合度的不同，可以对具体尺寸进行修改。
上模块1和下模块2的材质采用铝，表面镀银。
在本实施例中，上模块1和下模块2均为矩形块，长宽高相等，为80mm×55.4mm×20mm。
上模块1上设置有若干上连接孔1-9，上连接孔1-9贯穿上模块1，上连接孔1-9为沉头孔。
下模块2上设置有若干下连接孔2-9，下连接孔2-9为螺纹盲孔。
上连接孔1-9和下连接孔2-9分别对齐后装入螺钉连接组合。在上连接孔1-9和下连接孔2-9分别对齐时，可以首先在其中某些上连接孔1-9和下连接孔2-9中插入定位螺钉进行定位对齐，在其余的上连接孔1-9和下连接孔2-9中装入螺钉进行固定，然后取出定位螺钉，再装入螺钉进行固定。这样能够使得上模块1和下模块2上的波导槽、连通口对齐度较高，提高了产品质量。
上模块1和下模块2的侧面上在第一波导通路和第二波导通路的端口周围设置有螺纹孔1-10、2-10，在螺纹孔1-10、2-10中装入螺钉用于在端口处安装波导同轴转换接头3，相应地波导同轴转换接头3上设置有法兰盘。
如图12、图13所示，上模块1和下模块2组合之后，在侧面安装波导同轴转换接头3。定向耦合器的侧面一共需要安装四个波导同轴转换接头3，图14只是示意性地示出了一个波导同轴转换接头3。
综上所述，本实施例提供的一种定向耦合器，通过五个耦合孔完成射频从主路到支路的耦合输出，与现有的定向耦合器相比，结构更简单稳定易实现、隔离度高，更适用于微波的毫米波应用领域。
实施例2
作为本发明的实施例2，与实施例1所不同的是，在本实施例中，上模块1和下模块2还设置有定位柱和定位孔。上模块1和下模块2组合时，首先通过定位柱和定位孔进行定位对齐。
具体地，上模块1的底面设置有若干定位柱和/或定位孔，下模块2的顶面设置有若干定位孔和/或定位柱。
上模块1和下模块2组合时，通过上模块1的定位柱和下模块2的定位孔进行定位，和/或，通过上模块1的定位孔和下模块2的定位柱进行定位，然后在上连接孔1-9和下连接孔2-9中装入螺钉进行连接组合。
首先通过定位柱和定位孔的定位，能够使得上模块1和下模块2上的波导槽、连通口对齐度较高，提高了产品质量，同时使得上连接孔1-9和下连接孔2-9对齐，易于装入螺钉，提高了组装速度。
定位柱和定位孔可以设置在上模块1和下模块2的四个角处。
本实施例中定向耦合器的其他结构与实施例1中相同，此处不再重复描述。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种定向耦合器，其特征在于，包括上模块和下模块，所述上模块的底面和下模块的顶面对称设置有波导槽，所述上模块和下模块组合之后所述波导槽组合构成第一波导通路和第二波导通路，所述第一波导通路呈L形，所述第二波导通路呈U形，所述第一波导通路和第二波导通路之间设置有若干个耦合口，所述耦合口的宽度不等。
2.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述第一波导通路为射频的信号输入通路，所述第二波导通路为射频的信号耦合通路；
或者，所述第一波导通路为射频的信号耦合通路，所述第二波导通路为射频的信号输入通路。
3.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述第一波导通路和第二波导通路的截面呈矩形，所述第一波导通路和第二波导通路的高度和宽度相等。
4.根据权利要求3所述的定向耦合器，其特征在于，所述第一波导通路和第二波导通路的高度为7.9mm，宽度为15.8mm；
所述第一波导通路和第二波导通路的拐角处设置内倒角；
所述内倒角为等腰直角三角形，腰长度为5.7mm。
5.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述耦合口依次包括第一耦合口、第二耦合口、第三耦合口、第四耦合口和第五耦合口，五个所述耦合口的高度和长度相等，具有三个不等的宽度，所述第一耦合口和第五耦合口的宽度相等，所述第二耦合口和第四耦合口的宽度相等。
6.根据权利要求5所述的定向耦合器，其特征在于，五个所述耦合口的高度为5.4mm，长度为15.8mm；
所述第一耦合口和第五耦合口的宽度为2.5mm，所述第二耦合口和第四耦合口的宽度为2.4mm，所述第三耦合口的宽度为2.6mm。
7.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述上模块和下模块的材质采用铝，表面镀银；
所述上模块和下模块均为矩形块，长宽高相等，为80mm×55.4mm×20mm。
8.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述上模块上设置有若干上连接孔，所述上连接贯穿所述上模块，所述上连接孔为沉头孔；
所述下模块上设置有若干下连接孔，所述下连接孔为螺纹盲孔；
所述上连接孔和下连接孔分别对齐后装入螺钉连接组合。
9.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述上模块和下模块的侧面上在所述第一波导通路和第二波导通路的端口周围设置有螺纹孔，在所述螺纹孔中装入螺钉用于在所述端口处安装波导同轴转换接头。
10.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述上模块的底面设置有若干定位柱和/或定位孔，所述下模块的顶面设置有若干定位孔和/或定位柱；
所述上模块和下模块组合时，通过所述上模块的定位柱和下模块的定位孔进行定位，和/或，通过所述上模块的定位孔和下模块的定位柱进行定位。
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