CN109638403B - 一种双模紧凑型过模定向耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双模紧凑型过模定向耦合器，属于大功率微波技术领域。该定向耦合器包括耦合部分和对称放置于其两端的输入/输出过渡段；所述输入/输出过渡段为圆波导‑类圆波导的转换结构，实现圆波导TE11模‑类圆波导准TE11模之间的模式转换；所述耦合部分包括耦合孔、作为微波主通道的类圆波导和副波导，类圆波导通过耦合孔与副波导连接。本发明通过采用中心对称放置的双排耦合缝，在满足耦合度的前提下，实现高方向性输出。具有双模工作特性，即对圆极化和线极化入射波均能实现监测，且不改变入射波束的极化状态，应用范围广泛。本发明结构定向耦合器整体设计简单，紧凑，有效降低了加工难度。
Description
技术领域
本发明属于大功率微波技术领域，具体涉及到一种用于大功率微波传输系统中的能量监测与分析的波导定向耦合器。
背景技术
为了对大功率微波系统的输出功率进行在线监测，需要研制高性能过模波导定向耦合器。通常说来，高性能定向耦合器的高性能具体体现在具有合适的耦合度、高隔离度以及高方向性等方面。同时，考虑到在大功率传输线上电磁波存在不同的极化状态(线极化或者圆极化)，定向耦合器还需具有双模工作特性，即对线极化波和圆极化波入射的情况均能工作。此外，为了减少传输损耗和降低加工成本，定向耦合器的结构要求紧凑。
目前，常见的大功率定向耦合器主要有矩形波导型和圆波导型。高博、童玲等人采用两级耦合方式，在保证整体耦合度不变的条件下，实现了扩大矩形波导定向耦合器功率容量，提高定向耦合器峰值功率(《一种大功率微波矩形波导定向耦合器》，专利申请号：201510267998.6，作者：高博，田雨，童玲等)。但是这种基于矩形波导结构的定向耦合器具有强烈的极化选择特性，只能工作于线极化波入射的情况。对于圆波导结构的定向耦合器而言，主波导对于入射波束的极化没有要求，可以工作于各种极化波入射的情况下工作。研究表明：即使是对于无固定极化方向的TE01模依然可以实现很好的耦合。如(《一种用于回旋行波管微波功率测量的定向耦合器及用于该定向耦合器的制造方法》，专利申请号：201610586421.6，作者：曾旭，王峨峰，冯进军等)；《一种过模圆波导宽带定向耦合器及其设计方法》，专利申请号：201410775446.1，作者：徐勇，罗勇，夏建波，等)。一般来说，对于圆波导定向耦合器而言，耦合的实现方法是在圆波导内腔和副波导内腔之间设置一排耦合孔，通过磁耦合的方式耦合出部分能量。为了提高定向耦合器的方向性，需要采用增加耦合孔的数目，从而导致整个器件的结构长度变长，不满足器件的紧凑化设计要求。
发明内容
针对现有大功率定向耦合器工作模式单一、器件体积大、插入损耗大等问题，本发明提出一种紧凑型大功率定向耦合器，在宽频带内对线极化波和圆极化波实现功率监测。
本发明的技术方案是：一种双模紧凑型过模定向耦合器，包括耦合部分和对称放置于其两端的输入/输出过渡段。
所述输入/输出过渡段为圆波导-类圆波导的转换结构，其变换方式可以为线性过渡、正弦过渡、抛物线过渡等，实现圆波导TE11模-类圆波导准TE11模之间的模式转换。输入/输出过渡段和其前后连接件通过波导法兰进行连接。为保障共轴，连接端口设置了凹凸法兰。
所述耦合部分包括耦合孔、作为微波主通道的类圆波导和副波导。
所述类圆波导，是在圆波导角向施加均等扰动后，所得到带有四个对称凸起的圆波导，通过耦合孔与副波导连接。
所述副波导包括主体部分、过渡部分、隔离端口、输出端口以及隔离端口。
所述副波导主体部分为非标准矩形波导，其波导窄边b与标准矩形波导一致，其宽边的结构尺寸a满足
其中，
为主波导中TE11模式的传播常数。
所述隔离端口、输出端口为标准矩形波导，标准矩形波导与非标准波导之间的过渡部分可以为连续变化的线性结构，也可以为多级台阶的匹配结构。副波导的输入、输出端口方向与主波导输入/输出端口方向正交。
所述耦合孔由两对尺寸不同的矩形耦合缝组成，呈中心对称的分布。
所述定向耦合器的工作原理如下：对于线极化波入射而言，入射波TE11模式经过输入过渡段后，转换成类圆波导中相应的准TE11模式。类圆波导具有强烈的极化选择特性，可以对与输出波导极化方向垂直的极化波束通过耦合结构进行有效耦合，因此可以经由副波导输出端口输出耦合出的能量，进而实现功率监测。对于圆极化波入射而言，经过输入过渡段进入类圆波导后，会被分解为一组极化正交的传输波束。与输出波导极化方向垂直的极化分量通过耦合结构实现有效监测，而对与输出波导极化方向垂直的平行分量没有影响。根据圆极化波与线极化波之间的等效关系，在副波导相同输出的情况下，圆极化波的传输能量是线极化波能量的2倍。
本发明所具有的显著优点是：
本发明具有双模工作特性，即对圆极化和线极化入射波均能实现监测，且不改变入射波束的极化状态，应用范围广泛。
本发明通过采用中心对称放置的双排耦合缝，可以在满足耦合度的前提下，实现高方向性输出。
本发明结构定向耦合器整体设计简单，紧凑，有效降低了加工难度。同时，副波导输出为标准矩形波导，连接测试方便。
附图说明
图1是本发明大功率波导定向耦合器一种具体实施方式结构图。
图2是本发明大功率波导定向耦合器的侧视图；
图3是本发明大功率波导定向耦合器副波导剖视图；
图4是本发明大功率波导定向耦合器腔体3D视图；
图5是本发明大功率波导定向耦合器主波导腔体3D视图；
图6是本发明大功率波导定向耦合器传输曲线和反射曲线图；
图7是本发明大功率波导定向耦合器方向性示意图。
附图标号说明：1为耦合部分，2为输入/输出过渡段，3为类圆波导，4为凹凸法兰，5为副波导，6为副波导主体部分，7为副波导过渡部分，8为副波导的输出端口，9为隔离端口，10和11为耦合孔。
具体实施方式
下面结合附图，以Ku波段紧凑双模定向耦合器为例进行对本发明的具体实施方式进行描述。
在该实施例中，输入/输出过渡段中圆波导半径为16mm。
如图1、图4、图5所示，发明的定向耦合器包括耦合部分1和对称放置于两端的输入/输出过渡段2。
所述输入/输出过渡段2为圆波导-类圆波导的转换结构，其变换方式为线性过渡，实现圆波导-类圆波导之间的TE11-准TE11模式转换，每一段的长度为50mm。过渡段和前后连接件之间通过波导法兰进行连接，为保障连接共轴，连接端口设置了凹凸法兰4。
所述耦合部分包括耦合孔10、11，作为微波主通道的类圆波导3和副波导5。
所述类圆波导3为圆波导角向施加均等扰动后，所得到带有四个对称凸起的类圆波导，通过耦合孔10、11与副波导5连接，其长度为25mm，横截面形状如图2所示。
如图3所示，所述副波导包括主体部分6、过渡部分7和输出端口8、以及隔离端口9。
所述副波导主体部分6为非标准矩形波导，长度为28mm。其端口窄边与Ku波段标准矩形波导一致，为7.9mm；其宽边的长度为18.4mm。
所述输出端口8、隔离端口9为Ku波段标准矩形波导，尺寸为15.8mm×7.9mm。标准矩形波导与非标准波导之间的过渡部分7为连续的线性结构，长度为21.5mm。副波导5的输出端口8方向与主波导输入/输出端口方向正交。
如图3所示，所述耦合孔10、11为两组采用中心对称分布方式的矩形耦合缝，其中较大的一组尺寸为2.4mm×0.8mm，较小的一组尺寸为1.8mm×0.5mm。为了减少结构突变带来的反射，同时降低加工难度，对四个矩形耦合缝的顶角进行了倒角处理。
图6、图7给出了本实施例的S参数曲线。其中，S11为反射曲线，S21为传输曲线，S31为耦合度曲线，S41为隔离度曲线。显然，在12-16GHz的频段内，大功率定向耦合器的插入损耗低于1dB，反射系数低于-38dB，具有较低的插入损耗和极低的反射。在绝大部分频段内，耦合器的耦合度为46.7±1dB，隔离度大于77dB，在耦合度波动较小的同时使方向性达到了30dB，具有优良的性能。
实施例中的Ku波段紧凑双模定向耦合器可以对链路中传输的线极化或圆极化波束进行监测。
以上实例仅为方便说明本发明，本发明同样可以适用于其他频段的过模类圆波导TE11定向耦合器上，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种双模紧凑型过模定向耦合器，包括耦合部分和对称放置于其两端的输入/输出过渡段；
所述输入/输出过渡段为圆波导-类圆波导的转换结构，实现圆波导TE11模-类圆波导准TE11模之间的模式转换；输入/输出过渡段和其前后连接件通过波导法兰进行连；
所述耦合部分包括耦合孔、作为微波主通道的类圆波导和副波导；
所述类圆波导，是在圆波导角向施加均等扰动后，所得到带有四个对称凸起的圆波导，并通过耦合孔与副波导连接；
所述副波导包括主体部分、过渡部分、输出端口以及隔离端口；副波导的输出端口方向与主波导输入/输出端口方向正交；
所述副波导主体部分为非标准矩形波导，其波导窄边b与标准矩形波导一致，其宽边的结构尺寸a满足
其中，
为主波导中TE11模式的传播常数。
2.如权利要求1所述的一种双模紧凑型过模定向耦合器，其特征在于：所述隔离端口、输出端口为标准矩形波导，标准矩形波导与非标准波导之间的过渡为连续变化的线性结构，或者多级台阶的匹配结构。
3.如权利要求1所述的一种双模紧凑型过模定向耦合器，其特征在于：所述耦合孔由两对尺寸不同、呈中心对称分布的矩形耦合缝组成。
4.如权利要求1所述的一种双模紧凑型过模定向耦合器，其特征在于：所述输入/输出过渡段为圆波导-类圆波导的转换结构，其变换方式为线性过渡、正弦过渡、或者抛物线过渡。
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