CN111370833B - 矩形波导定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及定向耦合器领域，公开了一种矩形波导定向耦合器，包括主矩形波导、副矩形波导以及用于连通所述主矩形波导和所述副矩形波导的耦合孔；其中，所述主矩形波导的电壁和所述副矩形波导的电壁相互平行，且在所述主矩形波导的远离所述副矩形波导的电壁上和/或所述副矩形波导的远离所述主矩形波导的电壁上形成有能够减小所述主矩形波导和所述副矩形波导之间的耦合距离的阶梯结构。本发明提供的技术方案有利于实现矩形波导定向耦合器的小型化设计。

Description

矩形波导定向耦合器

技术领域

本发明涉及定向耦合器领域，具体地涉及一种矩形波导定向耦合器。

背景技术

定向耦合器是一种通用的微米/毫米波部件，主要用于信号的隔离、分离和混合；定向耦合器由主线和副线两根传输线构成，同轴线、矩形波导、圆波导、带状线和微带线等都可构成定向耦合器；所以从结构上来看定向耦合器种类繁多，差异很大，但从它们的耦合机理来看主要分为四种，即小孔耦合、平行耦合、分支耦合以及匹配双T。

在20世纪50年代以前，几乎所有的微波设备都采用金属波导和波导电路，那个时候的定向耦合器也多为波导小孔耦合定向耦合器；其理论依据是Bethe小孔耦合理论。Bethe小孔耦合定向耦合器是在一对矩形波导(主矩形波导和副矩形波导)之间的公共电壁上开一个圆形耦合孔。主矩形波导中的交变电磁场通过小孔在副矩形波导中激发模式。

Bethe小孔耦合定向耦合器很难实现宽工作带宽、紧耦合强度和良好的耦合平坦度。为了解决此问题，一些新的结构被提出。例如多孔耦合器、多层耦合器、分支线耦合器等。这些结构扩大了工作带宽，增强了耦合强度，但是他们通常需要多个工作波长来实现宽带宽、强耦合。这增大了耦合器的尺寸。

发明内容

本发明的目的是为了至少在一定程度上克服现有技术存在的上述问题，提供一种小型化的矩形波导定向耦合器。

为了实现上述目的，本发明提供一种矩形波导定向耦合器，包括主矩形波导、副矩形波导以及用于连通所述主矩形波导和所述副矩形波导的耦合孔；其中，所述主矩形波导的电壁和所述副矩形波导的电壁相互平行，且在所述主矩形波导的远离所述副矩形波导的电壁上和/或所述副矩形波导的远离所述主矩形波导的电壁上形成有能够减小所述主矩形波导和所述副矩形波导之间的耦合距离的阶梯结构。

优选地，所述主矩形波导的纵向和所述副矩形波导的纵向在同一平面上相互平行；所述主矩形波导的腔体和所述副矩形波导的腔体在垂直于所述纵向的第一方向上彼此间隔开，且二者之间通过所述耦合孔连通，所述耦合孔的轴向平行于所述第一方向。

优选地，所述耦合孔贯穿所述主矩形波导的靠近所述副矩形波导的电壁以及所述副矩形波导的靠近所述主矩形波导的电壁，且所述耦合孔在所述主矩形波导或所述副矩形波导的电壁上的投影呈阵列式分布。

优选地，呈阵列式分布的所述耦合孔包括中间的第一矩形孔以及分布在所述第一矩形孔的两侧的第二矩形孔；其中，所述第一矩形孔在所述电壁上的投影的长度方向与所述主矩形波导或所述副矩形波导的纵向平行。

优选地，所述第一矩形孔和所述第二矩形孔均与所述主矩形波导和所述副矩形波导的垂直于所述电壁的侧壁相切。

优选地，在所述电壁的横向上，所述第一矩形孔的所述投影的尺寸以及所述第二矩形孔的所述投影的尺寸均小于所述电壁的横向尺寸的二分之一。

优选地，至少两个所述第一矩形孔在所述电壁上的投影以所述电壁的纵向中线为对称线分布在该纵向中线的两侧，且两侧的所述第一矩形孔关于所述电壁的横向中线对称；每侧所述第一矩形孔的长度方向两侧对称分布有所述第二矩形孔。

优选地，所述阶梯结构在所述主矩形波导或所述副矩形波导的电壁上的投影的纵向两端分别与所述呈阵列式分布的耦合孔在所述主矩形波导或所述副矩形波导的电壁上的投影的纵向两端对应重合。

优选地，所述阶梯结构关于所述主矩形波导或所述副矩形波导的电壁的纵向中线和横向中线对称，且所述阶梯结构的纵向中间部分相对于所述阶梯结构的纵向两侧部分朝向所述耦合孔凸起。

优选地，所述主矩形波导和所述副矩形波导的外形尺寸相同。

本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

本发明提供的矩形波导定向耦合器在主矩形波导的远离所述副矩形波导的电壁上和/或副矩形波导的远离主矩形波导的电壁上形成有阶梯结构，通过该阶梯结构可以减小主矩形波导和副矩形波导之间的耦合距离，从而增强耦合强度，使得耦合器小型化；并且使得矩形波导定向耦合器的耦合孔匹配到主矩形波导和副矩形波导时，节省了匹配所需要的尺寸空间，从而有利于减小矩形波导定向耦合器的体积。

附图说明

图1是本发明实施例提供的矩形波导定向耦合器的内部腔体的整体结构示意图；

图2是图1的主视图；

图3是图1的纵向剖面俯视图；

图4是图1的俯视透视图；

图5是图1的俯视尺寸标注示意图；

图6是图1的侧视尺寸标准示意图；

图7是矩形波导定向耦合器的S参数图。

附图标记说明

1-主矩形波导；2-副矩形波导；3-耦合孔；4-阶梯结构；5-阶梯结构；6-输入端口；7-输出端口；8-耦合端口；9-隔离端口。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图所指的上、下、左、右。“内、外”是指相对于部件本身轮廓的内、外。

参阅图1-图6，本发明实施例提供一种矩形波导定向耦合器，该矩形波导定向耦合器包括主矩形波导1、副矩形波导2以及用于连通所述主矩形波导1和所述副矩形波导2的耦合孔3，其中，所述主矩形波导1的电壁和所述副矩形波导2的电壁相互平行，且在所述主矩形波导1的远离所述副矩形波导2的电壁上和/或所述副矩形波导2的远离所述主矩形波导1的电壁上形成有能够减小所述主矩形波导1和所述副矩形波导2之间的耦合距离的阶梯结构4、5。

具体地，所述主矩形波导1和所述副矩形波导2均为横截面为矩形的中空金属导管；两个中空金属管平行布置；主矩形波导1和副矩形波导2可以形成为一体，具有一公共壁；也可以是两个独立的中空金属管，两个中空金属管之间通过耦合结构连通；耦合孔3可以是形成在主矩形波导1和副矩形波导2的公共壁上的通孔，也可以是形成在单独加工的耦合结构上通孔，耦合结构设置在主矩形波导1和副矩形波导2之间，通过耦合孔3连通主矩形波导1和副矩形波导2。

在应用时，主矩形波导1作为主线，其一端为输入端口6，用于输入信号，另一端为输出端口7，用于输出信号；副矩形波导2作为副线，其一端为隔离端口9，不输出信号，另一端为耦合端口8，用于输出耦合信号，例如用于检测主矩形波导1内的传输功率的取样信号。

主矩形波导1的电壁和副矩形波导2的电壁相互平行。其中，电壁指的是波导主模电场所垂直的矩形波导壁。在如图1所示的实施例中，主矩形波导1的电壁指的是主矩形波导1的上、下两个侧壁。副矩形波导2的电壁指的是副矩形波导2的上、下两个侧壁。

在主矩形波导1的远离副矩形波导2的电壁上，也就是图1中主矩形波导1的下侧壁上形成有阶梯结构5，和/或，副矩形波导2的远离主矩形波导1的电壁上，也就是副矩形波导2的上侧壁上形成有阶梯结构4。可以理解的是，上述电壁指的是主矩形波导1和副矩形波导2的内侧壁面，阶梯结构形成在主矩形波导1和副矩形波导2的内侧壁面上，由于矩形波导的信号传输特性由其内部腔体的形状构造决定，因此，只要矩形波导定向耦合器的内腔体壁面形成为如上结构即可，其外部构造可以是任意的。

通过该阶梯结构可以减小主矩形波导1和副矩形波导2之间的耦合距离，从而增强耦合强度，使得耦合器小型化；并且使得矩形波导定向耦合器的耦合孔3匹配到主矩形波导1和副矩形波导2时，不需要额外的空间尺寸进行匹配，从而节省了匹配所需要的尺寸空间，有利于减小矩形波导定向耦合器的体积。需要说明的是，所述耦合距离指的是主矩形波导1的阶梯结构5与副矩形波导2的阶梯结构4之间的距离，如图6所示，当主矩形波导和副矩形波导上均形成有阶梯结构时，主矩形波导和副矩形波导之间的耦合距离为[2*(b-b1)+t]和[2*(b-b2)+t]；当主矩形波导和副矩形波导中的仅一者上形成有阶梯结构时，主矩形波导和副矩形波导之间的耦合距离为(2*b-b1+t)和(2*b-b2+t)。本申请的发明人在实现本申请的过程中发现，耦合距离越小时，耦合强度越大。

所述主矩形波导1和所述副矩形波导2的布置方式可以有多种，例如交叉布置，上下重合布置。在本发明优选实施例中，所述主矩形波导1的纵向和所述副矩形波导2的纵向在同一平面上相互平行。换言之，本申请中的主矩形波导1和副矩形波导2在平行于电壁的平面上的投影中，主矩形波导1的投影的纵向和副矩形波导2的投影的纵向相互平行。与交叉布置的方式相比较，本申请中主矩形波导1和副矩形波导2的布置方式可以进一步减小耦合区域的长度，其中耦合区域指的是阶梯结构所对应的区域。

需要说明的是，所述主矩形波导1的纵向和所述副矩形波导2的纵向分别指示信号在主矩形波导1中的传输方向，以及信号在副矩形波导2中的传输方向。

如图1所示，主矩形波导1的腔体和副矩形波导2的腔体在垂直于纵向的第一方向上彼此间隔开，且两个腔体之间通过耦合孔3连通，所述耦合孔3的轴向平行于所述第一方向。可以理解的是，所述第一方向即为图1中的竖直方向。耦合孔3形成在独立制成的耦合结构上。具体实施时，主矩形波导1的靠近耦合结构的电壁上形成有第一通孔，副矩形波导2的靠近耦合结构的电壁上形成有第二通孔，第一通孔和第二通孔与耦合孔3的横截面尺寸和形状均相同；组装时，将第一通孔、第二通孔和耦合孔3彼此对齐连通即可。

耦合孔可以为单个耦合孔，也可以为多个耦合孔。在本发明优选实施例中，所述耦合孔包括多个耦合孔3，多个耦合孔3在所述主矩形波导1或所述副矩形波导2的电壁上的投影呈阵列式分布。对比于单孔耦合的方案，本申请提供的耦合阵列孔能够使得耦合平坦度更高，且使得相同频率下S21和S31的差值更小；其中，S21为传输参数，S31为耦合参数。

如图3-图5所示，在本发明优选实施例中，呈阵列式分布的所述耦合孔3包括中间的第一矩形孔以及分布在所述第一矩形孔两侧的第二矩形孔。更具体地，所述第一矩形孔在所述电壁上的投影的长度方向与所述主矩形波导1或所述副矩形波导2的纵向平行。

需要说明的是，所述第一矩形孔和所述第二矩形孔指的是耦合孔3在主矩形波导1或副矩形波导2的电壁上的投影为矩形，与圆形耦合孔相比较，矩形耦合孔能够更加高效地利用耦合区域尺寸，从而更大程度地实现矩形波导定向耦合器的小型化设计。根据投影的尺寸大小，将耦合孔3分为第一矩形孔和第二矩形孔。在一优选实施例中，所述第一矩形孔的投影长度大于所述第二矩形孔的投影长度。其中，长度所在的方向指的是矩形孔投影的平行于所述电壁的纵向的方向。

通过设置第一矩形孔和第二矩形孔按照如上方式阵列式分布可以优化定向耦合器的回波损耗，从而使得耦合强度(通过耦合参数S31表示)与直通强度(通过传输参数S21表示)得到有效控制。

在本发明优选实施例中，在所述电壁的横向上，所述第一矩形孔的所述投影的尺寸和所述第二矩形孔的所述投影的尺寸均小于所述电壁的横向尺寸的二分之一，由此保证横向上的第一矩形孔和第二矩形孔不交叉，以更好地控制耦合强度和直通强度，并使得定向耦合器的尺寸大大减小。

第一矩形孔和第二矩形孔的具体开设位置可以有多种。在本发明优选实施例中，所述第一矩形孔和所述第二矩形孔均与所述主矩形波导1和所述副矩形波导2的垂直于所述电壁的侧壁相切。通常情况下，所述电壁所在的侧壁为宽壁，垂直于电壁的侧壁为窄壁。

参见图3-图5，所述第一矩形孔和所述第二矩形孔均与窄壁相切。也就是，第一矩形孔的外侧边缘与所述主矩形波导1和所述副矩形波导2的窄壁重合，所述第二矩形孔的外侧边缘与所述主矩形波导1和所述副矩形波导2的窄壁重合。如此布置，能够使得主矩形波导1的电流场顺利的流入到副矩形波导2中，从而极大减小耦合尺寸。

参见图3，更优选地，至少两个所述第一矩形孔在所述电壁上的投影以所述电壁的纵向中线为对称线分布在该纵向中线的两侧，且两侧的所述第一矩形孔关于所述电壁的横向中线对称，每侧所述第一矩形孔的长度方向两侧对称分布有所述第二矩形孔。

通过如上耦合阵列孔的对称式分布，使得设计过程更加简单高效。

在本发明优选实施例中，所述阶梯结构4、5形成在阵列式耦合孔3的正上方和正下方，由此可以增强所述矩形波导定向耦合器的耦合度。更优选地，所述阶梯结构在所述主矩形波导1或所述副矩形波导2的电壁上的投影的纵向两端分别与所述呈阵列式分布的耦合孔3在所述主矩形波导1或所述副矩形波导2的电壁上的投影的纵向两端对应重合。

具体地，参阅图4-图5，从矩形波导定向耦合器的俯视透视图中可以看出，阶梯结构4、5的左侧边缘部位与耦合阵列孔(耦合阵列孔即呈阵列式分布的耦合孔3所组成的整体)左侧的第二矩形孔的左侧边缘部位重合，阶梯结构4、5的右侧边缘部位与耦合阵列孔右侧的第二矩形孔的右侧边缘部位重合。

通过如上设置方式，便于加工实物后用人眼判断耦合结构是否与主矩形波导1和副矩形波导2对齐，有利于简化矩形波导定向耦合器的加工工艺。

此外，阶梯结构4、5与耦合阵列孔彼此配合，可以在保证强耦合、宽工作带宽、良好耦合平坦度的前提下，减小矩形波导定向耦合器的尺寸。实现矩形波导定向耦合器的良好的小型化效果。

所述阶梯结构4或5的形式可以多种，在本发明优选实施例中，所述阶梯结构关于主矩形波导1或所述副矩形波导2的电壁的纵向中线和横向中线对称，且所述阶梯结构的纵向中间部分相对于所述阶梯结构的纵向两侧部分朝向所述耦合孔3凸起。由此可以更好地增大耦合强度，同时节省额外匹配所需要的空间尺寸。

在本发明另一优选实施例中，所述主矩形波导1和所述副矩形波导2的外形尺寸相同，由此使得四个端口的输入阻抗相同。

需要说明的是，本发明提供的上述技术方案除了可以适应于空气介质所形成的矩形波导，还可以适用于其他介质所形成的矩形波导中，例如介电常数大于1的均匀线性各向同性介质，以使得定向耦合器尺寸进一步减小。

为了验证本发明实施例提供的矩形波导定向耦合器的作用效果。对本发明实施例提供的矩形波导定向耦合器进行仿真。

如图5-图6所示，其中，a＝7.12mm，b＝3.556mm，r＝0.5mm，t＝0.5mm，b1＝0.71mm，b2＝1.47mm，w1＝9.22mm，h1＝3.03mm，w3＝1.82mm，h2＝2.4mm，w2＝3.3mm，w4＝1.48mm。

其中，矩形波导中的介质为空气时，仿真结果为S参数，如图7所示。其中S11为反射参数，S21为传输参数，S31为耦合参数，S41为隔离参数。横坐标为频率单位是GHz，纵坐标为相对幅度单位是dB。本发明所设计的具体实例在26.5GHz-40GHz(全Ka频段)频段内S11小于-18.68dB；S41小于-19.15dB；传输参数S21与耦合参数S31在全Ka频段内介于-3.62dB和-2.65dB中间波动实现带内平坦度波动小于±0.5dB。工作相对带宽达到41％。并且大大缩减了定向耦合器的尺寸。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型。包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种矩形波导定向耦合器，其特征在于，包括主矩形波导（1）、副矩形波导（2）以及用于连通所述主矩形波导（1）和所述副矩形波导（2）的耦合孔（3）；其中，所述主矩形波导（1）的电壁和所述副矩形波导（2）的电壁相互平行，且在所述主矩形波导（1）的远离所述副矩形波导（2）的电壁上和/或所述副矩形波导（2）的远离所述主矩形波导（1）的电壁上形成有能够减小所述主矩形波导（1）和所述副矩形波导（2）之间的耦合距离的阶梯结构（4、5）；所述耦合孔（3）在所述主矩形波导（1）或所述副矩形波导（2）的电壁上的投影呈阵列式分布；所述阶梯结构（4、5）在所述主矩形波导（1）或所述副矩形波导（2）的电壁上的投影的纵向两端分别与呈阵列式分布的所述耦合孔在所述主矩形波导（1）或所述副矩形波导（2）的电壁上的投影的纵向两端对应重合；其中，呈阵列式分布的所述耦合孔（3）包括中间的第一矩形孔以及分布在所述第一矩形孔的两侧的第二矩形孔。

2.根据权利要求1所述的矩形波导定向耦合器，其特征在于，所述主矩形波导（1）的纵向和所述副矩形波导（2）的纵向在同一平面上相互平行；所述主矩形波导（1）的腔体和所述副矩形波导（2）的腔体在垂直于所述主矩形波导（1）或所述副矩形波导（2）的纵向的第一方向上彼此间隔开，且二者之间通过所述耦合孔（3）连通，所述耦合孔（3）的轴向平行于所述第一方向。

3.根据权利要求2所述的矩形波导定向耦合器，其特征在于，所述耦合孔（3）贯穿所述主矩形波导（1）的靠近所述副矩形波导（2）的电壁以及所述副矩形波导（2）的靠近所述主矩形波导（1）的电壁。

4.根据权利要求3所述的矩形波导定向耦合器，其特征在于，所述第一矩形孔在所述主矩形波导（1）或所述副矩形波导（2）的电壁上的投影的长度方向与所述主矩形波导（1）或所述副矩形波导（2）的纵向平行。

5.根据权利要求4所述的矩形波导定向耦合器，其特征在于，所述第一矩形孔和所述第二矩形孔均与所述主矩形波导（1）和所述副矩形波导（2）的垂直于所述主矩形波导（1）或所述副矩形波导（2）的电壁的侧壁相切。

6.根据权利要求5所述的矩形波导定向耦合器，其特征在于，在所述主矩形波导（1）或所述副矩形波导（2）的电壁的横向上，所述第一矩形孔的所述投影的尺寸以及所述第二矩形孔的所述投影的尺寸均小于所述主矩形波导（1）或所述副矩形波导（2）的电壁的横向尺寸的二分之一。

7.根据权利要求4所述的矩形波导定向耦合器，其特征在于，至少两个所述第一矩形孔在所述主矩形波导（1）或所述副矩形波导（2）的电壁上的投影以所述主矩形波导（1）或所述副矩形波导（2）的电壁的纵向中线为对称线分布在该纵向中线的两侧，且两侧的所述第一矩形孔关于所述主矩形波导（1）或所述副矩形波导（2）的电壁的横向中线对称；每侧所述第一矩形孔的长度方向两侧对称分布有所述第二矩形孔。

8.根据权利要求7所述的矩形波导定向耦合器，其特征在于，所述阶梯结构（4、5）关于所述主矩形波导（1）或所述副矩形波导（2）的电壁的纵向中线和横向中线对称，且所述阶梯结构（4、5）的纵向中间部分相对于所述阶梯结构的纵向两侧部分朝向所述耦合孔凸起。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的矩形波导定向耦合器，其特征在于，所述主矩形波导（1）和所述副矩形波导（2）的外形尺寸相同。

Images