CN117393981B - 低频高功率高可靠双定向耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低频高功率高可靠双定向耦合器，属于耦合器技术领域，包括耦合器主腔体、中心导体和连接器外壳体，所述中心导体外周从内到外依次同心设置有内绝缘管、耦合铜片和外绝缘管，还设置有耦合PCB，所述耦合PCB的一端还固定连接有耦合腔体，所述耦合腔体的上端固定连接有连接器；所述中心导体与连接器外壳体之间还设置有中心导体防转机构；本发明能够实现50 kW级大功率在低频段100 kHz～5 MHz频率范围内‑70 dB～‑60 dB的耦合度，同时平坦度±0.5 dB，方向性≥28 dB，主路插损≤0.05 dB。
Description
技术领域
本发明涉及耦合器技术领域，尤其涉及一种低频高功率高可靠双定向耦合器。
背景技术
高功率双定向耦合器大多采用耦合杆（或耦合PCB）的耦合结构形式，现有的高功率双定向耦合器的典型结构如图1所示，其左右镜像对称，上下中心对称，由传统中心导体1、耦合器主腔体2、传统介质环4和IF110连接器外壳6组成主耦合腔，安装关系为：传统中心导体1左右两端同心装配两个传统介质环4（过渡配合），传统介质环4与耦合器主腔体2内通孔同心且过渡配合，左右两个IF110连接器外壳体6通过螺纹与耦合器主腔体2固定，同时IF110连接器外壳6一端伸进耦合器主腔体2内通孔与传统介质环4过渡配合；传统耦合PCB3通过螺钉固定在耦合腔体5上，耦合腔体5通过螺钉固定在耦合器主腔体2上下两侧，传统耦合PCB3穿过耦合器主腔体2侧边的条形，传统耦合PCB3边缘与传统中心导体1表面保持一定距离（≥2mm），避免高压击穿传统中心导体1和传统耦合PCB3之间的空气。
其中，传统中心导体1的结构如图2所示，耦合器主腔体2的结构如图3所示，传统耦合PCB3的结构如图4所示，其单面FR4覆铜板，厚约1.5mm，传统介质环4结构如图5所示，耦合腔体5的结构如图6所示。
传统的大功率耦合器设计原理如图7所示，通过传统耦合PCB3与传统中心导体1之间的电场耦合作用，实现信号的提取。调整传统耦合PCB3和传统中心导体1之间的距离，可以调整耦合度的大小（工程应用中大功率耦合器的耦合PCB边缘与中心导体表面距离≥2mm）。实践表明，当工作频率降低至≤1MHz时，传统耦合PCB3和传统中心导体1之间的电场耦合作用很微弱，无法实现耦合度≥-70dB。
即上述的传统高功率双定向耦合器（平均功率≥10 kW）结构一般应用在高频频段及更高频段（≥1 MHz），当耦合器要求为-70dB～-60dB时，该结构无法应用于频率低至100kHz的应用场景。
同时，将传统耦合PCB靠近传统中心导体以增强耦合度时，由于传统中心导体通过功率大，高压容易造成空气击穿，使耦合器失效，影响耦合器的可靠性。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种低频高功率高可靠双定向耦合器，以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种低频高功率高可靠双定向耦合器，包括耦合器主腔体，所述耦合器主腔体内设置有中心导体，所述中心导体两端设置有连接器外壳体，所述中心导体外周从内到外依次同心设置有内绝缘管、耦合铜片和外绝缘管，还设置有与所述耦合铜片固定连接的耦合PCB，所述耦合PCB的一端还固定连接有耦合腔体，所述耦合腔体的上端固定连接有连接器；所述中心导体与连接器外壳体之间还设置有中心导体防转机构。
关于防转机构，传统技术中，由于传统中心导体和传统耦合PCB之间没有接触，因此传统中心导体是否旋转对产品没有影响。而本申请中，耦合PCB与耦合铜片通过焊接等方式固定连接，耦合铜片与内绝缘管过渡配合，内绝缘管与中心导体过渡配合，中心导体旋转会造成耦合PCB弯曲变形，因此增加了防转机构。
另外，本申请中心导体和耦合铜片之间增加了采用比如聚四氟乙烯等材料的内绝缘管，有效防止了通过大功率的情况下中心导体与耦合铜片之间的空气击穿造成的高压打火，从而耦合器的工作可靠性提高。
作为优选的技术方案：所述中心导体防转机构包括介质环、防转杆A、防转杆B和连接法兰盘，其中，所述连接法兰盘与连接器外壳体固定连接，所述介质环与连接器外壳体同心装配并过渡配合，所述介质环上设置由于用于与所述防转杆A、防转杆B过渡配合的安装孔；其中防转杆A的长度长于防转杆B。
作为优选的技术方案：所述内绝缘管采用聚四氟乙烯材料，与所述中心导体同心且过渡配合，所述内绝缘管的壁厚为1～3mm。
内绝缘管的壁厚需要考虑耦合器的功率要求。聚四氟乙烯材料耐压≥5kV/mm，平均功率50kW，则有效电压为1581V,峰值电压为2236V，按照2倍设计余量考虑，内绝缘管的壁厚≥1mm。壁厚增大，耦合铜片和中心导体之间的电容减小，电场耦合作用减弱，耦合度降低。壁厚范围一般1～3mm。
作为优选的技术方案：所述耦合铜片为两块，两块所述耦合铜片分别与所述内绝缘管同心且过渡配合，两块所述耦合铜片彼此分离，每块耦合铜片均为圆弧状，且径向截面小于半圆，每块所述耦合铜片的其中一个轴边均设置有一个铜片引脚；铜片引脚用于与耦合PCB焊接；
作为优选的技术方案：所述外绝缘管采用聚四氟乙烯材料，与所述耦合铜片同心且过渡配合，所述外绝缘管的两侧各开设有一个用于所述铜片引脚穿出的条形孔。
作为优选的技术方案：所述耦合PCB为多层FR4覆铜板加工而成，与所述耦合铜片焊接。
作为优选的技术方案：所述耦合腔体由6061防锈铝合金加工而成，所述耦合PCB通过螺钉与所述耦合腔体固定连接。
作为优选的技术方案：所述连接器为N-50KF连接器，分别作为耦合端口和隔离端口。
作为优选的技术方案：还包括所述耦合腔体盖板，所述耦合腔体盖板由6061防锈铝合金加工而成，与所述耦合腔体装配组成封闭的耦合腔，通过螺钉连接固定。
作为优选的技术方案：所述耦合器主腔体由6061防锈铝合金加工而成，与所述耦合腔体、连接法兰盘通过螺钉连接固定；还包括底座，所述底座固定连接于耦合器主腔体下端。
本发明中，相对于现有技术，新设计的部件包括内绝缘管、耦合铜片、耦合PCB、外绝缘管以及其特殊的结构实现了高功率、低频的效果；并优选配套新设计连接法兰盘、防转杆A、防转杆B、介质环等，并对中心导体的结构进行改进（为了防转功能的实现，两端打孔）。其余部件比如耦合器主腔体、耦合腔体、IF110连接器外壳体(标准件)、底座等均为现有技术。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的低频高功率高可靠双定向耦合器结构简单、可靠性高，通过聚四氟乙烯内绝缘管提升了中心导体和耦合铜片之间的耐压等级，避免了高压击穿打火；同时该耦合器结构简单，通过改变耦合铜片的长度可以调节耦合器的耦合度，且拆装方便，可生产性强，经济性良好；能够实现50 kW级大功率在低频段100kHz～5 MHz频率范围内-70 dB～-60 dB的耦合度，同时平坦度±0.5 dB，方向性≥28 dB，主路插损≤0.05 dB。
附图说明
图1为现有高功率双定向耦合器结构图；
图2为图1中传统中心导体的结构图；
图3为图1中耦合器主腔体的结构图；
图4为图1中传统耦合PCB的结构图；
图5为图1中传统介质环的结构图；
图6为图1中耦合腔体的结构图；
图7为传统的大功率耦合器设计原理图；
图8为本发明实施例1的低频高功率高可靠双定向耦合器的装配图；
图9为本发明实施例1的低频高功率高可靠双定向耦合器的爆炸图；
图10为图8中的核心结构图；
图11为图10中耦合PCB与耦合铜片的连接关系图；
图12为图8中中心导体防转机构连接关系图；
图13为图8中介质环的结构图；
图14和图15为图13中连接法兰盘结构图；
图16和图17为图8中耦合铜片机构图；
图18为外绝缘管装配关系图；
图19为本发明实施例1的低频高功率高可靠双定向耦合器的整体图；
图20为实施例1的耦合器耦合度实测结果图；
图21为实施例1的耦合器方向度实测结果图；
图22为实施例1的耦合器主路插入损耗实测结果图；
图23为实施例1的耦合器输入/输出端口驻波比实测结果图；
图24为传统方式设计的耦合器的耦合度实测结果图；
图25为具体实施例的耦合度仿真结果；
图26为具体实施例的隔离度仿真结果；
图27为具体实施例的驻波仿真结果；
图28为具体实施例的插入损耗仿真结果。
图中：1、传统中心导体；2、耦合器主腔体；3、传统耦合PCB；4、传统介质环；5、耦合腔体；6、连接器外壳体；7、中心导体；71、介质环；72、防转杆A；73、防转杆B；74、连接法兰盘；75、安装孔A；76、安装孔B；77、连接器外壳体固定螺钉孔；78、连接法兰盘固定孔；8、内绝缘管；9、耦合铜片；91、铜片引脚；10、外绝缘管；11、耦合PCB；12、连接器；13、耦合腔体盖板；14、底座。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
一种低频高功率高可靠双定向耦合器，参见图8和图9，包括耦合器主腔体2，所述耦合器主腔体2内设置有中心导体7，所述中心导体7两端设置有连接器外壳体6，所述中心导体7外周从内到外依次同心设置有内绝缘管8、耦合铜片9和外绝缘管10，还设置有与所述耦合铜片9固定连接的耦合PCB11，所述耦合PCB11的一端还固定连接有耦合腔体5，所述耦合腔体5的上端固定连接有连接器12；所述中心导体7与连接器外壳体6之间还设置有中心导体防转机构；
其中，图10是本发明的核心结构：从内到外依次为中心导体7、内绝缘管8、耦合铜片9，中心导体7和内绝缘管8同心且过渡配合，耦合铜片9和内绝缘管8同心且过渡配合；外绝缘管10对耦合铜片9进行固定约束，通过耦合铜片9增大了耦合电路与中心导体7之间的电场耦合，通过多层耦合PCB11增大了耦合电路的磁场耦合，从而实现了更低频率（100kHz）-70dB～-60dB的耦合度；内绝缘管8的设置保证了可以通过大功率（50kW）。减小内绝缘管8的厚度（耦合铜片9的弯曲半径同步减小）、增加耦合铜片9的长度、增加耦合PCB11的层数，理论上可以进一步降低耦合器的起始工作频率。
耦合PCB11与耦合铜片9的位置关系如图11所示，耦合PCB11焊接于耦合铜片9的两端；耦合PCB11的一端与耦合铜片9焊接，另一端与耦合腔体5通过螺钉固定，如图12所示；
本实施例中，所述中心导体防转机构如图12和图13所示，包括介质环71、防转杆A72、防转杆B73和连接法兰盘74，其中，所述连接法兰盘74与连接器外壳体6固定连接，所述介质环71与连接器外壳体6同心装配并过渡配合，所述介质环71上设置由于用于与所述防转杆A72、防转杆B73过渡配合的安装孔A75和安装孔B76，如图14所示；连接法兰盘74的结构如图15和16所示，连接法兰盘74设置有连接器外壳体固定螺钉孔77和连接法兰盘固定孔78，防转杆A72穿过介质环71中的安装孔A75，与图14中连接法兰盘74间隙配合，连接法兰盘74通过四颗螺钉与耦合器主腔体2固定；防转杆B73穿过中心导体7与介质环71中的安装孔B76间隙配合；至此，中心导体7、介质环71、连接法兰盘74通过防转杆A72和防转杆B73完全轴向约束，无法再转动。
本实施例中，所述连接器外壳体6为IF110连接器外壳体，IF110连接器外壳体由不锈钢材料加工而成，分别为耦合器的输入和输出端口；
所述介质环71由聚四氟乙烯材料加工而成，与所述IF110连接器外壳体同心装配，过渡配合；
所述防转杆A72由不锈钢材料加工而成，与所述介质环71中的安装孔过渡配合；
所述防转杆B73由不锈钢材料加工而成；
本实施例中，所述中心导体7由H62黄铜加工而成，为防止表面氧化和增强表面导电性，优选在其表面镀银处理；
所述内绝缘管8由聚四氟乙烯加工而成，与所述中心导体7同心且过渡配合，起绝缘的作用，通过改变其壁厚可以调节耦合器的耦合度，本实施例的内绝缘管8的壁厚为2mm；
所述耦合铜片9由厚度为0.5mm的H62黄铜片加工而成，其结构如图16和图17所示；所述耦合铜片9为两块，两块所述耦合铜片9分别与所述内绝缘管8同心且过渡配合，两块所述耦合铜片9彼此分离，每块耦合铜片9均为圆弧状，且径向截面小于半圆，每块所述耦合铜片9的其中一个轴边均设置有一个铜片引脚91，通过改变耦合铜片9的长度可以调节耦合器的耦合度，本实施例中，耦合铜片9的长度为100mm；
通过改变耦合铜片9的长度可以调节耦合器的耦合度，所述长度为轴向长度，如图17中L；长度通过仿真确认，长度越大，耦合度越强，最大长度≤（/>为波长）。
所述外绝缘管10采用聚四氟乙烯材料，与所述耦合铜片9同心且过渡配合，起固定耦合铜片9的作用，所述外绝缘管10的两侧各开设有一个用于所述铜片引脚91穿出的条形孔；外绝缘管10装配关系如图18所示；
所述耦合PCB11为多层FR4覆铜板加工而成，与所述耦合铜片9焊接；
本实施例中：所述耦合腔体5由6061防锈铝合金加工而成，所述耦合PCB11通过螺钉与所述耦合腔体5固定连接；
所述连接器12为N-50KF连接器，为标准件，分别作为耦合端口和隔离端口；
本实施例中，还包括所述耦合腔体盖板13，所述耦合腔体盖板13由6061防锈铝合金加工而成，与所述耦合腔体5装配组成封闭的耦合腔，通过螺钉连接固定；
所述耦合器主腔体2由6061防锈铝合金加工而成，与所述耦合腔体5、连接法兰盘74通过螺钉连接固定；还包括底座14，所述底座14固定连接于耦合器主腔体2下端；
本实施例装配好后的整体结构如图19所示，对图19采用本领域通用的方法（比如E5061B型矢量网络分析仪）分别进行耦合度、方向度、主路插入损耗、输入/输出端口驻波比等性能的测试，测试结果分别如图20、图21、图22和图23所示。上述的大功率耦合器设计方法是针对工作频率范围为≥1MHz，当频率低于1 MHz时，原有方式无法实现。图24是采用原有方式设计的耦合器在频段100kHz～5MHz的实测结果，频率越低，耦合度越弱。
其中，耦合PCB11的层数≥2，层数的选择需要综合考虑内绝缘管8的厚度和耦合铜片9的长度，需要通过软件仿真和优化综合设计；
作为具体实施例，通过仿真，将内绝缘管8的厚度从2mm减少到1mm,耦合铜片9的长度设置为1000mm，耦合PCB11的层数从2增大到5，可以将耦合器的低端工作频率扩展到50kHz。图25为耦合度的仿真结果，横坐标为工作频率（50kHz～5MHz）,纵坐标为耦合度（-63±0.3dB）；图26为隔离度仿真结果，耦合度与隔离度相减即为方向度，方向度≥25dB；图27为驻波仿真结果，驻波≤1.12；图28为插入损耗仿真结果，插入损耗≤0.1dB。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种低频高功率高可靠双定向耦合器，包括耦合器主腔体（2），所述耦合器主腔体（2）内设置有中心导体（7），所述中心导体（7）两端设置有连接器外壳体（6），其特征在于：所述中心导体（7）外周从内到外依次同心设置有内绝缘管（8）、耦合铜片（9）和外绝缘管（10），还设置有与所述耦合铜片固定连接的耦合PCB（11），所述耦合PCB（11）的一端还固定连接有耦合腔体（5），所述耦合腔体（5）的上端固定连接有连接器（12）；所述中心导体（7）与连接器外壳体（6）之间还设置有中心导体防转机构；所述耦合铜片（9）为两块，两块所述耦合铜片（9）分别与所述内绝缘管（8）同心且过渡配合，两块所述耦合铜片（9）彼此分离，每块耦合铜片（9）均为圆弧状，且径向截面小于半圆，每块所述耦合铜片（9）的其中一个轴边均设置有一个铜片引脚（91）；所述耦合PCB（11）的一端与所述耦合铜片（9）焊接，另一端与所述耦合腔体（5）固定连接。
2.根据权利要求1所述的低频高功率高可靠双定向耦合器，其特征在于：所述中心导体防转机构包括介质环（71）、防转杆A（72）、防转杆B（73）和连接法兰盘（74），其中，所述连接法兰盘（74）与连接器外壳体（6）固定连接，所述介质环（71）与连接器外壳体（6）同心装配并过渡配合，所述介质环（71）上设置由于用于与所述防转杆A（72）、防转杆B（73）过渡配合的安装孔。
3.根据权利要求1所述的低频高功率高可靠双定向耦合器，其特征在于：所述内绝缘管（8）采用聚四氟乙烯材料，与所述中心导体（7）同心且过渡配合，所述内绝缘管（8）的壁厚为1-3mm。
4.根据权利要求1所述的低频高功率高可靠双定向耦合器，其特征在于：所述外绝缘管（10）采用聚四氟乙烯材料，与所述耦合铜片（9）同心且过渡配合，所述外绝缘管（10）的两侧各开设有一个用于所述铜片引脚（91）穿出的条形孔。
5.根据权利要求1所述的低频高功率高可靠双定向耦合器，其特征在于：所述耦合PCB（11）为多层FR4覆铜板加工而成。
6.根据权利要求1所述的低频高功率高可靠双定向耦合器，其特征在于：所述耦合腔体（5）由6061防锈铝合金加工而成，所述耦合PCB（11）通过螺钉与所述耦合腔体（5）固定连接。
7.根据权利要求1所述的低频高功率高可靠双定向耦合器，其特征在于：所述连接器（12）为N-50KF连接器，分别作为耦合端口和隔离端口。
8.根据权利要求1所述的低频高功率高可靠双定向耦合器，其特征在于：还包括耦合腔体盖板（13），所述耦合腔体盖板（13）由6061防锈铝合金加工而成，与所述耦合腔体（5）装配组成封闭的耦合腔，通过螺钉连接固定。
9.根据权利要求1所述的低频高功率高可靠双定向耦合器，其特征在于：所述耦合器主腔体（2）由6061防锈铝合金加工而成，与所述耦合腔体（5）、连接法兰盘（74）通过螺钉连接固定；还包括底座（14），所述底座（14）固定连接于耦合器主腔体（2）下端。
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