CN1412886A - 用于混合几何形状的共面定向耦合器 - Google Patents

Abstract

一种平面形状的微波耦合器，其传输线部分与主传输线成一定夹角定向。该传输线的平面形状例如在一印刷电路板上，有助于减小耦合器的尺寸并减少耦合器的制造费用。当以距主传输线规定的距离放置，并以适当的角度定向时，可用最少的调谐达到方向性和耦合系数的要求。当需要细调时，可提供一与传输线部分相邻设置的调节螺丝和电阻。

Description

用于混合几何形状的共面定向耦合器

发明领域

本发明涉及一种定向耦合器，该耦合器具有高度的方向性以及紧凑的尺寸，从而便于耦合器的组装和耦合器在通讯系统中的安装。

背景

相关技术的说明

图8所示为一种已知的微波耦合器的图片。该耦合器包括一个杯状的带有一个电阻的固定器，并且在杯的大端开口处安置有一个耦合环(a coupling loop)。一位于杯的背面的连接器和测量系统或任何外部电路相连。该杯状耦合器被设置在一位于主传输线附近的外壳内。更具体地说，它的大端开口面向主传输线设置，杯体相对于主传输线转动，以控制耦合的方向性，并且在外壳中靠近或远离传输线定位以控制耦合的程度。

上述的用于定位耦合器以获得目标的方向性和耦合程度的调节过程十分费时费力。特别是，对方向性的旋转调节通常引起耦合系数的变化，反之亦然。另外，当通过旋转杯体调谐耦合器的方向性时，有可能出现在调谐过程中将方向性调谐为和所需相反的情况。由于这些困难，一个耦合器可能需要15分钟才能调谐好。具有上述配置的耦合器一般安装在通讯系统内做两种测量：1)采样输出信号以便测量信号强度，以及2)采样有多少传送信号被从发送天线反射回来。由于每一个耦合器都要用15分钟才调谐好，所以对于每个给定的传送信道可能要用半小时调谐耦合器。

另外，由于多个部件要用手工组装，例如杯体、电阻、耦合环和连接器，故已知的耦合器制造成本高并且体积大。

发明概述

本发明致力于解决上述的不足。所公开的本发明包括一共面的波导定向耦合器，它可和具有其它波导几何形状的传输线例如同轴电缆、微波传输带及带状线结合使用。该共面波导由一印刷电路板上的耦合传输线形成。该耦合线被按预定的距离面向主传输线设置以获得所需的耦合，并且相对主传输线的纵向方向倾斜一特定角度以获得所需方向性。该耦合器包括一负载电阻和一可选的阻抗匹配电阻。

当被设计来用于由耦合系数、方向性以及频率范围所要求的特定应用时，本发明的耦合器不需要进一步的调谐。这消除了耦合器制造过程中包括附加的调谐机构的工作。能够精确地设计耦合器也消除了在安装过程中的调谐。该耦合器与已知的耦合器的结构布局相比具有更紧凑的尺寸。本发明进一步考虑到由于不同制造容差，例如在主传输线外壳的构造过程中出现的容差，电阻元件以及用于耦合器中的RF子系统的部件的电气容差，所设计的共面耦合器的耦合和方向特性可能与设计参数有轻微偏离。因此，作为本发明的附加特征，其耦合系数可通过一可调谐的螺丝进行细调。

附图简述

下面将参照附图描述本发明的优选实施例，其中：

图1(a)表示按照本发明的耦合器相对于设置在一外壳中被耦合传输线的横截面图；

图1(b)表示按照本发明第一实施例的耦合器布局的平面图；

图2是与一同轴测试夹具组装在一起的耦合器的照片；

图3是从图2的测试夹具上拆卸下来的耦合器的照片；

图4是该耦合器传输线和连接器的照片；

图5是按照一优选实施例的耦合器的示意图；

图6是按照本发明另一实施例的包括一调节螺丝的耦合器结构的照片；

图7(a)是按照本发明另一实施例的包括一调节螺丝的耦合器结构的横截面示意图；

图7(b)是图7(a)的耦合器结构的平面示意图；以及

图8是一常规的耦合器的照片。

优选实施例的说明

图1(a)图示了按照本发明第一实施例的与外壳2以及主传输线3组装在一起的平面耦合器1。一连接器4将此耦合器和测量设备或其它RF子系统相连。该耦合器包括一印刷电路板，在面向主传输线3的一平面上具有一个导体，并且在电路板基板的另一平面上有一绝缘体。铜可用作标准的导体材料，但也可使用其它导体材料。外壳2被设计成使在传输线3和耦合器底面之间有间距D，以提供规定的耦合系数。

参考图1(b)，该微波耦合器包括一平面电路5，其上一耦合传输线6被描绘出。该传输线6只构成导电平板的一部分，从该导电平板中已除去一部分导体材料6’。传输线6可通过机械研磨或化学湿刻蚀形成。本领域的技术人员会很熟悉如何利用这些技术去形成该传输线，所以在此省略制造传输线的细节。因而，制造耦合器传输线很重要。对于现在公开的这种设计来说，传输线6的长度只需要是主传输线中传输信号的波长的一小部分。换句话说，并不需要具有与许多已知的常规耦合器配置相关联的四分之一长度的要求。这进一步有助于提供紧凑的耦合器结构。

如图1(b)中进一步表示，两个电阻7、8分别位于传输线的两端。电阻7影响方向性的大小(起负载作用)，电阻8决定回程损耗(是和耦合器连接的传输线匹配的阻抗)。

此耦合结构可放置在传输线3之上，如图1(a)所示；其中传输线6相对于主传输线(如点划线所示)偏离平行倾斜某个θ角，如图1(b)所示。角θ是决定耦合器方向性的关键。在所述实施例中，θ≠90°。θ角被这样设计，使得在一个信号传播方向上的磁耦合和电气耦合基本上被消除，并且对相反方向的信号传播彼此加强。耦合程度受耦合器与主传输线之间的距离D影响。设计θ角、电阻(7、8)的电阻值和耦合线6的大小，以优化该微波耦合器的方向性。

注意D可包括图1(a)中所示的距离D，其表示耦合线6和主传输线间的垂直距离，或可包括耦合线6和包括传输线在内的假想平面间的横向距离d’。特别是，虽然图1(b)表示耦合线6和传输线纵向方向决定的平面相交，但耦合器实际上不需要和这个假想平面相交。例如，耦合器可放置在距图示位置一距离d’的位置以影响耦合系数。重要的是，耦合线和主传输线的平行线之间要有一个角度。

对于一给定的，具有在一定频率范围内的方向性和耦合系数要求的设计规范来说，本领域的技术人员可确定1)主传输线和在印刷电路板5上形成的耦合线6之间合适的位移；2)平行主传输线的一条线与平行耦合线的一条线之间的夹角θ；以及3)电阻值。例如，可以使用如Agilent Technologies的Eesof的电路模拟器确定角θ和位移D的大体值。一旦找到了大体值，更精确的值可使用Ansoft Corp.，Pittsburgh，PA所售的HFSS(高频结构模拟器)或CST GmbH，Darmstadt，Germany所售的微波播音室(Microware Studio)进行三维模拟来确定。虽然此处提到用于确定耦合器部件和设计值的某些模拟器，但本发明并不受用于获得如角度θ、距离D、电阻值或耦合线尺寸等参数的技术的限制。

对于一种特别的设计，角度θ设置为22.5度，负载电阻值7大约为120欧姆，匹配电阻值8大约56欧姆，并且耦合线长度大约为1.5cm。该耦合线宽度为0.070英寸。耦合线和主传输线(优选实施例中的同轴线)中心间的间距大约为0.9cm。所得到的耦合器在大约890MHz下表现为具有30dB方向性的50dB耦合。应当注意的是，这种特定的微波耦合器例子可在频率范围为824到894MHz内达到±0.5dB的耦合要求。耦合系数从890MHz下的50dB改变到1000MHz下的49.1dB。

图2所示为组装在一起的测试单元的图片。图3表示拆开的测试单元。在图3中，耦合器的平面传输线以及同轴的主传输线都可见。图4表示具有附加的连接器的耦合结构。

图5是所述实施例的示意图。本发明从示意图上看与已有的耦合器配置类似，但很明显的减小了实际尺寸并且没有调谐要求。耦合系数和方向性由下列标准的关系式给出：

应当指出的是许多耦合器的耦合线和主传输线有相同的波导几何形状。这指的是两线都是同轴的或都是微波传输带。这种耦合器对于同轴线工作得特别好，即使耦合线是平面的。

第二实施例描述

尽管选择了合适的θ角、位移量D(或d’)以及电阻值，但由于存在平面耦合器结构或外壳制造的机械容差，以及主传输线、电阻和其它连接于耦合器结构的RF子系统中的电气容差，在不进行调谐(tuning)就不能获得规定的容差的情况下，可能需要调谐。是否需要调谐由每个特定应用的可接受的耦合容差决定。对于精确的耦合要求，例如±0.5dB，可能需要调谐。对不严格的设计要求，例如±2dB，可以不需要调谐结构。

图6表示出通过长槽的侧壁突出来的附加的调谐螺丝，该长槽包含有主传输线。调谐螺丝被这样设置，当它送进主传输线的长槽时，它距平面耦合器结构更近一些。在螺丝的调谐过程中，任何线性部件的实际尺寸都没有变化。注意图6表示出与主外壳分离的耦合器组装件。当调谐螺丝送进外壳时它将屏蔽掉耦合器的一些电场，并且耦合功率下降。图6表示这个调谐螺丝位于共面耦合器的中心附近，但是它并不一定要居中，但必须足够的近，以对耦合器的电场产生影响。

除了图6所示的调谐螺丝的特定几何形状外，调谐螺丝也可按其它方法设置以调谐耦合器。图7(a)和图7(b)表示一个模型的两个视图，该模型用于模拟垂直于耦合器平面移动的螺丝9的调谐能力。其余的参考数字和本发明第一实施例中描述的元件相对应。这个特别的例子表示出，该螺丝穿过了部分底平面并穿过了底平面与耦合线间的间隙的一部分。这种特殊的几何结构被使用电磁建模软件模拟，并且表示出和图6所示的调节螺丝相似的调谐范围。对特定应用的调谐的几何结构的选择，尤其依赖于制造的难易以及在给出的特定应用的限制下的可操作性。

第三实施例描述

为进一步减少耦合器的组装费用，本发明人决定，优选实施例可被修改为只包括一个电阻以满足操作要求。

图6的耦合器原型只使用一个电阻(负载电阻7，以在共面线中部的小黑方块表示)，并且仍然获得了对于50dB耦合的多于20dB的方向性。第二个电阻可通过正确的选择共面传输线尺寸以及负载电阻〔图1(b)，7〕的值从所述原型设计中消除。电阻8在由于所需的耦合值和/或由于主传输线的几何形状而限制了共面尺寸的一些设计中仍然是必须的。

对于包括一个电阻的耦合器设计，电阻值为50欧姆，角θ为45°提供的耦合系数为50dB，方向性为30dB。对于这个单电阻的例子，线长为0.041英寸，线宽为0.09英寸。对于单个电阻的设计，如果电阻将和50欧姆的线匹配，那么该单个电阻的值一般应接近50欧姆。换句话说，如果耦合器和50欧姆的传输线相连，则电阻值应接近50欧姆。也会有耦合器连接的阻抗不是50欧姆的情况。在此情况下，该电阻应被适当地改变，耦合线本身的尺寸也是一样。

虽然本发明参照特定的优选实施例给以描述，但本发明不受其限制。本领域的技术人员应明白，可以在不背离本发明的构思和范围的情况下对其进行各种修改。

Claims (20)

1.一种用于在一条主传输线中耦合信号的耦合器，所述耦合器包括：

一在平面基板上形成的传输线部分(segment)，

所述传输线部分被定向在该平面基板的一个表面上，以相对所述主传输线的一条平行线形成一非零的夹角。

2.如权利要求1所述的耦合器，其中所述的非零的夹角θ≠90°。

3.如权利要求2所述的耦合器，其中所述的传输线部分包括一和该传输线部分的至少一端相连的电阻。

4.如权利要求2所述的耦合器，还包括位于所述传输线部分附近的调节螺丝。

5.如权利要求4所述的耦合器，其中所述的调节螺丝垂直于所述的平面基板的面设置。

6.如权利要求4所述的耦合器，其中所述的调节螺丝平行于所述平面基板的面设置，并位于所述的传输线部分和所述的主传输线之间。

7.如权利要求3所述的耦合器，还包括一垂直于所述平面基板的面设置，并和所述传输线部分相邻近的调节螺丝。

8.如权利要求3所述的耦合器，还包括一平行于所述平面基板的面设置，并位于所述传输线部分与所述主传输线之间的调节螺丝。

9.如权利要求2所述的耦合器，其中所述传输线部分与包含所述主传输线在内的一个假想平面相交。

10.如权利要求2所述的耦合器，其中所述平面基板包括一去除一导电材料图形从而形成所述传输线部分的平面导电表面。

11.如权利要求2所述的耦合器，其中所述的主传输线包括同轴电缆。

12.如权利要求2所述的耦合器，其中所述的耦合器被连接在一天线和一微波通信系统的信号源之间。

13.如权利要求4所述的耦合器，其中所述的调节螺丝可相对所述传输线部分移动，并且在其移动时，所述调谐螺丝不改变所述传输线部分或所述主传输线的实际尺寸。

14.一种耦合器，包括：

一具有至少一个直边的平面金属表面，该平面金属表面的一部分按一定图形被去除金属，以形成一具有第一终端和第二终端的直的传输线部分，所述传输线部分被这样定向，使得包括所述传输线部分的第一假想线在包括所述一个直边的第二假想线上方穿过。

15.如权利要求14所述的耦合器，其中包括所述传输线部分的第一假想线以一个不等于90°的角度穿过包括所述一个直边的第二假想线。

16.如权利要求15所述的耦合器，还包括一和所述传输线部分相连的电阻。

17.如权利要求16所述的耦合器，还包括一邻近所述传输线部分设置的调节螺丝，其中所述调节螺丝可相对所述传输线部分移动，并且不改变所述传输线部分的实际尺寸。

18.如权利要求17所述的耦合器，其中所述调节螺丝垂直于所述平面金属表面设置。

19.如权利要求17所述的耦合器，其中所述调节螺丝平行于所述平面金属表面设置。

20.如权利要求15所述的耦合器，其中所述的耦合器设置在一天线和一微波通信系统的信号源之间。

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