CN1643732A - 用于微波传输带过渡的波导 - Google Patents

Abstract

一种波导耦合装置包括波导部分(1)的，在所述波导部分中被引导的波以至少一个波导模传播，并且所述波导部分具有在其一个壁(2)中的两个狭缝(4，5)，所述波导模具有平行于有狭缝的壁的场分量，所述有狭缝的壁具有沿波导部分的纵向定向的节平面(M)，和/或所述波导模在波导部分的壁中感应只在所述节平面内分布的壁电流。所述狭缝(4，5)处于节平面的相对侧上。一个或两个天线部分(7’，9’)桥接第一狭缝或两个狭缝(4，5)。

Description

用于微波传输带过渡的波导

本发明涉及一种用于把在金属导体内传播的射频信号耦合到一个波导中或者从一个波导中耦合到一个金属导体中的装置。

常规的这种类型的耦合装置包括一个波导部分，其中被引导的波能够以至少一个波导模传播，并且在其一个壁上具有一个狭缝，波导模的场通过所述狭缝射出，并能够激励设置在波导部分的外部的桥接所述狭缝的天线中的振荡。

实际上只有一部分通过狭缝射出的射频能量被用于激励在天线部分中的振荡。其余的部分辐射进入狭缝上方的自由空间中。这是不希望的，不仅因为能量被辐射而不能使用，而且因为其可以干扰位于自由空间中的设备的元件。

例如，如果这种类型的耦合装置用于地面天线中，为了通过波导壁中的狭缝和设置成跨过所述狭缝的天线部分向地面天线的各个天线元件馈入信号，则从狭缝射出的干扰辐射可以灵敏地损害地面天线的场方向图案。

在W.Keusgen和B.Rembold，“Broadband Planar Subarray forMicrowave WLAN Applications”，MIOP，Sturrart，2001中，提出了一种防止这种问题发生的方法，即把干扰辐射耦合到一个辐射器元件中，所述辐射器元件实际上贡献于地面天线的功能。然而，这个解决方案涉及大量的计算，因而一般是不能应用的。

在F.J.Villegas，D.I.Stones，H.A.Hung：A Novel Waveguide-to-Microstrip Transition for Millimetre Wave Applications”IEEE Trans.on Microwave Theory and Techniques，vol.47，No.1，January 1999中，提出通过增加一个盖帽来抑制干扰辐射，所述盖帽被置于各个狭缝的上方，以便阻止干扰辐射的射出。不过，不过，这种解决方案实现起来是复杂的，因为每一个狭缝都需要这种具有馈通天线部分的盖。

本发明的目的在于提供一种上述类型的波导耦合装置，其中用简单地方式有效地抑制干扰波的射出，并且容易制造。

这个目的通过在具有第一狭缝的侧壁中提供第二狭缝实现了，所述第二狭缝被这样设置，使得两个狭缝处于其方位和有狭缝的壁平行的波导模的场元件的节点线的两个相对侧上。

本发明最好应用于矩形截面的波导，尤其是其被称为磁基波或H₁₀波的主模。不过，根据这里给出的说明，本领域技术人员也能把本发明应用于其它的波导部分和波导模。

如果建立一个座标系统，使得X轴垂直于波导部分的窄的侧壁，Y轴垂直于波导部分的宽的侧壁，并且Z轴沿着波导部分的纵向延伸，则H₁₀波具有平行于波导的宽的侧壁的H_x和H_z的场分量。在这些分量当中，分量H_z具有节平面，其沿着波导部分的纵向延伸，并在中心和其两个宽的侧壁相交。H_z分量在节平面的不同侧上具有相反的符号。因而从两个缝射出的以及源自H_z分量的场以相反的相位振荡，并在辐射区内趋于相互抵消。H₁₀波的E_y分量在波导部分的侧壁内激励交叉电流，其在同一节平面的任何一侧上沿相反的方向流动，因而在两个缝沿X方向引起相反方向的电场。这些电场在辐射区内也趋于相互抵消。

两个缝的布置相对于节平面越对称，所述抵消越加完全。如果一个狭缝的位置相对于节平面是另一个的映像，则E_x分量在节平面的辐射区内彼此完全补偿，只要对称性不被跨过第一狭缝的天线部分打破，和具有一个狭缝的波导部分相比，由此使得E_x分量沿横向被大大减少。

利用本发明的狭缝相对于节平面的一点的对称的布置，即，一个狭缝的位置是另一个狭缝相对于节平面的逆映像，只要在z方向上狭缝的范围比波导模的波长足够小，因而在两个狭缝的逆对称点的场之间的相位差是可以忽略的，便也可以实现充分的补偿。

天线部分一般在一端与一个导体联结，用于传导发送耦合进入的RF信号，并在另一端是空闲的。这个空闲的一端最好被置于距离狭缝λ_s/4处，或者是固定的或者是可调的，其中λ_s是在天线部分中感应的信号的波长。这样获得的结果是，耦合进入的信号部分在天线部分中从狭缝直接沿着连接导体的方向传播，而最初在自由端反射的部分在结构上被组合，使得实现强耦合。

为了避免通过相交的天线部分破坏对称性，可以有利地设置第二天线部分桥接第二狭缝。这个天线部分可用于馈入和第一天线部分不同的RF成分，或者用于馈入相同的RF成分。

按照优选实施例，在后一种情况下，天线部分在一点与一个连接导体并联，即，每个天线部分具有和连接导体相连的一端以及一个自由端。

天线部分也可以被这样设置，使得它们沿各自的相反的方向跨过指定给它们的狭缝，即，它们的自由端或者都处于狭缝之间，或者都处于狭缝之外。在这种情况下，最好是，天线部分应当具有在(n-3/8)λ_s和(n+3)/8)λ_s之间的总长度L，其中n是一个整数，λ_s是由引导的波在天线部分中引起的振荡的波长。如果L精确地等于nλ_s，则在两个狭缝处在天线部分中耦合的振荡精确地同相干涉，因而实现最佳耦合。如果需要弱耦合，则可以使用离开nλ_s的不同的偏离。

在另一方面，如果天线部分沿相同方向跨过它们的狭缝，即如果一个天线部分的自由端处于狭缝之间，而另一个处于狭缝之外，则在狭缝处感应的振荡在总长度L＝(n+1/2)λx_s时这些狭缝呈同相干涉，因此，总长度L在(n+1/8)λ_s和(n+7/8)λ_s之间是优选的。

另一种可能性是使两个天线部分串联连接。在这种情况下，为了使在两个狭缝感应的振荡同相叠加，如果天线部分沿相反的方向跨过狭缝，则需要在狭缝之间沿着天线部分测量的间距大约为nλ_s，或者如果天线部分沿相同的方向跨过狭缝，则需要大约为(n+1/2)λ_s的间距。

最好是，天线部分和狭缝的交点处于垂直于波导部分的纵向或者垂直于节平面的直线上。

借助于确保两个天线部分都暴露于从狭缝射出的同相激励的场，而和天线部分相对于波导部分被设置的精确位置无关。如果至少在交点区域内天线部分处于一个公共直线上，使得两个天线部分暴露于的场的相位相关性即使在天线部分横向移动时也被保持，是尤其合适的。

按照第一优选实施例，两个狭缝彼此平行并与节平面平行，使得耦合的强度不依赖于天线部分沿被引导的波的传播方向(z方向)的位置，而只由天线部分垂直于节平面的位置即由其交点和自由端的间距确定。

按照本发明的第二优选实施例，狭缝平行地且相对于节平面倾斜地延伸，偏离平行方向的角度影响从狭缝射出的并耦合进入天线部分的场H_z的强度，因而影响耦合装置的耦合常数。特别是，如果狭缝被设置在波导部分的可转动的壁部分上，借助于转动所述壁部分，可以根据需要调节耦合常数。

按照第三优选实施例，狭缝具有沿着节平面改变的间距，并且天线部分可被定位在沿着节平面的不同位置。在这种情况下，可以通过沿着节平面合适地定位天线部分来设置耦合系数。狭缝距离节平面越近，在狭缝后面的波导内平行于壁的场分量越小，并且在狭缝的位置感应的壁电流也越小，因而天线部分暴露于的射出的场越小。

在第一和第三实施例中，在制造耦合装置时，只要天线部分被牢固地固定在一个位置上，便可以使天线部分被固定在波导部分上的几个位置上，并且在各种情况下的所述位置可以根据所需的耦合系数进行选择。

另外，还可以提供一种用于相对于狭缝调节天线部分的装置，以便也使得制成的耦合装置在任何时间能够能够适应于各种要求。

本发明的其它特征和优点将参照附图在下面的例子的说明中给出，其中：

图1表示按照本发明的第一实施例的耦合装置的透视图；

图2表示在按照图1所示的波导部分的侧壁中的交叉电流的分布；

图3以类似于图1的透视图表示按照本发明的耦合装置的第二实施例；

图4表示在按照图3所示的实施例中在天线截面和连接导体中的瞬时电流和电压的分布；

图5表示相对于图3略微改变的一个实施例中的电流和电压的分布；

图6表示图3所示的实施例的改型；

图7-9表示第3-5实施例的各自的透视图；

图10表示按照图3的实施例的另一种改型；

图11表示图10所示的实施例的进一步改进；以及

图12表示按照本发明的耦合装置的第六实施例的透视图。

图1所示的耦合装置包括具有矩形截面的波导部分1，其具有一个上部宽侧壁2，下部宽侧壁3和窄侧壁8，在其中能够传播波导模H₁₀。这个波导模具有非零的场分量H_x，H_z和E_y，其中H_x和E_y和sin(πx/a)成比例，H_z和cos(πx/a)成比例，其中a是宽侧壁2，3的宽度，并且窄侧壁8处于处于xyz坐标系统中座标值x＝0，x＝a。场分量H_z在x＝a/2具有节平面。

第一狭缝4沿着z轴的方向在上部宽侧壁2内延伸。第二狭缝5作为第一狭缝4的镜像相对于节平面x＝a/2被设置。从两个狭缝4，5射出的场由来自通过狭缝的非零场分量和沿x方向的电场的贡献构成，所述电场源于这样的事实：狭缝4，5阻断在波导壁中流动的由波导模产生的交叉电流的通路。这些交叉电流如图2示意地所示，在节平面x＝a/2的不同侧上具有相反的符号。所述节平面由链状线M表示。在狭缝4，5的位置的交叉电流越强，即它们距离节平面越远，则对射出的场的贡献越大。交叉电流和波导模的分量H_z对于在波导外部的场的贡献在节平面的不同侧具有相反的符号，因此这些场在辐射区内相互抵消。场分量H_x，HYY在节平面的两侧具有相同的符号，因此它们在节平面内不会相互抵消，虽然它们的场强随着越加接近窄侧壁8趣近于0，因此狭缝4，5越接近窄侧壁8，它们对于波导部分外部的场的贡献越小。

在上部的宽侧壁2上，设置有介电衬底6，其承载着桥接第一狭缝4的第一带状线7。带状线7用作天线部分，由交叉电流引起的电场在其中引起电磁振荡。这个振荡可用于馈给地面天线的天线元件或另一个RF元件。

第二带状线9可以用相对于带状线7成镜像的方式被设置在第二狭缝5的上方。其功能和第一带状线的功能相同，其可用于馈入和第一带状线7相同的RF元件，或者馈入第二个RF元件。

在图3所示的按照本发明的耦合装置的第二实施例中，波导部分1和图1所示的相同，因此不再进行说明。形成在衬底6上的两个带状线7’，9’在平行于x轴的一个公共线上延伸，并在其彼此面对的末端相互连接，并被连接到一个公共连接导体10上。

在按照图3所示的实施例中，连接导体10的彼此面对的连接点11位于场分量H_z的节平面x＝a/2上。应当注意到，在该图以及下面的附图中，为清楚起见，图2所示的描绘平面x＝a/2的两条线中下面的一条被省略了。带状线7’，9’从其各自的交点13交点12的间距是λ_s/4，两个交点12的间距是λ_s/2。其中λs是由波导模在带状线中引起的振荡的波长。因而，两个带状线7’，9’形成一个和波长λ_s的波导模匹配的谐振器。在这个振荡器中，形成一个驻波，其电流和电压的曲线在图4中由虚线曲线I和点划线曲线U所示。在连接点11，在电流分布中具有一个节点。在此处电压的幅值最大，因此可以通过连接导体10取出强的信号。

在图5所示的改型中，连接点11不位于两个自由端13之间的中心，而是偏向带状线7’的自由端。在连接点11的电压电平的差小于图4的情况，通过连接导体10取出的信号较弱。因此，可以独立于在各个情况下所需的耦合系数，制造波导部分1，其具有狭缝4，5、衬底6和呈标准形状的带状线7’，9’，并在合适地选择的连接点11连接所述连接导体10，从而实现在各个情况下所需的耦合强度。

在一方面，如果波导部分1，并且在另一方面，如果具有位于其上的带状线7’，9’的衬底6以及连接导体10用标准的形式制造，则利用按照图3的设计，也可以实现可变的耦合系数。为了改变所述耦合，沿垂直于节平面x＝a/2的方向改变衬底和位于其上的导体的位置便足够了。这导致在交点12和自由端13之间的间隔偏离最佳的值λ_s/4。

借助于合适地选择衬底6的位置，因而可以设置在波导部分1和带状线7’，9’之间的耦合的强度。这可以大大简化具有不同耦合强度的耦合装置的制造，因为不需要按照所需的耦合强度设置狭缝4，5的位置，并制造具有不同狭缝间距的多个波导部分，而是可以大量制造具有固定位置的狭缝的波导部分1，并然后可以通过合适地设置衬底6的位置，选择所需的耦合强度。

自然，交点12离开自由端13的间距和交点12彼此之间的间距不必分别是λ_s/4和λ_s/2。的确，利用这种间距，可以实现强耦合，但是只在非常窄的频率范围内。如果这些间距中的至少一个未精确地选择为其最佳值，而是接近其最佳值，在减少一些耦合强度的情况下，可以大大增加耦合装置的带宽。

图3的原理的一种改型示于图6。其中的波导部分1和图1、图3的相同，被设置在衬底6上的带状线7”，9”和图3的区别在于，由它们形成的谐振器是C形的，并且导体部分7”，9”的自由端13都位于狭缝4，5之间。操作方法的其它方面相应于图3的例子。

图7所示的实施例和上述的实施例的区别在于，在这种情况下，在衬底6上形成的两个带状线7^*，9^*沿相同的方向跨过指定给它们的波导部分1的狭缝4，5；它们的自由端13分别位于面向图7的透视图的观看者的狭缝4，5的一侧上。为了得到带状线7^*，9^*和波导部分1的强耦合，把同相的振荡的叠加耦合到带状线7^*，9^*中，因而需要狭缝4，5和带状线7^*，9^*的两个交点之间的间距为(n+1/2)λ_s。可以如图3那样，通过选择连接导体10的连接点11的位置，并通过选择交点12个带状线的自由端13之间的间距，来影响在连接导体10取出的信号的强度。

图8示出了一个特别简单的实施例，具有沿相同方向跨过波导部分1的狭缝4，5的带状线7^**，9^**。开跨过狭缝5的带状线9^**被串联连接在带状线7^**和连接导体10之间。交点12和一个自由端13的间距分别是λ_s/4和3λ_s/4。

图9表示另一个实施例，其具有沿相同方向跨过狭缝4，5的并串联连接的带状线带状线7^***，9^***。

图10示出了耦合装置的另一个实施例。其中，衬底6和在其上形成的带状线7’，9’和图3所示的相同，而波导部分1’被改变了。其狭缝4’，5’彼此平行地延伸，但是相对于节平面x＝a/2具有一个非零角α，狭缝4’可以认为是狭缝5’关于节平面的逆映像。

沿Z方向的狭缝的长度被这样选择，使得在狭缝4’，5’的相对端的场的相位差不大于15度。角α影响通过狭缝4’，5’射出的波导模的H_z分量的强度，因而影响在带状线7’，9’中磁感应的电流的强度。在角α＝0处，所述强度最大，在角α＝90度处，其为0。

这个实施例的进一步改型如图11所示。其中狭缝4’，5’被设置在一个圆盘17内，所述圆盘包括波导部分1’的上壁的一部分。通过圆盘17的转动，可以改变在狭缝4’，5’和节平面之间的角度α，因而可以调节耦合强度。

图12表示耦合装置的另一个实施例，其中衬底6和带状线7’，9’和图3的相同，而在另一方面，波导部分1”被改变了。其狭缝4”，5”彼此对称地延伸，但是相对于节平面x＝a/2倾斜。借助于横向设置的导轨14，测微计螺丝15和弹簧16，衬底16可以用被控制的方式平行于节平面移动，以便以不同的间距把带状线7’，9’置于狭缝4”，5”的区域的上方。如上面关于装置的操作所述的，在带状线7’，9’移动后，耦合将被改变，在一方面是因为交点12相互之间的间距以及离开自由端13的间距被改变，因此在两个带状线中引起的两个信号的干扰被改变，在另一方面，因为交点12距离波导部分1”的侧壁越近，带状线7’，9’所在的场越强。因而，在任何时间，通过沿着z轴移动衬底6，都可以把波导部分1’和带状线7’，9’之间的耦合精确地设置为当前所需的值。

自然，图3和6-9的实施例都可以使用导轨用于使衬底垂直于节平面x＝a/2可控地移动。同样，可以按照所需的耦合强度，例如通过粘结，把衬底6永久地固定在波导部分1”的上述选择的位置上。

可以沿着一个波导设置多个上述的耦合装置。各个耦合装置之间的间距应当是波导的波长λ_H的一半，使得在辐射区内各个耦合装置的剩余的杂散场相互抵消。

Claims (20)

1.一种具有波导部分(1，1’，1”)的波导耦合装置，在所述波导部分中被引导的波以至少一个波导模传播，并且所述波导部分具有在其一个壁(2，2’)中的第一狭缝(4，4’，4”)，借助使该波导模具有平行于有狭缝的壁的场分量，所述有狭缝的壁具有沿波导部分的纵向方向定向的节平面(M)，并且/或者所述波导模在波导部分(1，1’，1”)的壁中感应只在所述节平面内分布的壁电流，并具有设置成用于桥接第一狭缝(4，4’，4”)的第一天线部分(7，7’，7”)，其特征在于，所述有狭缝的侧壁(2，2’)具有第二狭缝(5，5’，5”)，并且所述两个狭缝(4，5；4’，5’；4”，5”)处于节平面(M)的不同侧上。

2.如权利要求1所述的耦合装置，其特征在于，所述两个狭缝(4，5；4’，5’；4”，5”)设置在平行场分量的相等相反的场强度的区域内。

3.如权利要求1或2所述的耦合装置，其特征在于，所述两个狭缝(4，5；4”，5”)中的一个狭缝(4，4”)的位置相对于节平面是另一个狭缝(5，5”)的映像。

4.如权利要求1或2所述的耦合装置，其特征在于，所述两个狭缝(4，5；4’，5’)的一个狭缝(4，4’)的位置相对于节平面是另一个狭缝(5，5’)的逆映像。

5.如前面任何一个权利要求所述的耦合装置，其特征在于，所述第一天线部分(7，7’，7”)的一个自由端(13)可以以离开第一狭缝(4，4’)λ_s/4的间距设置，其中λ_s是由被引导的波在第一天线部分(7，7’，7”)中感应的波长。

6.如前面任何一个权利要求所述的耦合装置，其特征在于，所述波导部分(1，1’，1”)具有矩形的截面，所述波导模是H₁₀模。

7.如前面任何一个权利要求所述的耦合装置，其特征在于，第二天线部分(9，9’，9^*，...)布置成桥接第二狭缝(5，5’，5”)。

8.如权利要求7所述的耦合装置，其特征在于，所述两个天线部分(7’，7”；9’，9”)在点(11)处与连接导体(10)并联，所述天线部分(7’，7”；9’，9”)分别以相反的方向跨过它们的狭缝(4，4’；5，5’)，所述天线部分具有总长度L，其中(n-3/8)λ_s＜L＜(n+3/8)λ_s，其中n是一个整数，λ_s是由被引导的波在天线部分(7，7’，7”；9，9’，9”)中感应的振荡的波长。

9.如权利要求7所述的耦合装置，其特征在于，所述两个天线部分(7^*，9^*)在点(11)处与连接导体(10)并联，所述天线部分(7^*，9^*)以相同的方向跨过它们的狭缝，所述天线部分具有总长度L，其中(n+1/8)λ_s＜L＜(n+7/8)λ_s，其中n是一个整数，λ_s是由被引导的波在天线部分(7，7’，7”；9，9’，9”)中感应的振荡的波长。

10.如权利要求7所述的耦合装置，其特征在于，所述两个天线部分与连接导体(10)串联，它们以相反的方向跨过狭缝(4，5)，沿着天线部分测量的狭缝(4，5)之间的间距在(n-3/8)λ_s和(n+3/8)λ_s之间，其中n是一个整数，λ_s是由被引导的波在天线部分中感应的振荡的波长。

11.如权利要求7所述的耦合装置，其特征在于，所述两个天线部分(7^**，7^***；9^**，9^***)与连接导体(10)串联，它们以相同的方向跨过狭缝(4，5)，沿着天线部分(7^**，7^***；9^**，9^***)测量的狭缝之间(4，5)的间距在(n+1/8)λ_s和(n+7/8)λ_s之间，其中n是一个整数，λ_s是由被引导的波在天线部分(7^**，7^***；9^**，9^***)中感应的振荡的波长。

12.如权利要求7-11之一所述的耦合装置，其特征在于，所述天线部分(7，7’，7”，7^*，...；9，9’，9”，9^*，...)与狭缝(4，4’；5，5’)的交点位于垂直于波导部分(1，1’)的纵向的直线上。

13.如权利要求7-12之一所述的耦合装置，其特征在于，所述天线部分(7’，9’)适用于定位在横截于节平面(M)的不同位置。

14.如权利要求12或13所述的耦合装置，其特征在于，所述两个狭缝(4，5)相互平行，并与所述节平面(M)平行。

15.如权利要求7-12之一所述的耦合装置，其特征在于，所述两个狭缝(4’，5’；4”，5”)对于所述节平面(M)倾斜地延伸。

16.如权利要求15所述的耦合装置，其特征在于，所述两个狭缝(4’，5’)设置在波导部分(1’)的一个可转动的壁部分(17)中。

17.如权利要求7-12之一所述的耦合装置，其特征在于，所述狭缝(4”，5”)具有沿着节平面而改变的间距，所述天线部分(7’，9’)可以沿着节平面(M)定位在不同的位置。

18.如权利要求13，14或17之一所述的耦合装置，其特征在于，其具有用于相对于所述狭缝调节所述天线部分的装置(14，15，16)。

19.如前面任何一个权利要求所述的耦合装置，其特征在于，所述天线部分(7，7’，7”，7^*，...；9，9’，9”，9^*，...)设置在衬底(6)上的带状线部分。

20.如前面任何一个权利要求所述的耦合装置，其特征在于，在波导部分的有狭缝的壁上以(n+1/2)λ_H的间距形成有另外的狭缝，其中λ_H是在波导部分中被引导的波的波长。

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