CN202678489U - 主副脊波导尺寸不同的定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了主副脊波导尺寸不同的定向耦合器，包括作为微波主通道的主脊波导和作为取样信号通道的副脊波导、以及作为耦合通道的耦合孔；主脊波导和副脊波导的结构一致，其中主脊波导和副脊波导都是由上壁或\和下壁加载导体脊的矩形波导构成的；主脊波导和副脊波导相互隔离，主脊波导通过1个或2个耦合孔与副脊波导连通，至少1个耦合孔包括贴附在主脊波导侧壁或\和副脊波导侧壁的中空耦合管，中空耦合管靠近矩形波导的侧壁连接有三端开口的耦合腔，耦合腔与中空耦合管导通，耦合腔位于主脊波导和副脊波导之间并与主脊波导和副脊波导导通。其结构紧凑、加工简单、工作带宽宽、功率容量大、插入损耗低。

Description

主副脊波导尺寸不同的定向耦合器

技术领域

本实用新型涉及主副脊波导尺寸不同的定向耦合器，具体地说，是涉及一种利用单孔或双孔进行耦合的主副脊波导尺寸不同的定向耦合器。

背景技术

定向耦合器是微波系统中应用广泛的一种微波器件，它的主要作用是将微波信号按一定的比例进行功率分配；定向耦合器由两根传输线构成，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年代初以前，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，Cohn和Levy等人也做了很多贡献。

    随着航空和航天技术的发展，要求微波电路和系统做到小型化、轻量化和性能可靠，于是出现了带状线和微带线，随后由于微波电路与系统的需要又相继出现了鳍线、槽线、共面波导和共面带状线等微波集成传输线，这样就出现了各种传输线定向耦合器。

传统单孔定向耦合器有一些的优点：如结构简单、参数少，设计起来比较方便；但是它还存在着一些缺点：如带宽窄、方向性差，只有在设计频率处工作合适。偏离开这个频率，方向性将降低。

传统多孔定向耦合器虽然可以做到很宽的带宽，但也存在着一些缺点，如体积大、加工精度要求高、插入损耗高，特别是在毫米波太赫兹波段，过高的插损使该器件失去使用价值；这就激励我们去设计一种能克服这些缺点的新型定向耦合器。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服传统定向耦合器的一些缺点，提供了一种紧凑型、插入损耗低的主副脊波导尺寸不同的定向耦合器。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：主副脊波导尺寸不同的定向耦合器，其特征在于：包括作为微波主通道的主脊波导和作为取样信号通道的副脊波导、以及作为耦合通道的耦合孔；副脊波导和主脊波导的结构一致，其中，主脊波导包括矩形的空腔结构和设置在矩形空腔结构内的脊结构；主脊波导和副脊波导相互隔离；主脊波导通过1个或2个耦合孔与副脊波导连通，至少1个耦合孔包括贴附在主脊波导侧壁或\和副脊波导侧壁的中空耦合管，中空耦合管靠近主脊波导的侧壁连接有三端开口的耦合腔，耦合腔与中空耦合管导通，耦合腔位于主脊波导和副脊波导之间并与主脊波导和副脊波导导通；

主脊波导的尺寸表示为：a1*h1，副脊波导的尺寸表示为：a2*h2，a1、a2分别表示为主脊波导和副脊波导的宽度，h1 、h2分别表示为主脊波导和副脊波导的高度；

主脊波导的尺寸和副脊波导的尺寸情况如下：

情况A：当主脊波导的尺寸小于副脊波导的尺寸时，

h2*10%＜h1＜h2*80%或\和a2*10%＜a1＜a2*80%；

情况B：当主脊波导的尺寸大于副脊波导的尺寸时，

h1*10%＜h2＜h1*80%或\和a1*10%＜a2＜a1*80%；

情况C：主脊波导的尺寸等于副脊波导的尺寸时，

a1=a2且h1=h2。

由于传统的单孔定向耦合器，主脊波导和副脊波导的尺寸均采用标准尺寸，同时传统的单孔定向耦合器中的耦合孔的位置设置在主脊波导和副脊波导之间。而本实用新型的改进点为：1、将传统的耦合孔的位置进行调整，相应的设计出与调整后结构相匹配的耦合孔，即本实用新型中的耦合孔由耦合腔和中空耦合管组成，其中设置位置时，耦合腔设置在主脊波导和副脊波导之间的，用以连通主脊波导和副脊波导，由于还设置有中空耦合管贴附在主脊波导侧壁或\和副脊波导侧壁，可进一步的增强耦合性；2、本实用新型还可以在现有单孔定向耦合器的基础上增加一个上述由耦合腔和中空耦合管构成的耦合孔，或者直接增加两个改进后的耦合孔，代替原始的耦合孔，使波导之间的耦合得到增强。3、由于实验发现，当我们采用非标准结构的主脊波导和副脊波导进行设计时，非标准结构的方向性要比标准结构的方向性好，因此，本实用新型中采用的主脊波导和副脊波导在尺寸方面均不采用标准尺寸或者一个采用标准尺寸、一个不采用标准尺寸，在尺寸方面做出调整，可额外的增加耦合器的方向性。

因此设计时，优先设置两个耦合孔，且耦合孔中的中空耦合管要贴附在主脊波导侧壁或\和副脊波导侧壁。进一步的优先设置为：主脊波导和副脊波导的尺寸均不采用标准尺寸。

按照上述优先设置成的耦合器进行耦合输出时，其工作过程为：微波首先通过主脊波导，在结构耦合孔处时，通过耦合腔将微波耦合到副脊波导，在中空耦合管的作用下进行加强耦合，使其方向性变强。进一步的由于主脊波导和副脊波导的尺寸采用非标准尺寸；因此在上述加强耦合的基础还可以进一步增强耦合。

当主脊波导和副脊波导的尺寸选取上述三种不同的情况，可以得到三种不同的结果。以往人们都是优先选择标准的脊波导作为波导定向耦合器的传输通道，但是当选用情况A或情况B时，在毫米波段和太赫兹波段我们可以得到低插损、方向性更好的定向耦合器。也就是这个额外的自由度可以帮助我们设计出方向性更好的定向耦合器。

耦合孔在其俯视方向的投影形状为圆形；耦合腔同时与主脊波导的矩形空腔结构和副脊波导的矩形空腔结构导通。

所述耦合孔内设置有轴线与耦合孔轴线平行并与主脊波导的轴线垂直的金属体。

该金属体的横截面的形状为矩形。

所述主脊波导的轴线和副脊波导的轴线之间的角度为5°至175°之间。

所述耦合孔的数目为2时，两耦合孔的中心分别位于主脊波导和副脊波导在俯视方向投影后相交构成的平行四边形的两个相对的顶点附近。

所述主脊波导或\和副脊波导的一端或两端还连接有弯曲脊波导。

所述主脊波导或\和副脊波导在其一端或两端连接有与外界器件匹配的匹配结构。

一般的主脊波导的轴线和副脊波导的轴线之间的角度为5°至175°之间。为了使其整个耦合器的体积减少，我们优先考虑主脊波导的轴线和副脊波导的轴线平行设置，同时，其主脊波导的轴线和副脊波导的轴线之间的角度大小根据该定向耦合器的耦合度、方向性和工作带宽等指标经过优化而定。

当耦合孔的数目为1个时，相比以往的单孔耦合器，性能有明显的进步，当耦合孔的数目增加为2个时，可进一步的提高其耦合度。此时我们需要使得中空耦合管贴附在或主脊波导\和副脊波导的侧壁才能提高其方向性。

耦合孔在其俯视方向的投影形状不受限制，当考虑制作成本时，我们优先考虑能简易批量生产的圆形或三角形或四边形。

增加金属体时，所述耦合孔在俯视方向的投影形状为一字形或Y字形或十字型和其它多于4个分支的星状。

基于上述结构，本实用新型可以不采用标准脊波导结构，也就是矩形波导的高度或宽度是可以改变的，具体高度需根据定向耦合器的耦合度、方向性和工作带宽等指标经过优化而定。

单孔定向耦合器的工作原理可以叙述如下：

由于波导内壁可以近似看成理想导电平面，根据交变电磁场的边界条件，理想导电平面E只有与表面相垂直的分量，没有切向分量；磁场H只有与表面相切的分量，没有法向分量。主波导内电场垂直主副波导公共宽边，通过小孔达到副波导的那一部分电场仍垂直与主副波导公共宽边，其电力线形成一个弯头。磁场（磁力线）为平行于主波导宽壁的闭合曲线，故主波导的磁场（磁力线）在小孔处形成一组穿进穿出副波导的连续曲线。

通过小孔进入副波导的那一部分电场在副波导耦合孔两侧耦合出垂直向下的电场E^’，交变的电场E^’激发出感生磁场H^’(方向由S=E*H决定)，电、磁场交替激发，形成分别向耦合端和隔离端输出的电磁波。

通过小孔进入副波导的那一部分磁场在副波导耦合孔两侧耦合出水平向右的磁场H^’，交变的磁场H^’激发出感生的电场E^’， 电、磁场交替激发，形成分别向耦合端和隔离端输出的电磁波。

小孔耦合是上述电耦合和磁耦合的叠加，即把两种耦合形成的电磁波合并，我们可以看出往耦合端方向传输的电磁波同向叠加，形成耦合输出；往隔离端方向传输的电磁波反向叠加，相互抵消构成隔离，所以原则上是无耦合输出的；但是由于小孔电、磁耦合的不对称性，两者叠加产生了方向性。

本实用新型的优点在于结构紧凑、加工简单、工作带宽宽、功率容量大、插入损耗低，特别是在毫米波和太赫兹波段，与普通多孔定向耦合器相比，在低插损方面具有突出优势。本实用新型的紧凑型主副脊波导尺寸不同的定向耦合器可望广泛用于各微波波段及太赫兹波段的电子系统中，特别是雷达、导弹制导、通信等军事及民用领域。

附图说明

图1为本实用新型中主脊波导的轴线和副脊波导的轴线平行时的立体图。

图2为耦合孔的结构立体图。

图3为本实用新型实施例一的俯视图。

图4为本实用新型实施例一中A—A剖面图。

图5为本实用新型实施例二的俯视图。

图6为本实用新型实施例三的俯视图。

图7为本实用新型实施例四的俯视图。

图中的标号分别表示为：1、主脊波导；2、副脊波导；3、耦合孔；31、耦合腔；32、中空耦合管；7、金属体；4、弯曲脊波导；5、脊波导。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型实施方式不限于此。

如图1、2所示，主副脊波导尺寸不同的定向耦合器，包括作为微波主通道的主脊波导1和作为取样信号通道的副脊波导2、以及作为耦合通道的耦合孔3；主脊波导1和副脊波导2相互隔离；主脊波导1通过1个耦合孔与副脊波导2连通，耦合孔3包括贴附在主脊波导1侧壁或\和副脊波导2侧壁的中空耦合管32，中空耦合管32靠近脊波导1的侧壁连接有三端开口的耦合腔31，耦合腔31与中空耦合管32导通，耦合腔31位于主脊波导1和副脊波导2之间并与主脊波导1和副脊波导2导通。主脊波导的尺寸表示为：a1*h1，副脊波导的尺寸表示为：a2*h2，a1、a2分别表示为主脊波导和副脊波导的宽度，h1 、h2分别表示为主脊波导和副脊波导的高度；

主脊波导的尺寸和副脊波导的尺寸情况如下：

情况A：当主脊波导的尺寸小于副脊波导的尺寸时，

h2*10%＜h1＜h2*80%或\和a2*10%＜a1＜a2*80%；

情况B：当主脊波导的尺寸大于副脊波导的尺寸时，

h1*10%＜h2＜h1*80%或\和a1*10%＜a2＜a1*80%；

情况C：主脊波导的尺寸等于副脊波导的尺寸时，

a1=a2且h1=h2。

耦合孔3在其俯视方向的投影形状为圆形，且主脊波导1的轴线和副脊波导2的轴线互相平行。

相较于以往的单孔定向耦合器而言其改进点为：将传统的耦合孔改进为由耦合腔31和中空耦合管32组成的耦合通道，其中耦合腔31设置在主脊波导1和副脊波导2之间，中空耦合管32贴附在主脊波导1侧壁或\和副脊波导侧壁。这样可增加其方向性。

同时，相较于以往的单孔定向耦合器而言其另一个改进点为：将传统采用标准脊波导结构改进为采用普通脊波导结构，即主脊波导的尺寸和副脊波导的尺寸情况如下：

情况A：当主脊波导的尺寸小于副脊波导的尺寸时，

h2*10%＜h1＜h2*80%或\和a2*10%＜a1＜a2*80%；

情况B：当主脊波导的尺寸大于副脊波导的尺寸时，

h1*10%＜h2＜h1*80%或\和a1*10%＜a2＜a1*80%；

情况C：主脊波导的尺寸等于副脊波导的尺寸时，

a1=a2且h1=h2。这样可增加其方向性。

实施例一

如图3、4所示，本实施例包括设置有主脊波导1和副脊波导2，主脊波导1为微波主通道，副脊波导2为取样信号通道；主脊波导1和副脊波导2的轴线相互平行，主脊波导1和副脊波导2相互隔离，只通过1个耦合孔连通；耦合孔3的一部分在主脊波导1或副脊波导2以外。耦合孔3中加入另一个轴线与耦合孔3的轴线平行并与主脊波导1的轴线垂直的金属体7，该金属体7的横截面的形状为矩形，可以得到方向性较好的定向耦合器。

实施例二

如图5所示，与实施例一不同的地方是主脊波导1和副脊波导2之间是平行的，没有夹角。耦合孔3都只有部分在主脊波导1和副脊波导2里面，还有一部分在外面。耦合孔3内没有设置金属体7。

实施例三

    如图6所示，与实施例一不同的地方是主脊波导1和副脊波导2之间通过两个耦合孔3连通，两耦合孔3的中心分别位于主脊波导1和副脊波导2相交构成的平行四边形的两个相对的顶点附近。

实施例四

如图7所示，与实施例三不同的地方是主脊波导1和副脊波导2只通过一个耦合孔3连通，在主脊波导1的两端有弯曲脊波导4的过渡，这样可以得到方向性更好、带宽更宽的波导定向耦合器，在弯曲脊波导4的另一端连接着脊波导5。

如上所述便可较好的实现本实用新型。

Claims (7)

1.主副脊波导尺寸不同的定向耦合器，其特征在于：包括作为微波主通道的主脊波导（1）和作为取样信号通道的副脊波导（2）、以及作为耦合通道的耦合孔（3）；主脊波导（1）和副脊波导（2）的结构一致，其中主脊波导（1）和副脊波导（2）都是由上壁或\和下壁加载导体脊的矩形波导构成的；主脊波导（1）和副脊波导（2）相互隔离；主脊波导（1）通过1个或2个耦合孔（3）与副脊波导（2）连通，至少1个耦合孔（3）包括贴附在主脊波导（1）侧壁或\和副脊波导（2）侧壁的中空耦合管（32），中空耦合管（32）靠近主脊波导（1）的侧壁连接有三端开口的耦合腔（31），耦合腔（31）与中空耦合管（32）导通，耦合腔（31）位于主脊波导（1）和副脊波导（2）之间并与主脊波导（1）和副脊波导（2）导通；耦合孔（3）在其俯视方向的投影形状为圆形；耦合腔同时与主脊波导（1）的矩形空腔结构和副脊波导（2）的矩形空腔结构导通；

主脊波导（1）的尺寸表示为：a1*h1，副脊波导（2）的尺寸表示为：a2*h2，a1、a2分别表示为主脊波导（1）和副脊波导（2）的宽度，h1 、h2分别表示为主脊波导（1）和副脊波导（2）的高度；

主脊波导（1）的尺寸和副脊波导（2）的尺寸情况如下：

情况A：当主脊波导（1）的尺寸小于副脊波导（2）的尺寸时，

h2*10%＜h1＜h2*80%或\和a2*10%＜a1＜a2*80%；

情况B：当主脊波导（1）的尺寸大于副脊波导（2）的尺寸时，

h1*10%＜h2＜h1*80%或\和a1*10%＜a2＜a1*80%；

情况C：主脊波导（1）的尺寸等于副脊波导（2）的尺寸时，

a1=a2且h1=h2。

2.根据权利要求1所述的主副脊波导尺寸不同的定向耦合器，其特征在于：所述耦合孔（3）内设置有轴线与耦合孔（3）轴线平行并与主脊波导（1）的轴线垂直的金属体（7）。

3.根据权利要求3所述的主副脊波导尺寸不同的定向耦合器，其特征在于：该金属体（7）的横截面的形状为矩形。

4.根据权利要求1所述的主副脊波导尺寸不同的定向耦合器，其特征在于：所述主脊波导（1）的轴线和副脊波导（2）的轴线之间的角度为5°至175°之间。

5.根据权利要求1所述的主副脊波导尺寸不同的定向耦合器，其特征在于：所述耦合孔（3）的数目为2时，两耦合孔（3）的中心分别位于主脊波导（1）和副脊波导（2）在俯视方向投影后相交构成的平行四边形的两个相对的顶点附近。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的主副脊波导尺寸不同的定向耦合器，其特征在于：所述主脊波导（1）或\和副脊波导（2）的一端或两端还连接有弯曲脊波导（4）。

7.根据权利要求1-5中任意一项所述的主副脊波导尺寸不同的定向耦合器，其特征在于：所述主脊波导（1）或\和副脊波导（2）在其一端或两端连接有与外界器件匹配的匹配结构。

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