CN202737079U - 尺寸不同的多孔脊波导定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了尺寸不同的多孔脊波导定向耦合器，包括主脊波导和副脊波导、以及耦合孔；主脊波导和副脊波导相互隔离，主脊波导通过至少3个耦合孔与副脊波导连通；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；沿主脊波导轴线方向相邻的耦合孔依次交错分布于主脊波导轴线的左侧和右侧。本实用新型的优点在于结构紧凑、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。

Description

尺寸不同的多孔脊波导定向耦合器

技术领域

本实用新型涉及多孔定向耦合器，具体地说，是涉及一种利用多个孔进行加强耦合的尺寸不同的多孔脊波导定向耦合器。

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、方向性也有很所改善，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多孔定向耦合器。

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、宽带的尺寸不同的多孔脊波导定向耦合器。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：尺寸不同的多孔脊波导定向耦合器，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矩形空腔结构波导、以及设置在矩形空腔结构波导上壁或\和下壁的加载导体脊构成；主脊波导和副脊波导相互隔离；主脊波导通过至少3个耦合孔与副脊波导连通，耦合孔包括贴附在矩形空腔结构波导侧壁的中空耦合管，中空耦合管靠近矩形空腔结构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；所述耦合孔沿主脊波导的轴线方向排列，沿主脊波导轴线方向相邻的耦合孔依次交错分布于主脊波导轴线的左侧和右侧；沿主脊波导轴线方向上，相邻两耦合孔的孔心间距在主脊波导中心工作频率的波导波长的15%~35%之间；所述耦合腔中加入了一个轴线与耦合腔的轴线平行并与主脊波导轴线垂直的柱状金属体，该柱状金属体一端与对应的耦合腔的内壁连接；该柱状金属体的横截面的形状为多边形；

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*5%＜h1＜h2*85%或\和a2*5%＜a1＜a2*85%；

情况B：当主脊波导的尺寸大于副脊波导的尺寸时，

h1*5%＜h2＜h1*85%或\和a1*5%＜a2＜a1*85%；

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。

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、带宽更宽的多孔定向耦合器。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多孔定向耦合器。

中空耦合管在其俯视方向的投影形状为半圆形，耦合腔在其俯视方向的投影形状为圆形。

所述柱状金属体延伸进主脊波导的内部。

所述主脊波导或副脊波导的一端或两端还连接有弯曲波导；在弯曲波导的另一端还可连接有与外界匹配的匹配结构。

单孔定向耦合器在方向性上有相对窄的带宽，于是人们想到了设计一系列耦合孔，这一系列的耦合孔组成一个阵列，若干个阵列还可以叠加起来，由此来综合耦合度和方向性响应。利用小孔的方向性和阵列的方向性在耦合端叠加，就可以获得更好的方向性，并且这个额外的自由度还可以提高带宽。因此，为了增加耦合孔的耦合性能，我们将耦合孔沿主脊波导的轴线排列，同时为了增加耦合孔的口径，我们将相邻的耦合孔依次交错的分布于主脊波导轴线的左侧和右侧。

将耦合孔交错排列后，在满足耦合加强的条件下，即相邻两耦合孔的孔心间距应设置在主脊波导的中心工作频率的波导波长的15%~35%之间，我们可以增大耦合孔的口径，这样一来又可以进一步的加强耦合，从而进一步提高该矩形波导定向耦合器的方向性。作为进一步的改进，本实用新型可以不采用标准脊波导结构，也就是脊波导的尺寸是可以改变的，当主脊波导或\和副脊波导在尺寸方面做出调整，又可以进一步提高该多孔定向耦合器的方向性。具体尺寸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。

同时，优先选择横截面为矩形柱状金属体设置在耦合孔内，且柱状金属体在耦合孔内的位置不受限制，可根据实际需求进行设置。

为了使其整个定向耦合器的体积减少，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，并且整个定向耦合器都被密封在金属屏蔽盖的内部。

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。

增加柱状金属体时，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，本实用新型相较于以往的多孔定向耦合器而言其改进点1：将传统的耦合孔改进为由耦合腔和中空耦合管组成的耦合通道，其中耦合腔设置在主脊波导和副脊波导之间，中空耦合管贴附在主脊波导侧壁或\和副脊波导侧壁。这样可增加其方向性。

由于存在多个耦合孔，其多个耦合孔可以达到耦合加强的效果，同时为了使得耦合孔的孔径加大，达到增加耦合的效果，因此本实用新型进一步的改进点：耦合孔沿主脊波导的轴线排列，沿主脊波导轴线方向相邻的耦合孔依次交错的分布于主脊波导轴线的左侧和右侧；沿主脊波导轴线方向上，相邻两耦合孔的孔心间距在主脊波导的中心工作频率的波导波长的15%~35%之间。相邻的耦合孔交错分布以后，在单位面积内，由于我们采用交错的将耦合孔排布的主脊波导的两侧，那么势必在相同孔数的条件下，我们就可以增大耦合孔的口径，这样一来又可以进一步的耦合加强，从而进一步提高该多孔矩形波导定向耦合器的方向性。

多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脊波导公共宽边，通过小孔达到副波导的那一部分电场仍垂直于主副波导公共宽边，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脊波导的连续曲线。

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。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，相互抵消构成隔离端，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。

多孔定向耦合器就是利用一系列耦合孔组成一个阵列，若干个阵列还可以叠加起来，由此来综合耦合度和方向性响应。利用小孔的方向性和阵列的方向性在耦合端叠加，就可以获得更好的方向性，并且这个额外的自由度还可以提高带宽。

本实用新型的优点在于结构紧凑、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多孔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的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8为本实用新型实施例五的俯视图。

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；4、柱状金属体；5、弯曲波导；6、导体脊。

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，尺寸不同的多孔脊波导定向耦合器，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6的矩形空腔结构波导构成的；主脊波导1和副脊波导2相互隔离；耦合孔3包括贴附在主脊波导1侧壁或\和副脊波导侧壁的中空耦合管32，中空耦合管32靠近矩形波导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。其中，耦合孔3的数目为3个；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。耦合孔3沿主脊波导1的轴线排列，沿主脊波导1轴线方向相邻的耦合孔依次交错分布于主脊波导1轴线的左侧和右侧；沿主脊波导1轴线方向上，相邻两耦合孔3的孔心间距在主脊波导1的中心工作频率的波导波长的22%~28%之间。

相较于以往的多孔定向耦合器而言其改进点为：1、将传统的耦合孔改进为由耦合腔和中空耦合管组成的耦合通道，其中耦合腔设置在主脊波导和副脊波导之间，中空耦合管贴附在主脊波导侧壁或\和副脊波导侧壁；2、将相邻的耦合孔依次交错的分布于主脊波导轴线的左侧和右侧。相邻的耦合孔交错分布以后，我们就可以增大耦合孔的口径。这样可增加其方向性。

耦合孔沿主脊波导的轴线排列，沿主脊波导轴线方向相邻的耦合孔依次交错分布于主脊波导轴线的左侧和右侧；沿主脊波导轴线方向上，相邻两耦合孔的孔心间距在主脊波导的中心工作频率的波导波长的15%~35%之间。相邻的耦合孔交错分布以后，在单位面积内，由于我们采用交错的将耦合孔排布的主脊波导的两侧，那么势必在相同孔数的条件下，我们就可以增大耦合孔的口径，这样一来又可以进一步的耦合加强，从而进一步提高该矩多孔形波导定向耦合器的方向性。相较于以往的多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使其设置在主脊波导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，相较于以往的多孔定向耦合器而言其进一步的改进点为：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*5%＜h1＜h2*85%或\和a2*5%＜a1＜a2*85%；

情况B：当主脊波导的尺寸大于副脊波导的尺寸时，

h1*5%＜h2＜h1*85%或\和a1*5%＜a2＜a1*85%；

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。

对比本技术方案中，首先是将耦合孔的位置做出调整，相应的改变了耦合孔的结构，传统的耦合孔只是一个空腔结构，而本实用新型设计的耦合孔为两个导通的空腔结构。然后，在调整耦合孔的基础上，为了增加耦合度，本实用新型将耦合孔的数目限制在3个以及3个以上，以实现耦合孔的阵列排布。另外，传统采用标准脊波导结构改进为采用普通脊波导结构。因此，按照图1所示的结构进行定向耦合时；微波首先进入主脊波导，在主脊波导内传输时，当遇到三个按照交叉阵列的耦合孔后，在耦合孔内进行耦合，并将微波耦合到副脊波导内，同时在三个耦合孔内进行加强。

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相互隔离，通过5个耦合孔3连通；5个耦合孔3的部分在主脊波导1和副脊波导2以外。所述耦合孔3的轴线与主脊波导1的轴线垂直，其横截面的形状为不规则多边形；耦合孔3位于主脊波导的两侧，沿主脊波导1轴线方向上，相邻两耦合孔的孔心间距在主脊波导1的中心工作频率的波导波长的22%~28%之间，即相邻两耦合孔中的任意一个耦合孔沿着主脊波导1轴线方向移动中心工作频率的波导波长的22%~28%后，可使得该相邻的两个耦合孔的孔心连线与主脊波导的轴线垂直，每个耦合孔3中都加入了另一个轴线与耦合孔3的轴线平行并与主脊波导1的轴线垂直的柱状金属体4，该柱状金属体4的横截面的形状为矩形。

实施例二

如图5所示，与实施例一不同的地方是主副脊波导通过4个耦合孔连通并且副脊波导2的两端还连有弯曲波导5，在弯曲波导5的另一端还连接有与外界匹配的匹配结构。这样可以方便定向耦合器与外界器件的连接，从而可以得到方向性更好，带宽更宽的波导定向耦合器。

实施例三

如图6所示，与实施实例一不同的地方是5个耦合孔3交错分布在主脊波导1的两侧，耦合孔3的横截面为椭圆，并且耦合孔3内都没有加柱状金属体4。

实施例四

如图7所示，与实施实例三不同的地方是耦合孔3的横截面为矩形，并且耦合孔3内设置有横截面形状为矩形的柱状金属体4。

实施例五

如图8所示，与实施实例三不同的是耦合孔3的横截面为三角形。

如上所述便可较好的实现本实用新型。

Claims (4)

1.尺寸不同的多孔脊波导定向耦合器，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）都是由矩形空腔结构波导、以及设置在矩形空腔结构波导上壁或\和下壁的加载导体脊（6）构成；主脊波导（1）和副脊波导（2）相互隔离；主脊波导（1）通过至少3个耦合孔（3）与副脊波导（2）连通，耦合孔（3）包括贴附在矩形空腔结构波导侧壁的中空耦合管（32），中空耦合管（32）靠近矩形空腔结构波导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；所述耦合孔（3）沿主脊波导（1）的轴线方向排列，沿主脊波导（1）轴线方向相邻的耦合孔（3）依次交错分布于主脊波导（1）轴线的左侧和右侧；沿主脊波导（1）轴线方向上，相邻两耦合孔（3）的孔心间距在主脊波导（1）中心工作频率的波导波长的15%~35%之间；所述耦合腔（31）中加入了一个轴线与耦合腔（31）的轴线平行并与主脊波导（1）轴线垂直的柱状金属体（4），该柱状金属体（4）一端与对应的耦合腔（31）的内壁连接；该柱状金属体（4）的横截面的形状为多边形；

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*5%＜h1＜h2*85%或\和a2*5%＜a1＜a2*85%；

情况B：当主脊波导（1）的尺寸大于副脊波导（2）的尺寸时，

h1*5%＜h2＜h1*85%或\和a1*5%＜a2＜a1*85%；

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所述的尺寸不同的多孔脊波导定向耦合器，其特征在于：中空耦合管（32）在其俯视方向的投影形状为半圆形，耦合腔（31）在其俯视方向的投影形状为圆形。

3.根据权利要求4所述的尺寸不同的多孔脊波导定向耦合器，其特征在于：所述柱状金属体（4）延伸进主脊波导（1）的内部。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的尺寸不同的多孔脊波导定向耦合器，其特征在于：所述主脊波导（1）或副脊波导（2）的一端或两端还连接有弯曲波导（5）；在弯曲波导（5）的另一端还可连接有与外界匹配的匹配结构。

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