CN203013912U - 高方向性紧凑型定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公布了高方向性紧凑型定向耦合器，包括主传输线和副传输线，还包括连通主传输线和副传输线的耦合孔，和设置在耦合孔附近的加载体，耦合孔位于主传输线和副传输线的公共壁上，主传输线的两端分别为输入端口和输出端口，副传输线的两端分别为耦合端口和隔离端口。主传输线和副传输线的轴线都与水平面平行。本实用新型具有结构简单紧凑、工作频带宽、方向性好、插入损耗低、加工调试成本低等特点，可以用于微波功率信号的分路取样，以便对微波信号进行功率测量、信号检测、显示指示和监视等。

Description

高方向性紧凑型定向耦合器

技术领域

本实用新型涉及一种耦合器，具体地说，是涉及一种高方向性超宽带波导型定向耦合器。

背景技术

    在电子设备与系统当中，尤其是微波高功率设备中，定向耦合器是不可或缺的重要微波元件之一。定向耦合器主要用于微波功率信号的分路取样，以便对微波信号进行功率测量、信号检测、显示指示和监视等。已有的定向耦合器有各种各样的类型和具体形式，按耦合输出方向分类有同向和反向之分，按传输线形式分类有波导、同轴、带线、微带之分，按耦合方式分类有离散耦合与连续耦合之分，按耦合强弱分类有强耦合与弱耦合之分，按承受功率的大小分类有小功率定向耦合器和大功率定向耦合器之分，而且每一种类的定向耦合器，由于具体的用途和应用场合的不同，又将会有多种不同的具体形式。然而报道中的十字定向耦合器的带宽大都小于30%，方向性大都低于20dB, 而对于其他波导型定向耦合器，为了增加带宽，多采用多孔耦合的方式，难于实现耦合器的小型化。

实用新型内容

本实用新型将介绍一种高方向性超宽带波导型定向耦合器，主线和副线均采用波导结构，耦合机构采用孔和加载体实现，以其电路简单、结构新颖、加工装配方便、无需调试为主要特点，提供一种插入损耗小，端口驻波比好，方向性及可靠性高的超宽带紧凑型定向耦合器。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：高方向性紧凑型定向耦合器，包括主传输线和副传输线，还包括连通主传输线和副传输线的耦合孔，和设置在主传输线内或\和副传输线内的加载体，加载体相邻于耦合孔，主传输线的两端分别为输入端口和输出端口，副传输线的两端分别为耦合端口和隔离端口。

主传输线和副传输线被公共壁隔开，耦合孔位于主传输线和副传输线的公共壁上，耦合孔的深度与公共壁的厚度一致。

所述主传输线和副传输线都为矩形空波导或矩形脊波导。

所述的耦合孔至少部分位于或全部位于俯视时主传输线和副传输线的重叠区域中。

当耦合孔的数目为1，且耦合孔的水平方向的横截面为中心对称图形或正多边形，以及俯视时主传输线和副传输线的重叠区域的形状为中心对称图形或正多边形时，耦合孔的对称中心点或内切圆圆心与重叠区域对称中心点或内切圆圆心的距离大于0，正多边形的边数为奇数。

当耦合孔的数目大于或等于2，且耦合孔的水平方向的横截面为中心对称图形或正多边形，以及俯视时主传输线和副传输线的重叠区域的形状为中心对称图形或正多边形时，至少有一个耦合孔的对称中心点或内切圆圆心与重叠区域对称中心点或内切圆圆心的距离大于0，正多边形的边数为奇数。

当俯视时主传输线和副传输线的重叠区域的形状为中心对称图形或正多边形时，两个耦合孔相对于重叠区域的对称中心点或内切圆圆心对称排布。

由于当重叠区域的形状为中心对称图形和耦合孔的水平方向的横截面为中心对称图形时，如果将耦合孔放置在重叠区域正中位置，即耦合孔对称中心点与重叠区域对称中心点重合时，则不产生方向性，因此在实施本实用新型时，应当排除这种技术方案，但是当重叠区域的形状为非中心对称图形或耦合孔的水平方向的横截面为非中心对称图形时，则无论耦合孔放置在哪个位置均会产生方向性，因此不限制其排布。另外，经研究发现，当耦合孔距离重叠区域中心位置越远时，其方向性越好。为此，在实施本实用新型时，优先将耦合孔放置在距离重叠区域边界位置较近处，同时进一步的研究发现，当耦合孔的数目为2时，优先将耦合孔放置在对称的两个角落区域上，定向耦合器的方向性最佳。即所述的耦合孔的数目为1，且重叠区域为矩形或平行四边形或正多边形时，耦合孔分布在俯视时主传输线和副传输线的重叠区域的一条对角线的一边；所述的耦合孔的数目为2，且重叠区域为矩形或平行四边形或正多边形时，两个耦合孔分别分布在俯视时主传输线和副传输线的重叠区域的一条对角线的两边，进一步的，还可以将两个耦合孔相对于重叠区域对称中心点或内切圆圆心对称排布，以改善其耦合效果。

所述的加载体为金属体或介质体，加载体置于副传输线的下内壁或\和上内壁上，其在水平面上的位置在俯视时主传输线和副传输线的重叠区域中。

所述耦合孔的水平方向的横截面形状为圆形，或水平方向的横截面形状为十字形，或水平方向的横截面形状为矩形。

主传输线轴线与副传输线轴线的夹角的角度为а，а的取值范围为0度~90度，以90度为佳。且主传输线和副传输线的轴线都与水平面平行。

以往的定向耦合器，其耦合孔均全部位于主传输线和副传输线的重叠区域中，且没有在传输线中添加任何加载体，主要具有方向性差、带宽窄的缺陷，在现有的技术中，为了增加带宽，常常增加多个耦合孔，因此以现有技术生产出来的定向耦合器的结构较大，在很多场合中都不太实用，并限制了带有定向耦合器设备的发展。而本实用新型通过在耦合孔附近的副传输线内或\和主传输线内添加若干加载体，使得该定向耦合器的方向性得到了很大的改善，带宽也得到相应的增加，达到了波导基模工作的全带宽，这是以往定向耦合器所有不能达到的技术。

具体的说，本实用新型的最大特点是摒弃了以往只改变耦合孔的大小，方向及数目来调谐驻波比，耦合度及方向性，而在耦合孔附近的传输线中添加加载体，进而增加调谐驻波比，耦合度及方向性的自由度，且通过改变加载体的尺寸及方向，影响该紧凑型定向耦合器的方向性最为显著。为了方便加工和装配，降低器件成本，主传输线和副传输线的轴线都与水平面平行。

本实用新型的工作原理可以简述如下：微波信号通过主传输线上的输入端口输入，信号的一部分功率通过耦合孔耦合到副传输线中，传输到副传输线上的耦合端口时同相叠加，从耦合端口输出。在隔离端口，由于信号在这里叠加时，相位相反，输出功率很小。而输入信号的其余功率则通过主传输线的输出端口输出。输入端口的反射很小，隔离端口中的输出功率也很小，从而很好地实现了高方向性紧凑型定向耦合器的功能。微波信号通过耦合孔后，微波信号有向加载体方向集中的趋势，形成定向耦合效果。

本实用新型的优点在于：结构体积小，相比于传统的定向耦合器，其耦合孔的数目可以只设置1个或2个，其性能也远远优于现有的多孔定向耦合器，另外具有显著的高方向性和超宽带的特点。

附图说明

图1为本实用新型的俯视图。

图2为实施实例1、2、3的俯视图。

图3为实施实例1主传输线的横截面图。

图4为实施实例1计算结果曲线。

图5为实施实例2主传输线的横截面图。

图6为实施实例3主传输线的横截面图。

附图中标号对应名称：1-主传输线，2-副传输线,3-耦合孔,4-加载体,5-俯视时主传输线和副传输线的重叠区域。

具体实施方式

实施实例1

如图1、2、3所示，高方向性紧凑型定向耦合器，其特征在于，包括主传输线1和副传输线2，还包括连通主传输线和副传输线的耦合孔3，和设置在耦合孔3附近的加载体4，耦合孔3位于主传输线1和副传输线2的公共壁上，主传输线1的两端分别为输入端口和输出端口，副传输线2的两端分别为耦合端口和隔离端口。

所述主传输线1和副传输线2都为矩形空波导或矩形脊波导。

所述的耦合孔3至少部分位于或全部位于俯视时主传输线1和副传输线2的重叠区域5中。

所述的耦合孔3附近的加载体4位于副传输线2中，加载体4还可以位于主传输线1中，其水平方向的位置至少部分或全部位于俯视时主传输线1和副传输线2的重叠区域5中。

当耦合孔3的数目为1，且耦合孔3的水平方向的横截面为中心对称图形或正多边形，以及俯视时主传输线1和副传输线2的重叠区域5的形状为中心对称图形或正多边形时，耦合孔3的对称中心点或内切圆圆心与重叠区域5对称中心点或内切圆圆心的距离大于0，正多边形的边数为奇数。

当耦合孔3的数目大于或等于2，且耦合孔3的水平方向的横截面为中心对称图形或正多边形，以及俯视时主传输线1和副传输线2的重叠区域5的形状为中心对称图形或正多边形时，至少有一个耦合孔的对称中心点或内切圆圆心与重叠区域5对称中心点或内切圆圆心的距离大于0，正多边形的边数为奇数。

当俯视时主传输线1和副传输线2的重叠区域5的形状为中心对称图形或正多边形时，两个耦合孔相对于重叠区域5的对称中心点或内切圆圆心对称排布。

在本实施例中，耦合孔3的数目为2，且耦合孔的水平方向的横截面为中心对称图形以及俯视时主传输线1和副传输线2的重叠区域5的形状为中心对称图形（平行四边形）时，至少有一个耦合孔的对称中心点与重叠区域5对称中心点的距离大于0，或两个耦合孔的对称中心点都与重叠区域5对称中心点的距离大于0且两个耦合孔分布在该重叠区域5的一条对角线的两边。

由于当重叠区域5的形状为中心对称图形和耦合孔的水平方向的横截面为中心对称图形时，如果将耦合孔放置在重叠区域5正中位置，即耦合孔对称中心点与重叠区域对称中心点重合时，则不产生方向性，因此在实施本实用新型时，应当排除这种技术方案，但是当重叠区域5的形状为非中心对称图形或耦合孔的水平方向的横截面为非中心对称图形时，则无论耦合孔放置在哪个位置均会产生方向性，因此不限制其排布。另外，经研究发现，当耦合孔距离重叠区域5中心位置越远时，其方向性越好。即所述的耦合孔3的数目为1时，耦合孔3分布在俯视时主传输线1和副传输线2的重叠区域5的一条对角线的一边；所述的耦合孔3的数目为2时，两个耦合孔3分别分布在俯视时主传输线1和副传输线2的重叠区域5的一条对角线的两边。

所述的加载体4为金属体或介质体，加载体4置于副传输线2的下内壁或\和上内壁上，其在水平面上的位置在俯视时主传输线1和副传输线2的重叠区域5中无耦合孔的区域上。

所述耦合孔3的水平方向的横截面形状为圆形，或水平方向的横截面形状为十字形，或水平方向的横截面形状为矩形。

主传输线1轴线与副传输线2轴线的夹角的角度为а，а的取值范围为0度~90度。优选的，如图2，主传输线1轴线与副传输线2轴线的夹角为90度。当然还可以为45度或30度或60度。

为了方便加工及装配，主传输线1和副传输线2的轴线都与水平面平行。

微波信号通过主传输线1上的输入端口输入,信号的一部分功率通过耦合孔3耦合到副传输线2中,传输到副传输线2上的耦合端口时同相叠加,从耦合端口输出。在隔离端口,由于信号在这里叠加时,相位相反,输出功率很小。而输入信号的其余功率则通过主传输线1的输出端口输出。输入端口的反射很小，隔离端口中的输出功率也很小，从而很好地实现了高方向性紧凑型定向耦合器的功能。

根据实施实例1的结构计算得到的高方向性紧凑型定向耦合器的S参数如图4所示。从图中可以看出，在X波段8.2GHz到12.5GHz工作带宽内，即在X波段的全带宽内，主传输线1的输入端口1的反射都低于-30dB，隔离端口上的输出低于-50dB，耦合端口的耦合度均在-20+0.8dB以内，从而可以得知该定向耦合器的方向性大于30dB。因此，该实施实例提供了一只覆盖X波段全带宽的高方向性紧凑型定向耦合器。

实施实例2

如图2和5，与实施实例1的区别仅在于，主传输线1和和副传输线2为脊波导，且脊处于主传输线1的上内壁连接。

实施实例3

如图2和6，与实施实例1的区别仅在于，主传输线1和副传输线2为脊波导，且脊处于主传输线1的下内壁连接。

    上述仅为举例。实际生产中，耦合孔3的个数可以为1个或多个，加载体4的个数亦可以为1个或多个。

如上所述，即可较好的实现本实用新型。

Claims (10)

1.高方向性紧凑型定向耦合器，其特征在于，包括主传输线（1）和副传输线（2），还包括连通主传输线（1）和副传输线（2）的耦合孔（3），和设置在主传输线（1）内或\和副传输线（2）内的加载体（4），加载体（4）相邻于耦合孔（3），主传输线（1）的两端分别为输入端口和输出端口，副传输线（2）的两端分别为耦合端口和隔离端口。

2.根据权利要求1所述的高方向性紧凑型定向耦合器，其特征在于，主传输线（1）和副传输线（2）被公共壁隔开，耦合孔（3）位于主传输线（1）和副传输线（2）的公共壁上，耦合孔（3）的深度与公共壁的厚度一致。

3.根据权利要求1所述的高方向性紧凑型定向耦合器，其特征在于，所述主传输线（1）和副传输线（2）都为矩形空波导或矩形脊波导。

4.根据权利要求1所述的高方向性紧凑型定向耦合器，其特征在于，所述的耦合孔（3）至少部分位于或全部位于俯视时主传输线（1）和副传输线（2）的重叠区域（5）中。

5.根据权利要求1所述的高方向性紧凑型定向耦合器，其特征在于，当耦合孔（3）的数目为1，且耦合孔（3）的水平方向的横截面为中心对称图形或正多边形，以及俯视时主传输线（1）和副传输线（2）的重叠区域（5）的形状为中心对称图形或正多边形时，耦合孔的对称中心点或内切圆圆心与重叠区域（5）对称中心点或内切圆圆心的距离大于0，正多边形的边数为奇数。

6.根据权利要求1所述的高方向性紧凑型定向耦合器，其特征在于，当耦合孔（3）的数目大于或等于2，且耦合孔（3）的水平方向的横截面为中心对称图形或正多边形，以及俯视时主传输线（1）和副传输线（2）的重叠区域（5）的形状为中心对称图形或正多边形时，至少有一个耦合孔的对称中心点或内切圆圆心与重叠区域（5）对称中心点或内切圆圆心的距离大于0，正多边形的边数为奇数。

7.根据权利要求1所述的高方向性紧凑型定向耦合器，其特征在于，当俯视时主传输线（1）和副传输线（2）的重叠区域（5）的形状为中心对称图形或正多边形时，两个耦合孔相对于重叠区域（5）的对称中心点或内切圆圆心对称排布。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的高方向性紧凑型定向耦合器，其特征在于，所述的加载体（4）为金属体或介质体， 加载体（4）置于副传输线（2）的下内壁或\和上内壁上，其在水平面上的位置在俯视时主传输线（1）和副传输线（2）的重叠区域（5）中。

9.根据权利要求1-7中任意一项所述的高方向性紧凑型定向耦合器，其特征在于，所述耦合孔（3）的水平方向的横截面形状为圆形，或水平方向的横截面形状为十字形，或水平方向的横截面形状为矩形。

10.根据权利要求1-7中任意一项所述的高方向性紧凑型定向耦合器，其特征在于，主传输线（1）轴线与副传输线（2）轴线的夹角的角度为а，а的取值范围为0度~90度，且主传输线（1）和副传输线（2）的轴线都与水平面平行。

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