CN213026441U - 一种高方向性定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高方向性定向耦合器，属于微波器件技术领域，解决了现有的定向耦合器方向性较差造成测量信号误差较大的问题。定向耦合器包括矩形波导和至少一个耦合头，矩形波导的一个宽面设置有至少一个耦合头对应的通孔，耦合头包括外壳和耦合头本体；其中，外壳与矩形波导的宽面焊接，耦合头本体的下端通过通孔深入矩形波导的内部；耦合头本体包括与宽面垂直的两个端口，两个端口为两条同轴传输线，每一同轴传输线均包括由内向外同轴设置的内导体、支撑件和外导体，其中，支撑件设置在内导体与外导体之间。实现了传输功率的测量，且定向耦合器的方向性较高，简单易行，易于实施，具有较高实用价值。

Description

一种高方向性定向耦合器

技术领域

本实用新型涉及微波器件技术领域，尤其涉及一种高方向性定向耦合器。

背景技术

定向耦合器是微波系统中最常用的元件之一，尤其是在微波功率测量系统中，往往需要利用定向耦合器把功率信号耦合到测量系统能够测量的范围之内，再对信号进行精确地测量和分析。

现有的矩形波导定向耦合器的方向性普遍不是很高，一般国外厂商制造产品的技术指标是30dB，不能满足高精度测量和控制需求，尤其是在负载剧烈变化的工作场合下，随着反射功率的幅度大小和相位位置的变化，定向耦合器的采样信号测量值会有较大的波动，这就带来很大的测量误差。

本实用新型所涉及的高方向性定向耦合器是为了实现国家重大科技基础设施项目高能同步辐射光源工程的储存环和增强器的500MHz高频系统相关的高功率传输组件设备的高性能要求开发而成的，并且可以广泛应用于高指标要求的微波射频功率源、通讯及雷达系统设备中。

实用新型内容

鉴于上述的分析，本实用新型旨在提供一种高方向性定向耦合器，用以解决现有的定向耦合器方向性较差造成的测量信号误差较大的问题。

本实用新型的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种高方向性定向耦合器，包括矩形波导和至少一个耦合头；

所述矩形波导的一个宽面设置有与所述至少一个耦合头对应的通孔；

所述耦合头包括外壳和耦合头本体；其中，所述外壳与所述矩形波导的宽面焊接，所述耦合头本体的下端通过所述通孔深入矩形波导的内部；

所述耦合头本体包括与所述宽面垂直的两个端口，所述两个端口为两条同轴传输线，每一同轴传输线均包括由内向外同轴设置的内导体、支撑件和外导体，其中，所述支撑件设置在内导体与外导体之间。

进一步，所述支撑件的个数为4，且均为圆环状，其中，两个支撑件分别设置在两个内导体的底部，另外两个支撑件分别设置在两个内导体的中上部位置。

进一步，所述耦合头本体还包括耦合片，所述耦合片的两端设置有焊锡孔，通过所述焊锡孔与两个内导体的底部焊接。

进一步，所述矩形薄片的长度范围为20～60mm，宽度范围为2～20mm，高度范围为1～5mm；

所述耦合片的四角设置有圆形倒角，所述圆形倒角的半径为0.5～2.5mm。

进一步，两个所述内导体关于耦合片的中心点对称设置，且两个内导体之间的距离范围为25～50mm。

进一步，所述外壳为圆筒形状，所述外壳的外径与矩形波导的宽面设置的通孔内径相适配，外壳的下部向内方向设置有边沿。

进一步，所述外壳的内径范围为20～80mm。

进一步，所述定向耦合器还包括下部垫环，所述下部垫环位于外壳下部向内方向设置的边沿与外导体之间。

进一步，所述定向耦合器还包括上部固定压环，所述上部固定压环上设置有螺孔，以通过上部固定压环将耦合头本体与外壳固连。

进一步，所述定向耦合器还包括上部垫环，所述上部垫环位于上部固定压环与耦合头之间。

与现有技术相比，本实用新型至少可实现如下有益效果之一：

1、通过矩形波导与耦合头的结合，实现了微波功率的测量，定向耦合器中耦合头的每个关键结构的尺寸及大小均是通过仿真软件进行仿真优化且在隔离性能及方向性能达到最佳时得到的，每一个关键结构均对应最佳的方向性，使得由这些关键结构组成的定向耦合器具有较高的方向性，即使在发生负载剧烈变化引起全反射的情况，测得的入射功率采样值的波动都不会超过±1％，能够同时满足高精度测量和高精度控制的应用场合的技术需求，具有较高的实用价值。

2、通过耦合片对传输功率进行耦合，进而实现传输功率的测量，方法简单，易于实施。

3、通过外壳支撑整个耦合头本体的其余部件，并能够防止微波泄漏，有利于微波功率的传输。

本实用新型中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本实用新型的其他特征和优点将在随后的内容中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过文字以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本实用新型的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为一个实施例中高方向性定向耦合器的结构示意图；

图2为一个实施例中耦合头的内部结构示意图；

图3为一个实施例中正向耦合头及反向耦合头示意图；

附图标记：

1-波导，2-耦合头，21-外壳，22-耦合头本体，221-内导体，222-支撑件，223-外导体，224-耦合片，3-下部垫环。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理，并非用于限定本实用新型的范围。

本实用新型的一个具体实施例，公开了一种高方向性定向耦合器，如图1所示，包括矩形波导1和至少一个耦合头2，矩形波导的一个宽面设置有与至少一个耦合头对应的通孔。如图2所示，耦合头2包括外壳21和耦合头本体22，其中，外壳与矩形波导的宽面焊接，耦合头本体的下端通过通孔深入矩形波导的内部，耦合头本体22包括与宽面垂直的两个端口，两个端口为两条同轴传输线，每一同轴传输线均包括由内向外同轴设置的内导体221、支撑件222和外导体223，支撑件设置在内导体与外导体之间。支撑件的个数为4，且均为圆环状，两个支撑件分别设置在两个内导体的底部，另外两个支撑件分别设置在两个内导体的中上部位置，同时，四个支撑件均采用绝缘且光滑的材料，其材质为聚四氟乙烯，用于支撑内导体并将内导体与同轴传输线隔离，使微波能够几乎没有损耗地穿过。

实施时，耦合头的数量至少为一个，实际应用中，可根据需要设计耦合头的个数，示例性的，若设计的定向耦合器需满足同时测试传输功率、频谱分析并进行控制系统的反馈与控制等功能，可至少设计3个耦合头，其中两个耦合头为正向耦合头，一个耦合头为反向耦合头，具体如图3所示，三个耦合头按照功率传输方向依次排列设置在矩形波导的宽面上，其中，从左到右前两个为正向耦合头，第三个反向耦合头，第一个耦合头可用于测量传输功率，第二个可用于提取微波信号用于频谱分析，第三个耦合头可用于获取反射功率信号并将该反射功率信号并入到控制系统中进行反馈与控制。矩形波导的材质可以是铝，该矩形波导是定向耦合器的主传输线，耦合头中的一个内导体和一个外导体构成一条同轴传输线，即副传输线。在实际测量时，微波功率从矩形波导的一个输入端口输入，大部分功率通过矩形波导直接传输到其另一个输出端口，少部分功率通过电磁耦合的方式经由耦合结构传输到同轴传输线，再经过耦合端口输出，实现微波功率的测量，结构简单，易于实施，具有较高的隔离度，同时可提高微波功率测量的精度。

通过矩形波导与耦合头的结合，实现了微波功率的的测量，定向耦合器中耦合头的每个关键结构的尺寸及大小均是通过仿真软件进行仿真优化且在隔离性能及方向性能达到最佳时得到的，每一个关键结构均对应最佳的方向性，使得由这些关键结构组成的定向耦合器具有很高的方向性，即使发生负载剧烈变化引起全反射的情况，测得的入射功率采样值的波动都不会超过±1％，能够满足高精度测量和高精度控制的应用场合的技术需求，具有较高的实用价值。

优选地，耦合头本体还包括耦合片224，耦合片的两端设置有焊锡孔，通过焊锡孔与两个内导体的底部焊接。耦合片为矩形薄片，矩形薄片的长度范围为20～60mm，宽度范围为2～20mm，高度范围为1～5mm；耦合片的材质可以为铜，且四角设置有圆形倒角，所述圆形倒角的半径为0.5～2.5mm。两个内导体关于耦合片的中心点对称设置，且两个内导体之间的距离范围为25～50mm。具体来说，耦合片为矩形薄片，其长边方向的两端对称设置有焊锡孔，可分别与两个内导体焊接，耦合片通过电磁耦合的方式将微波功率从矩形波导按一定比例耦合一小部分到同轴传输线中，进而从耦合端口输出，以实现微波功率的测量。

通过耦合片对传输功率进行耦合，进而实现传输功率的测量，方法简单，易于实施。

优选地，外壳为圆筒形状，外壳的外径与矩形波导的宽面设置的通孔内径相适配，外壳的下部向内方向设置有边沿。外壳的材质可以为铝，外壳的内径范围为20～80mm。详细地，矩形波导安装耦合头的宽面设置有通孔，外壳的外径与通孔内径相适配，外壳与矩形波导的宽面焊接，同时外壳与上部固定压环通过螺钉连接。耦合头中的外壳用来支撑整个耦合头的其余部件，并能够防止微波泄漏。耦合头中与内导体焊接的耦合片通过矩形波导上的通孔深入矩形波导的内部，直接对矩形波导中的传输信号进行耦合，并经过内导体及外导体输出至耦合端口，以实现传输功率的测量。

通过外壳支撑整个耦合头本体的其余部件，并能够防止微波泄漏，有利于微波功率的传输。

优选地，定向耦合器还包括下部垫环3，下部垫环位于外壳下部向内方向设置的边沿与外导体之间。具体来说，下部垫环的高度决定了耦合片深入矩形波导内部的深浅，最终影响定向耦合器的方向性能，在本申请中，下部垫环的高度取值范围为0～20mm。同时，定向耦合器还包括上部固定压环和上部垫环，其中，上部固定压环上设置有螺孔，以通过上部固定压环将耦合头本体与外壳固连，上部垫环位于上部固定压环与耦合头之间。

定向耦合器中耦合头的每个关键结构的尺寸及大小均是通过仿真软件进行仿真优化且在隔离性能及方向性能达到最佳时得到的，每一个关键结构均对应最佳的方向性，使得由这些关键结构组成的定向耦合器具有较高的方向性。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高方向性定向耦合器，其特征在于，包括矩形波导和至少一个耦合头；

所述矩形波导的一个宽面设置有与所述至少一个耦合头对应的通孔；

所述耦合头包括外壳和耦合头本体；其中，所述外壳与所述矩形波导的宽面焊接，所述耦合头本体的下端通过所述通孔深入矩形波导的内部；

所述耦合头本体包括与所述宽面垂直的两个端口，所述两个端口为两条同轴传输线，每一同轴传输线均包括由内向外同轴设置的内导体、支撑件和外导体，其中，所述支撑件设置在内导体与外导体之间。

2.根据权利要求1所述的高方向性定向耦合器，其特征在于，所述支撑件的个数为4，且均为圆环状，其中，两个支撑件分别设置在两个内导体的底部，另外两个支撑件分别设置在两个内导体的中上部位置。

3.根据权利要求1所述的高方向性定向耦合器，其特征在于，所述耦合头本体还包括耦合片，所述耦合片的两端设置有焊锡孔，通过所述焊锡孔与两个内导体的底部焊接。

4.根据权利要求3所述的高方向性定向耦合器，其特征在于，所述耦合片为矩形薄片，所述矩形薄片的长度范围为20～60mm，宽度范围为2～20mm，高度范围为1～5mm；

所述耦合片的四角设置有圆形倒角，所述圆形倒角的半径为0.5～2.5mm。

5.根据权利要求4所述的高方向性定向耦合器，其特征在于，两个所述内导体关于耦合片的中心点对称设置，且两个内导体之间的距离范围为25～50mm。

6.根据权利要求1所述的高方向性定向耦合器，其特征在于，所述外壳为圆筒形状，所述外壳的外径与矩形波导的宽面设置的通孔内径相适配，外壳的下部向内方向设置有边沿。

7.根据权利要求6所述的高方向性定向耦合器，其特征在于，所述外壳的内径范围为20～80mm。

8.根据权利要求7所述的高方向性定向耦合器，其特征在于，所述定向耦合器还包括下部垫环，所述下部垫环位于外壳下部向内方向设置的边沿与外导体之间。

9.根据权利要求1所述的高方向性定向耦合器，其特征在于，所述定向耦合器还包括上部固定压环，所述上部固定压环上设置有螺孔，以通过上部固定压环将耦合头本体与外壳固连。

10.根据权利要求9所述的高方向性定向耦合器，其特征在于，所述定向耦合器还包括上部垫环，所述上部垫环位于上部固定压环与耦合头之间。

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