CN87102309A - 宽带短缝混合耦合器 - Google Patents

Abstract

一个混合式波导耦合器由一对公共一个侧壁的矩形截面波导构成。在该侧壁上的一个窗孔提供了这对波导中的第一根与第二根之间的电磁能量的耦合。一个输入端位于第一波导的一端。一对台阶状的多层台座相对着该耦合窗孔安置在该两波导的外侧壁上。选择台座台面的尺寸来参差调谐该耦合器的频率响应，以便实现宽带工作。

Description

本申请是题为“相位补偿了的混合式耦合器”（Phase    Compensated    Hybrid    Coupler）申请于1985年10月2日的、申请序号为782，677，并且转让给受让本申请的同一个受让人的专利申请的部份继续申请。

本发明涉及可工作于微波频率的电气耦合器件，更详细地涉及改进了的宽带短缝耦合器。

混合式耦合器被广泛地用于微波电路中，用来将一个波导里的电磁能量的一部分耦合到另一个波导中去。在某些情况下，耦合比率是二分之一，以便在两个波导之间产生对等的功率分割。在另一些情况下，可能是较小数量的功率，例如功率的四分之一或十分之一，被从一个波导耦合到第二个波导。在通称为混合式耦合器的一个常见的耦合器结构中，该两个波导被相互邻贴着并平行地放置在一起，以共有一个公共的波导壁。公共壁上的一个小孔或缝隙提供了电磁能量的合。

虽然这种耦合器能令人满意地在相对地窄的频率带宽上工作，例如X波段的3dB（分贝）耦合器的带宽在5～15%范围内;但在相当宽阔的带宽上其性能就一直不能令人满意。

所以，提供一种可工作于微波频率的、宽带的、和结构紧凑的混合式耦合器就代表了技术上的一个进展。

本发明提供了一种宽带短缝混合式波导耦合器，其两个波导是侧壁贴着侧壁放置着的，每一根波导由一些金属壁构成，即把两个宽壁与两个侧壁联接成具有矩形截面的形状。这两根波导共有一个公共的侧壁。提供混合式耦合的一个耦合窗孔位于该公共侧壁上。这种通过公共壁上的窗孔将电磁能量从第一波导耦合到第二波导的混合式耦合法固有地引进一个-90°的相位移。该耦合器的一个输入端位于第一波导并在耦合窗孔的一侧。该混合式耦合器具有两个输出端，这两个输出端是位于第一波导的一个直通端口和另一个位于第二波导的耦合端口，它们都在耦合窗孔的远离输入端的另外一侧。

根据本发明，在面对着的两个波导的侧壁上配置了一对台阶状的台座以减小该两波导在耦合窗孔处的宽度。该台阶状台座是几层包括竖面和台面的结构，其尺寸按照参差调谐偶合器的频率响应来选择。一组台面使得在一个子频带上取得频率响应的峰值;其他几组台面使得在相邻的子频带上取得频率响应的峰值。由参差调谐完成的合成的振幅频率响应相对地来说是宽带的。

以上所说的情况和本发明的其它特点是结合了所附插图的下列描述来阐明的。在所有这些插图中用同样的说明字符来辨别相应的部位，其中：

图1是本发明带补偿的耦合器的端视图;

图2是该偶合器沿图1中2-2线截面的平面图;

图3是该偶合器沿图1中3-3线的纵向剖面图;

图4是该偶合器沿图1中4-4线的纵向剖面图;

图5是这个带补偿的耦合器的两个移相段的每一段的相位移对频率的曲线图。

图6是本发明的不带相位补偿的宽带耦合器的端视图;

图7是图6所示的耦合器沿图6中7-7线剖面的平面图;

图8是图6中的耦合器沿图6中8-8线的纵向剖面图;

图9是图6中的耦合器沿图6中9-9线的纵向剖面图;

图10是图6所示耦合器的特定调谐段的振幅频率响应的定性曲线;

图11是图6所示耦合器的合成振幅频率响应的定性曲线。

参照图1到图4，根据本发明构成了一个用来耦合电磁能量的混合式耦合器10。该耦合器10由第一波导12和第二波导14构成，每一波导具有矩形截面的形状，其宽壁与窄壁之比率为2∶1。为了在12GHz（千兆赫）的微波频率工作，采用了WR-75型波导。每一根波导有两个宽壁，即一个顶壁16和一个底壁18。它们由两个窄壁相联，即外侧壁20和公共壁22。这个公共壁也用作为波导12和波导14的每一个的内侧壁。耦合器10是一个频带很宽的器件。在本发明的一个优先选用的实例中，该耦合器的工作频率范围从11.7GHz一直延伸到14.5GHz。

根据本发明的一个方面，该耦合器10在波导12和波导14之间具有电磁能量的混合式耦合和相位补偿的双重功能。电磁能量的耦合由位于公共壁22上的窗孔24来实现。对于3dB的耦合度，窗孔24是一直开着的，并取沿着波导12或14的纵向轴一个固定的长度，即大约等于该电磁能量的一个自由空间波长的长度。对于较小的耦合量，窗孔24的长度就减小，例如6dB耦合量时为0.8个波长。

耦合器10具有两个输出端，如图示的直通端口26和耦合端口28，它们分别地位于波导12和14的一端。耦合器10还包括一个位于第一波导12的一端并在直通端口26对面的输入端口30，和一个位于第二波导的一端并在耦合端口28对面的隔离端口32。该隔离端口32被示意地图示为与一个电阻器34相联接，该电阻器代表一个具有与第二波导14的阻抗相匹配的无反射负载。这样一个负载（未画出）典型地由一个大家熟知的楔形物的形式构成，它在耦合器10的工作频率上吸收电磁能量，并被方便地装置在一段波导里（未画出），用法兰盘（未画出）与隔离端口32相联。在使用时，耦合器10可以与一个微波电路（未画出）的几个元件相联接，这些元件可能包含波导连接件，那就可以用惯常的方法，像用法兰盘（未画出），将它们与耦合器10的端口26、28和30相联接。

在波导12和波导14的公共侧壁上耦合窗孔24的布置提供了一个相位差为90°的侧壁短缝混合式耦合器的构造。在两个波导之间通过窗孔24耦合的两个微波信号存在一个滞后90°的相位移。在一个相位差为90°的侧壁短缝混合式耦合器的大家熟知的工作机理中，这样的一个相位移是固有的。在许多微波电路中，例如相控阵天线的电路中，这种相位移是不希望存在的。这就需要某种相位补偿法，使波导12和波导14的两个微波信号之间的相位相同。

本发明提供了这种必不可少的相位补偿法，即采用四个一组的电容性档板36和四个一组的电感性档板38。这组电容性档板36位于第一波导12中离开窗孔24处，而电感性档板38位于第二波导14中离开窗孔24处。在波导12中那些电容性档板36的形状结构组成一个移相器40，它在直通端口26处引入一个45°的滞后相位移。在波导14中那些电感性档板38的形状结构组成一个相移器42，它在合端口28处引入一个45°的超前相位移。在窗孔24处引入的-90°相位移与移相器42引入的+45°相位移组合起来就在耦合端口28处造成一个-45°的净相位移，它与移相器40在直通端口26处引入的-45°相位移相平衡。

为了将耦合器10应用于某些实际系统中，例如用于通过一个装载在卫星上的天线传送双向通信的微波电路中，总是希望设计制造具有足够带宽的耦合器10，以便同时容纳一个发送信道、一个接收信道和一个防止该两信道串扰而在频域上把它们分隔开来的一个空带。耦合器10增大了的带宽是靠采用了台阶状台座44而实现的，台座被置于外侧壁20上并处于窗孔24的中心线上。台座44减小了波导12和波导14在窗孔24处的宽度，因而增大了通过窗孔24的辐射能量的耦合度。

每一个台座44由具有台面46A-E和竖面48A-E的三个层级组成。台座44的尺寸可以调整以获得要求的带宽。用自由空间波长来衡量的典型尺寸如下：总长度为一又四分之一波长，台面46c是二分之一波长，台面46B和46D每一个为四分之一波长，台面46A和台面46E每一个为八分之一波长。竖面48A和48E每一个高0.050英寸，竖面48B和48D每一个高为0.045英寸，台面46C两边的竖面48C每一个是0.060英寸。请注意，这些竖面的每一个都小于十分之一波长，以致使台座44引起的反射减到最小程度。

就移相器40的结构尺寸而言，中间两块挡板36具有八分之一波长的同样高度，在耦合器10的工作频率上这个高度是0.110英寸。在这组档板两端的剩下的两块档板36具有大约十六分之一波长的相同高度，即在耦合器10的工作频率上为0.080英寸，这比中间那两个档板36的高度要矮一些。每一个档板36的厚度沿波导12的轴向测量为八分之一波长，相继两个档板36的中心间距为四分之一个波导波长。每一个档板36的宽度，沿着与波导轴垂直的方向测量，大约是0.2英寸。与这些电容性档板36相毗邻的那段波导壁的长度是1.7英寸。这些电容性档板36被置于两个侧壁20和22之间的正中间。虽然这些电容性档板36在图中是从底壁18向上伸展的;应当指出，换一个办法，它们也可以从顶壁16向下伸展来构成。

对于移相器42的构成而言，中间两个电感性档板38从外侧壁20伸展0.115英寸的长度，而余下的位于这组档板外部两端的两个档板38从侧壁20伸出较短的距离，即0.110英寸。这些电感性档板38的中心的间距是四分之一个波导波长。这些电感性档板38的厚度沿着波导14的轴向测量大约是八分之一个自由空间波长。

耦合器10的另一些尺寸如下：毗连输入端口30的那段公共壁22为0.7英寸;在波导12和波导14的每一个里面，测壁20和22的间距为0.75英寸，这大约是四分之三个波长。该耦合器10的总长度是3.6英寸。

在制作耦合器10时，黄铜或者铝既用来制造波导壁，也用来制造台座44和档板36与38。两种金属都具有满足要求的电导率，当欲减轻重量时就采用铝。台座44和电感性档板38都从顶壁16延伸到底壁18。尽管电容性档板能被制作得展满两个短侧壁之间的整个长度，但在优先选用的实例中，用上面指出的宽度制造电容性档板36（该宽度仅占第一波导12的两个侧壁20和22之间宽度的一部分），就已经能获得要求的相位移和带宽了。

在应用中，该耦合器10用作Ku波段的在其输出端26和28引入相位补偿的侧壁短缝混合式耦合器。这种相位补偿法是对频率无色散的，而且这种移相结构允许将耦合器件组装在一个紧凑的、轻重量的组件内以便用于宽带功率分配网络。电容性移相器40在直通端口26引入一个-45°的相位移。电感性移相器42在第二波导14引入一个+45°的相位移，它和由混合式偶合法引入的-90°相位移代数相加。这个-45°相位移和该90°相位移在第二波导14内的代数相加就在偶合端口28产生一个-45°的合成相移，它与直通端口26处的-45°相移等同。因此，当将射频能量施加于输入端口30上，最终在直通端口26和偶合端口28处输出的电磁波相互之间就是同相位的。

图5示出了40和42这两个移相器相互统调的频率色散特性，这是本发明的一个特点。众所周知，一个移相器在某一频率上引入的相位移与在另一频率上引入的相位移是稍有差异的。耦合器10是要在一个宽阔的频率范围内使用的，因而相位移附频率的任何变化就必须被校正。虽然电感性档板38和电容性档板36的相位移的名义值分别为+45°和-45°，但其实际的相移值将作为频率的函数偏离该名义值。由图5可见，电感性移相器42在频率较低时引入的相位移超过了+45°，而在较高的频率该相移值将向名义值下降。由电容性移相器40引入的相位移在较低的频率时是小于名义值的，而在较高的频率它将增大到名义值。

尽管如此，根据本发明的一个重要的特点，由这组电感性档板和这组电容性档板引入的相位移之间的差值将在要求的整个频带范围内保持90°的恒定值。就这样，偶合器10补偿了由频率引起的相位移变化，因而对一个混合式偶合器固有的90°相位移提供了一种宽带补偿法。由图5可见，代表电感性档板组的上面一条曲线准确地跟踪着代表电容性档板组的下面一条曲线。因而偶合器10的相位补偿法比至今可得的相位补偿器件拥有一个重大的优点，那就是本发明的补偿法是与频率色散无关的。获得这个优点的同时还具有减小外形尺寸和减轻重量等机械方面的益处。

为了进一步说明本发明的另一个方面，图6-9的混合偶合器100显示出上述图1-4中偶合器10的增加了的带宽，但它不使用移相器40和42。除了不使用相位补偿单元36和38外，偶合器100的具体结构与偶合器10是相同的，这使得波导的长度相应缩短了。因此，就公布的实例而言，两根波导是WR-75型矩形波导，它们用公共壁22联结在一起。该耦合器是1.75英寸宽，2.25英寸长，其耦合窗孔24的宽度是适合于在直通端口与偶合端口之间提供一个入射能量的等功率分割（3dB偶合）。

在工作时，射入混合耦合器100输入端30的电磁能量将以TE₁₀模沿着矩形波导向减小了波导宽度的第一区域传播，该区域是在台座44的竖面48A台面46A与窗孔24之间。传播能量的最大电场的位址被台座44逼迫得更加靠向窗孔24，横向场电流开始流过偶合窗孔24。因而TE₁₀模的电磁能量将在辅助波导14内激励出来，并向偶合端口28传播。

相继的竖面台面段48B和46B、48C和46C、48D和46D、及48E和46E，它们每一段都以与上述关于竖面48A和台面46A区段相似的方式进行电磁能量的耦合，尽管每一段在不同的频率提供了不同的耦合量。总的耦合量主要是由耦合窗孔24的长度和组成一个竖面台面段的各个台座段的高度（即每一竖面48A-E的高度）所控制的。每一段的长度，即每一台面46A-E的长度，在实现宽带频率响应时是一个重要的因素，就这样，该耦合器就以参差调谐方式实现了宽带频率响应。

图10和图11用来说明参差调谐技术，并概略地和定性地画出了耦合端口输出信号的振幅值作为频率的函数的曲线。在图10中参考箭头101指出了由台面46C和竖面48C造成的振幅响应。响应曲线101在相对较低的频率取得峰值。参考箭头102指出了由各个竖面台面段，46A和48A、46B和48B、46D和48D、及46E和48E，所造成的频率响应。响应曲线102在一个比参考箭头101指出的相对地较高的频率上取得峰值。示于图11中的定性响应曲线103表示了所有各段复合成的响应。该合成响应比示于图10中的各个单独的响应具有相对地更宽阔的带宽。

除了波导12和14的长度之外，组成偶合器100的每一单元的尺寸与耦合器10的相应单元的上述典型尺寸相似。这样的一个实施例已经进行了测试，表Ⅰ中所列的数据全面地指明了它的性能。

耦合器100在要求的相当宽阔的频带内，11.6-14.6GHz，提供了相对地无频率色散的性能。

应该明白，本发明的上述一些实施例仅仅是用来说明问题的，对于熟悉该领域的人来说，可能会想出这些实施例的许多变型来。因而，本发明不应被认为限于这里所举的这些实施例;本发明仅受由附后的权项要求所确定的范围所限制。

表Ⅰ

频率    振幅偏差    相位    反回损耗    隔离度

（偶合-直通）

11.7-12.2GHz    ±0.1dB    -90°±1°    -22dB    -22dB

14.0-14.5GHz    ±0.2dB    -90°±1°    -20dB    -20dB

11.6-14.6GHz    ±0.3dB    -90°±1.5°    -19dB    -18dB

Claims (11)

1、一种宽带混合左波导耦合器，其特征在于包括：

由各自的宽壁和侧壁组成的并具有矩形截面的第一和第二波导，所说的波导邻贴着放置并且有一个公共的侧壁作为两者的隔墙；

在一宽阔的频率范围内，第一和第二波导之间耦合电磁能量的机构；和

所说的耦合机构由位于所说的公共壁上的一个窗孔和一些偶合增强段组成，这些增强段借助于所说波导的相应的侧壁中的一个接合到各自的所说的波导，所说的这些增强段被调谐于所说的宽阔的频率范围内的特定的频率子带上，以便为所说的偶合机构提供参差调谐的合成频率响应；

因此，所说的宽带耦合器对电磁信号维持低衰减，这些电磁信号具有所说的宽频带内的那些信号频率。

2、权利要求1中的耦合器它还包括：分别位于第一波导的第一端和第二端的输入端和输出端，安排在所说的第二波导的第二端的偶合端，所说的第二波导的第一端被端接于一个匹配负载。

3、权利要求2中的耦合器，其中，所说的耦合窗孔的尺寸是适于将入射到输入端口的电磁能量的大约一半耦合到所说的第二波导内。

4、权利要求1中的耦合器，其中，所说的耦合机构进一步还包括一些减小第一和第二波导的每一根在所说的耦合机构处的截面的装置，以增强所说的第一和第二波导之间电磁能量的耦合，所说的减小装置包括几个各别的区段，选择各区段的尺寸使其在要求的频带上提供一参差调谐的频率响应。

5、权利要求4中的耦合器，其中，所说的减小装置由一对台阶状的台座组成，它们位于第一和第二波导的对着所说的偶合窗孔的各自的外侧壁上。

6、一种宽带混合式波导耦合器，其特征在于包括：

侧壁靠着侧壁邻贴着放置并被一个公共的隔墙分开的一个第一波导和一个第二波导;

在所说的第一和第二波导之间耦合电磁能量的机构，所说的合机构由位于所说的公共隔墙上的一个耦合窗孔和下述的装置组成，即：一些减小第一和第二波导的每一根在所说的耦合机构处截面的装置，以便在一个要求的频带上增强所说的第一和第二波导之间的电磁能量的耦合，所说的减小装置包括几个各别的区段，选择各区段的尺寸使其在要求的频带上提供一参差调谐的频率响应。

7、权利要求6的耦合器，其中，每一根所说的波导由装配成具有矩形截面的并包含有一对宽壁和一对侧壁的金属板壁所组成，而其中所说公共隔墙是由所说边壁中的一个所组成的。

8、权利要求7的耦合器，其中，所说的减小装置包括一对台阶状的台座，它们位于第一和第二波导各自的外侧壁上。

9、权利要求8的耦合器，其中，所说的两个台座相对着所说的偶合窗孔放置，并由被竖面分开的多层台面组成。

10、权利要求9的耦合器，其中，每一个所说的竖面向所说的公共隔墙伸展出不到十分之一个波长，以便使从竖面处的电磁反射减至最小。

11、权利要求9的耦合器，其中，每一个所说的台座由三层台面构成，这些台面位于实际上与公共隔墙平行的一些平面内，最靠近所说的偶合窗孔的第一层由一个长度大约为二分之一波长的第一台面组成;第二层由第二台面和第三台面组成，它们位于所说的第一台面的两侧，其长度都大约为四分之一波长;第三层由第四和第五台面组成，它们向外离开第一台面分别放置于所说的第二和第三台面的外侧，所说的第四和第五台面每一个的长度大约为四分之一波长。

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