CN103078164B - 紧凑型单排长孔定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种紧凑型单排长孔定向耦合器，包括主传输线，副传输线，和位于主传输线和副传输线的公共壁上的连通主传输线和副传输线的至少两个耦合孔。至少有一个耦合孔沿主传输线的轴线方向的长度大于该紧凑型单排长孔定向耦合器的工作频段的最高工作频率对应的自由空间波长的0.35倍。本发明的凑型单排长孔定向耦合器具有结构简单紧凑、高达40%的相对工作带宽、耦合系数平坦性好、隔离度好等特点。这种器件可以分为底座和盖板，分别采用普通数控铣床一次性加工完成，很好地保证了器件的加工精度。该器件可以广泛用于雷达、导弹制导、通信和微波测量等军事及民用领域。

Description

紧凑型单排长孔定向耦合器

技术领域

本发明涉及一种耦合器，具体地说，是涉及一种紧凑型宽带定向耦合器。

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小孔耦合、裂缝耦合、平行耦合、多孔耦合等。

    在20世纪50年代，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。只有在设计频段的中心处性能较好。偏离开这个频率，匹配、耦合系数的平坦度、方向性等都将变差。

传统多孔定向耦合器虽然可以做到很宽的带宽,方向性也有很大改善，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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种幅度一致性好，工作带宽可以达到40%以上的紧凑型宽带定向耦合器。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

紧凑型单排长孔定向耦合器，包括主传输线，副传输线，和至少两个位于主传输线和副传输线的公共壁上的耦合孔，耦合孔分别连通主传输线和副传输线，主传输线两端分别为输入端和输出端，副传输线两端分别为耦合端和隔离端，至少有一个耦合孔沿主传输线的轴线方向的长度为P，P大于或等于该紧凑型单排长孔定向耦合器的工作频段中最高工作频率所对应的自由空间波长的0.35倍。

传统的多孔定向耦合器中，纵向相邻耦合孔之间的间距设置为该耦合器工作频带的中心频率对应的波导波长的1/4左右。 本发明中的耦合孔的长度突破了传统定向耦合器的理论限制。

为了实现较强的耦合，沿主传输线的轴线方向，至少有一对相邻耦合孔的边沿之间的最小值距离小于或等于该紧凑型单排长孔定向耦合器的工作频段中最高频率对应的自由空间波长的10%。

进一步的，为了实现较强的耦合，沿主传输线的轴线方向，至少有一对相邻耦合孔的几何中心点之间的距离大于或等于工作频段中最高频率对应的自由空间波长的一半。

采取以上措施，该紧凑型单排长孔定向耦合器耦合系数可以在0dB至-2.5dB之间, 即从输入端输入的能量中大于56%的能量从耦合端输出。

为了拓宽紧凑型单排长孔定向耦合器的工作频段，所述主传输线和副传输线的侧壁或底部有凹槽或凸起。

    主传输线和副传输线为空管结构，其水平面上的宽度小于其垂直方向的深度的0.7倍。特别地，主传输线和副传输线的端口以深度大于宽度的矩形空波导。

为了便于与标准传输线连接，所述主传输线和副传输线的至少两个端口上设置有弯传输线，位于主传输线上的弯传输线的弯曲方向背向副传输线，位于副传输线上的弯传输线的弯曲方向背向主传输线。

     为了便于与标准传输线匹配，在所述主传输线和副传输线的至少一个端口外、连接有匹配段，匹配段在水平面上的宽度沿其自身的轴向变化，变化规律从公共壁区域向外方向逐渐变宽。

     为了便于与标准传输线匹配同时缩小整个器件的尺寸，在所述主传输线和副传输线的至少一个端口外、连接有弯渐变段，位于主传输线上的弯渐变段的弯曲方向背向副传输线，位于副传输线上的弯渐变段的弯曲方向背向主传输线，并且弯渐变段水平方向的宽度逐渐变化，变化规律从公共壁区域向外方向逐渐变宽。

 为了便于将该紧凑型单排长孔定向耦合器分为底座和盖板， 分别采用普通数控铣床一次性加工，该耦合器的所有结构，所述传输线、副传输线、和所有的耦合孔等的上表面与同一水平面齐平。

本发明提供了一种幅度一致性好、工作带宽宽、结构紧凑的定向耦合器。由于该定向耦合器可以分为底座和盖板，分别采用普通数控铣床一次性加工完成，由此大大简化了加工过程，同时更好地保证了加工精度。 与已有的波导多孔定向耦合器相比，由于采用与以往多孔定向耦合器不同的长孔， 其中的一个耦合孔的长度，都可以超过传统器件中的两个耦合孔的理论间距， 本器件可以在大于40%的带宽内实现大于3dB、甚至接近0dB的强耦合。 同时，本器件在实现特定指标时， 所需要的耦合孔的数目在传统器件的基础上大大减小。

多孔定向耦合器的工作原理可以叙述如下：

多孔定向耦合器就利用沿主副传输线轴线的一系列耦合孔组成一个阵列。相邻耦合孔中心的纵向间距大致为传输线的波导波长的1/4。 当主传输线中有微波从输入端输入时，在副传输线中的前向耦合能量在耦合端必然同相叠加。 相邻耦合孔的反向耦合能量由于有180度相差，相互抵消。 实际定向耦合器的方向性为耦合孔阵的方向性和单孔方向性的叠加。 选择不同的耦合孔形状， 调整不同耦合孔的间距和尺寸大小，就可以获得具有比较好的方向性、耦合度一致性高和较宽带宽的定向耦合器。

本发明的凑型单排长孔定向耦合器具有结构简单紧凑、高达40%的相对工作带宽、耦合系数平坦性好、隔离度好等特点。这种器件可以分为底座和盖板，分别采用普通数控铣床一次性加工完成，很好地保证了器件的加工精度。该器件可以广泛用于雷达、导弹制导、通信和微波测量等军事及民用领域。

附图说明

图1为本发明和实施实例1的俯视图。

图2为实施实例1的图1中的A-A向视图。

图3为实施实例2的俯视图。

图4为实施实例2的图3中的A-A向视图。

图5为实施实例2的插入损耗的曲线图。

图6为实施实例2的回波损耗曲线图和隔离曲线图。

附图中标号对应名称：1-主传输线，2-副传输线，3-公共壁,4-输入端，5-输出端， 6-耦合端，7-隔离端，8-耦合孔， 9-匹配段，10-弯传输线， 11-弯渐变段。

具体实施方式

实施实例1

如图1所示，紧凑型单排长孔定向耦合器，包括主传输线1，副传输线2，和位于主传输线1和副传输线2的公共壁3上的连通主传输线1和副传输线2的3个耦合孔8。主传输线1两端分别设置输入端4和输出端5，副传输线2两端分别设置耦合端6和隔离端7。3个耦合孔沿主传输线1的轴线方向的长度为P，P大于或等于该紧凑型单排长孔定向耦合器的工作频段的最高工作频率对应的自由空间波长的0.35倍。

2对纵向相邻的耦合孔8的相邻边沿之间的纵向距离的最小值小于或等于该紧凑型单排长孔定向耦合器的工作频段中最高频率对应的自由空间波长的10%。即，沿主传输线1的轴线方向，2对相邻耦合孔8的边沿之间的最小值距离小于或等于该紧凑型单排长孔定向耦合器的工作频段中最高频率对应的自由空间波长的10%。

2对纵向相邻的耦合孔8的几何中心点之间的纵向距离大于或等于工作频段中最高频率对应的自由空间波长的一半。即，沿主传输线1的轴线方向，至少有一对相邻耦合孔8的几何中心点之间的距离大于或等于工作频段中最高频率对应的自由空间波长的一半。

为了表述方便，上述的纵向指是沿沿主传输线1的轴线方向。

为了拓宽紧凑型单排长孔定向耦合器的工作频段，所述主传输线1和副传输线2的侧壁或底部有凹槽或凸起。

     主传输线1和副传输线2为空管结构，其水平面上的宽度小于或等于其垂直方向的深度的0.7倍。特别地，主传输线1和副传输线2的端口以深度大于宽度的矩形空波导。

为了便于与标准传输线连接，所述主传输线1和副传输线2的至少两个端口上设置有弯传输线10，位于主传输线1上的弯传输线10的弯曲方向背向副传输线2，位于副传输线2上的弯传输线10的弯曲方向背向主传输线1。

为了便于将该紧凑型单排长孔定向耦合器分为底座和盖板， 分别采用普通数控铣床一次性加工，该耦合器的所有结构，包括主传输线1、副传输线2、和所有的耦合孔8等的上表面与同一水平面齐平。

上述仅为举例, 给出了本发明的较佳的实现方式之一。实际生产中，耦合腔1可以为各种形状的空腔，内部还可以设置各种金属凸台或凹槽。

实施实例2

如图2-6所示，紧凑型单排长孔定向耦合器, 包括主传输线1，副传输线2，和位于主传输线1和副传输线2的公共壁3上的连通主传输线1和副传输线2的3个耦合孔8。主传输线1两端分别设置输入端4和输出端5，副传输线2两端分别设置耦合端6和隔离端7。3个耦合孔8沿主传输线1的轴线方向的长度为P,P大于该紧凑型单排长孔定向耦合器的工作频段中最高工作频率对应的自由空间波长的0.35倍。例如：该紧凑型单排长孔定向耦合器的工作频段的最高工作频率对应的自由空间波长为M，则P为0.4倍M或1倍M或1.5倍M。上述主传输线1和副传输线2均为矩形波导结构。

2对纵向相邻的耦合孔8的相邻边沿之间的纵向距离的最小值小于或等于该紧凑型单排长孔定向耦合器的工作频段的最高频率对应的自由空间波长的10%。即，沿主传输线1的轴线方向，2对相邻耦合孔8的边沿之间的最小值距离小于或等于该紧凑型单排长孔定向耦合器的工作频段中最高频率对应的自由空间波长的10%。例如：该紧凑型单排长孔定向耦合器的工作频段中最高频率对应的自由空间波长为M，相邻耦合孔8之间的最小值距离为R，则R为0.05M或0.06M或0.7M。

2对纵向相邻的耦合孔的几何中心点之间的纵向距离大于工作频段中最高频率对应的自由空间波长的一半。即，沿主传输线1的轴线方向，至少有一对相邻耦合孔8的几何中心点之间的距离大于或等于工作频段中最高频率对应的自由空间波长的一半。例如：该紧凑型单排长孔定向耦合器的工作频段中最高频率对应的自由空间波长为M，相邻耦合孔8的中心点之间的距离为F，则F为0.6M或0.7M或1M。

为了表述方便，上述的纵向是指沿沿主传输线1的轴线方向。

主传输线1和副传输线2都为矩形波导，其水平面上的宽度小于或等于其垂直方向的深度的0.2倍。

   为了便于将该紧凑型单排长孔定向耦合器分为底座和盖板， 分别采用普通数控铣床一次性加工，该耦合器的所有结构，包括主传输线1、副传输线2、和所有的耦合孔8等的上表面与同一水平面齐平。

    如图5-6所示，为实施实例2的紧凑型单排长孔定向耦合器的计算曲线。从图中可以看出，从6.57GHz到10GHz的大于40%的相对带宽范围内，耦合系数为3.1+/-0.4dB, 各端口的反射系数低于-20dB, 隔离度高于19.5dB。采用三个耦合孔8（耦合孔总长度小于或等于100毫米）实现上述指标，其长度比传统的多孔波导定向耦合器的相应长度明显减小，充分证明了该定向耦合器的优越性。

    以上两个实例很好地解释了本发明的实现方式。其中实施实例2是较佳的实现方式。需要指出的是，本发明的实施方式是多种多样的。 比如，耦合孔的形状可以设置为倒三角形、倒梯形、半圆形等。

Claims (10)

1.紧凑型单排长孔定向耦合器，其特征在于，包括主传输线（1），副传输线（2），和至少两个位于主传输线（1）和副传输线（2）的公共壁（3）上的耦合孔（8），耦合孔（8）分别连通主传输线（1）和副传输线（2），主传输线（1）两端分别为输入端（4）和输出端（5），副传输线（2）两端分别为耦合端（6）和隔离端（7），至少有一个耦合孔（8）沿主传输线（1）的轴线方向的长度为P，P大于或等于该紧凑型单排长孔定向耦合器的工作频段中最高工作频率所对应的自由空间波长的0.35倍。

2.根据权利要求1所述的紧凑型单排长孔定向耦合器，其特征在于，沿主传输线（1）的轴线方向，至少有一对相邻耦合孔（8）的边沿之间的最小值距离小于或等于该紧凑型单排长孔定向耦合器的工作频段中最高频率对应的自由空间波长的10%。

3.根据权利要求1所述的紧凑型单排长孔定向耦合器，其特征在于，沿主传输线（1）的轴线方向，至少有一对相邻耦合孔（8）的几何中心点之间的距离大于或等于工作频段中最高频率对应的自由空间波长的一半。

4.根据权利要求1所述的紧凑型单排长孔定向耦合器，其特征在于，该紧凑型单排长孔定向耦合器耦合系数为0dB至-2.5dB, 即从输入端（4）输入的能量中大于56%的能量从耦合端（6）输出。

5.根据权利要求1所述的紧凑型单排长孔定向耦合器，其特征在于，所述主传输线（1）和副传输线（2）的侧壁或底部有凹槽或凸起。

6.根据权利要求1所述的紧凑型单排长孔定向耦合器，其特征在于，主传输线（1）和副传输线（2）为空管结构，其水平面上的宽度小于或等于其垂直方向的深度的0.7倍。

7.根据权利要求1所述的紧凑型单排长孔定向耦合器，其特征在于，所述主传输线（1）和副传输线（2）的至少两个端口上设置有弯传输线（10），位于主传输线（1）上的弯传输线（10）的弯曲方向背向副传输线（2），位于副传输线（2）上的弯传输线（10）的弯曲方向背向主传输线（1）。

8.根据权利要求1所述的紧凑型单排长孔定向耦合器，其特征在于，在所述主传输线（1）和副传输线（2）的至少一个端口外连接有匹配段（9），匹配段（9）在水平面上的宽度沿其自身的轴向变化,变化规律从公共壁区域向外方向逐渐变宽。

9.根据权利要求1所述的紧凑型单排长孔定向耦合器，其特征在于，在所述主传输线(1)和副传输线(2)的至少一个端口外、连接有弯渐变段（11），位于主传输线（1）上的弯渐变段（11）的弯曲方向背向副传输线（2），位于副传输线（2）上的弯渐变段（11）的弯曲方向背向主传输线（1），并且弯渐变段（11）水平方向的宽度逐渐变化, 变化规律从公共壁区域向外方向逐渐变宽。

10.根据权利要求1-9中任意一项所述的紧凑型单排长孔定向耦合器，其特征在于，所述主传输线（1）、副传输线（2）、和所有的耦合孔（8）的上表面与同一水平面齐平。