位于主矩形同轴线一侧的多孔定向耦合器

摘要

本发明公开了位于主矩形同轴线一侧的多孔定向耦合器，包括主矩形同轴线和副矩形同轴线、以及耦合孔；主矩形同轴线和副矩形同轴线相互隔离，主矩形同轴线通过至少3个耦合孔与副矩形同轴线连通；至少1个耦合孔包括贴附在主矩形同轴线侧壁或\和副矩形同轴线侧壁的中空耦合管，中空耦合管靠近主矩形同轴线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，耦合腔位于主矩形同轴线和副矩形同轴线之间并与主矩形同轴线和副矩形同轴线导通；耦合孔沿主矩形同轴线的轴线方向排列，沿主矩形同轴线轴线方向相邻的耦合孔位于主矩形同轴线轴线的一侧；本发明的优点在于结构紧凑、加工简单、超宽工作带宽、功率容量大、插入损耗低。

权利要求

1.位于主矩形同轴线一侧的多孔定向耦合器，其特征在于：包括相互隔离且结构一致的主矩形同轴线（1）和副矩形同轴线（2）、以及作为耦合通道的耦合孔（3）；其中主矩形同轴线（1）和副矩形同轴线（2）都是由矩形波导和设置在矩形波导内的内置导体构成，其中所述耦合孔（3）中加入了另一个轴线与耦合孔（3）的轴线平行并与主矩形同轴线（1）轴线垂直的柱状金属体（4）；该柱状金属体（4）的一端与对应的耦合孔（3）的内壁连接；该柱状金属体（4）的横截面的形状为多边形；主矩形同轴线（1）通过至少3个孔耦合孔（3）与副矩形同轴线（2）连通，至少1个耦合孔（3）包括贴附在主矩形同轴线（1）侧壁或\和副矩形同轴线（2）侧壁的中空耦合管（32），中空耦合管（32）靠近主矩形同轴线（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）位于主矩形同轴线（1）和副矩形同轴线（2）之间并与主矩形同轴线（1）和副矩形同轴线（2）导通；所述耦合孔（3）沿主矩形同轴线（1）的轴线方向排列，沿主矩形同轴线（1）轴线方向相邻的耦合孔（3）位于主矩形同轴线（1）轴线的一侧；沿主矩形同轴线（1）轴线方向上，相邻两耦合孔（3）的孔心间距在主矩形同轴线（1）的波导波长的20%～30%之间。

2.根据权利要求1所述的位于主矩形同轴线一侧的多孔定向耦合器，其特征在于：耦合孔（3）在其俯视方向上的投影形状为圆形，耦合腔（31）在其俯视方向上的投影形状为半圆形，中空耦合管（32）在其俯视方向上的投影形状为半圆形。

3.根据权利要求2所述的位于主矩形同轴线一侧的多孔定向耦合器，其特征在于：所述柱状金属体（4）部分延伸进主矩形同轴线（1）的内部。

4.根据权利要求1所述的位于主矩形同轴线一侧的多孔定向耦合器，其特征在于：所述主矩形同轴线（1）内置导体的轴线和副矩形同轴线（2）内置导体的轴线相互平行。

说明书

位于主矩形同轴线一侧的多孔定向耦合器

技术领域

[0001] 本发明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耦合的位于主矩形同轴线一侧的多孔定向耦合器。

背景技术

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 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。

发明内容

[0007] 本发明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、宽带的位于主矩形同轴线一侧的多孔定向耦合器。

[0008] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：位于主矩形同轴线一侧的多孔定向耦合器，包括相互隔离且结构一致的主矩形同轴线和副矩形同轴线、以及作为耦合通道的耦合孔；其中主矩形同轴线和副矩形同轴线都是由矩形波导和设置在矩形波导内的内置导体构成，其中所述耦合孔中加入了另一个轴线与耦合孔的轴线平行并与主矩形同轴线轴线垂直的柱状金属体；该柱状金属体的一端与对应的耦合孔的内壁连接；该柱状金属体的横截面的形状为多边形；主矩形同轴线通过至少3个孔耦合孔与副矩形同轴线连通，至少1个耦合孔包括贴附在主矩形同轴线侧壁或\和副矩形同轴线侧壁的中空耦合管，中空耦合管靠近主矩形同轴线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，耦合腔位于主矩形同轴线和副矩形同轴线之间并与主矩形同轴线和副矩形同轴线导通；所述耦合孔沿主矩形同轴线的轴线方向排列，沿主矩形同轴线轴线方向相邻的耦合孔位于主矩形同轴线轴线的一侧；沿主矩形同轴线轴线方向上，相邻两耦合孔的孔心间距在主矩形同轴线的波导波长的20%～30%之间。

[0009] 耦合孔在其俯视方向上的投影形状为圆形，耦合腔在其俯视方向上的投影形状为半圆形，中空耦合管在其俯视方向上的投影形状为半圆形。

[0010] 所述柱状金属体部分延伸进主矩形同轴线的内部。

[0011] 所述主矩形同轴线内置导体的轴线和副矩形同轴线内置导体的轴线相互平行。

[0012] 所述主矩形同轴线或\和副矩形同轴线的一端或两端还连接有弯曲波导。

[0013] 所述主矩形同轴线或\和副矩形同轴线在其一端或两端连接有与外界器件匹配的匹配结构。

[0014] 耦合孔的部分在主矩形同轴线或副矩形同轴线以外，或同时在主矩形同轴线和副矩形同轴线外。

[0015] 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。

[0016] 将耦合孔沿主矩形同轴线一侧排列后，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矩形同轴线的中心工作频率的波导波长的20%～30%之间，可以在加强耦合的基础上减小体积，从而进一步提高该多孔矩形波导定向耦合器的优越性。

[0017] 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。

[0018] 一般的主矩形同轴线的轴线和副矩形同轴线的轴线之间的角度为0°至180°之间。为了使其整个耦合器的体积减少，我们优先考虑主矩形同轴线的轴线和副矩形同轴线的轴线平行设置。

[0019] 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。

[0020] 增加柱状金属体时，所述耦合孔和柱状金属体体在俯视方向的投影形状为Y字形或十字型和其它多于4个分支的星状。

[0021] 由于传统的多孔定向耦合器的耦合孔的位置设置在主矩形同轴线和副矩形同轴线之间。而本发明的改进点为：1、将传统的耦合孔的位置进行调整，相应的设计出与调整后结构相匹配的耦合孔，即本发明中的耦合孔由耦合腔和中空耦合管组成，其中设置位置时，耦合腔设置在主矩形同轴线和副矩形同轴线之间的，用以连通主矩形同轴线和副矩形同轴线，由于还设置有中空耦合管，可进一步的增强耦合性；2、由于实验发现，当我们选用多个耦合孔时，将相邻的耦合孔沿主矩形同轴线的轴线排列的方向性更好，因此设计时，优先设置耦合孔中的中空耦合管贴附在主矩形同轴线侧壁或\和副矩形同轴线侧壁。进一步的优先设置为：相邻的耦合孔位于主矩形同轴线的一侧。

[0022] 按照上述优先设置成的耦合器进行耦合输出时，其工作过程为：微波首先通过主矩形同轴线，在结构耦合孔处时，通过耦合腔将微波耦合到副矩形同轴线，在中空耦合管的作用下进行加强耦合，使其方向性变强，进一步的由于相邻的耦合孔位于主矩形同轴线的一侧；因此在上述加强耦合的基础还可以进一步的进行耦合加强。

[0023] 基于上述结构，本发明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和中空耦合管组成的耦合通道，其中耦合腔设置在主矩形同轴线和副矩形同轴线之间，中空耦合管贴附在主矩形同轴线侧壁或\和副矩形同轴线侧壁。这样可增加其方向性。

[0024] 由于本发明采用多个耦合孔的设计方案，耦合孔与耦合孔之间具有耦合加强的作用，如果耦合孔与耦合孔之间的排列组合不能达到适合的排布，则会造成许多不利因素，比如耦合减弱现象，为此我们对其排布做了相应的研究，为了减少整个耦合的体积和达到耦合加强的作用，本发明进一步的改进点为：耦合孔沿主矩形同轴线的轴线排列，沿主矩形同轴线轴线方向相邻的耦合孔位于主矩形同轴线轴线的一侧；沿主矩形同轴线轴线方向上，相邻两耦合孔的孔心间距在主矩形同轴线的中心工作频率的波导波长的20%～30%之间。即将相邻的耦合孔依次分布于主矩形同轴线轴线的一侧。相邻的耦合孔沿主矩形同轴线一侧分布以后，可进一步的耦合加强，从而进一步提高该位于主矩形同轴线一侧的多孔定向耦合器的方向性，相邻两耦合孔的孔心间距的影响因素由输入信号决定，另外，由于本发明中的耦合孔均位于主矩形同轴线的同一侧，因此相比较于其他的排布方式而言，其体积较小，如耦合孔排布在两侧，与两侧相比较，显然一侧的设计体积要小于两侧的设计体积。

[0025] 基于上述改进，为了方便批量生产，一般我们不限制耦合腔的形状，而限制中空耦合管的形状，中空耦合管的形状可以是圆形、可以是矩形，一般优先考虑圆形。

[0026] 本发明针对传统的同轴线定向耦合器做出相应的改进，其改进点为：1、将传统内置的耦合孔外置，即将耦合孔的位置调整后使得中空耦合管贴附在主矩形同轴线侧壁或\和副矩形同轴线侧壁上，经过改进后的结构可以增强其方向性能；2、将传统的单孔结构和上述改进后的单孔结构改进为多孔结构，一般以3个或3个以上的耦合孔被认定为多孔结构，基于多孔结构后，不仅仅是增加数量为限，在增加数量的同时还要考虑耦合孔的排布状态，任意排布的话有可能会减弱其性能，这与本发明的最初目的相违背。因此，为了达到增强方向性的问题，本发明采用3个或3个以上的耦合孔，排布时一般优先考虑进行交错排布，相邻的耦合孔之间的距离由微波的波长决定，也可以考虑将耦合孔同时排布在主矩形同轴线轴线的同一侧，其相邻耦合孔之间的距离也由输出微波的波长决定。

[0027] 多孔定向耦合器的工作原理可以叙述如下：

[0028] 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矩形同轴线公共宽边，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矩形同轴线的连续曲线。

[0029] 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。

[0030] 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。

[0031] 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。

[0032] 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。

[0033] 本发明的优点在于结构紧凑、加工简单、超宽工作带宽、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。本发明的紧凑型位于主矩形同轴线一侧多孔矩形波导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。

附图说明

[0034] 图1为本发明中相邻耦合孔位于主矩形同轴线一侧时的立体图。

[0035] 图2为耦合孔的结构立体图。

[0036] 图3为本发明实施例一的俯视图。

[0037] 图4为本发明实施例一的A-A剖面图。

[0038] 图5为本发明实施例二的俯视图。

[0039] 图6为本发明实施例三的俯视图。

[0040] 图7为本发明实施例四的俯视图。

[0041] 图8为本发明实施例五的俯视图。

[0042] 图9为本发明实施例六的俯视图。

[0043] 图中的标号分别表示为：1、主矩形同轴线；2、副矩形同轴线；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。

具体实施方式

[0044] 下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明实施方式不限于此。

[0045] 如图1、2所示，位于主矩形同轴线一侧的多孔定向耦合器，包括作为微波主通道的主矩形同轴线1和作为取样信号通道的副矩形同轴线2、以及作为耦合通道的耦合孔3；主矩形同轴线1和副矩形同轴线2相互隔离；耦合孔3包括贴附在主矩形同轴线1侧壁或\和副矩形同轴线2侧壁的中空耦合管32，中空耦合管32靠近主矩形同轴线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位于主矩形同轴线1和副矩形同轴线2之间并与主矩形同轴线1和副矩形同轴线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，且主矩形同轴线1的轴线和副矩形同轴线2的轴线互相平行。耦合孔3沿主矩形同轴线1的轴线排列，沿主矩形同轴线1轴线方向相邻的耦合孔位于主矩形同轴线1轴线的一侧；沿主矩形同轴线1轴线方向上，相邻两耦合孔3的孔心间距在主矩形同轴线1的中心工作频率的中心工作频率的波导波长的23%～
27%之间。

[0046] 由于本发明采用多个耦合孔的设计方案，耦合孔与耦合孔之间具有耦合加强的作用，如果耦合孔与耦合孔之间的排列组合不能达到适合的排布，则会造成许多不利因素，比如耦合减弱现象，为此我们对其排布做了相应的研究，为了减少整个耦合的体积和达到耦合加强的作用，本发明进一步的改进点为：耦合孔沿主矩形同轴线的轴线方向排列，沿主矩形同轴线轴线方向相邻的耦合孔位于主矩形同轴线轴线的一侧；沿主矩形同轴线轴线方向上，相邻两耦合孔的孔心间距在主矩形同轴线的波导波长的23%～27%之间。相邻的耦合孔依次分布于主矩形同轴线轴线的一侧，相邻的耦合孔沿主矩形同轴线一侧分布以后，可进一步的耦合加强，从而进一步提高该位于主矩形同轴线一侧的多孔定向耦合器的方向性，相邻两耦合孔的孔心间距的影响因素由输入微波决定，另外，由于本发明中的耦合孔均位于主矩形同轴线的同一侧，因此相比较于其他的排布方式而言，其体积较小，如耦合孔排布在两侧，与两侧相比较，显然一侧的设计体积要小于两侧的设计体积。

[0047] 实施例一

[0048] 如图3,4所示，本实施例包括设置有主矩形同轴线1和副矩形同轴线2，主矩形同轴线1为微波主通道，副矩形同轴线2为取样信号通道；主矩形同轴线1和副矩形同轴线2相互隔离，通过5个耦合孔3连通；5个耦合孔3的部分在主矩形同轴线1和副矩形同轴线2以外。所述耦合孔3的轴线与主矩形同轴线1的轴线垂直，其横截面的形状为不规则多边形；相邻耦合孔3位于主矩形同轴线的一侧，沿主矩形同轴线1轴线方向上，相邻两耦合孔
3的孔心间距在主矩形同轴线1的中心工作频率的中心工作频率的波导波长的23%～27%之间，每个耦合孔3中都加入了另一个轴线与耦合孔3的轴线平行并与主矩形同轴线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。

[0049] 实施例二

[0050] 如图5所示，与实施例一不同的地方是有4个耦合孔3位于主矩形同轴线的同一侧，相邻耦合孔3的孔心间距在主矩形同轴线1的中心工作频率的中心工作频率的波导波长的23%～27%之间，其耦合性能较好。各个柱状金属体4只在一个方向与对应的耦合孔3的内壁连接并且位于耦合孔3的不同方位上，其具体位置由方向性等参数优化而定。

[0051] 实施例三

[0052] 如图6所示，与实施例一不同的地方是，副矩形同轴线2的两端还连有弯曲波导5，在弯曲波导5的另一侧还连接有与外界匹配的配结构。这样可以方便该定向耦合器与外界器件的连接，从而可以得到方向性更好，带宽更宽的多孔矩形波导定向耦合器。

[0053] 实施例四

[0054] 如图7所示，与实施实例一不同的地方是耦合孔3的横截面为椭圆，并且耦合孔3内都设置有横截面形状为矩形的柱状金属体4。

[0055] 实施例五

[0056] 如图8所示，与实施实例四不同的地方是耦合孔3的横截面为矩形，并且耦合孔3内没有设置柱状金属体4。

[0057] 实施例六

[0058] 如图9所示，与实施实例五不同的是耦合孔3的横截面为三角形。

[0059] 如上所述便可较好的实现本发明。