一种多孔矩形波导定向耦合器

摘要

本发明公开了一种多孔矩形波导定向耦合器，包括作为微波主通道的主矩形波导、作为取样信号通道的副矩形波导以及作为耦合通道的耦合孔；主矩形波导的主模H面与副矩形波导的主模H面相互平行；主矩形波导和副矩形波导相互隔离，两者通过沿主矩形波导的轴线排列的耦合孔连通；耦合孔包括关于主矩形波导的宽壁在传输方向的中线对称的第一排耦合孔和第二排耦合孔。本发明所提供的多孔矩形波导定向耦合器，结构简单，易于加工，整个结构只有六个耦合孔，可以直接采用传统工艺在腔体上加工实现。经过仿真测试，其具有较宽的工作带宽和较小的插入损耗。相对于传统的波导耦合器，本发明体积小，结构简单，能方便的集成在高频段的电路中。

权利要求

1.一种多孔矩形波导定向耦合器，其特征在于：包括作为微波主通道的主矩形波导(1)、作为取样信号通道的副矩形波导(2)以及作为耦合通道的耦合孔(3)；主矩形波导(1)的主模H面与副矩形波导(2)的主模H面相互平行；主矩形波导(1)和副矩形波导(2)相互隔离，两者通过沿主矩形波导(1)的轴线排列的耦合孔(3)连通；耦合孔(3)包括关于主矩形波导(1)的宽壁在传输方向的中线对称的第一排耦合孔(31)和第二排耦合孔(32)；

所述第一排耦合孔(31)和第二排耦合孔(32)分别包括三个耦合孔，每排的三个耦合孔中，位于两边的耦合孔关于中间的耦合孔在竖直方向的中线对称；

每排的三个耦合孔中，位于中间的耦合孔为矩形，位于两边的耦合孔为三角形。

2.根据权利要求1所述的多孔矩形波导定向耦合器，其特征在于：每排的三个耦合孔中，耦合孔的孔间距为0.8mm。

3.根据权利要求1所述的多孔矩形波导定向耦合器，其特征在于：所述主矩形波导(1)和副矩形波导(2)的耦合段高度相等。

4.根据权利要求1或3所述的多孔矩形波导定向耦合器，其特征在于：所述耦合孔(3)的外边与其相对应一侧的主矩形波导(1)的窄壁相切。

5.根据权利要求1所述的多孔矩形波导定向耦合器，其特征在于：所述主矩形波导(1)和副矩形波导(2)均为截面呈矩形的规则金属波导。

6.根据权利要求1或5所述的多孔矩形波导定向耦合器，其特征在于：所述主矩形波导(1)和副矩形波导(2)的截面大小相等。

7.根据权利要求1所述的多孔矩形波导定向耦合器，其特征在于：所述主矩形波导(1)的一端为输入端(4)，另一端为直通输出端(5)；副矩形波导(2)与输入端(4)在同一侧的为隔离输出端(6)，与直通输出端(5)在同一侧的为耦合输出端(7)。

8.根据权利要求1所述的多孔矩形波导定向耦合器，其特征在于：所述副矩形波导(2)呈U形。

说明书

一种多孔矩形波导定向耦合器

技术领域

[0001] 本发明属于多孔定向耦合器技术领域，具体涉及一种利用六个对称孔进行耦合的多孔矩形波导定向耦合器。

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/毫米波部件，它的主要是用于信号的隔离、分离和混合；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] 第一个真正意义上的定向耦合器由H.A.Wheeler在1944年设计实现，Wheeler使用了一对长为四分之一中心频率波长的圆柱来实现电场与磁场的能量相互耦合，遗憾的是这种方法只能实现一个倍频程的带宽。

[0004] 目前主要的定向耦合器包括微带和波导定向耦合器，但微带线由于传输损耗大因而不适于工作在毫米波段，介质波导和矩形波导等非平面波导结构虽然损耗很小性能很高，但由于体积大以及难以集成加工，很难广泛地应用于高度集成的系统中。

[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。

发明内容

[0007] 本发明的目的是解决上述问题，提供一种体积小、插入损耗低、带宽宽、能提供弱耦合的多孔矩形波导定向耦合器。

[0008] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种多孔矩形波导定向耦合器，包括作为微波主通道的主矩形波导、作为取样信号通道的副矩形波导以及作为耦合通道的耦合孔；主矩形波导的主模H面与副矩形波导的主模H面相互平行；主矩形波导和副矩形波导相互隔离，两者通过沿主矩形波导的轴线排列的耦合孔连通；耦合孔包括关于主矩形波导的宽壁在传输方向的中线对称的第一排耦合孔和第二排耦合孔。

[0009] 优选地，所述第一排耦合孔和第二排耦合孔分别包括三个耦合孔，每排的三个耦合孔中，位于两边的耦合孔关于中间的耦合孔在竖直方向的中线对称。

[0010] 优选地，每排的三个耦合孔中，位于中间的耦合孔为矩形，位于两边的耦合孔为三角形。

[0011] 优选地，每排的三个耦合孔中，耦合孔的孔间距为0.8mm。

[0012] 优选地，所述主矩形波导和副矩形波导的耦合段高度相等。

[0013] 优选地，所述耦合孔的外边与其相对应一侧的主矩形波导的窄壁相切。

[0014] 优选地，所述主矩形波导和副矩形波导均为截面呈矩形的规则金属波导。

[0015] 优选地，所述主矩形波导和副矩形波导的截面大小相等。

[0016] 优选地，所述主矩形波导的一端为输入端，另一端为直通输出端；副矩形波导与输入端在同一侧的为隔离输出端，与直通输出端在同一侧的为耦合输出端。

[0017] 优选地，所述副矩形波导呈U形。

[0018] 本发明的有益效果是：

[0019] (1)本发明所提供的一种多孔矩形波导定向耦合器，结构简单，易于加工，整个结构只有六个耦合孔，可以直接采用传统工艺在腔体上加工实现。经过仿真测试，其具有较宽的工作带宽和较小的插入损耗。

[0020] (2)相对于传统的波导耦合器，本发明体积小，结构简单，能方便的集成在高频段的电路中。

[0021] (3)主矩形波导和副矩形波导由不同形状的耦合孔实现耦合，通过比例缩放所有耦合孔的尺寸，可以调节耦合强度，耦合孔变大则耦合增强，耦合孔变小则耦合减弱，从而可以获得弱耦合；同时还可以通过改变主矩形波导和副矩形波导之间的隔离距离t，也就是耦合孔的厚度来调节耦合强度，耦合孔厚度变小则耦合增强，耦合孔厚度变大则耦合减弱。

[0022] (4)耦合器具有较好的方向性，通过微调大小耦合孔的尺寸比，可以调节隔离度，而耦合度不会受到太大的影响，从而使方向性得到优化。

附图说明

[0023] 图1是本发明多孔矩形波导定向耦合器的结构示意图；

[0024] 图2是本发明多孔矩形波导定向耦合器的俯视图；

[0025] 图3是本发明多孔矩形波导定向耦合器的透视图；

[0026] 图4是本发明主矩形波导和副矩形波导的尺寸标注示意图；

[0027] 图5是本发明耦合孔的尺寸标注示意图；

[0028] 图6是本发明多孔矩形波导定向耦合器的仿真测试图。

[0029] 附图标记说明：1、主矩形波导；2、副矩形波导；3、耦合孔；31、第一排耦合孔；32、第二排耦合孔；4、输入端；5、直通输出端；6、隔离输出端；7、耦合输出端。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

[0031] 如图1所示，本发明的一种多孔矩形波导定向耦合器，包括作为微波主通道的主矩形波导1、作为取样信号通道的副矩形波导2以及作为耦合通道的耦合孔3；主矩形波导1的主模H面与副矩形波导2的主模H面相互平行，这里说的主模H面为磁场面；主矩形波导1和副矩形波导2相互隔离，两者通过沿主矩形波导1的轴线排列的耦合孔3连通；主矩形波导1的一端为输入端4，另一端为直通输出端5，输入端4外接信号源，使激励信号能够通过主矩形波导1；副矩形波导2与输入端4在同一侧的为隔离输出端6，与直通输出端5在同一侧的为耦合输出端7。

[0032] 耦合孔3包括关于主矩形波导1的宽壁在传输方向的中线对称的第一排耦合孔31和第二排耦合孔32。第一排耦合孔31和第二排耦合孔32分别包括三个耦合孔，每排的三个耦合孔中，位于两边的耦合孔关于中间的耦合孔在竖直方向的中线对称，位于中间的耦合孔为矩形，位于两边的耦合孔为三角形。每排的三个耦合孔的高度相等。

[0033] 主矩形波导1和副矩形波导2均为截面呈矩形的规则金属波导，在本实施例中，主矩形波导1和副矩形波导2的截面大小相等，即两者的耦合段高度相等，耦合孔3的外边与其相对应一侧的主矩形波导1的窄壁相切，同时也与副矩形波导2的窄壁相切。这里说的耦合段即为主矩形波导1和副矩形波导2分别与耦合孔3相连互相耦合的那一段。

[0034] 特别的，副矩形波导2呈U形，便于测量。

[0035] 如图2、图4和图5所示，本实施例中的多孔矩形波导定向耦合器的具体尺寸为：主矩形波导1和副矩形波导2的截面大小均为7.112mm×3.556mm，主矩形波导1的宽壁高度a＝7.112mm，窄壁宽度b＝3.556mm。

[0036] 每排的三个耦合孔的孔间距d＝0.8mm，每个耦合孔具有r＝0.5mm的倒角。

[0037] 主矩形波导1和副矩形波导2的隔离距离t＝0.5mm。

[0038] 每排的三个耦合孔中，三角形耦合孔与主矩形波导1的窄壁相切的边长w2＝2.2mm，与该边垂直的一边边长h2＝2.41mm，该垂直边靠近矩形耦合孔。矩形耦合孔与主矩形波导1的窄壁相切的边长w1＝2.5mm，与该边垂直的一边边长h1＝2.41mm。

[0039] 如图4所示，U形副矩形波导2和主矩形波导1的其他尺寸参数为：l1＝10mm，l2＝l3＝20mm，R1＝3.24mm，R2＝10.35mm。

[0040] 利用HFSS15.0对上述尺寸的多孔矩形波导定向耦合器进行仿真，仿真结果如图6所示。本发明的频率特性包括：插入损耗S21、回波损耗S11、分贝隔离度S41和分贝耦合度S31。其中横坐标代表频率变量；纵坐标代表幅度标量，单位为dB。本发明的新型多孔矩形波导定向耦合器在ka全波段内隔离度大于28dB，耦合平整度小于1dB。且在高达41.3％的带宽内可以实现的耦合强度为-19.79±0.56dB，同时在整个波导带宽达到的同时，可以大大缩减耦合器的体积。

[0041] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。