發(fā)明領域

本發(fā)明總體涉及定向耦合器，更具體地涉及高功率、低無源互調(pim)、低損耗、寬帶寬的定向耦合器。

發(fā)明背景

術語“定向耦合器”通常指的是四端口或三端口內(nèi)部端接的無源微波設備，其中主線路導體(也稱為“直通線”)承載射頻(rf)功率。所述主線路導體緊鄰次級導體，并由rf信號產(chǎn)生的電磁場耦合到所述次級導體。通過主線正向流動的rf電流將引起耦合導體中反向流動的rf電流，并且將僅出現(xiàn)在耦合端口中的一個端口(即，在主線上從左向右流動的信號電流將引起耦合導體中從右向左流動的信號電流，并且僅從左耦合輸出端出現(xiàn))。因此，在主線路上的正向和反向流動的rf電流的耦合輸出將出現(xiàn)在不同的耦合輸出端。

例如，從美國專利號6,066,994、6,573,807和6,600,307中，用于定向耦合器(包括單向和雙向耦合器)的許多不同設計在過去是已知的。然而，在這些參考文獻中公開的定向耦合器具有許多缺點，尤其是在它們的設計和它們的可制造性方面。

美國專利no.7,429,903代表了在先前已知設計方面的顯著進步，在設計相對簡單和制造相對便宜且容易的套件中提供了展現(xiàn)出相對高的功率、相對低的無源互調(pim)、相對低的損耗和相對寬的帶寬的直線定向耦合器。雖然美國專利no.7,429,903特別針對雙定向耦合器，但其教導將適用于單定向耦合器。

然而，雖然美國專利no.7,429,903確實是對其現(xiàn)有技術的改進，但是其教導仍然具有顯著的缺點。例如，盡管與過去的設計相比，美國專利no.7,429,903中公開的設計的頻率帶寬相對較寬，但是仍然導致了局限性。更具體地，在美國專利no.7,429,903中教導的階梯式構型是由1/4波長段或‘n段’的數(shù)量進行頻率限制，并且對于大量段而言實現(xiàn)是不實際的。

因此，需要的是與已知設計相比，設計相對簡單且制造相對便宜且容易的高功率、低無源互調(pim)、低損耗、寬帶寬的直線定向耦合器，同時還提供比現(xiàn)有的已知設計更寬的帶寬。

發(fā)明概述

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，漸縮式直線定向耦合器包括具有布置在其長度相反端處的輸入端和輸出端的長的殼體，所述殼體具有形成在其中的槽，所述槽在所述輸入端與所述輸出端之間延伸。所述槽的橫截面面積根據(jù)沿著所述殼體的長度所截取的截面的位置來變化。定向耦合器還包括布置在所述槽內(nèi)并在所述殼體的輸入端和輸出端之間延伸的主導體，所述主導體與安裝在所述殼體的輸入端處的輸入端口連接器以及與安裝在所述殼體的輸出端處的輸出端口連接器電連通。所述主導體的橫截面面積根據(jù)沿著所述殼體的長度所截取截面的位置而變化。另外，所述定向耦合器包括布置在所述槽內(nèi)且與所述主導體間隔開的耦合導體，所述耦合導體是與安裝在所述殼體上與其輸入端相鄰的正向耦合端口連接器以及與安裝在所述殼體上與其輸出端相鄰的反向耦合端口連接器電連通并且在所述正向耦合端口連接器和所述反向耦合端口連接器之間延伸。所述耦合導體的橫截面面積根據(jù)沿著所述殼體的長度所截取截面的位置而變化。

在一些實施例中，所述槽包括接收所述主導體且具有總體上圓形橫截面的下部分和接收所述耦合導體且具有總體上矩形橫截面的上部分。在這些實施例的某些實施例中，所述槽的下部分具有沿所述殼體的長度的基本恒定的直徑。在某些實施例中，所述槽的上部分的寬度從與所述殼體的輸入端相鄰的較大寬度漸縮到與所述殼體的輸出端相鄰的較小寬度。在某些實施例中，槽的總深度沿著殼體的長度總體上是恒定的。

在某些實施例中，所述主導體沿著所述殼體的長度不論在何處截取的截面均具有總體上圓形的橫截面，并且所述主導體的直徑根據(jù)沿著所述殼體的長度截取橫截面的位置而變化。在這些實施例的某些實施例中，所述主導體的直徑具有從所述殼體的長度的中部的較大直徑朝向所述殼體的輸入端和所述殼體的輸出端的較小直徑的錐度。在某些實施例中，所述主導體的直徑在所述殼體的輸出端處比在所述殼體的輸入端處更大。在某些實施例中，所述主導體沿著所述殼體的長度以基本上恒定的深度定位在所述槽內(nèi)。

在一些實施例中，所述耦合導體沿著所述殼體的長度無論在何處截取的截面均具有總體上矩形的橫截面。在這些實施例的某些實施例中，沿著所述殼體的長度無論在何處截取截面，所述耦合導體的厚度基本上保持恒定。在某些實施例中，所述耦合導體的高度從與所述殼體的輸入端相鄰的較大高度漸縮到與所述殼體的輸出端相鄰的較小高度。在某些實施例中，與所述槽內(nèi)的所述主導體相對的所述耦合導體的邊緣的深度沿著所述殼體的長度基本上保持恒定。

在某些實施例中，所述主導體和所述耦合導體各自包括實心的一件式棒。主導體的橫截面形狀在一些實施例中是圓形的，在一些實施例中是矩形的，并且在一些實施例中是另一種多邊形形狀。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，漸縮式直線定向耦合器包括具有在長度上布置在相反端的輸入端和輸出端的長的殼體，所述殼體具有形成在其中的槽，所述槽在所述輸入端與所述輸出端之間延伸，所述槽具有總體上圓形橫截面的下部分和總體上矩形橫截面的上部分。所述槽的上部分的寬度從與所述殼體的輸入端相鄰的較大寬度漸縮到與所述殼體的輸出端相鄰的較小寬度。所述耦合器還包括布置在槽的下部分中并在所述殼體的輸入端和輸出端之間延伸的主導體，所述主導體與安裝在所述殼體的輸入端處的輸入端口連接器以及與安裝在所述殼體的輸出端處的輸出端口連接器電連通，所述主導體沿著所述殼體的長度不論在何處截取的截面均具有總體上圓形的橫截面。所述主導體的直徑具有從所述殼體的長度的中部的較大直徑朝向所述殼體的輸入端和所述殼體的輸出端的較小直徑的錐度。另外，所述耦合器包括布置在所述槽的上部分中且與所述主導體間隔開的耦合導體，所述耦合導體是與安裝在所述殼體上與其輸入端相鄰的正向耦合端口連接器以及與安裝在所述殼體上與其輸出端相鄰的反向耦合端口連接器電連通并且在所述正向耦合端口連接器和所述反向耦合端口連接器之間延伸，所述耦合導體沿著所述殼體的長度不論在何處截取的橫截面均具有總體上矩形的橫截面。耦合導體的高度從與所述殼體的輸入端相鄰的較大高度漸縮到與所述殼體的輸出端相鄰的較小高度。

從以下參考附圖考慮的詳細描述中，本發(fā)明及其具體特征和優(yōu)點將變得更加清楚。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的定向耦合器的俯視圖；

圖2是沿圖1中的線a-a截取的定向耦合器的截面?zhèn)纫晥D；

圖3是圖1的定向耦合器的等軸分解圖；

圖4是結合表1展示了圖1的定向耦合器沿其長度的各部件的尺寸的示意圖；并且

圖5a至圖5h是展示了圖1的定向耦合器的各部件的各替代橫截面的示意圖。

具體實施方式

首先參考圖1至圖3，示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的定向耦合器(10)。定向耦合器(10)包括殼體(12)，所述殼體具有使用多個緊固件(16)，例如螺釘、螺栓、鉚釘?shù)?，固定到所述殼體上的蓋(14)。定向耦合器(10)還包括主導體(18)以及也稱為次級導體的耦合導體(20)。

主導體(18)布置在殼體(12)內(nèi)部的槽(22)內(nèi)，并且通過絕緣體支撐件相對于槽(22)的壁以間隔開的安排被支撐，這些絕緣體支撐件形成輸入端口連接器(24)和輸出端口連接器(26)的一部分。輸入端口連接器(24)和輸出端口連接器(26)電連接至主導體(18)，并提供通過定向耦合器(10)的主功率流的路徑。輸入端口連接器(24)和輸出端口連接器(26)可以包括同軸連接器。由于用于在殼體的槽內(nèi)支撐主導體的各連接器和裝置在本領域中是眾所周知的，在此不提供示例性實施例在此方面的進一步細節(jié)。

耦合導體(20)也布置在殼體(12)內(nèi)的槽(22)中，并且通過絕緣體支撐件相對于槽(22)的壁以及相對于主導體(18)以間隔開的安排被支撐，這些絕緣體支撐件形成正向耦合端口連接器(28)和反向耦合端口連接器(30)的一部分。正向耦合端口連接器(28)和反向耦合端口連接器(30)電連接到耦合導體(20)，并提供用于測量通過定向耦合器(10)的采樣功率流的裝置。正向耦合端口連接器(28)和反向耦合端口連接器(30)可以包括同軸連接器。由于用于在殼體中的槽內(nèi)支撐耦合導體的各連接器和裝置在本領域中是眾所周知的，在此不提供示例性實施例在此方面的進一步細節(jié)。

如本領域已知的，在正向(即，從輸入端口連接器(24)到輸出端口連接器(26))流過主導體(18)的少量功率將被耦合到耦合導體(20)，并且在正向耦合端口連接器(28)處可獲得。對應地，在反向(即，從輸出端口連接器(26)到輸入端口連接器(24))流過主導體(18)的少量功率將被耦合到耦合導體(20)，并且在反向耦合端口連接器(30)處可獲得。

具體地，現(xiàn)在參考圖4和下面的表1，示出了定向耦合器(10)的各部件尺寸。應當理解，圖4是展示圖1的定向耦合器(10)沿其長度的各部件的尺寸的示意圖。具體地，表1中的no.1表示與輸入端口連接器(24)側相鄰的各部件的尺寸，而表1中的no.41表示與輸出端口連接器(26)相鄰的各部件的尺寸。另外，應該指出的是，雖然具有變化的尺寸的各部件是連續(xù)漸縮的，但實際上它們可以被建模制成具有有限數(shù)量的部分(如表1所示)。

表1--各部件的尺寸

如在圖4中可以看出，槽(22)被構形成具有接收主導體(18)的總體上圓形橫截面的下部分以及接收耦合導體(20)的具有總體上矩形橫截面的上部分。槽(22)的下部圓形部分具有190.0密耳的基本上恒定的直徑(d0)，槽(22)的總深度(l)為總體上恒定的305密耳。槽(22)的上部矩形部分的寬度(b)具有從一端的159.95密耳到另一端的66密耳的基本恒定的錐度(見表4)。

再次參考圖4和表1，主導體(18)具有直徑(d1)，其直徑具有從一端的82.95密耳增加到與中心相鄰的84.40密耳的最大值然后在另一端回到83.5密耳的錐度。然而，主導體(18)以210.0密耳的基本上恒定的深度(g)定位在槽(22)的下部圓形部分內(nèi)。

還再次參考圖4和表1，當沿著其長度截取時，耦合導體(20)具有總體上矩形的橫截面。與槽(20)內(nèi)的耦合導體(20)的頂部的深度(也是20密耳)一樣，耦合導體(20)的厚度(t)保持基本上恒定在20密耳。然而，耦合導體(20)的高度(w)具有從一端的115.10密耳到另一端的43.75密耳的總體上恒定的錐度。

應當注意，表1具體針對具有正或負0.26db波動的示例性20db高通耦合器。在表1中還示出了每個模型部分的耦合因子(k)(范圍從一端的-14.05db到另一端的-44.29db)，低頻截止(l/λ0)為0.278。應當理解，這些尺寸適用于一個示例性耦合器，并且均可以隨著不同的客戶要求而變化，例如耦合度、功率電平、插入損耗和頻率范圍。

殼體(12)和蓋(14)可以由鋁制成并且組合為約1.5平方英寸，而所有導體和連接器可以由黃銅制成。為防止氧化并提供良好的pim性能和低插入損耗，黃銅部件可以鍍銀，并且可以使用化學轉化鍍層來防止鋁殼體腐蝕。

現(xiàn)在參考下面的表2，提供了性能比較，其示出了與現(xiàn)有技術設備相比在上述兩個不同功率電平(50w和500w)下操作的本發(fā)明實施例的各性能指標。具體來說，這些現(xiàn)有技術設備是在500w下操作的美國專利號7,429,903(上文更詳細地討論過)中描述的設備，以及在50w下操作的傳統(tǒng)工業(yè)標準帶狀線設備。

表2-性能比較

在表1中可以看出，本發(fā)明提供了優(yōu)于美國專利no.7,429,903中描述的設備(在上文更詳細地討論過)和傳統(tǒng)工業(yè)標準帶狀線設備的益處。

現(xiàn)在參考圖5a至圖5h，應當理解，本發(fā)明的發(fā)明方面可以與具有不同于上述具體示例性實施例的配置的定向耦合器一起使用。例如，殼體(12)中的主導體(18)和或槽(22)不需要各自具有圓形橫截面。此外，可以提供不止一個耦合導體(20)。例如，圖5a示出了具有總體上正方形橫截面的主導體、所述殼體中具有總體上正方形的橫截面的槽和兩個耦合導體，而圖5b示出了具有總體上正方形橫截面的主導體、所述殼體中具有總體上正方形的橫截面的槽和一個耦合導體。圖5c示出了具有部分扁平且部分成圓形的橫截面的主導體、所述殼體中具有總體上圓形橫截面的槽和兩個耦合導體，而圖5d示出了具有部分扁平且部分成圓形的橫截面的主導體、所述殼體中具有總體上圓形橫截面的槽和一個耦合導體。圖5e示出了具有總體上圓形橫截面的主導體、所述殼體中具有總體上圓形橫截面的槽和兩個耦合導體，而圖5f示出了具有總體上圓形橫截面的主導體、所述殼體中具有總體上圓形橫截面的槽和一個耦合導體(如同樣結合圖1至圖4所描述和所示的)。圖5g示出了具有橫截面的主導體、所述殼體中具有總體上正方形橫截面的槽和兩個耦合導體，而圖5h示出了具有總體上圓形橫截面的主導體、所述殼體中總體上圓形具有總體上正方形橫截面的槽和一個耦合導體。

在不脫離本發(fā)明的發(fā)明方面的情況下，其他構形也是可能的。例如，盡管未示出，但是應當認識到，所述(多個)耦合導體的橫截面形狀也可以變化。

雖然已經(jīng)參考部件、特征之類的具體安排描述了本發(fā)明，但是這些并不旨在詳述所有可能的安排或特征，并且實際上對本領域技術人員來說可以確定許多其他修改和變化。一些變型示例包括連接器類型，以及在組件中的多個耦合器的組合。