CN102315507B - 高功率波导定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率波导定向耦合器，包括有波导，在波导的宽边上，沿着波导的传输方向设有关于波导壁中心轴线对称的二个耦合孔，每个耦合孔均由二个圆孔和位于二个圆孔之间的矩形孔组成，矩形孔的两端分别与二个圆孔相通，矩形孔内的中部设有金属横梁，金属横梁的底部与波导的内壁平齐；二个耦合孔的上方分别设有二个同轴线，二个同轴线的中轴线分别与耦合孔的二个圆孔的中轴线重合，有矩形壳体分别与二个同轴线固定连接，二个同轴线和矩形壳体一起固定安装在二个耦合孔的端部并通过塑料垫片相互隔离并密封，二个同轴线的端部分别安装有接头，二个同轴线内导体与紧贴在塑料垫片上的金属杆连接。

Description

高功率波导定向耦合器

技术领域

本发明涉及电子通讯、雷达等微波工程技术领域，特别是微波传输时用于功率监测的波导定向耦合器。

背景技术

定向耦合器是微波技术领域一种具有定向传输特性的四端口元件，通常用作功率测量或监视装置，组成反射计等。定向耦合器可以独立地监视微波传输线上的入射信号功率和由于负载失配带来的反射信号，其后一般连接由微波二极管构成的功率检波器。定向耦合器需要有较高的方向性，才能准确地测量入射功率和反射功率。目前大功率微波发射机在通信，雷达、电子对抗等领域应用的越来越广泛，尤其在核聚变装置托卡马克的辅助加热系统中，单管输出功率已经达到连续波几百千瓦甚至兆瓦级，由于定向耦合器后面的检波器中微波二极管能连续通过的功率很低，一般只有几十毫瓦，这就需要定向耦合器的耦合度非常小（-50dB到-70dB）。而为了准确地测量微波入射和反射功率，定向耦合器又需要较高的方向性（至少大于20dB）。但是，现有技术中，与强耦合的不同之处在于，弱耦合高方向性的定向耦合器很难实现。

此外，高功率传输的波导定向耦合器需要密封的环境，以便在波导内充气，提高介质的击穿强度，从而可以实现高功率连续波的运行。传统的波导定向耦合器不能实现波导内的密封，因而很难实现百千瓦级连续波的高功率运行。

发明内容

针对目前存在的以上所述的各种问题，本发明的目的是提供一种具有密封结构、弱耦合和高方向性的双定向耦合器结构，可以在高功率微波运行时快速、准确地耦合出少量入射功率和反射功率，以提供给微波检波器，从而得到微波发射的入射信号和发射信号，以监视发射机的工作状态。

本发明的技术方案如下：

一种高功率波导定向耦合器，包括有波导，其特征在于：在所述波导的宽边上，沿着波导的传输方向设有关于波导壁中心轴线对称的二个耦合孔，每个耦合孔均由二个圆孔和位于二个圆孔之间的矩形孔组成，所述矩形孔的两端分别与二个圆孔相通，矩形孔内的中部设有金属横梁，所述金属横梁的底部与波导的内壁平齐；所述二个耦合孔的上方分别设有二个同轴线，二个同轴线的中轴线分别与耦合孔的二个圆孔的中轴线重合，有矩形壳体分别与所述的二个同轴线固定连接，所述的二个同轴线和矩形壳体一起固定安装在二个耦合孔的端部并通过塑料垫片相互隔离并密封，所述二个同轴线的端部分别安装有接头，接头内的中心导体与紧贴在塑料垫片上的金属杆连接。

所述的高功率波导定向耦合器，其特征在于：所述金属横梁的高度低于矩形孔的高度。

所述的高功率波导定向耦合器，其特征在于：所述的矩形壳体在二个同轴线之间和耦合孔的上方形成一个空腔，空腔的形状与耦合孔的形状相同，空腔的深度与耦合孔的深度不同。

所述的高功率波导定向耦合器，其特征在于：所述的接头为N型接头或L16接头，接头的特性阻抗为50欧姆。

所述的高功率波导定向耦合器，其特征在于：沿着波导的传输方向，所述的接头依次为耦合接头和隔离接头。

其原理在于，波导为主线，传输模式为主模TE₁₀模，垫片上方的空腔为副线。通过波导壁上方的槽孔耦合出部分能量，在耦合端口波相位同相叠加，在隔离端口波相位反向而相互抵消。另外，机械结构上，采用了紧压塑料垫片的方式达到了波导内的密封，以便于波导内充气提高功率容量。

以上所述本发明的结构为波导耦合孔上方一侧的结构，另一侧的结构与上述结构是相同的。

以上所述为本发明的内部结构，其外部支撑结构可以采用机械上常用的手段来实现，其外部结构可以是不同的。

采用本发明的结构实施加工了一批2.45GHz耦合度为-62dB弱耦合双定向耦合器，经过测试证明，所有耦合器的方向性均达到了21dB以上，且许多都在25dB以上，充分证明了本发明的有效性，成品率很高。此外，本发明曾经于2011年春季在2.45GHz高功率微波测试台上，在密封充气的环境下，成功通过200kW高功率连续波微波能量。本发明成功地提供了入射功率和反射功率信号给后接的检波器，并利用后续保护电路，准确地监视高功率速调管微波源的运行状态，有效地保护了整个微波系统和微波器件。

本发明可以广泛应用于各种高功率微波系统，包括各种脉冲运行和连续波运行的高功率微波系统，比如雷达系统、加速器、托卡马克等离子体低混杂波加热系统等，作为一种工作可靠的双定向耦合器，以监测微波传输线上的入射和反射功率，以及发射机的工作状态。

本发明的有益效果：

本发明具有结构紧凑、体积小，微波性能稳定，维护调试方便的优点，成品率高，适宜于批量化生产。

附图说明

图1为本发明的内部结构原理图。

图2为本发明内部结构的侧视图。

图3为本发明的一个实施例一侧的耦合器a的耦合度和隔离度的测量结果。

图4为图3中另一侧耦合器b的耦合度和隔离度的测量结果。

具体实施方式

如图1所示，本发明由位于波导宽壁上的二个定向耦合器a和b组成双定向耦合器，这二个定向耦合器关于波导宽边的中心线对称。

本发明的内部结构侧视图如图2所示，采用在波导1宽边上，沿着波导的传输方向，开二个关于波导壁中心轴线对称的槽型耦合孔。由于二个耦合孔上方结构是相同的，以下所述为一侧的结构。耦合孔2由二个相距一定距离的圆孔和圆孔之间的矩形孔组成。矩形孔中间为一金属横梁3，横梁底部和波导内壁平齐，高度低于孔高度。耦合孔上方加入塑料垫片4，其形状为矩形，覆盖住整个耦合孔2。塑料垫片4上方是矩形金属腔体和两边的同轴线内壁组成的空腔5，空腔5紧压在垫片4之上。空腔5结构和波导壁上的耦合孔2平面相同，但深度不同。二个同轴线6和7外面分别连接标准N型接头或L16接头，二个同轴线6和7接头的中心导体轴线分别和波导壁上的耦合圆孔2中心轴线重合，并且中心导体与紧贴在塑料垫片4上的金属杆8连接。沿着波导的传输方向，第一个同轴线6为耦合端口，第二个同轴线7为隔离端口。

以上所述本发明的结构为波导耦合孔上方一侧的结构，形成一个定向耦合器a。另一侧的结构与上述结构是相同的，形成另一个结构的定向耦合器b。

如上所述的同轴线6和7的特性阻抗为50欧姆。

以上所述为本发明的内部结构，其外部支撑结构可以采用机械上常用的手段来实现，其外部结构可以是多样化的。

本发明具体实施中，也可以采用定向耦合器a或者b中的一个。

在具体实施中，当波沿着如图2所示的方向传播时，无论对a还是b定向耦合器，则6为耦合端，7为隔离端。当波的传播方向反向时，则7为耦合端，6为隔离端口。当端口7接50欧姆匹配负载，则可以通过端口6测量出入射功率。当6端口接50欧姆匹配负载时，可以通过端口7测量出反射功率。

图3为本发明的一个实施例一侧的耦合器a的耦合度和隔离度的测量结果。可以看出其耦合度为-62.2dB，方向性约为30dB。图4为其另一侧耦合器b的耦合度和隔离度的测量结果。可以看出其耦合度为-62.6dB，方向性约为25dB。此外，本发明曾经于2011年春季在2.45GHz高功率微波测试台上，在密封充气的环境下，成功通过200kW高功率连续波微波能量。由此可以看出本发明达到了定向耦合器的弱耦合和高方向性的效果，同时达到了百千瓦级连续波的高功率运行能力，充分证明了本发明的可实施性。

Claims (5)

1.一种高功率波导定向耦合器，包括有波导，其特征在于：在所述波导的宽边上，沿着波导的传输方向设有关于波导壁中心轴线对称的二个耦合孔，每个耦合孔均由二个圆孔和位于二个圆孔之间的矩形孔组成，所述矩形孔的两端分别与二个圆孔相通，矩形孔内的中部设有金属横梁，所述金属横梁的底部与波导的内壁平齐；所述二个耦合孔的上方分别设有二个同轴线，二个同轴线的中轴线分别与耦合孔的二个圆孔的中轴线重合，有矩形壳体分别与所述的二个同轴线固定连接，所述的二个同轴线和矩形壳体一起固定安装在二个耦合孔的端部并通过塑料垫片将耦合孔与矩形壳体相互隔离并密封，所述二个同轴线的端部分别安装有接头，接头内的中心导体与紧贴在塑料垫片上的金属杆连接。

2.根据权利要求1所述的高功率波导定向耦合器，其特征在于：所述金属横梁的高度低于矩形孔的高度。

3.根据权利要求1所述的高功率波导定向耦合器，其特征在于：所述的矩形壳体在二个同轴线之间和耦合孔的上方形成一个空腔，空腔的形状与耦合孔的形状相同，空腔的深度与耦合孔的深度不同。

4.根据权利要求1所述的高功率波导定向耦合器，其特征在于：所述的接头为N型接头或L16接头，接头的特性阻抗为50欧姆。

5.根据权利要求1所述的高功率波导定向耦合器，其特征在于：沿着波导的传输方向，所述的接头依次为耦合接头和隔离接头。