CN108808202A - 基于射频同轴结构的高可靠强耦合定向耦合器 - Google Patents

基于射频同轴结构的高可靠强耦合定向耦合器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于射频同轴结构的高可靠强耦合定向耦合器，包括上腔、下腔和耦合主体，所述耦合主体包括主通路和耦合电路，所述主通路为圆柱形导体，所述耦合电路为印刷了耦合微带线的电路板，还包括一耐压介质环，所述耐压介质环为圆柱形，中心设有同轴通孔，所述主通路外壁尺寸与腔体内壁尺寸相同，且位于同轴通孔内；所述耐压介质环一侧或相对两侧设有条形槽，所述条形槽朝向耐压介质环的圆心。本发明最大工作功率可达MW级，为***中的控制模块提供高可靠、高平坦度、高方向度的强耦合信号。这种射频同轴结构的高可靠强耦合定向耦合器及制作方法提高了控制信号的采样精度和稳定性，提高了***的可靠性。

Description

基于射频同轴结构的高可靠强耦合定向耦合器
技术领域
本发明涉及一种耦合器，尤其涉及一种基于射频同轴结构的高可靠强耦合定向耦合器。
背景技术
射频控制模块广泛应用于各类射频微波设备中，是发射机、接收机、电台、测试仪器\设备以及其他多种微波设备中的重要装备。定向耦合器是微波射频***中应用极为广泛的一种微波器件，是***中射频控制模块的关键器件。定向耦合器的作用是按一定的幅度比例关系和相位关系传输信号，它可用于信号的隔离、分离和混合，并具备很高的反向隔离。定向耦合器可以被用来为控制模块提供采样功率以及在微波设备中采样入射信号和反射信号。
随着电子信息技术的发展，微波射频***中对控制模块的需求也越来越高，构成定向耦合器的电路种类繁多且差异较大，常见的有同轴线、波导、微带线及带状线等。一般情况下，定向耦合器用于信号取样，如发射机、短波通讯电台等，以便于***中安全保障模块对工作信号进行测量和监测；在一些***中也使用定向耦合器来进行信号的分配及合成，如多载频合成***中常用的3dB定向耦合器；特别是在一些对正向和反射信号的精度要求很高的测试仪器如网络分析仪中，定向耦合器更是作为其核心部件来使用的。
射频同轴定向耦合器应保证以下2点要求：1、耦合信号的真实性及精度，不应对主线信号造成影响。2、射频高功率状态下同轴结构定向耦合应具备高可靠性，特别是耦合线与主线间应具备安全保护。第1点要求定向耦合器具有很高的稳定性、平坦度和方向度。耦合度、方向度及***损耗这三个指标又相互影响，在一个较宽的频带范围上，定向耦合器的耦合度往往会有较大地波动，其方向度受到耦合度地制约也不易得到提高，***损耗受耦合度地影响也会有一定地波动。第2点要求同轴结构定向耦合器的主线与耦合线间应有足够的安全距离或者增加安全耐压保护。安全距离不够或者无绝缘防护措施极易在复杂环境条件下或者功率波动时出现耐压击穿。因此，在宽带范围内一个能够满足***使用要求的高可靠性超宽带定向耦合器具有重要的意义。
现有射频同轴定向耦合器一般通过平行耦合杆或者耦合线耦合通过空间电磁耦合原理耦合主通路功率信号，其耦合度的强弱主要通过调整耦合杆或者耦合线与主通路的距离远近来确定，这带来以下缺点：1、在大功率射频***中使用时，主通路功率大，耦合杆或者耦合线通过控制其与主通路间的距离来调整耦合度，因为空气介质耐压小，一般约为1kV/mm～2kV/mm，为确保足够的安全距离无法获得较强的耦合信号，使控制模块无法提取出最佳的检测信号。2、耦合杆或者耦合线与耦合腔内部电路连接过渡产生的寄生参数也会影响耦合曲线，在较宽的频带下难以获得良好的平坦度和方向度。3、为了保证大功率条件下的可靠性，同轴腔的尺寸往往较大，因此整个耦合器的体积也比较大，加工成本高且加工难度较大。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，可以在大功率工作条件下，为***中的控制模块提供高可靠、高平坦度、高方向度的强耦合信号的基于射频同轴结构的高可靠强耦合定向耦合器。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种基于射频同轴结构的高可靠强耦合定向耦合器，包括上腔、下腔和耦合主体，所述耦合主体包括主通路和耦合电路，所述主通路为圆柱形导体，所述耦合电路为印刷了耦合微带线的电路板，其中耦合微带线靠近电路板一边沿且与该边沿平行；
所述主通路外壁包覆有一圆柱形的耐压介质环，所述耐压介质环与主通路同轴设置，所述耐压介质环一侧或相对两侧设有条形槽，所述条形槽长度沿耐压介质环长度方向设置，度沿耐压介质环径向设置；
所述耦合电路与条形槽一一对应设置，耦合电路上设置耦合微带线的一边沿***条形槽内，且***后耦合微带线与主通路平行，所述耦合微带线通过电磁耦合的方式耦合主通路功率信号，形成耦合曲线；
所述上腔和下腔均为长方体形，二者贴合，且贴合后，上腔和下腔内部设有供耐压介质环嵌入的槽体。
作为优选：所述主通路采用铜或铜合金制成。
作为优选：所述耐压介质环采用聚四氟乙烯制成，为一段或两段结构。
作为优选：所述电路板上还设有用于调整耦合曲线平坦度的补偿电路，所述补偿电路包括一LC串联电路，所述LC串联电路并联两个串联的电阻，并联后的电路，电感的一端接耦合端口，电容的一端经一电阻接地，两个串联的电阻间还通过一LC并联电路接地，所述LC串联电路中的电感为抽头电感，且在抽头点对地串联一个补偿电容。
作为优选：所述条形槽与耐压介质环的同轴通孔间隔一层薄壁，所述薄壁最小厚度满足不被主通路通过的大功率信号电压击穿。
与现有技术相比，本发明的优点在于：与现有技术相比，本发明的优点在于：设置了耐压介质环，代替原有空气介质，为主通路提供耐压保护。空气的击穿电压与空气的湿度、气压和温度的关系很密切，湿度越大、气压越低、温度越高则击穿电压越小。通常状态下认为空气的击穿电压约为1kV/mm～2kV/mm.采用聚四氟乙烯作为耐压介质环，其击穿电压不小于10kV/mm，且这种材料性能稳定，基本不受环境因素影响，确保宽带强耦合状态下的耐压强度及可靠性，有效提高了耦合器在大功率工作条件下的可靠性。且同轴结构耦合器的耦合主体加工一致性好，寄生参数小，保证了耦合器在超宽带频率范围内的性能一致性。还设置了补偿电路，该网络由电阻器、电容器和电感器组成，与传统方案相比，本发明的补偿电路中，电感器在中心抽头，抽头点对地串联一个补偿电容，该补偿电容影响耦合曲线在频率高端的平坦度，通过调整该补偿电容，可以在一个1MHz～1200MHz范围内使耦合度曲线获得高平坦度。
本发明在结构上与传统的射频同轴结构定向耦合器有着本质的区别，耦合电路有耐压介质环提供高压保护，可以得到强于传统射频同轴结构耦合器的耦合度，这是传统射频同轴结构耦合器所不具备的能力。
本发明中，定向耦合器可以在大功率工作条件下，为***中的控制模块提供高可靠、高平坦度、高方向度的强耦合信号。这种射频同轴结构的高可靠强耦合定向耦合器及制作方法提高了控制信号的采样精度和稳定性，提高了***的可靠性。
基于射频同轴结构的高可靠强耦合定向耦合器具有小型化、轻量化的特点，大量节省了控制模块的内部空间，简化了安装过程，降低了产品成本。
基于射频同轴结构的高可靠强耦合定向耦合器在通过耦合电路直接耦合功率信号，补偿网络采用寄生参数小的贴片元件，产品频带宽，相对传统的同轴结构定向耦合器，调试时无需调整电感或电容参数，也解决了封装后的二次调试问题，只需要一次性调整耦合电路与主通路的距离，有效提高了调试效率。
附图说明
图1为实施例1的立体图；
图2为实施例1中耦合主体的结构示意图；
图3为实施例1中一段耐压介质环开条形槽的示意图；
图4为实施例2的立体图；
图5为实施例2中耦合主体的结构示意图；
图6为实施例2中一段耐压介质环开槽结构示意图。
图7为现有技术中传统定向耦合器耦合结构图；
图8为定向耦合器原理图；
图9为本发明中电感的改进图；
图10为改进前的耦合曲线图；
图11为本发明的耦合曲线图。
图中：1、上腔；2、下腔；3、耦合主体；4、主通路；5、耐压介质环；6、电路板；7、条形槽；8、空气介质；9、耦合杆。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：参见图7，现有技术中，射频同轴定向耦合器结构为主通路4、空气介质8、耦合杆9等结构构成，其耦合度的强弱主要通过调整耦合杆9或者耦合线与主通路4的距离远近来确定。空气介质8耐压小，一般约为1kV/mm～2kV/mm，耦合杆9或者耦合线与耦合腔内部电路连接过渡产生的寄生参数也会影响耦合曲线，在较宽的频带下难以获得良好的平坦度和方向度。
参见图1到图3，图8到图11，本发明为一种基于射频同轴结构的高可靠强耦合定向耦合器，包括上腔1、下腔2和耦合主体3，所述耦合主体3包括主通路4和耦合电路，所述主通路4为圆柱形导体，所述耦合电路为印刷了耦合微带线的电路板6，其中耦合微带线靠近电路板6一边沿且与该边沿平行；
所述主通路4外壁包覆有一圆柱形的耐压介质环5，所述耐压介质环5与主通路4同轴设置，所述耐压介质环5一侧设有条形槽7，所述条形槽7长度沿耐压介质环5长度方向设置，度沿耐压介质环5径向设置；
所述耦合电路与条形槽7一一对应设置，耦合电路上设置耦合微带线的一边沿***条形槽7内，且***后耦合微带线与主通路4平行，所述耦合微带线通过电磁耦合的方式耦合主通路4功率信号，形成耦合曲线；
所述上腔1和下腔2均为长方体形，二者贴合，且贴合后，上腔1和下腔2内部设有供耐压介质环5嵌入的槽体。
本实施例中：所述主通路4采用铜或铜合金制成。
所述耐压介质环5采用聚四氟乙烯制成，为一段或两段结构。
所述电路板6上还设有用于调整耦合曲线平坦度的补偿电路，所述补偿电路包括一LC串联电路，所述LC串联电路并联两个串联的电阻，并联后的电路，电感的一端接耦合端口，电容的一端经一电阻接地，两个串联的电阻间还通过一LC并联电路接地，所述LC串联电路中的电感为抽头电感，且在抽头点对地串联一个补偿电容。
所述条形槽7与耐压介质环5的同轴通孔间隔一层薄壁，所述薄壁最小厚度满足不被主通路4通过的大功率信号电压击穿。
参见图8可知，LC串联电路由电容C1，第一电感L1串联而成，LC并联电路由电容C2，第二电感L2并联而成。第一电感L1为抽头电感，且在抽头点对地处串联一个补偿电容，形成了谐振回路，可有效提高耦合曲线的平坦度，拓宽耦合器带宽。
参见图9和图10，采用本发明改进前和改进后的的50d耦合器耦合信号曲线图可知，改进后本发明具有更好的平坦度。
实施例2：参见图4到图6，所述耐压介质环5两侧均设有条形槽7，其余与实施例1相同。

Claims (5)

1.一种基于射频同轴结构的高可靠强耦合定向耦合器，包括上腔、下腔和耦合主体，所述耦合主体包括主通路和耦合电路，其特征在于：所述主通路为圆柱形导体，所述耦合电路为印刷了耦合微带线的电路板，其中耦合微带线靠近电路板一边沿且与该边沿平行；
所述主通路外壁包覆有一圆柱形的耐压介质环，所述耐压介质环与主通路同轴设置，所述耐压介质环一侧或相对两侧设有条形槽，所述条形槽长度沿耐压介质环长度方向设置，度沿耐压介质环径向设置；
所述耦合电路与条形槽一一对应设置，耦合电路上设置耦合微带线的一边沿***条形槽内，且***后耦合微带线与主通路平行，所述耦合微带线通过电磁耦合的方式耦合主通路功率信号，形成耦合曲线；
所述上腔和下腔均为长方体形，二者贴合，且贴合后，上腔和下腔内部设有供耐压介质环嵌入的槽体。
2.根据权利要求1所述的基于射频同轴结构的高可靠强耦合定向耦合器，其特征在于：所述主通路采用铜或铜合金制成。
3.根据权利要求1所述的基于射频同轴结构的高可靠强耦合定向耦合器，其特征在于：所述耐压介质环采用聚四氟乙烯制成，为一段或两段结构。
4.根据权利要求1所述的基于射频同轴结构的高可靠强耦合定向耦合器，其特征在于：所述电路板上还设有用于调整耦合曲线平坦度的补偿电路，所述补偿电路包括一LC串联电路，所述LC串联电路并联两个串联的电阻，并联后的电路，电感的一端接耦合端口，电容的一端经一电阻接地，两个串联的电阻间还通过一LC并联电路接地，所述LC串联电路中的电感为抽头电感，且在抽头点对地串联一个补偿电容。
5.根据权利要求1所述的基于射频同轴结构的高可靠强耦合定向耦合器，其特征在于：所述条形槽与耐压介质环的同轴通孔间隔一层薄壁，所述薄壁最小厚度满足不被主通路通过的大功率信号电压击穿。
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