可变换多功率电平短槽波导混合耦合器

摘要

本发明公开了一个短槽混合耦合器，其中耦合系数在预定的不连续的耦合系数范围内是可变的。在耦合器的相邻的第一和第二波导之间的公共分隔壁上形成的一个耦合槽，可以使两个波导之间按照最大的耦合系数耦合电磁能。把多个导电销钉有选择地插入耦合槽中，有效地缩短了耦合槽。因此，当把更多的销钉插入耦合槽时，耦合系数便逐渐减小。

说明书

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本发明涉及一种射频能量功率分配器，更具体地说，涉及一种改进的多功率电平波导混合耦合器。

混合耦合器广泛地应用于微波电路中，用来把一部分电磁能从一个波导耦合到另一波导。在某些情况下，其耦合比为二分之一，使两个波导之间的功率均分。在另外一些情况下，可以把较小的功率，例如四分之一或十分之一功率由一个波导耦合到第二个波导。在普通形式的众所周知的混合耦合器中，两个相互平行连接的波导共用一个公共壁，靠公共壁上的孔来耦合电磁能量。

某些应用之中，在第一波导和第二波导之间希望能够有选择地改变相对射频能量分配。卫星天线馈电网络中就是一种这样的应用，其中变换功率分配的能力可以用来改变辐射功率分配，而卫星天线系统的功率分配可以通过执行地面站的指令来改变。

以前，本申请人已经发明了一种可变换的3dB波导混合接头，它能在等功率分配状态和实际上没有功率耦合到第二个波导的分配状态之间进行变换。通常的方法是用三个间隔的销钉插入公共壁的孔中，以使孔有效地关闭;或拉出销钉打开孔，使能量耦合到第二波导中。然而，这种有效地开闭能力要达到所要求的系统的灵活性是不够的。

因此，本发明提供了一种可按指令产生几个可能功率电平之一的可变换的波导混合耦合器，它显示出技术上的进行，制造相当简单，而且成本低。

本发明公开了一种可变换的多功率电平波导混合耦合器。在最佳实施例中，耦合器采用短槽波导混合耦合器的形式，其中第一和第二波导是侧边并排连接的，把一个侧壁作为公共壁。在公共壁上形成一个耦合槽，用来按照最大耦合系数使电磁能量在两波导之间耦合。多个可伸缩的销钉按一定间隔关系沿耦合槽的纵向延伸方向排列，沿每个波导侧壁分别设置凸台，使沿槽的波导的宽度减小，从而增加耦合电平。在每个波导的宽壁一侧分别设置脊形部件，以使电场集中在波导的中心，因而能够提供较低耦合系数。一个操纵机构能有选择地把各个销钉插入槽或从槽中拉出，以便控制混合耦合器的耦合系数。

根据对实施例的详细描述，并结合附图说明，本发明的各种特性和优点将更加显明。其中：

图1是实施本发明的可变换混合耦合器的端视图。

图2是沿图1的线2-2方向的图1所示混合耦合器的剖视图。

图3是沿图2的线3-3方向的图1和图2所示混合耦合器的剖视图。

图4是图1至图3的混合耦合器中采用的典型销钉的透视图。

如图1至图3所示，最佳实施例的耦合器15是由一对并排配置的矩形波导20和30构成的，为了工作在大约12GH_Z微波频率之下，采用WR-75型矩形波导，其中波导20和30的短边和长边分别是0.750吋和2.250吋。相应于直通和耦合波导20和30的四个端口21、31，22和32分别定义为混合耦合器15的输入端，隔离端，直通端和耦合端。每个波导有两个宽壁，即顶壁20C和30C，以及底壁20a和30a，两宽壁分别由相应的窄壁即外侧壁20b和30b以及公共壁25相连接，公共壁25兼作两个波导的内侧壁。当然，图1至图4没有按照比例绘制是可以理解的。

细长的脊形部件23和33分别设置在直通和耦合波导20，30的底壁20a和30a上，每个脊形部件的侧臂23a，23b和33a，33b各自伸向波导20和30的外侧壁20b和30b。在最佳实施例中，这些脊形部件由黄铜之类的导电材料制成，其长度约为1.22吋，高度约为0.1吋，脊形部件整个侧壁的宽度约0.40吋，脊形部件侧壁中间区段宽度约0.25吋。正如图1和图2中所明显表示的那样，通常脊形部件23和33的长度与槽26相同，并且与槽对齐。例如，在图1端视图中所示的脊的矩形端面轮廓通常是设置在各个波导两侧壁之间的中心。

在TE₁₀模中，电场集中在相对中心壁和侧壁之间的波导中间部分。脊23和33起集中电场的作用，就是使波导20和30的中间部分的电场更加集中。这便减少了通过槽26耦合到波导30的能量。

凸台24和34分别沿直通波导和耦合波导20和30相对的侧壁20b和30b，设置在公共壁25上形成的耦合槽26的中线上。凸台24和34是由导电材料制成的，例如黄铜，并且在耦合槽处使波导20，30的宽度减小，形成波导内宽度减小区段。凸台和脊23和33用作阻抗匹配元件，使耦合器15的输出功率与频率关系曲线的斜率最小。由于容性脊23和33补偿了感性的宽度减小区段，其特性阻抗在整个频段内是相当恒定的。

在耦合器的隔离端口31处图示的电阻38表示一个具有与波导30的特性阻抗相匹配的阻抗的无反射负载。这样一个负载是以众所周知的楔形构成的（未示出），用于在耦合器15的工作频率下吸收电磁能量，并且很方便地安装在波导段中（未示出）。由法兰盘（未示出）连接到隔离端31。在使用中，正如本专业技术人员所熟知的那样，耦合器能与微波电路（未示出）的元件相连接;这些元件包括能用普通方法连接的波导接头，例如由法兰盘（未示出）分别与耦合器15的端口21，22，32相连接。

如上所述耦合孔或槽26是在公共壁25上形成的，在公开的实施例中，槽26的纵向尺寸约为波导波长入_g的十分之七，本例约为1.3吋。加在输入端21的电磁能将以TE₁₀模沿波导20向输出端22传播。用凸台24限定的宽度减小区段和公共壁25有助于激励向脊23入射能量的电场。聚集在脊23和它的相对侧壁20b之间的电荷，使流过分隔壁25上的槽26的横向电流减少。因此，大部分输入能量沿脊23，被引到直通端22。在这个公开的实施例中，耦合端的耦合功率与直通端的传输功率之比为-5dB。

耦合器15的耦合度的选择是靠控制流过槽26在耦合波导30中激励TE₁₀模的横向电流量来实现的。可伸缩的销钉27a-e伸进槽26中，与分隔壁25成一直线，并且具有TE₁₀模能量的电场。将销钉排列在穿过在波导20、30相邻上壁20c、30c上形成的孔28，并向下延伸到波导20、30的底壁20a和30a。销钉之间的间隔是等距离的，销钉的中心间距约为波导波长的十分之一;在这个公开的实施例中，中心到中心的距离为0.2吋。两端的销钉27a和27e分别离限定槽26的分隔壁25两端之间的距离小于波导波长的十分之一。在这个延伸位置，销钉从上壁20c和30c延伸到下壁20a和30a，（图3）。

图4表示一种典型的销钉27，其一端是螺纹，用于连接销钉的驱动机构。本公开的实施例中，各孔28的直径是0.069吋，各销钉的直径是0.063吋。销钉是用导电材料制成的，例如黄铜。公共壁25的厚度约为0.030吋。

驱动机构用来有选择地从槽26中拉出销钉27a-o中指定的某一个，以控制耦合器15的耦合比。当所有的5个销钉都取出时，使槽完全没有阻隔，其耦合系数为-5dB。当仅仅插入销钉27a时，槽26的纵向范围被有效地减小了约0.063吋，因此耦合并联电抗减小，其结果，经槽流入耦合波导宽度减小区段的横向表面电流也将减小。这样，使较少的微波能量耦合到耦合波导30。

当5个销钉被任意取出或插入时，控制销钉位置排列可以有16种组合，由此提供出许多可能的不同耦合系数。当所有销钉都插入槽时，由于销钉是按波导波长的十分之一间隔的，实际上将没有能量耦合。

结构改形的耦合器15具有如普通正交侧壁短槽耦合器相同的相位特性。到达直通端22的信号比到达耦合端32的信号超前90°，在正交侧壁短槽混合耦合器工作中，由于隔离端信号极小，此相移是固有的。

为了调节销钉，在适当的机械结构中，可采用螺旋管驱动器或步进马达，使销钉在拔出和插入两种状态之间被驱动。这个机构可以固定在波导顶壁20c和30c的顶表面附近，参照图1和图3中的标号40。根据控制线41提供的适当的控制讯号，该驱动机构适应于单独调节5个销钉27a-e中的每一个。用适当的紧固方法，可以把销钉27a-e固定在驱动机构40上，例如，用销钉（图4）一端的螺纹拧入驱动机构的螺纹孔中。那些本专业的技术人员可以容易地设计出适用于本目的特殊应用的各种机构。