主副脊波導尺寸不同的定向耦合器的製作方法

2023-04-24 08:41:06 1

專利名稱：主副脊波導尺寸不同的定向耦合器的製作方法
技術領域：
本發明涉及主副脊波導尺寸不同的定向耦合器，具體地說，是涉及一種利用單孔或雙孔進行耦合的主副脊波導尺寸不同的定向耦合器。
背景技術：
定向耦合器是微波系統中應用廣泛的一種微波器件，它的主要作用是將微波信號按一定的比例進行功率分配；定向耦合器由兩根傳輸線構成，同軸線、矩形波導、圓波導、帶狀線和微帶線等都可構成定向耦合器；所以從結構來看定向耦合器種類繁多，差異很大，但從它們的耦合機理來看主要分為四種，即小孔耦合、平行耦合、分支耦合以及匹配雙T。
在20世紀50年代初以前，幾乎所有的微波設備都採用金屬波導和波導電路，那個時候的定向耦合器也多為波導小孔耦合定向耦合器；其理論依據是Bethe小孔耦合理論，Cohn和Levy等人也做了很多貢獻。隨著航空和航天技術的發展，要求微波電路和系統做到小型化、輕量化和性能可靠，於是出現了帶狀線和微帶線，隨後由於微波電路與系統的需要又相繼出現了鰭線、槽線、共面波導和共面帶狀線等微波集成傳輸線，這樣就出現了各種傳輸線定向耦合器。傳統單孔定向耦合器有一些的優點如結構簡單、參數少，設計起來比較方便；但是它還存在著一些缺點如帶寬窄、方向性差，只有在設計頻率處工作合適。偏離開這個頻率，方向性將降低。傳統多孔定向耦合器雖然可以做到很寬的帶寬，但也存在著一些缺點，如體積大、加工精度要求高、插入損耗高，特別是在毫米波太赫茲波段，過高的插損使該器件失去使用價值；這就激勵我們去設計一種能克服這些缺點的新型定向耦合器。

發明內容
本發明的目的在於克服傳統定向耦合器的一些缺點，提供了一種緊湊型、插入損耗低的主副脊波導尺寸不同的定向耦合器。為了實現上述目的，本發明採用的技術方案如下主副脊波導尺寸不同的定向耦合器，其特徵在於包括作為微波主通道的主脊波導和作為取樣信號通道的副脊波導、以及作為耦合通道的耦合孔；副脊波導和主脊波導的結構一致，其中，主脊波導包括矩形的空腔結構和設置在矩形空腔結構內的脊結構；主脊波導和副脊波導相互隔離；主脊波導通過I個或2個耦合孔與副脊波導連通，至少I個耦合孔包括貼附在主脊波導側壁或\和副脊波導側壁的中空耦合管，中空耦合管靠近主脊波導的側壁連接有三端開口的耦合腔，耦合腔與中空耦合管導通，耦合腔位於主脊波導和副脊波導之間並與主脊波導和副脊波導導通；
主脊波導的尺寸表不為al*hl,副脊波導的尺寸表不為a2*h2, al、a2分別表不為主脊波導和副脊波導的寬度，hi、h2分別表示為主脊波導和副脊波導的高度；
主脊波導的尺寸和副脊波導的尺寸情況如下
情況A :當主脊波導的尺寸小於副脊波導的尺寸時，h2*10% < hi < h2*80% 或 \ 和 a2*10% < al < a2*80% ；
情況B :當主脊波導的尺寸大於副脊波導的尺寸時， hl*10% < h2 < hi *80% 或 \ 和 al*10% < a2 < a I *80% ；
情況C :主脊波導的尺寸等於副脊波導的尺寸時， al=a2 且 hl=h2。由於傳統的單孔定向耦合器，主脊波導和副脊波導的尺寸均採用標準尺寸，同時傳統的單孔定向耦合器中的耦合孔的位置設置在主脊波導和副脊波導之間。而本發明的改進點為1、將傳統的耦合孔的位置進行調整，相應的設計出與調整後結構相匹配的耦合孔，即本發明中的耦合孔由耦合腔和中空耦合管組成，其中設置位置時，耦合腔設置在主脊波導和副脊波導之間的，用以連通主脊波導和副脊波導，由於還設置有中空耦合管貼附在主脊波導側壁或\和副脊波導側壁，可進一步的增強耦合性；2、本發明還可以在現有單孔定向耦合器的基礎上增加一個上述由耦合腔和中空耦合管構成的耦合孔，或者直接增加兩個 改進後的耦合孔，代替原始的耦合孔，使波導之間的耦合得到增強。3、由於實驗發現，當我們採用非標準結構的主脊波導和副脊波導進行設計時，非標準結構的方向性要比標準結構的方向性好，因此，本發明中採用的主脊波導和副脊波導在尺寸方面均不採用標準尺寸或者一個採用標準尺寸、一個不採用標準尺寸，在尺寸方面做出調整，可額外的增加耦合器的方向性。因此設計時，優先設置兩個耦合孔，且耦合孔中的中空耦合管要貼附在主脊波導側壁或\和副脊波導側壁。進一步的優先設置為主脊波導和副脊波導的尺寸均不採用標準尺寸。按照上述優先設置成的耦合器進行耦合輸出時，其工作過程為微波首先通過主脊波導，在結構耦合孔處時，通過耦合腔將微波耦合到副脊波導，在中空耦合管的作用下進行加強耦合，使其方向性變強。進一步的由於主脊波導和副脊波導的尺寸採用非標準尺寸；因此在上述加強耦合的基礎還可以進一步增強耦合。當主脊波導和副脊波導的尺寸選取上述三種不同的情況，可以得到三種不同的結果。以往人們都是優先選擇標準的脊波導作為波導定向耦合器的傳輸通道，但是當選用情況A或情況B時，在毫米波段和太赫茲波段我們可以得到低插損、方向性更好的定向耦合器。也就是這個額外的自由度可以幫助我們設計出方向性更好的定向耦合器。耦合孔在其俯視方向的投影形狀為圓形；耦合腔同時與主脊波導的矩形空腔結構和副脊波導的矩形空腔結構導通。所述耦合孔內設置有軸線與耦合孔軸線平行並與主脊波導的軸線垂直的金屬體。該金屬體的橫截面的形狀為矩形。所述主脊波導的軸線和副脊波導的軸線之間的角度為5°至175°之間。所述耦合孔的數目為2時，兩耦合孔的中心分別位於主脊波導和副脊波導在俯視方向投影后相交構成的平行四邊形的兩個相對的頂點附近。所述主脊波導或\和副脊波導的一端或兩端還連接有彎曲脊波導。所述主脊波導或\和副脊波導在其一端或兩端連接有與外界器件匹配的匹配結構。一般的主脊波導的軸線和副脊波導的軸線之間的角度為5°至175°之間。為了使其整個耦合器的體積減少，我們優先考慮主脊波導的軸線和副脊波導的軸線平行設置，同時，其主脊波導的軸線和副脊波導的軸線之間的角度大小根據該定向耦合器的耦合度、方向性和工作帶寬等指標經過優化而定。當耦合孔的數目為I個時，相比以往的單孔耦合器，性能有明顯的進步，當耦合孔的數目增加為2個時，可進一步的提高其耦合度。此時我們需要使得中空耦合管貼附在或主脊波導\和副脊波導的側壁才能提高其方向性。耦合孔在其俯視方向的投影形狀不受限制，當考慮製作成本時，我們優先考慮能簡易批量生產的圓形或三角形或四邊形。增加金屬體時，所述耦合孔在俯視方向的投影形狀為一字形或Y字形或十字型和其它多於4個分支的星狀。基於上述結構，本發明可以不採用標準脊波導結構，也就是矩形波導的高度或寬 度是可以改變的，具體高度需根據定向耦合器的耦合度、方向性和工作帶寬等指標經過優化而定。單孔定向耦合器的工作原理可以敘述如下
由于波導內壁可以近似看成理想導電平面，根據交變電磁場的邊界條件，理想導電平面E只有與表面相垂直的分量,沒有切向分量；磁場H只有與表面相切的分量,沒有法向分量。主波導內電場垂直主副波導公共寬邊，通過小孔達到副波導的那一部分電場仍垂直與主副波導公共寬邊，其電力線形成一個彎頭。磁場(磁力線)為平行於主波導寬壁的閉合曲線，故主波導的磁場(磁力線)在小孔處形成一組穿進穿出副波導的連續曲線。通過小孔進入副波導的那一部分電場在副波導耦合孔兩側耦合出垂直向下的電場E』，交變的電場E』激發出感生磁場H』(方向由S=E*H決定)，電、磁場交替激發，形成分別向率禹合端和隔離端輸出的電磁波。通過小孔進入副波導的那一部分磁場在副波導耦合孔兩側耦合出水平向右的磁場H』，交變的磁場H』激發出感生的電場E』，電、磁場交替激發，形成分別向耦合端和隔離端輸出的電磁波。小孔耦合是上述電耦合和磁耦合的疊加，即把兩種耦合形成的電磁波合併，我們可以看出往I禹合端方向傳輸的電磁波同向疊加，形成I禹合輸出；往隔離端方向傳輸的電磁波反向疊加，相互抵消構成隔離，所以原則上是無耦合輸出的；但是由於小孔電、磁耦合的不對稱性，兩者疊加產生了方向性。本發明的優點在於結構緊湊、加工簡單、工作帶寬寬、功率容量大、插入損耗低，特別是在毫米波和太赫茲波段，與普通多孔定向耦合器相比，在低插損方面具有突出優勢。本發明的緊湊型主副脊波導尺寸不同的定向耦合器可望廣泛用於各微波波段及太赫茲波段的電子系統中，特別是雷達、飛彈制導、通信等軍事及民用領域。


圖I為本發明中主脊波導的軸線和副脊波導的軸線平行時的立體圖。圖2為耦合孔的結構立體圖。圖3為本發明實施例一的俯視圖。圖4為本發明實施例一中A— A剖面圖。
圖5為本發明實施例二的俯視圖。圖6為本發明實施例三的俯視圖。圖7為本發明實施例四的俯視圖。圖中的標號分別表示為1、主脊波導；2、副脊波導；3、耦合孔；31、耦合腔；32、中空耦合管；7、金屬體；4、彎曲脊波導；5、脊波導。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明作進一步地詳細說明，但本發明實施方式不限於此。

如圖1、2所示，主副脊波導尺寸不同的定向耦合器，包括作為微波主通道的主脊波導I和作為取樣信號通道的副脊波導2、以及作為耦合通道的耦合孔3 ;主脊波導I和副脊波導2相互隔離；主脊波導I通過I個耦合孔與副脊波導2連通，耦合孔3包括貼附在主脊波導I側壁或\和副脊波導2側壁的中空耦合管32，中空耦合管32靠近脊波導I的側壁連接有三端開口的耦合腔31，耦合腔31與中空耦合管32導通，耦合腔31位於主脊波導I和副脊波導2之間並與主脊波導I和副脊波導2導通。主脊波導的尺寸表示為al*hl，副脊波導的尺寸表示為a2*h2，al、a2分別表示為主脊波導和副脊波導的寬度，hi、h2分別表示為主脊波導和副脊波導的高度；
主脊波導的尺寸和副脊波導的尺寸情況如下
情況A :當主脊波導的尺寸小於副脊波導的尺寸時， h2*10% < hi < h2*80% 或 \ 和 a2*10% < al < a2*80% ；
情況B :當主脊波導的尺寸大於副脊波導的尺寸時， hl*10% < h2 < hi *80% 或 \ 和 al*10% < a2 < a I *80% ；
情況C :主脊波導的尺寸等於副脊波導的尺寸時， al=a2 且 hl=h2。耦合孔3在其俯視方向的投影形狀為圓形，且主脊波導I的軸線和副脊波導2的軸線互相平行。相較於以往的單孔定向耦合器而言其改進點為將傳統的耦合孔改進為由耦合腔31和中空耦合管32組成的耦合通道，其中耦合腔31設置在主脊波導I和副脊波導2之間，中空耦合管32貼附在主脊波導I側壁或\和副脊波導側壁。這樣可增加其方向性。同時，相較於以往的單孔定向耦合器而言其另一個改進點為將傳統採用標準脊波導結構改進為採用普通脊波導結構，即主脊波導的尺寸和副脊波導的尺寸情況如下
情況A :當主脊波導的尺寸小於副脊波導的尺寸時， h2*10% < hi < h2*80% 或 \ 和 a2*10% < al < a2*80% ；
情況B :當主脊波導的尺寸大於副脊波導的尺寸時， hl*10% < h2 < hi *80% 或 \ 和 al*10% < a2 < a I *80% ；
情況C :主脊波導的尺寸等於副脊波導的尺寸時， al=a2且hl=h2。這樣可增加其方向性。實施例一
如圖3、4所示，本實施例包括設置有主脊波導I和副脊波導2，主脊波導I為微波主通道，副脊波導2為取樣信號通道；主脊波導I和副脊波導2的軸線相互平行，主脊波導I和副脊波導2相互隔離，只通過I個耦合孔連通；耦合孔3的一部分在主脊波導I或副脊波導2以外。耦合孔3中加入另一個軸線與耦合孔3的軸線平行並與主脊波導I的軸線垂直的金屬體7，該金屬體7的橫截面的形狀為矩形，可以得到方向性較好的定向耦合器。實施例二
如圖5所示，與實施例一不同的地方是主脊波導I和副脊波導2之間是平行的，沒有夾角。耦合孔3都只有部分在主脊波導I和副脊波導2裡面，還有一部分在外面。耦合孔3內沒有設置金屬體7。實施例三
如圖6所示，與實施例一不同的地方是主脊波導I和副脊波導2之間通過兩個耦合孔3連通，兩耦合孔3的中心分別位於主脊波導I和副脊波導2相交構成的平行四邊形的兩個相對的頂點附近。
實施例四
如圖7所示，與實施例三不同的地方是主脊波導I和副脊波導2隻通過一個耦合孔3連通，在主脊波導I的兩端有彎曲脊波導4的過渡，這樣可以得到方向性更好、帶寬更寬的波導定向耦合器，在彎曲脊波導4的另一端連接著脊波導5。如上所述便可較好的實現本發明。
權利要求
1.主副脊波導尺寸不同的定向耦合器，其特徵在於包括作為微波主通道的主脊波導(I)和作為取樣信號通道的副脊波導(2)、以及作為耦合通道的耦合孔(3);主脊波導(I)和副脊波導(2)的結構一致，其中主脊波導(I)和副脊波導(2)都是由上壁或\和下壁加載導體脊的矩形波導構成的；主脊波導(I)和副脊波導(2)相互隔離；主脊波導(I)通過I個或2個耦合孔(3)與副脊波導(2)連通，至少I個耦合孔(3)包括貼附在主脊波導(I)側壁或\和副脊波導(2)側壁的中空耦合管(32)，中空耦合管(32)靠近主脊波導(I)的側壁連接有三端開口的耦合腔(31)，耦合腔(31)與中空耦合管(32)導通，耦合腔(31)位於主脊波導(I)和副脊波導(2)之間並與主脊波導(I)和副脊波導(2)導通；耦合孔(3)在其俯視方向的投影形狀為圓形；耦合腔同時與主脊波導(I)的矩形空腔結構和副脊波導(2)的矩形空腔結構導通； 主脊波導(I)的尺寸表不為al*hl,副脊波導(2)的尺寸表不為a2*h2,al、a2分別表示為主脊波導(I)和副脊波導(2)的寬度，hi、h2分別表示為主脊波導(I)和副脊波導(2)的高度； 主脊波導(I)的尺寸和副脊波導(2)的尺寸情況如下 情況A :當主脊波導(I)的尺寸小於副脊波導(2)的尺寸時， h2*10% < hi < h2*80% 或 \ 和 a2*10% < al < a2*80% ； 情況B :當主脊波導(I)的尺寸大於副脊波導(2)的尺寸時， hl*10% < h2 < hi *80% 或 \ 和 al*10% < a2 < a I *80% ； 情況C :主脊波導(I)的尺寸等於副脊波導(2)的尺寸時， al=a2 且 hl=h2。
2.根據權利要求I所述的主副脊波導尺寸不同的定向耦合器，其特徵在於所述耦合孔(3)內設置有軸線與耦合孔(3)軸線平行並與主脊波導(I)的軸線垂直的金屬體(7)。
3.根據權利要求3所述的主副脊波導尺寸不同的定向耦合器，其特徵在於該金屬體(7)的橫截面的形狀為矩形。
4.根據權利要求I所述的主副脊波導尺寸不同的定向耦合器，其特徵在於所述主脊波導(I)的軸線和副脊波導(2)的軸線之間的角度為5°至175°之間。
5.根據權利要求I所述的主副脊波導尺寸不同的定向耦合器，其特徵在於所述耦合孔(3)的數目為2時，兩耦合孔(3)的中心分別位於主脊波導(I)和副脊波導(2)在俯視方向投影后相交構成的平行四邊形的兩個相對的頂點附近。
6.根據權利要求1-5中任意一項所述的主副脊波導尺寸不同的定向耦合器，其特徵在於所述主脊波導(I)或\和副脊波導(2)的一端或兩端還連接有彎曲脊波導(4)。
7.根據權利要求1-5中任意一項所述的主副脊波導尺寸不同的定向耦合器，其特徵在於所述主脊波導(I)或\和副脊波導(2)在其一端或兩端連接有與外界器件匹配的匹配結構。
全文摘要
本發明公開了主副脊波導尺寸不同的定向耦合器，包括作為微波主通道的主脊波導和作為取樣信號通道的副脊波導、以及作為耦合通道的耦合孔；主脊波導和副脊波導的結構一致，其中主脊波導和副脊波導都是由上壁或\和下壁加載導體脊的矩形波導構成的；主脊波導和副脊波導相互隔離，主脊波導通過1個或2個耦合孔與副脊波導連通，至少1個耦合孔包括貼附在主脊波導側壁或\和副脊波導側壁的中空耦合管，中空耦合管靠近矩形波導的側壁連接有三端開口的耦合腔，耦合腔與中空耦合管導通，耦合腔位於主脊波導和副脊波導之間並與主脊波導和副脊波導導通。其結構緊湊、加工簡單、工作帶寬寬、功率容量大、插入損耗低。
文檔編號H01P5/18GK102810710SQ20121028262
公開日2012年12月5日 申請日期2012年8月10日 優先權日2012年8月10日
發明者王清源, 譚宜成 申請人:成都賽納賽德科技有限公司