主副矩形同軸線尺寸不同的定向耦合器的製作方法

2023-04-24 08:36:36 1

專利名稱：主副矩形同軸線尺寸不同的定向耦合器的製作方法
技術領域：
本發明涉及主副矩形同軸線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矩形同軸線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、插入損耗低的主副矩形同軸線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包括結構相同的主矩形同軸線和副矩形同軸線、以及作為耦合通道的耦合孔；主矩形同軸線作為微波主通道，副矩形同軸線作為取樣信號通道，其中，主矩形同軸線包括外導體、以及設置在外導體內部且軸線與外導體軸線重合的內導體；主矩形同軸線和副矩形同軸線相互隔離；主矩形同軸線通過I個或2個耦合孔與副矩形同軸線連通，至少I個耦合孔包括貼附在主矩形同軸線外導體側壁或\和副矩形同軸線外導體側壁的中空耦合管，中空耦合管靠近主矩形同軸線外導體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，耦合腔位於主矩形同軸線外導體和副矩形同軸線外導體之間並與主矩形同軸線和副矩形同軸線導通；
主矩形同軸線的尺寸表示為al*hl，副矩形同軸線的尺寸表示為a2*h2，al、a2分別表示為主矩形同軸線的外導體寬度和副矩形同軸線的外導體寬度，hi、h2分別表示為主矩形同軸線的外導體高度和副矩形同軸線的外導體高度；主矩形同軸線的尺寸和副矩形同軸線的尺寸情況如下
情況A :當主矩形同軸線的尺寸大於副矩形同軸線的尺寸時， h2*10% < hi < h2*80% 或 \ 和 a2*10% < al < a2*80% ；
情況B :當主矩形同軸線的尺寸小於副矩形同軸線的尺寸時， hl*10% < h2 < hi *80% 或 \ 和 al*10% < a2 < a I *80% ；
情況C :主矩形同軸線的尺寸等於副矩形同軸線的尺寸時， al=a2 且 hl=h2。中空耦合管貼附在主矩形同軸線的外導體側壁或\和中空耦合管貼附在副矩形同軸線的外導體側壁。耦合腔在其俯視方向的投影形狀為圓形或多邊形。 與傳統的單孔定向耦合器相比，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，耦合腔設置在主矩形同軸線和副矩形同軸線之間的，用以連通主矩形同軸線和副矩形同軸線，由於還設置有中空耦合管，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，當我們採用普通的主矩形同軸線和副矩形同軸線進行設計時，普通結構的方向性要比標準結構的方向性好，因此，本發明中採用的主矩形同軸線和副矩形同軸線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貼附在主矩形同軸線的外導體側壁或\和中空耦合管貼附在副矩形同軸線的外導體側壁。進一步的優先設置為主矩形同軸線和副矩形同軸線在尺寸方面做出調整，具體調整參數根據該定向耦合器的方向性、插插入損耗等參數設定。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矩形同軸線，在結構耦合孔處時，通過耦合腔將微波耦合到副矩形同軸線，在中空耦合管的作用下進行加強耦合，使其方向性變強，進一步調整主矩形同軸線和副矩形同軸線的尺寸；因此在上述加強耦合的基礎還可以進一步的進行耦合加強。所述耦合孔內設置有軸線與主矩形同軸線的軸線垂直的金屬柱。該金屬柱的橫截面的形狀為多邊形，優先選擇矩形。所述主矩形同軸線的軸線和副矩形同軸線的軸線之間的角度為0°至180°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矩形同軸線和副矩形同軸線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。所述主矩形同軸線或\和副矩形同軸線的一端或兩端還連接有彎曲波導。所述主矩形同軸線或\和副矩形同軸線在其一端或兩端連接有與外界器件匹配的匹配結構。基於上述結構，本發明相較於以往的單孔定向耦合器而言其改進點為將傳統採用相同矩形同軸線結構改進為採用普通矩形同軸線結構，即主矩形同軸線的尺寸和副矩形同軸線的尺寸情況如下情況A:當主矩形同軸線的尺寸大於副矩形同軸線的尺寸時， h2*10% < hi < h2*80% 或 \ 和 a2*10% < al < a2*80% ；
情況B :當主矩形同軸線的尺寸小於副矩形同軸線的尺寸時， hl*10% < h2 < hi *80% 或 \ 和 al*10% < a2 < a I *80% ；
情況C :主矩形同軸線的尺寸等於副矩形同軸線的尺寸時， al=a2 且 hl=h2。這樣可增加其方向性。一般的主矩形同軸線的軸線和副矩形同軸線的軸線之間的角度為0°至180°之間。為了使其整個耦合器的體積減少，我們優先考慮主矩形同軸線的軸線和副矩形同軸線的軸線平行設置，即主矩形同軸線的軸線和副矩形同軸線的軸線之間的角度為0°或180°，同時，其主矩形同軸線的軸線和副矩形同軸線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，可進一步的提高其方向性，此時我們需要使中空耦合管貼附在主矩形同軸線側壁或\和副矩形同軸線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。增加金屬柱時，所述耦合孔3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。作為進一步的改進，本發明中的耦合孔包括貼附在主矩形同軸線側壁或\和副矩形同軸線側壁的中空耦合管，中空耦合管靠近矩形同軸線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。波導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、超寬工作帶寬、功率容量大、插入損耗低，特別是在毫米波和太赫茲波段，與普通單孔定向耦合器相比，在耦合度和方向性方面具有突出優勢。本發明的緊湊型主副矩形同軸線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為本發明中主矩形同軸線的軸線和副矩形同軸線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本發明實施例四的俯視圖。圖中的標號分別表示為1、主矩形同軸線；2、副矩形同軸線；3、耦合孔；31、耦合腔；32、中空耦合管；7、金屬柱；4、彎曲同軸線；5、矩形同軸線。
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，主副矩形同軸線尺寸不同的定向耦合器，包括作為微波主通道的主矩形同軸線I和作為取樣信號通道的副矩形同軸線2、以及作為耦合通道的耦合孔3 ;主矩形同軸線I和副矩形同軸線2相互隔離，主矩形同軸線通過I個耦合孔3與副矩形同軸線2連通，耦合孔3包括貼附在主矩形同軸線I側壁或\和副矩形同軸線2側壁的中空耦合管32，中空耦合管32靠近主矩形同軸線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，耦合腔位31於主矩形同軸線I和副矩形同軸線2之間並與主矩形同軸線I和副矩形同軸線2導通；
主矩形同軸線I的尺寸和副矩形同軸線2的尺寸情況如下
情況A :當主矩形同軸線的尺寸大於副矩形同軸線的尺寸時， h2*10% < hi < h2*80% 或 \ 和 a2*10% < al < a2*80% ；
情況B :當主矩形同軸線的尺寸小於副矩形同軸線的尺寸時， hl*10% < h2 < hi *80% 或 \ 和 al*10% < a2 < a I *80% ；
情況C :主矩形同軸線的尺寸等於副矩形同軸線的尺寸時， al=a2 且 hl=h2。耦合孔3在其俯視方向的投影形狀為圓形，且主矩形同軸線I的軸線和副矩形同軸線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採用相同矩形同軸線結構改進為採用普通矩形同軸線結構，即主矩形同軸線的尺寸和副矩形同軸線的尺寸情況如下
情況A :當主矩形同軸線的尺寸大於副矩形同軸線的尺寸時， h2*10% < hi < h2*80% 或 \ 和 a2*10% < al < a2*80% ；
情況B :當主矩形同軸線的尺寸小於副矩形同軸線的尺寸時，、hl*10% < h2 < hi *80% 或 \ 和 al*10% < a2 < a I *80% ；
情況C :主矩形同軸線的尺寸等於副矩形同軸線的尺寸時， 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矩形同軸線I和副矩形同軸線2，主矩形同軸線I為微波主通道，副矩形同軸線2為取樣信號通道；主矩形同軸線的軸線和副矩形同軸線的軸線之間的角度為0°至180°之間，主矩形同軸線I和副矩形同軸線2相互隔離，只通過I個耦合孔連通；副矩形同軸線2採用的是普通矩形同軸線結構，即副矩形同軸線2的外導體寬度a2滿足al*10% < a2 < al*80%，其中al是主矩形同軸線I的外導體寬度；耦合孔3的一部分在主矩形同軸線I或副矩形同軸線2以外。耦合孔3中加入另一個軸線與主矩 形同軸線I的軸線垂直的金屬柱7，該金屬柱7的橫截面的形狀為矩形，這樣可以得到方向性更好的定向耦合器。實施例二
如圖5所示，與實施例一不同的地方是主矩形同軸線I和副矩形同軸線2的軸線之間是平行的，沒有夾角。耦合孔3都只有部分在主矩形同軸線I和副矩形同軸線2裡面，還有一部分在外面。耦合孔3內沒有設置金屬柱7。實施例三
如圖6所示，與實施例二不同的地方是主矩形同軸線I和副矩形同軸線2之間通過2個耦合孔3連通，兩耦合孔3的中心分別位於主矩形同軸線I和副矩形同軸線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矩形同軸線I和副矩形同軸線2隻通過一個耦合孔3連通，在主矩形同軸線I的兩端有彎曲波導4的過渡，在彎曲波導4的另一端連接著矩形波導5，這樣可以得到方向性更好、帶寬更寬的主副矩形同軸線尺寸不同的定向耦合器。如上所述便可較好的實現本發明。
權利要求
1.主副矩形同軸線尺寸不同的定向耦合器，其特徵在於包括結構相同的主矩形同軸線(I)和副矩形同軸線(2)、以及作為耦合通道的耦合孔(3);主矩形同軸線(I)作為微波主通道，副矩形同軸線(2)作為取樣信號通道，其中，主矩形同軸線(I)包括外導體、以及設置在外導體內部且軸線與外導體軸線重合的內導體；主矩形同軸線(I)和副矩形同軸線(2)相互隔離；主矩形同軸線(I)通過I個或2個耦合孔(3)與副矩形同軸線(2)連通，至少I個耦合孔(3)包括貼附在主矩形同軸線(I)外導體側壁或\和副矩形同軸線(2)外導體側壁的中空耦合管(32)，中空耦合管(32)靠近主矩形同軸線(I)外導體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)位於主矩形同軸線(I)夕卜導體和副矩形同軸線(2)外導體之間並與主矩形同軸線(I)和副矩形同軸線(2)導通； 主矩形同軸線(I)的尺寸表示為al*hl，副矩形同軸線(2)的尺寸表示為a2*h2，al、a2分別表示為主矩形同軸線(I)的外導體寬度和副矩形同軸線(2)的外導體寬度，hi、h2分別表示為主矩形同軸線(I)的外導體高度和副矩形同軸線(2)的外導體高度； 主矩形同軸線(I)的尺寸和副矩形同軸線(2)的尺寸情況如下 情況A :當主矩形同軸線(I)的尺寸小於副矩形同軸線(2)的尺寸時， h2*10% < hi < h2*80% 或 \ 和 a2*10% < al < a2*80% ； 情況B :當主矩形同軸線(I)的尺寸大於副矩形同軸線(2)的尺寸時， hl*10% < h2 < hi *80% 或 \ 和 al*10% < a2 < a I *80% ； 情況C :主矩形同軸線(I)的尺寸等於副矩形同軸線(2)的尺寸時， al=a2 且 hl=h2。
2.根據權利要求I所述的主副矩形同軸線尺寸不同的定向耦合器，其特徵在於中空耦合管(32)貼附在主矩形同軸線(I)的外導體側壁或\和中空耦合管(32)貼附在副矩形同軸線(2)的外導體側壁。
3.根據權利要求I所述的主副矩形同軸線尺寸不同的定向耦合器，其特徵在於耦合腔在其俯視方向的投影形狀為圓形或多邊形。
4.根據權利要求I所述的主副矩形同軸線尺寸不同的定向耦合器，其特徵在於所述耦合孔(3)內設置有軸線與主矩形同軸線(I)的軸線垂直的金屬柱(7)。
5.根據權利要求3所述的主副矩形同軸線尺寸不同的定向耦合器，其特徵在於該金屬柱(7)的橫截面的形狀為多邊形。
6.根據權利要求I所述的主副矩形同軸線尺寸不同的定向耦合器，其特徵在於所述主矩形同軸線(I)的軸線和副矩形同軸線(2)的軸線之間的角度為0°至180°。
7.根據權利要求I所述的主副矩形同軸線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)的中心分別位於主矩形同軸線(I)和副矩形同軸線(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。
8.根據權利要求1-7中任意一項所述的主副矩形同軸線尺寸不同的定向耦合器，其特徵在於所述主矩形同軸線(I)或\和副矩形同軸線(2)的一端或兩端還連接有彎曲波導(4)。
9.根據權利要求1-7中任意一項所述的主副矩形同軸線尺寸不同的定向耦合器，其特徵在於所述主矩形同軸線(I)或\和副矩形同軸線(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
本發明公開了主副矩形同軸線尺寸不同的定向耦合器，包括作為微波主通道的主矩形同軸線和作為取樣信號通道的副矩形同軸線、以及作為耦合通道的耦合孔；主矩形同軸線和副矩形同軸線相互隔離，主矩形同軸線通過1個或2個耦合孔與副矩形同軸線連通，至少1個耦合孔包括貼附在主矩形同軸線側壁或\和副矩形同軸線側壁的中空耦合管，中空耦合管靠近矩形同軸線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，耦合腔位於主矩形同軸線和副矩形同軸線之間並與主矩形同軸線和副矩形同軸線導通；主矩形同軸線的尺寸和副矩形同軸線的尺寸情況不同。本發明的優點在於結構緊湊、超寬工作帶寬、功率容量大、插入損耗低。
文檔編號H01P5/18GK102780056SQ20121028259
公開日2012年11月14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