專利名稱：尺寸不同的多孔脊波導定向耦合器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及多孔定向耦合器，具體地說，是涉及一種利用多個孔進行加強耦合的尺寸不同的多孔脊波導定向耦合器。
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采用金屬波導和波導電路，那個時候的定向I禹合器也多為波導小孔I禹合定向I禹合器；其理論依據是Bethe小孔I禹合理論，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，于是出現了帶狀線和微帶線，隨后由于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、方向性也有很所改善，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多孔定向耦合器。
實用新型內容本實用新型的目的在于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、寬帶的尺寸不同的多孔脊波導定向耦合器。為了實現上述目的，本實用新型采用的技術方案如下尺寸不同的多孔脊波導定向耦合器，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矩形空腔結構波導、以及設置在矩形空腔結構波導上壁或\和下壁的加載導體脊構成；主脊波導和副脊波導相互隔離；主脊波導通過至少3個耦合孔與副脊波導連通，耦合孔包括貼附在矩形空腔結構波導側壁的中空耦合管，中空耦合管靠近矩形空腔結構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，耦合腔位于主脊波導和副脊波導之間并與主脊波導和副脊波導導通；所述耦合孔沿主脊波導的軸線方向排列，沿主脊波導軸線方向相鄰的耦合孔依次交錯分布于主脊波導軸線的左側和右側；沿主脊波導軸線方向上，相鄰兩耦合孔的孔心間距在主脊波導中心工作頻率的波導波長的159Γ35%之間；所述耦合腔中加入了一個軸線與耦合腔的軸線平行并與主脊波導軸線垂直的柱狀金屬體，該柱狀金屬體一端與對應的耦合腔的內壁連接；該柱狀金屬體的橫截面的形狀為多邊形；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于副脊波導的尺寸時，h2*5% < hi < h2*85% 或 \ 和 a2*5% < al < a2*85% ；情況B :當主脊波導的尺寸大于副脊波導的尺寸時， hl*5% < h2 < hl*85% 或 \ 和 al*5% < a2 < al*85% ；情況C :主脊波導的尺寸等于副脊波導的尺寸時，&1=&2且111=112。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、帶寬更寬的多孔定向耦合器。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多孔定向耦合器。中空耦合管在其俯視方向的投影形狀為半圓形，耦合腔在其俯視方向的投影形狀為圓形。所述柱狀金屬體延伸進主脊波導的內部。所述主脊波導或副脊波導的一端或兩端還連接有彎曲波導；在彎曲波導的另一端還可連接有與外界匹配的匹配結構。單孔定向耦合器在方向性上有相對窄的帶寬，于是人們想到了設計一系列耦合孔，這一系列的耦合孔組成一個陣列，若干個陣列還可以疊加起來，由此來綜合耦合度和方向性響應。利用小孔的方向性和陣列的方向性在耦合端疊加，就可以獲得更好的方向性，并且這個額外的自由度還可以提高帶寬。因此，為了增加耦合孔的耦合性能，我們將耦合孔沿主脊波導的軸線排列，同時為了增加耦合孔的口徑，我們將相鄰的耦合孔依次交錯的分布于主脊波導軸線的左側和右側。將耦合孔交錯排列后，在滿足耦合加強的條件下，即相鄰兩耦合孔的孔心間距應設置在主脊波導的中心工作頻率的波導波長的159Γ35%之間，我們可以增大耦合孔的口徑，這樣一來又可以進一步的加強耦合，從而進一步提高該矩形波導定向耦合器的方向性。作為進一步的改進，本實用新型可以不采用標準脊波導結構，也就是脊波導的尺寸是可以改變的，當主脊波導或\和副脊波導在尺寸方面做出調整，又可以進一步提高該多孔定向耦合器的方向性。具體尺寸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。同時，優先選擇橫截面為矩形柱狀金屬體設置在耦合孔內，且柱狀金屬體在耦合孔內的位置不受限制，可根據實際需求進行設置。為了使其整個定向耦合器的體積減少，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，并且整個定向耦合器都被密封在金屬屏蔽蓋的內部。耦合孔在其俯視方向的投影形狀不受限制，當考慮制作成本時，我們優先考慮能簡易批量生產的圓形或三角形或四邊形。增加柱狀金屬體時，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于4個分支的星狀。基于上述結構，本實用新型相較于以往的多孔定向耦合器而言其改進點I :將傳統的耦合孔改進為由耦合腔和中空耦合管組成的耦合通道，其中耦合腔設置在主脊波導和副脊波導之間，中空耦合管貼附在主脊波導側壁或\和副脊波導側壁。這樣可增加其方向性。由于存在多個耦合孔，其多個耦合孔可以達到耦合加強的效果，同時為了使得耦合孔的孔徑加大，達到增加耦合的效果，因此本實用新型進一步的改進點耦合孔沿主脊波導的軸線排列，沿主脊波導軸線方向相鄰的耦合孔依次交錯的分布于主脊波導軸線的左側和右側；沿主脊波導軸線方向上，相鄰兩耦合孔的孔心間距在主脊波導的中心工作頻率的波導波長的159Γ35%之間。相鄰的耦合孔交錯分布以后，在單位面積內，由于我們采用交錯 的將耦合孔排布的主脊波導的兩側，那么勢必在相同孔數的條件下，我們就可以增大耦合孔的口徑，這樣一來又可以進一步的耦合加強，從而進一步提高該多孔矩形波導定向耦合器的方向性。多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脊波導公共寬邊，通過小孔達到副波導的那一部分電場仍垂直于主副波導公共寬邊，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脊波導的連續曲線。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Ε’。交變的電場Ε’激發出感生磁場Η’(方向由S=E*H決定)。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。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。把兩種耦合形成的電磁波合并，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，相互抵消構成隔離端，所以原則上是無耦合輸出的。但是由于小孔電、磁耦合的不對稱性，兩者疊加產生了方向性。多孔定向耦合器就是利用一系列耦合孔組成一個陣列，若干個陣列還可以疊加起來，由此來綜合耦合度和方向性響應。利用小孔的方向性和陣列的方向性在耦合端疊加，就可以獲得更好的方向性，并且這個額外的自由度還可以提高帶寬。本實用新型的優點在于結構緊湊、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。本實用新型的緊湊型多孔定向耦合器可望廣泛用于各微波波段及太赫茲波段的電子系統中，特別是雷達、導彈制導、通信等軍事及民用領域。
圖 I為本實用新型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為本實用新型實施例一的俯視圖。圖4為本實用新型實施例一的A-A剖面圖。圖5為本實用新型實施例二的俯視圖。圖6為本實用新型實施例三的俯視圖。圖7為本實用新型實施例四的俯視圖。圖8為本實用新型實施例五的俯視圖。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；4、柱狀金屬體；5、彎曲波導；6、導體脊。
具體實施方式
下面結合實施例對本實用新型作進一步地詳細說明，但本實用新型實施方式不限于此。如圖1、2所示，尺寸不同的多孔脊波導定向耦合器，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6的矩形空腔結構波導構成的；主脊波導I和副脊波導2相互隔離；耦合孔3包括貼附在主脊波導I側壁或\和副脊波導側壁的中空耦合管32，中空耦合管32靠近矩形波導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位于主脊波導I和副脊波導2之間并與主脊波導I和副脊波導2導通。其中，耦合孔3的數目為3個；稱合孔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。耦合孔3沿主脊波導I的軸線排列，沿主脊波導I軸線方向相鄰的耦合孔依次交錯分布于主脊波導I軸線的左側和右側；沿主脊波導I軸線方向上，相鄰兩耦合孔3的孔心間距在主脊波導I的中心工作頻率的波導波長的22°/Γ28%之間。相較于以往的多孔定向耦合器而言其改進點為1、將傳統的耦合孔改進為由耦合腔和中空耦合管組成的耦合通道，其中耦合腔設置在主脊波導和副脊波導之間，中空耦合管貼附在主脊波導側壁或\和副脊波導側壁；2、將相鄰的耦合孔依次交錯的分布于主脊波導軸線的左側和右側。相鄰的耦合孔交錯分布以后，我們就可以增大耦合孔的口徑。這樣可增加其方向性。耦合孔沿主脊波導的軸線排列，沿主脊波導軸線方向相鄰的耦合孔依次交錯分布于主脊波導軸線的左側和右側；沿主脊波導軸線方向上，相鄰兩耦合孔的孔心間距在主脊波導的中心工作頻率的波導波長的159Γ35%之間。相鄰的耦合孔交錯分布以后，在單位面積內，由于我們采用交錯的將耦合孔排布的主脊波導的兩側，那么勢必在相同孔數的條件下，我們就可以增大耦合孔的口徑，這樣一來又可以進一步的耦合加強，從而進一步提高該矩多孔形波導定向耦合器的方向性。相較于以往的多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使其設置在主脊波導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，相較于以往的多孔定向耦合器而言其進一步的改進點為將傳統采用標準脊波導結構改進為采用普通脊波導結構，即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于副脊波導的尺寸時，h2*5% < hi < h2*85% 或 \ 和 a2*5% < al < a2*85% ；情況B :當主脊波導的尺寸大于副脊波導的尺寸時，hl*5% < h2 < hl*85% 或 \ 和 al*5% < a2 < al*85% ；情況C :主脊波導的尺寸等于副脊波導的尺寸時，al=a2 且 hl=h2。 對比本技術方案中，首先是將耦合孔的位置做出調整，相應的改變了耦合孔的結構，傳統的耦合孔只是一個空腔結構，而本實用新型設計的耦合孔為兩個導通的空腔結構。然后，在調整耦合孔的基礎上，為了增加耦合度，本實用新型將耦合孔的數目限制在3個以及3個以上，以實現耦合孔的陣列排布。另外，傳統采用標準脊波導結構改進為采用普通脊波導結構。因此，按照圖I所示的結構進行定向耦合時；微波首先進入主脊波導，在主脊波導內傳輸時，當遇到三個按照交叉陣列的耦合孔后，在耦合孔內進行耦合，并將微波耦合到副脊波導內，同時在三個耦合孔內進行加強。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相互隔離，通過5個耦合孔3連通；5個耦合孔3的部分在主脊波導I和副脊波導2以外。所述耦合孔3的軸線與主脊波導I的軸線垂直，其橫截面的形狀為不規則多邊形；耦合孔3位于主脊波導的兩側，沿主脊波導I軸線方向上，相鄰兩耦合孔的孔心間距在主脊波導I的中心工作頻率的波導波長的22°/Γ28%之間，即相鄰兩耦合孔中的任意一個耦合孔沿著主脊波導I軸線方向移動中心工作頻率的波導波長的229Γ28%后，可使得該相鄰的兩個耦合孔的孔心連線與主脊波導的軸線垂直，每個耦合孔3中都加入了另一個軸線與耦合孔3的軸線平行并與主脊波導I的軸線垂直的柱狀金屬體4，該柱狀金屬體4的橫截面的形狀為矩形。實施例二如圖5所示，與實施例一不同的地方是主副脊波導通過4個耦合孔連通并且副脊波導2的兩端還連有彎曲波導5，在彎曲波導5的另一端還連接有與外界匹配的匹配結構。這樣可以方便定向耦合器與外界器件的連接，從而可以得到方向性更好，帶寬更寬的波導定向I禹合器。實施例三如圖6所示，與實施實例一不同的地方是5個耦合孔3交錯分布在主脊波導I的兩側，耦合孔3的橫截面為橢圓，并且耦合孔3內都沒有加柱狀金屬體4。實施例四如圖7所示，與實施實例三不同的地方是耦合孔3的橫截面為矩形，并且耦合孔3內設置有橫截面形狀為矩形的柱狀金屬體4。實施例五如圖8所不,與實施實例三不同的是稱合孔3的橫截面為三角形。[0067] 如上所述便可較好的實現本實用新型。
權利要求1.尺寸不同的多孔脊波導定向耦合器，其特征在于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)都是由矩形空腔結構波導、以及設置在矩形空腔結構波導上壁或\和下壁的加載導體脊(6)構成；主脊波導(I)和副脊波導(2)相互隔離；主脊波導(I)通過至少3個耦合孔(3)與副脊波導(2)連通，耦合孔(3 )包括貼附在矩形空腔結構波導側壁的中空耦合管(32 )，中空耦合管(32 )靠近矩形空腔結構波導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)位于主脊波導(I)和副脊波導(2)之間并與主脊波導(I)和副脊波導(2)導通；所述耦合孔(3)沿主脊波導(I)的軸線方向排列，沿主脊波導(I)軸線方向相鄰的耦合孔(3)依次交錯分布于主脊波導(I)軸線的左側和右側；沿主脊波導(I)軸線方向上，相鄰兩耦合孔(3)的孔心間距在主脊波導(I)中心工作頻率的波導波長的159Γ35%之間；所述耦合腔(31)中加入了一個軸線與耦合腔(31)的軸線平行并與主脊波導(I)軸線垂直的柱狀金屬體(4)，該柱狀金屬體(4) 一端與對應的耦合腔(31)的內壁連接；該柱狀金屬體(4)的橫截面的形狀為多邊形； 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)的尺寸小于副脊波導(2)的尺寸時， h2*5% < hi < h2*85% 或 \ 和 a2*5% < al < a2*85% ； 情況B :當主脊波導(I)的尺寸大于副脊波導(2)的尺寸時， hl*5% < h2 < hl*85% 或 \ 和 al*5% < a2 < al*85% ； 情況C :主脊波導(I)的尺寸等于副脊波導(2)的尺寸時， al=a2 且 hl=h2。
2.根據權利要求I所述的尺寸不同的多孔脊波導定向耦合器，其特征在于中空耦合管(32)在其俯視方向的投影形狀為半圓形，耦合腔(31)在其俯視方向的投影形狀為圓形。
3.根據權利要求4所述的尺寸不同的多孔脊波導定向耦合器，其特征在于所述柱狀金屬體(4)延伸進主脊波導(I)的內部。
4.根據權利要求1-3中任意一項所述的尺寸不同的多孔脊波導定向耦合器，其特征在于所述主脊波導(I)或副脊波導(2)的一端或兩端還連接有彎曲波導(5);在彎曲波導(5)的另一端還可連接有與外界匹配的匹配結構。
專利摘要本實用新型公開了尺寸不同的多孔脊波導定向耦合器，包括主脊波導和副脊波導、以及耦合孔；主脊波導和副脊波導相互隔離，主脊波導通過至少3個耦合孔與副脊波導連通；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，耦合腔位于主脊波導和副脊波導之間并與主脊波導和副脊波導導通；沿主脊波導軸線方向相鄰的耦合孔依次交錯分布于主脊波導軸線的左側和右側。本實用新型的優點在于結構緊湊、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。
文檔編號H01P5/18GK202737079SQ20122039398
公開日2013年2月13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