專利名稱：耦合孔交錯(cuò)分布的多孔矩形波導(dǎo)定向耦合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多孔定向耦合器，具體地說，是涉及一種利用多個(gè)孔進(jìn)行耦合的耦合孔交錯(cuò)分布的多孔矩形波導(dǎo)定向耦合器。
背景技術(shù)：
定向耦合器是微波系統(tǒng)中應(yīng)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(jìn)行功率分配；定向耦合器由兩根傳輸線構(gòu)成，同軸線、矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)、帶狀線和微帶線等都可構(gòu)成定向耦合器；所以從結(jié)構(gòu)來看定向耦合器種類繁多，差異很大，但從它們的耦合機(jī)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(jì)50年代初以前，幾乎所有的微波設(shè)備都采用金屬波導(dǎo)和波導(dǎo)電路，那個(gè)時(shí)候的定向I禹合器也多為波導(dǎo)小孔I禹合定向I禹合器；其理論依據(jù)是Bethe小孔I禹合理論，Cohn和Levy等人也做了很多貢獻(xiàn)。隨著航空和航天技術(shù)的發(fā)展，要求微波電路和系統(tǒng)做到小型化、輕量化和性能可靠，于是出現(xiàn)了帶狀線和微帶線，隨后由于微波電路與系統(tǒng)的需要又相繼出現(xiàn)了鰭線、槽線、共面波導(dǎo)和共面帶狀線等微波集成傳輸線，這樣就出現(xiàn)了各種傳輸線定向耦合器。傳統(tǒng)單孔定向耦合器有一些的優(yōu)點(diǎn)如結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)少，設(shè)計(jì)起來比較方便；但是它還存在著一些缺點(diǎn)如帶寬窄、方向性差，只有在設(shè)計(jì)頻率處工作合適，偏離開這個(gè)頻率，方向性將降低。傳統(tǒng)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(diǎn)，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(jià)值；這就激勵(lì)我們?nèi)ピO(shè)計(jì)一種能克服這些缺點(diǎn)的新型多孔定向耦合器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)定向耦合器的一些缺點(diǎn)，提供了一種緊湊型、插入損耗低、寬帶的耦合孔交錯(cuò)分布的多孔矩形波導(dǎo)定向耦合器。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下耦合孔交錯(cuò)分布的多孔矩形波導(dǎo)定向耦合器，其特征在于包括作為微波主通道的主矩形波導(dǎo)和作為取樣信號通道的副矩形波導(dǎo)、以及作為耦合通道的耦合孔；主矩形波導(dǎo)的主模H面與副矩形波導(dǎo)的主模H面相互平行，主矩形波導(dǎo)和副矩形波導(dǎo)相互隔離；主矩形波導(dǎo)通過至少3個(gè)耦合孔與副矩形波導(dǎo)連通，耦合孔包括貼附在主矩形波導(dǎo)側(cè)壁或\和副矩形波導(dǎo)側(cè)壁的中空耦合管，中空耦合管靠近主矩形波導(dǎo)的側(cè)壁連接有三端開口的耦合腔，耦合腔與中空耦合管導(dǎo)通，耦合腔位于主矩形波導(dǎo)和副矩形波導(dǎo)之間并與主矩形波導(dǎo)和副矩形波導(dǎo)導(dǎo)通；耦合孔沿主矩形波導(dǎo)的軸線排列，沿主矩形波導(dǎo)軸線方向相鄰的耦合孔依次交錯(cuò)分布于主矩形波導(dǎo)軸線的左側(cè)和右側(cè)；沿主矩形波導(dǎo)軸線方向上，相鄰兩耦合孔的孔心間距在主矩形波導(dǎo)的中心工作頻率的波導(dǎo)波長的15°/Γ35%之間。
耦合孔在其俯視方向上的投影形狀為圓形或多邊形。所述耦合孔中加入了另一個(gè)軸線與主矩形波導(dǎo)的主模H面垂直的柱狀金屬體，該柱狀金屬體只在一個(gè)方向與對應(yīng)的耦合孔的內(nèi)壁連接，該柱狀金屬體的橫截面的形狀為矩形。 所述柱狀金屬體可以全部或部分位于主矩形波導(dǎo)的內(nèi)部。所述主矩形波導(dǎo)或副矩形波導(dǎo)的一端或兩端還連接有彎曲波導(dǎo)。所述主矩形波導(dǎo)或\和副矩形波導(dǎo)在其一端或兩端連接有與外界器件匹配的匹配結(jié)構(gòu)。耦合孔的部分在主矩形波導(dǎo)或副矩形波導(dǎo)以外，或同時(shí)在主矩形波導(dǎo)和副矩形波導(dǎo)外。 所述主矩形波導(dǎo)和副矩形波導(dǎo)的軸線相互平行。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(shè)計(jì)一系列耦合孔，這一系列的耦合孔組成一個(gè)陣列，若干個(gè)陣列還可以疊加起來，由此來綜合耦合度和方向性響應(yīng)。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(gè)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，我們將耦合孔沿主矩形波導(dǎo)的軸線排列，同時(shí)為了增加耦合孔的口徑，我們將相鄰的耦合孔依次交錯(cuò)的分布于主矩形波導(dǎo)軸線的左側(cè)和右側(cè)。將耦合孔交錯(cuò)排列后，在滿足耦合加強(qiáng)的條件下，即相鄰兩耦合孔的孔心間距應(yīng)設(shè)置在主矩形波導(dǎo)的中心工作頻率的波導(dǎo)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(jìn)一步的加強(qiáng)耦合，從而進(jìn)一步提高該矩形波導(dǎo)定向耦合器的方向性。同時(shí)，優(yōu)先選擇橫截面為矩形柱狀金屬體設(shè)置在耦合孔內(nèi)，且柱狀金屬體在耦合孔內(nèi)的位置不受限制，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)置。一般的主矩形波導(dǎo)的軸線和副矩形波導(dǎo)的軸線之間的角度為5°至175°之間。為了使其整個(gè)耦合器的體積減少，我們優(yōu)先考慮主矩形波導(dǎo)的軸線和副矩形波導(dǎo)的軸線平行設(shè)置。耦合孔在其俯視方向的投影形狀不受限制，當(dāng)考慮制作成本時(shí)，我們優(yōu)先考慮能簡易批量生產(chǎn)的圓形或三角形或四邊形。增加柱狀金屬體時(shí)，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(gè)分支的星狀。其中上述的H面為磁場面?；谏鲜鼋Y(jié)構(gòu)，本發(fā)明相較于以往的多孔定向耦合器而言其改進(jìn)點(diǎn)為將傳統(tǒng)的耦合孔改進(jìn)為由耦合腔和中空耦合管組成的耦合通道，其中耦合腔設(shè)置在主矩形波導(dǎo)和副矩形波導(dǎo)之間，中空耦合管貼附在主矩形波導(dǎo)側(cè)壁或\和副矩形波導(dǎo)側(cè)壁。這樣可增加其方向性。由于存在多個(gè)耦合孔，其多個(gè)耦合孔可以使波導(dǎo)之間達(dá)到耦合加強(qiáng)的效果，因此本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)點(diǎn)為耦合孔沿主矩形波導(dǎo)的軸線排列，沿主矩形波導(dǎo)軸線方向相鄰的耦合孔依次交錯(cuò)分布于主矩形波導(dǎo)軸線的左側(cè)和右側(cè)；沿主矩形波導(dǎo)軸線方向上，相鄰兩耦合孔的孔心間距在主矩形波導(dǎo)的中心工作頻率的波導(dǎo)波長的159Γ35%之間。S卩，將相鄰的耦合孔依次交錯(cuò)的分布于主矩形波導(dǎo)軸線的左側(cè)和右側(cè)。相鄰的耦合孔交錯(cuò)分布以后，在單位面積內(nèi)，由于我們采用交錯(cuò)的將耦合孔排布的主矩形波導(dǎo)的兩側(cè)，那么勢必在相同孔數(shù)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(jìn)一步的耦合加強(qiáng)，從而進(jìn)一步提高該多孔矩形波導(dǎo)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(dǎo)內(nèi)壁可以近似看成理想導(dǎo)電平面。根據(jù)交變電磁場的邊界條件，理想導(dǎo)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(dǎo)內(nèi)電場垂直主副矩形波導(dǎo)公共寬邊，通過小孔達(dá)到副波導(dǎo)的那一部分電場仍垂直于主副波導(dǎo)公共寬邊，其電力線形成一個(gè)彎頭。磁場(磁力線)為平行主波導(dǎo)寬壁的閉合曲線，故主波導(dǎo)的磁場(磁力線)在小孔處形成一組穿進(jìn)穿出副矩形波導(dǎo)的連續(xù)曲線。通過小孔進(jìn)入副波導(dǎo)的那一部分電場在副波導(dǎo)耦合孔兩側(cè)耦合出垂直向下的電場E’。交變的電場E’激發(fā)出感生磁場H’(方向由S=E*H決定)。電、磁場交替激發(fā)，形成分別向耦合端和隔離端輸出的電磁波。

通過小孔進(jìn)入副波導(dǎo)的那一部分磁場在副波導(dǎo)耦合孔兩側(cè)耦合出水平向右的磁場H’。交變的磁場H’激發(fā)出感生的電場E’。電、磁場交替激發(fā)，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?shù)碾姶挪ㄍ虔B加，形成I禹合輸出；往隔離端方向傳輸?shù)碾姶挪ǚ聪虔B加，相互抵消構(gòu)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(chǎn)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(gè)陣列，若干個(gè)陣列還可以疊加起來，由此來綜合耦合度和方向性響應(yīng)。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(gè)額外的自由度還可以提高帶寬。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)緊湊、加工簡單、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(yōu)勢。本發(fā)明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(tǒng)中，特別是雷達(dá)、導(dǎo)彈制導(dǎo)、通信等軍事及民用領(lǐng)域。


圖I為本發(fā)明中主矩形波導(dǎo)的軸線和副矩形波導(dǎo)的軸線平行時(shí)的立體圖。圖2為耦合孔的結(jié)構(gòu)立體圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例一的俯視圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例一的A-A剖面圖。圖5為本發(fā)明實(shí)施例二的俯視圖。圖6為本發(fā)明實(shí)施例三的俯視圖。圖7為本發(fā)明實(shí)施例四的俯視圖。圖8為本發(fā)明實(shí)施例五的俯視圖。圖中的標(biāo)號分別表示為1、主矩形波導(dǎo)；2、副矩形波導(dǎo)；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(dǎo)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明實(shí)施方式不限于此。如圖1、2所示，耦合孔交錯(cuò)分布的多孔矩形波導(dǎo)定向耦合器，包括作為微波主通道的主矩形波導(dǎo)I和作為取樣信號通道的副矩形波導(dǎo)2、以及作為耦合通道的耦合孔3 ;主矩形波導(dǎo)I和副矩形波導(dǎo)2相互隔離；耦合孔3包括貼附在主矩形波導(dǎo)I側(cè)壁或\和副矩形波導(dǎo)側(cè)壁的中空耦合管32，中空耦合管32靠近矩形波導(dǎo)I的側(cè)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(dǎo)通，耦合腔31位于主矩形波導(dǎo)I和副矩形波導(dǎo)2之間并與主矩形波導(dǎo)I和副矩形波導(dǎo)2導(dǎo)通。其中，耦合孔3的數(shù)目為3個(gè)；耦合孔3在其俯視方向的投影形狀為圓形，且主矩形波導(dǎo)I的軸線和副矩形波導(dǎo)2的軸線互相平行。耦合孔3沿主矩形波導(dǎo)I的軸線排列，沿主矩形波導(dǎo)I軸線方向相鄰的耦合孔依次交錯(cuò)分布于主矩形波導(dǎo)I軸線的左側(cè)和右側(cè)；沿主矩形波導(dǎo)I軸線方向上，相鄰兩耦合孔3的孔心間距在主矩形波導(dǎo)I的中心工作頻率的波導(dǎo)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(jìn)點(diǎn)為1、將傳統(tǒng)的耦合孔改進(jìn)為由耦合 腔和中空耦合管組成的耦合通道，其中耦合腔設(shè)置在主矩形波導(dǎo)和副矩形波導(dǎo)之間，中空耦合管貼附在主矩形波導(dǎo)側(cè)壁或\和副矩形波導(dǎo)側(cè)壁；2、將相鄰的耦合孔依次交錯(cuò)的分布于主矩形波導(dǎo)軸線的左側(cè)和右側(cè)。相鄰的耦合孔交錯(cuò)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。耦合孔沿主矩形波導(dǎo)的軸線排列，沿主矩形波導(dǎo)軸線方向相鄰的耦合孔依次交錯(cuò)分布于主矩形波導(dǎo)軸線的左側(cè)和右側(cè)；沿主矩形波導(dǎo)軸線方向上，相鄰兩耦合孔的孔心間距在主矩形波導(dǎo)的中心工作頻率的波導(dǎo)波長的159Γ35%之間。即，將相鄰的耦合孔依次交錯(cuò)的分布于主矩形波導(dǎo)軸線的左側(cè)和右側(cè)。相鄰的耦合孔交錯(cuò)分布以后，在單位面積內(nèi)，由于我們采用交錯(cuò)的將耦合孔排布的主矩形波導(dǎo)的兩側(cè)，那么勢必在相同孔數(shù)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(jìn)一步的耦合加強(qiáng)，從而進(jìn)一步提高該矩多孔形波導(dǎo)定向I禹合器的方向性。實(shí)施例一
如圖3，4所示，本實(shí)施例包括設(shè)置有主矩形波導(dǎo)I和副矩形波導(dǎo)2，主矩形波導(dǎo)I為微波主通道，副矩形波導(dǎo)2為取樣信號通道；主矩形波導(dǎo)I和副矩形波導(dǎo)2相互隔離，通過5個(gè)耦合孔3連通；5個(gè)耦合孔3的部分在主矩形波導(dǎo)I和副矩形波導(dǎo)2以外。所述耦合孔3的軸線與主矩形波導(dǎo)I的軸線垂直，其橫截面的形狀為不規(guī)則多邊形；耦合孔3位于主矩形波導(dǎo)的兩側(cè)，沿主矩形波導(dǎo)I軸線方向上，相鄰兩耦合孔的孔心間距在主矩形波導(dǎo)I的中心工作頻率的波導(dǎo)波長的22% 28%之間，即相鄰兩耦合孔中的任意一個(gè)耦合孔沿著主矩形波導(dǎo)I軸線方向移動(dòng)中心工作頻率的波導(dǎo)波長的229Γ28%后，可使得該相鄰的兩個(gè)耦合孔的孔心連線與主矩形波導(dǎo)的軸線垂直，每個(gè)耦合孔3中都加入了另一個(gè)軸線與主矩形波導(dǎo)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(shí)施例二
如圖5所示，與實(shí)施例一不同的地方是，副矩形波導(dǎo)2的兩端還連有彎曲波導(dǎo)5，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(dǎo)定向耦合器。實(shí)施例三如圖6所示，與實(shí)施實(shí)例一不同的地方是5個(gè)耦合孔3交錯(cuò)分布在主矩形波導(dǎo)I的兩側(cè)，耦合孔3的橫截面為橢圓，并且耦合孔3內(nèi)都沒有加柱狀金屬體4。實(shí)施例四
如圖7所示，與實(shí)施實(shí)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(nèi)設(shè)置有橫截面形狀為矩形的柱狀金屬體4。實(shí)施例五 如圖8所示，與實(shí)施實(shí)例三不同的是耦合孔3的橫截面為三角形。如上所述便可較好的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.耦合孔交錯(cuò)分布的多孔矩形波導(dǎo)定向耦合器，其特征在于包括作為微波主通道的主矩形波導(dǎo)(I)和作為取樣信號通道的副矩形波導(dǎo)(2)、以及作為耦合通道的耦合孔(3);主矩形波導(dǎo)(I)的主模H面與副矩形波導(dǎo)(2)的主模H面相互平行，主矩形波導(dǎo)(I)和副矩形波導(dǎo)(2)相互隔離；主矩形波導(dǎo)(I)通過至少3個(gè)耦合孔(3)與副矩形波導(dǎo)(2)連通，耦合孔(3)包括貼附在主矩形波導(dǎo)(I)側(cè)壁或\和副矩形波導(dǎo)(2)側(cè)壁的中空耦合管(32)，中空耦合管(32)靠近主矩形波導(dǎo)(I)的側(cè)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(dǎo)通，耦合腔(31)位于主矩形波導(dǎo)(I)和副矩形波導(dǎo)(2)之間并與主矩形波導(dǎo)(I)和副矩形波導(dǎo)(2)導(dǎo)通；耦合孔(3)沿主矩形波導(dǎo)(I)的軸線排列，沿主矩形波導(dǎo)(I)軸線方向相鄰的耦合孔(3)依次交錯(cuò)分布于主矩形波導(dǎo)(I)軸線的左側(cè)和右側(cè)；沿主矩形波導(dǎo)(I)軸線方向上，相鄰兩耦合孔(3)的孔心間距在主矩形波導(dǎo)(I)的中心工作頻率的中心工作頻率的波導(dǎo)波長的159^35%之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的耦合孔交錯(cuò)分布的多孔矩形波導(dǎo)定向耦合器，其特征在于耦合孔(3 )在其俯視方向上的投影形狀為圓形或多邊形。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的耦合孔交錯(cuò)分布的多孔矩形波導(dǎo)定向耦合器，其特征在于所述耦合孔(3)中加入了另一個(gè)軸線與主矩形波導(dǎo)(I)主模H面垂直的柱狀金屬體(4)，該柱狀金屬體(4)只在一個(gè)方向與對應(yīng)的耦合孔(3)的內(nèi)壁連接，該柱狀金屬體(4)的橫截面的形狀為多邊形。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的耦合孔交錯(cuò)分布的多孔矩形波導(dǎo)定向耦合器，其特征在于所述柱狀金屬體(4 )全部或部分位于主矩形波導(dǎo)(I)的內(nèi)部。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的耦合孔交錯(cuò)分布的多孔矩形波導(dǎo)定向耦合器，其特征在于所述主矩形波導(dǎo)(I)和副矩形波導(dǎo)(2)的軸線相互平行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任意一項(xiàng)所述的耦合孔交錯(cuò)分布的多孔矩形波導(dǎo)定向耦合器，其特征在于所述主矩形波導(dǎo)(I)或\和副矩形波導(dǎo)(2)的一端或兩端還連接有彎曲波導(dǎo)(5)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任意一項(xiàng)所述的耦合孔交錯(cuò)分布的多孔矩形波導(dǎo)定向耦合器，其特征在于所述主矩形波導(dǎo)(I)或\和副矩形波導(dǎo)(2)在其一端或兩端連接有與外界器件匹配的匹配結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了耦合孔交錯(cuò)分布的多孔矩形波導(dǎo)定向耦合器，包括主矩形波導(dǎo)和副矩形波導(dǎo)、以及耦合孔；主矩形波導(dǎo)和副矩形波導(dǎo)相互隔離，主矩形波導(dǎo)通過至少3個(gè)耦合孔與副矩形波導(dǎo)連通；耦合孔包括貼附在主矩形波導(dǎo)側(cè)壁或\和副矩形波導(dǎo)側(cè)壁的中空耦合管，中空耦合管靠近主矩形波導(dǎo)的側(cè)壁連接有三端開口的耦合腔，耦合腔與中空耦合管導(dǎo)通，耦合腔位于主矩形波導(dǎo)和副矩形波導(dǎo)之間并與主矩形波導(dǎo)和副矩形波導(dǎo)導(dǎo)通；沿主矩形波導(dǎo)軸線方向相鄰的耦合孔依次交錯(cuò)分布于主矩形波導(dǎo)軸線的左側(cè)和右側(cè)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)緊湊、加工簡單、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(yōu)勢。
文檔編號H01P5/18GK102810711SQ201210282690
公開日2012年12月5日 申請日期2012年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月10日
發(fā)明者王清源, 譚宜成 申請人:成都賽納賽德科技有限公司