一種用于回旋行波管微波功率測量的定向耦合器及用于該定向耦合器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于回旋行波管微波功率測量的定向耦合器，所述耦合器為三端口器件，其包括主波導(dǎo)和匹配對應(yīng)設(shè)置在主波導(dǎo)側(cè)壁上的副波導(dǎo)；主波導(dǎo)為具有輸入端口Pin和輸出端口P1out的圓波導(dǎo)；副波導(dǎo)包括依次連接的方波導(dǎo)、過渡波導(dǎo)和具有輸出端口P2out的矩形波導(dǎo)；圓波導(dǎo)的內(nèi)腔與方波導(dǎo)的內(nèi)腔之間貫通設(shè)置有若干個利用孔耦合方式實(shí)現(xiàn)主波導(dǎo)與副波導(dǎo)之間功率分配的耦合孔。利用本發(fā)明所提供的耦合器能夠?qū)崿F(xiàn)即時準(zhǔn)確地反應(yīng)毫米波波段的電真空放大器件的微波功率的變化情況，同時由于該定向耦合器為三端口器件，矩形波導(dǎo)的輸出端口P2out實(shí)現(xiàn)了從圓波導(dǎo)TE01模式到矩形波導(dǎo)TE10模式的耦合。
【專利說明】
一種用于回旋行波管微波功率測量的定向耦合器及用于該定 向奉禹合器的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于回旋行波管微波功率測量的定向耦合器及用于該定向耦合 器的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 回旋行波管是一種工作在毫米波波段的電真空放大器件，它可以在寬頻帶（相對 帶寬10%)下產(chǎn)生峰值功率為百千瓦量級，平均功率數(shù)千瓦量級的微波。
[0003] 目前，回旋行波管的輸出微波模式為圓電模TEQ1模式，針對該模式，目前采用的功 率測量方法主要為量熱計(jì)法。量熱計(jì)法利用水對微波具有較強(qiáng)吸收的特性，通過測量進(jìn)出 水負(fù)載的水溫變化，由熱功轉(zhuǎn)換公式P = Cdv △ T得到微波功率，其中C為水的比熱，d為水的 密度，v為水的流速，△ T為水溫變化。這種測量方法可以實(shí)現(xiàn)高功率微波(脈沖功率10MW，平 均功率10kW)的測量，測量精度在10%左右。但測量結(jié)果受環(huán)境溫度以及水負(fù)載對微波的吸 收特性的影響較大，同時具有延時滯后性。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明要解決的第一個技術(shù)問題是提供一種用于回旋行波管微波功率測量的定 向耦合器;利用該定向耦合器采用場耦合法，能夠?qū)崿F(xiàn)即時準(zhǔn)確地反應(yīng)毫米波波段的電真 空放大器件的微波功率的變化情況，同時由于該定向耦合器為三端口器件，矩形波導(dǎo)的輸 出端口 Ρ2_現(xiàn)了從圓波導(dǎo)TEQ1模式到矩形波導(dǎo)TE1Q模式的耦合。
[0005] 本發(fā)明要解決的第二個技術(shù)問題是提供一種用于上述定向耦合器的制造方法;通 過該方法得到的定向耦合器，其耦合度和工作寬帶滿足回旋行波管的功率測量需求，可以 實(shí)現(xiàn)對微波功率的即時準(zhǔn)確測量，克服量熱計(jì)法的延時滯后性。
[0006] 為解決上述第一個技術(shù)問題，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0007] 一種用于回旋行波管微波功率測量的定向耦合器，所述耦合器為三端口器件，其 包括主波導(dǎo)和匹配對應(yīng)設(shè)置在所述主波導(dǎo)側(cè)壁上的副波導(dǎo)；
[0008] 所述主波導(dǎo)為具有輸入端口 Pin和輸出端口 PlQUt的圓波導(dǎo)；
[0009] 所述副波導(dǎo)包括依次連接的方波導(dǎo)、過渡波導(dǎo)和具有輸出端口 P2cmt的矩形波導(dǎo)； 所述副波導(dǎo)中的方波導(dǎo)一端端口與所述過渡波導(dǎo)相連接，另一端端口為封閉端口，該封閉 端口也即為副波導(dǎo)的封閉端口；
[0010]所述圓波導(dǎo)的內(nèi)腔與所述方波導(dǎo)的內(nèi)腔之間貫通設(shè)置有若干個利用孔耦合方式 實(shí)現(xiàn)主波導(dǎo)與副波導(dǎo)之間功率分配的耦合孔。所述圓波導(dǎo)的軸線方向與所述方波導(dǎo)的軸線 方向相同；且為了便于在實(shí)際應(yīng)用中與功率計(jì)連接，所述矩形波導(dǎo)呈L型結(jié)構(gòu)。
[0011]由于定向耦合器是一種無源功率分配器件，常用于微波功率的測量，利用它可以 從傳輸系統(tǒng)中耦合出一小部分微波功率，通過小功率計(jì)得到的結(jié)果反算出待測的大功率， 進(jìn)而定向耦合器測量方法具有即時性;本發(fā)明所提供的定向耦合器，采用主波導(dǎo)為圓波導(dǎo) 結(jié)構(gòu)，副波導(dǎo)為具有方波導(dǎo)、過渡波導(dǎo)和具有輸出端口 P2〇Ut的矩形波導(dǎo)的組合結(jié)構(gòu)，回旋行 波管通過圓波導(dǎo)輸出微波，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了從圓波導(dǎo)ΤΕ(Π 模式到矩形波導(dǎo)TE1Q模式的耦合。
[0012] 進(jìn)一步的，若干個耦合孔沿所述圓波導(dǎo)的軸線方向的分布方式包括若干個耦合孔 呈單排設(shè)置或呈多排設(shè)置。
[0013] 進(jìn)一步的，所述耦合孔的形狀包括矩形、圓形和\或橢圓形。
[0014] 進(jìn)一步的，若干個耦合孔沿所述圓波導(dǎo)的軸線方向的分布方式還包括所述耦合孔 之間呈等間距等強(qiáng)度設(shè)置、等間距不等強(qiáng)度設(shè)置、不等間距等強(qiáng)度設(shè)置或不等間距不等強(qiáng) 度設(shè)置。
[0015] 進(jìn)一步的，沿所述圓波導(dǎo)的軸線方向，所述副波導(dǎo)的封閉端口到相鄰耦合孔的距 離等于相鄰兩個耦合孔之間的距離。
[0016] 進(jìn)一步的，與所述副波導(dǎo)連接固定的圓波導(dǎo)側(cè)壁的外側(cè)面呈平面設(shè)置。
[0017] 為解決上述第二個技術(shù)問題，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0018] -種用于上述定向耦合器的制造方法，該方法包括如下步驟：
[0019] S1、根據(jù)回旋行波管的輸出特性，以及測量儀器的功率探測范圍，確定定向耦合器 的設(shè)計(jì)目標(biāo)，該設(shè)計(jì)目標(biāo)包括工作頻段、耦合度及工作帶寬；
[0020] S2、根據(jù)定向耦合器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定定向耦合器上的耦合孔的初始條件，該耦合 孔的初始條件包括耦合孔的形狀以及耦合孔的分布方式；
[0021] S3、根據(jù)耦合孔的形狀以及耦合孔的分布方式，通過耦合波理論和相位疊加原理 得到耦合孔的尺寸參數(shù)，所述耦合孔的尺寸參數(shù)包括耦合孔的大小、數(shù)目以及耦合孔之間 的間距。
[0022]進(jìn)一步的，該方法還包括如下步驟：
[0023] S4、基于耦合孔的初始條件，利用仿真軟件對耦合孔的尺寸參數(shù)仿真模擬，若仿真 結(jié)果滿足定向耦合器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，則得到性能符合要求的定向耦合器;若仿真結(jié)果不滿足 定向耦合器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，則返回步驟S2,重新確定定向耦合器上的耦合孔的初始條件。 [0024] 進(jìn)一步的，所述步驟S3包括如下步驟：
[0025] S31、按照切比雪夫函數(shù)的遞推式，如式二所示，確定每個耦合孔的相對耦合強(qiáng)度； 每個親合孔的相對親合強(qiáng)度滿足式一；
[0026] 即：
[0029]式一中，iif為每個耦合孔的相對耦合強(qiáng)度;k為耦合孔的序號;Αο為波的幅值的最 大值;?η(χ)為切比雪夫函數(shù);N為耦合孔的數(shù)目；
[0030] S32、選取耦合孔的數(shù)目，將式一的左右兩邊同時按式二展開，使同次冪項(xiàng)的系數(shù) 相等，得到耦合孔的數(shù)目劑所對應(yīng)的每個耦合孔的相對耦合強(qiáng)度；
[0031] S33、根據(jù)定向耦合器設(shè)計(jì)目標(biāo)中的耦合度C通過下述式三，確定Αο的大?。?br>[0033] S34、將計(jì)算得到的各個耦合孔的相對耦合強(qiáng)度代入由耦合波理論推導(dǎo)出的式四 中，得到耦合孔的大小；
[0035]其中，
[0039]上述式中，a為耦合孔的耦合強(qiáng)度;k為耦合孔的序號；±表示正反向波；ω為波的 角頻率;μ〇為真空磁導(dǎo)率；ε〇為真空介電常數(shù);mu，παρρη為耦合孔的極化率;H lu，Hlv:和Eln為 主波導(dǎo)入射波在親合孔所在位置的歸一化磁場切向分量和電場法向分量;H2u，Η2ν和Ε2η.為 副波導(dǎo)中被激勵波在耦合孔所在位置的歸一化磁場切向分量和電場法向分量;r為圓形耦 合孔的半徑；1和h分別為橢圓形耦合孔的長軸和短軸的一半;a和b分別為矩形耦合孔的長 和寬的一半；
[0040] S35、根據(jù)相位疊加原理推導(dǎo)出的式五，得到耦合孔之間的間距；
[0043] Φ為疊加后的總相位；土表示正反向波;d為相鄰耦合孔之間的間距;扮和此分別為 主波導(dǎo)中波的傳播常數(shù)以及副波導(dǎo)中波的傳播常數(shù);λ#Ρλ2分別為主、副波導(dǎo)中波的波長， 它由工作頻率決定；
[0044] 和心2分別為主、副波導(dǎo)中波的截止波長，所述主波導(dǎo)中波的截止波長由主波導(dǎo) 的尺寸和主波導(dǎo)中傳輸?shù)哪Ｊ經(jīng)Q定;所述副波導(dǎo)中波的截止波長由副波導(dǎo)中方波導(dǎo)的尺寸 和副波導(dǎo)中傳輸?shù)哪Ｊ經(jīng)Q定。
[0045] 進(jìn)一步的，所述步驟S3包括如下步驟：
[0046] S31、按照二項(xiàng)式函數(shù)的遞推式，如式七所示，確定每個耦合孔的相對耦合強(qiáng)度;每 個耦合孔的相對耦合強(qiáng)度滿足式六；
[0049] 式六中，為每個耦合孔的相對耦合強(qiáng)度;k為耦合孔的序號;A〇為波的幅值的最 大值;Sk為二項(xiàng)式系數(shù);N為耦合孔的數(shù)目；
[0050] S32、選取耦合孔的數(shù)目，確定二項(xiàng)式系數(shù)
[0051] S33、根據(jù)定向耦合器設(shè)計(jì)目標(biāo)中的耦合度C通過下述式八，確定Ao的大??；
[0053] S34、將計(jì)算得到的各個耦合孔的相對耦合強(qiáng)度代入由耦合波理論推導(dǎo)出的式四 中，得到耦合孔的大小；
[0059]上述式中，a為耦合孔的耦合強(qiáng)度;k為耦合孔的序號；±表示正反向波；ω為波的 角頻率;μ〇為真空磁導(dǎo)率；ε〇為真空介電常數(shù);mu，παρρη為耦合孔的極化率;H lu，Hlv:和Eln為 主波導(dǎo)入射波在親合孔所在位置的歸一化磁場切向分量和電場法向分量;H2u，Η2ν和Ε2η.為 副波導(dǎo)中被激勵波在耦合孔所在位置的歸一化磁場切向分量和電場法向分量;r為圓形耦 合孔的半徑；1和h分別為橢圓形耦合孔的長軸和短軸的一半;a和b分別為矩形耦合孔的長 和寬的一半；
[0060] S35、根據(jù)相位疊加原理推導(dǎo)出的式五，得到耦合孔之間的間距；
[0063] Φ為疊加后的總相位；土表示正反向波;d為相鄰耦合孔之間的間距;扮和此分別為 主波導(dǎo)中波的傳播常數(shù)以及副波導(dǎo)中波的傳播常數(shù);λ#ρλ 2分別為主、副波導(dǎo)中波的波長， 它由工作頻率決定；
[0064] 和心2分別為主、副波導(dǎo)中波的截止波長，所述主波導(dǎo)中波的截止波長由主波導(dǎo) 的尺寸和主波導(dǎo)中傳輸?shù)哪Ｊ經(jīng)Q定;所述副波導(dǎo)中波的截止波長由副波導(dǎo)中方波導(dǎo)的尺寸 和副波導(dǎo)中傳輸?shù)哪Ｊ經(jīng)Q定。
[0065] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下積極有益的效果：
[0066] 1、通過本發(fā)明所提供的定向耦合器，采用場耦合法，能夠?qū)崿F(xiàn)即時準(zhǔn)確地反應(yīng)毫 米波波段的電真空放大器件的微波功率的變化情況，同時由于該定向耦合器為三端口器 件，矩形波導(dǎo)的輸出端口 Ρ2_實(shí)現(xiàn)了從圓波導(dǎo)TEQ1模式到矩形波導(dǎo)TE1Q模式的耦合。
[0067] 2、通過本發(fā)明所提供的方法所得到的定向耦合器，其耦合度和工作寬帶滿足回旋 行波管的功率測量需求，可以實(shí)現(xiàn)對微波功率的即時準(zhǔn)確測量，克服量熱計(jì)法的延時滯后 性。
[0068] 3、通過本發(fā)明所提供的定向耦合器，由于該耦合器為三端口結(jié)構(gòu)，避免了端口匹 配及微波能量泄漏的問題，提高了裝置的緊湊性和實(shí)用性。
[0069] 4、本發(fā)明所提供的定向耦合器，由于采用了方波導(dǎo)到矩形波導(dǎo)的過渡，可以實(shí)現(xiàn) 耦合度在大范圍內(nèi)的自由調(diào)整。
[0070] 5、通過本發(fā)明所提供的方法所得到的定向耦合器，還可以實(shí)現(xiàn)對回旋行波管輸出 微波的波形和頻譜的測量，以及回旋行波管輸出微波的低損耗耦合傳輸。
【附圖說明】
[0071 ]圖1為本發(fā)明中耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0072]圖2為本發(fā)明中耦合器的結(jié)構(gòu)俯視圖。
[0073]圖3為利用HFSS仿真得到的發(fā)明所提供耦合器的電場分布圖。
[0074] 圖4為利用CST和HFSS對發(fā)明所提供耦合器進(jìn)行仿真得到的耦合度隨頻率的變化 情況示意圖。
[0075] 圖5為本發(fā)明第一實(shí)施例中所提供的耦合器制造方法的流程示意圖。
[0076] 圖6為本發(fā)明第一實(shí)施例中步驟S3的流程示意圖。
[0077] 圖7為本發(fā)明第二實(shí)施例中所提供的耦合器制造方法的流程示意圖。
[0078] 圖8為本發(fā)明第二實(shí)施例中步驟S3的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0079]下面結(jié)合【附圖說明】本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0080] 實(shí)施例1:
[0081] 如圖1至4所示，一種用于回旋行波管微波功率測量的定向耦合器，所述耦合器為 三端口器件，其包括主波導(dǎo)1和匹配對應(yīng)設(shè)置在所述主波導(dǎo)1側(cè)壁上的副波導(dǎo)2,與所述副波 導(dǎo)2連接固定的圓波導(dǎo)1側(cè)壁的外側(cè)面11呈平面設(shè)置。
[0082] 所述主波導(dǎo)1為具有輸入端口 Pin和輸出端口 Plciut的圓波導(dǎo);所述副波導(dǎo)2包括依次 連接的方波導(dǎo)21、過渡波導(dǎo)22和具有輸出端口 P2ciut的矩形波導(dǎo)23;所述副波導(dǎo)2中的方波導(dǎo) 21-端端口 211與所述過渡波導(dǎo)22相連接，另一端端口 212為封閉端口，該封閉端口 212也即 為副波導(dǎo)2的封閉端口；
[0083] 所述圓波導(dǎo)的內(nèi)腔與所述方波導(dǎo)21的內(nèi)腔之間貫通設(shè)置有若干個利用孔耦合方 式實(shí)現(xiàn)主波導(dǎo)1與副波導(dǎo)2之間功率分配的耦合孔3。所述圓波導(dǎo)的軸線方向與所述方波導(dǎo) 21的軸線方向相同；且為了便于在實(shí)際應(yīng)用中與功率計(jì)連接，所述矩形波導(dǎo)23呈L型結(jié)構(gòu)。
[0084] 進(jìn)一步的，若干個耦合孔3沿所述圓波導(dǎo)的軸線方向的分布方式包括若干個耦合 孔呈單排設(shè)置或呈多排設(shè)置;所述耦合孔3的形狀包括矩形、圓形和\或橢圓形;若干個耦合 孔3沿所述圓波導(dǎo)的軸線方向的分布方式包括所述耦合孔3之間呈等間距等強(qiáng)度設(shè)置、等間 距不等強(qiáng)度設(shè)置、不等間距等強(qiáng)度設(shè)置或不等間距不等強(qiáng)度設(shè)置。
[0085]在本實(shí)施例中，所述耦合器的工作頻段為W波段，耦合度為_52dB，工作帶寬為 6GHz;主波導(dǎo)1為具有二個端口的圓波導(dǎo)，其直徑為18mm?；匦胁ü墚a(chǎn)生的高功率微波從 圓波導(dǎo)的輸入端口 Pin進(jìn)入，由圓波導(dǎo)的輸出端口 Plcmt和矩形波導(dǎo)23的輸出端口 P2ciut輸出； 副波導(dǎo)2為單端口波導(dǎo)，其包括依次連接的方波導(dǎo)21、過渡波導(dǎo)22和具有輸出端口 P2out的 矩形波導(dǎo)23;矩形波導(dǎo)23的輸出端口 ？2。此的尺寸為1.27_1\2.54111111;所述副波導(dǎo)2中方波導(dǎo) 21的橫截面尺寸為2.54_X 2.54mm，長度為8.33mm;從左至右，所述過渡波導(dǎo)22兩個端口的 尺寸分別為2 · 54mm X 2 · 54mm和1 · 27mm X 2 · 54mm，長度為5mm;所述矩形波導(dǎo)23的橫截面尺寸 為1 ·27ι?πιΧ2·54πιπι。
[0086]所述方波導(dǎo)21的內(nèi)部與圓波導(dǎo)的公共面上開設(shè)有兩排三列共六個耦合孔3,耦合 孔3的半徑從左到右依次為0.5mm，0.45mm和0.5_，相鄰親合孔3之間的間距為1.33_。 [0087]本實(shí)施例中耦合孔3呈雙排設(shè)置，每排耦合孔3的個數(shù)為三個，耦合孔3之間呈等間 距不等強(qiáng)度設(shè)置;沿所述圓波導(dǎo)的軸線方向，所述副波導(dǎo)2的封閉端口212到相鄰耦合孔3的 距離等于相鄰兩個耦合孔3之間的距離。
[0088]參照圖4;圖4表示利用HFSS仿真得到的發(fā)明所提供耦合器的電場分布圖，圖中結(jié) 果表明，所設(shè)計(jì)的定向耦合器實(shí)現(xiàn)了從主波導(dǎo)TEQ1模式到副波導(dǎo)TE1Q模式的耦合。
[0089]參照圖5,圖5表示分別利用CST和HFSS對發(fā)明所提供耦合器進(jìn)行仿真得到的耦合 度隨頻率的變化情況示意圖；通過兩個軟件的結(jié)果對比可知，所設(shè)計(jì)的定向耦合器的工作 頻段為W波段，耦合度為_52dB ± 2dB，工作帶寬為6GHz，符合初始的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。
[0090] 通過本發(fā)明所提供的定向耦合器，能夠采用場耦合法，實(shí)現(xiàn)即時準(zhǔn)確地反應(yīng)毫米 波波段的電真空放大器件的微波功率的變化情況，同時由于該定向耦合器為三端口器件， 矩形波導(dǎo)的輸出端口 Ρ2_實(shí)現(xiàn)了從圓波導(dǎo)TEQ1模式到矩形波導(dǎo)TE1Q模式的耦合。
[0091] 實(shí)施例2:
[0092] 如圖1至6所示，本發(fā)明提供一種上述定向耦合器的制造方法，該方法包括如下步 驟：
[0093] S1、根據(jù)回旋行波管的輸出特性，以及測量儀器的功率探測范圍，確定定向耦合器 的設(shè)計(jì)目標(biāo)，該設(shè)計(jì)目標(biāo)包括工作頻段、耦合度及工作帶寬；
[0094] S2、根據(jù)定向耦合器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定定向耦合器上的耦合孔的初始條件，該耦合 孔的初始條件包括耦合孔的形狀以及耦合孔的分布方式;本實(shí)施例中耦合孔的形狀為圓 形，耦合孔的分布方式為沿所述圓波導(dǎo)的軸線方向呈雙排設(shè)置；
[0095] S3、根據(jù)耦合孔的形狀以及耦合孔的分布方式，通過耦合波理論和相位疊加原理 得到耦合孔的尺寸參數(shù)，所述耦合孔的尺寸參數(shù)包括耦合孔的大小、數(shù)目以及耦合孔之間 的間距。
[0096] S31、按照切比雪夫函數(shù)的遞推式，如式二所示，確定每個耦合孔的相對耦合強(qiáng)度； 每個親合孔的相對親合強(qiáng)度滿足式一；
[0097] 即：
[0100] 式一中，〇|丨為每個親合孔的相對親合強(qiáng)度;k為親合孔的序號;Αο為波的幅值的最 大值;?η(χ)為切比雪夫函數(shù);N為耦合孔的數(shù)目；
[0101] S32、選取單排（即每一排)耦合孔的數(shù)目，本實(shí)施例中單排耦合孔的數(shù)目為3個;將 式一的左右兩邊同時按式二展開，使同次冪項(xiàng)的系數(shù)相等，得到耦合孔的數(shù)目劑所對應(yīng)的 每個耦合孔的相對耦合強(qiáng)度；
[0102] S33、根據(jù)定向耦合器設(shè)計(jì)目標(biāo)中的耦合度C通過下述式三，確定Αο的大??；
[0104] S34、將計(jì)算得到的各個耦合孔的相對耦合強(qiáng)度代入由耦合波理論推導(dǎo)出的式四 中，得到耦合孔的大??；
[0110]上述式中，a為耦合孔的耦合強(qiáng)度;k為耦合孔的序號；±表示正反向波；ω為波的 角頻率;μ〇為真空磁導(dǎo)率；ε〇為真空介電常數(shù);mu，παρρη為耦合孔的極化率;H lu，Hlv:和Eln為 主波導(dǎo)入射波在親合孔所在位置的歸一化磁場切向分量和電場法向分量;H2u，H2v和E2n.為 副波導(dǎo)中被激勵波在耦合孔所在位置的歸一化磁場切向分量和電場法向分量;r為圓形耦 合孔的半徑；1和h分別為橢圓形耦合孔的長軸和短軸的一半;a和b分別為矩形耦合孔的長 和寬的一半；
[0111 ] 通過上述步驟，得到的親合孔的半徑從左到右依次為0.5mm，0.45mm和0.5mm;
[0112] S35、根據(jù)相位疊加原理推導(dǎo)出的式五，得到耦合孔之間的間距；
[0115] Φ為疊加后的總相位；土表示正反向波;d為相鄰耦合孔之間的間距;扮和此分別為 主波導(dǎo)中波的傳播常數(shù)以及副波導(dǎo)中波的傳播常數(shù);λ#Ρλ2分別為主、副波導(dǎo)中波的波長， 所述主波導(dǎo)中波的波長及副波導(dǎo)中波的波長均由工作頻率決定；
[0116] 和心2分別為主波導(dǎo)中波的截止波長及副波導(dǎo)中波的截止波長，所述主波導(dǎo)中 波的截止波長由主波導(dǎo)的尺寸（即上述的主波導(dǎo)為圓波導(dǎo)，其直徑為18_)和主波導(dǎo)中傳輸 的模式?jīng)Q定;所述副波導(dǎo)中波的截止波長由副波導(dǎo)中方波導(dǎo)的尺寸（即方波導(dǎo)的橫截面尺 寸為2.54mm X 2.54mm，長度為8.33mm)和副波導(dǎo)中傳輸?shù)哪Ｊ經(jīng)Q定;通過上述步驟，得到的 相鄰耦合孔之間的間距為1.33mm。
[0117] S4、基于耦合孔的初始條件，利用仿真軟件對耦合孔的尺寸參數(shù)仿真模擬，若仿真 結(jié)果滿足定向耦合器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，則得到性能符合要求的定向耦合器;若仿真結(jié)果不滿足 定向耦合器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，則返回步驟S2,重新確定定向耦合器上的耦合孔的初始條件。
[0118] 實(shí)施例3:
[0119] 如圖1至圖4,圖7、8所示，本發(fā)明提供另一種上述定向耦合器的制造方法，該方法 包括如下步驟：
[0120] S1、根據(jù)回旋行波管的輸出特性，以及測量儀器的功率探測范圍，確定定向耦合器 的設(shè)計(jì)目標(biāo)，該設(shè)計(jì)目標(biāo)包括工作頻段、耦合度及工作帶寬；
[0121] S2、根據(jù)定向耦合器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定定向耦合器上的耦合孔的初始條件，該耦合 孔的初始條件包括耦合孔的形狀以及耦合孔的分布方式;本實(shí)施例中耦合孔的形狀為圓 形，耦合孔的分布方式為沿所述圓波導(dǎo)的軸線方向呈雙排設(shè)置；
[0122] S3、根據(jù)耦合孔的形狀以及耦合孔的分布方式，通過耦合波理論和相位疊加原理 得到耦合孔的尺寸參數(shù)，所述耦合孔的尺寸參數(shù)包括耦合孔的大小、數(shù)目以及耦合孔之間 的間距。
[0123] S31、按照二項(xiàng)式函數(shù)的遞推式，如式七所示，確定每個耦合孔的相對耦合強(qiáng)度;每 個耦合孔的相對耦合強(qiáng)度滿足式六；
[0126] 式六中，為每個耦合孔的相對耦合強(qiáng)度;k為耦合孔的序號;A〇為波的幅值的最 大值;Sk為二項(xiàng)式系數(shù);N為耦合孔的數(shù)目；
[0127] S32、選取單排（即每一排)耦合孔的數(shù)目，確定二項(xiàng)式系數(shù)本實(shí)施例中單排耦 合孔的數(shù)目為3個；
[0128] S33、根據(jù)定向耦合器設(shè)計(jì)目標(biāo)中的耦合度C通過下述式八，確定Ao的大小；
[0130] S34、將計(jì)算得到的各個耦合孔的相對耦合強(qiáng)度代入由耦合波理論推導(dǎo)出的式四 中，得到耦合孔的大小；
[0136] 上述式中，a為耦合孔的耦合強(qiáng)度;k為耦合孔的序號；±表示正反向波；ω為波的 角頻率;μ〇為真空磁導(dǎo)率；ε〇為真空介電常數(shù);m u，παρρη為耦合孔的極化率;Hlu，Hlv:和E ln為 主波導(dǎo)入射波在親合孔所在位置的歸一化磁場切向分量和電場法向分量;H2u，Η2ν和Ε2η.為 副波導(dǎo)中被激勵波在耦合孔所在位置的歸一化磁場切向分量和電場法向分量;r為圓形耦 合孔的半徑；1和h分別為橢圓形耦合孔的長軸和短軸的一半;a和b分別為矩形耦合孔的長 和寬的一半；
[0137] 通過上述步驟，得到的親合孔的半徑從左到右依次為:0.45mm，0.55mm和0.45mm;
[0138] S35、根據(jù)相位疊加原理推導(dǎo)出的式五，得到耦合孔之間的間距；
[0141] Φ為疊加后的總相位；土表示正反向波;d為相鄰耦合孔之間的間距;扮和此分別為 主波導(dǎo)中波的傳播常數(shù)以及副波導(dǎo)中波的傳播常數(shù);λ#Ρλ2分別為主、副波導(dǎo)中波的波長， 所述主波導(dǎo)中波的波長及副波導(dǎo)中波的波長均由工作頻率決定；
[0142] 和心2分別為主波導(dǎo)中波的截止波長及副波導(dǎo)中波的截止波長，所述主波導(dǎo)中 波的截止波長由主波導(dǎo)的尺寸（即上述的主波導(dǎo)為圓波導(dǎo)，其直徑為18_)和主波導(dǎo)中傳輸 的模式?jīng)Q定;所述副波導(dǎo)中波的截止波長由副波導(dǎo)中方波導(dǎo)的尺寸（即方波導(dǎo)的橫截面尺 寸為2.54mm X 2.54mm，長度為8.33mm)和副波導(dǎo)中傳輸?shù)哪Ｊ經(jīng)Q定;通過上述步驟，得到的 相鄰耦合孔之間的間距為1.33mm。
[0143] S4、基于耦合孔的初始條件，利用仿真軟件對耦合孔的尺寸參數(shù)仿真模擬，若仿真 結(jié)果滿足定向耦合器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，則得到性能符合要求的定向耦合器;若仿真結(jié)果不滿足 定向耦合器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，則返回步驟S2,重新確定定向耦合器上的耦合孔的初始條件。
[0144] 本文中所采用的描述方位的詞語"上"、"下"、"左"、"右"等均是為了說明的方便基 于附圖中圖面所示的方位而言的，在實(shí)際裝置中這些方位可能由于裝置的擺放方式而有所 不同。
[0145] 綜上所述，本發(fā)明所述的實(shí)施方式僅提供一種最佳的實(shí)施方式，本發(fā)明的技術(shù)內(nèi) 容及技術(shù)特點(diǎn)已揭示如上，然而熟悉本項(xiàng)技術(shù)的人士仍可能基于本發(fā)明所揭示的內(nèi)容而作 各種不背離本發(fā)明創(chuàng)作精神的替換及修飾；因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于實(shí)施例所揭示 的技術(shù)內(nèi)容，故凡依本發(fā)明的形狀、構(gòu)造及原理所做的等效變化，均涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范 圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于回旋行波管微波功率測量的定向耦合器，其特征在于，所述耦合器為三端 口器件，其包括主波導(dǎo)和匹配對應(yīng)設(shè)置在所述主波導(dǎo)側(cè)壁上的副波導(dǎo)； 所述主波導(dǎo)為具有輸入端口 Pin和輸出端口 Plcmt的圓波導(dǎo)； 所述副波導(dǎo)包括依次連接的方波導(dǎo)、過渡波導(dǎo)和具有輸出端口 Ρ2_的矩形波導(dǎo)； 所述圓波導(dǎo)的內(nèi)腔與所述方波導(dǎo)的內(nèi)腔之間貫通設(shè)置有若干個利用孔耦合方式實(shí)現(xiàn) 主波導(dǎo)與副波導(dǎo)之間功率分配的耦合孔。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于回旋行波管微波功率測量的定向耦合器，其特征在 于，優(yōu)選的，若干個耦合孔沿所述圓波導(dǎo)的軸線方向的分布方式包括若干個耦合孔呈單排 設(shè)置或呈多排設(shè)置。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于回旋行波管微波功率測量的定向耦合器，其特征在 于，優(yōu)選的，所述耦合孔的形狀包括矩形、圓形和\或橢圓形。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于回旋行波管微波功率測量的定向耦合器，其特征在 于，若干個耦合孔沿所述圓波導(dǎo)的軸線方向的分布方式還包括所述耦合孔之間呈等間距等 強(qiáng)度設(shè)置、等間距不等強(qiáng)度設(shè)置、不等間距等強(qiáng)度設(shè)置或不等間距不等強(qiáng)度設(shè)置。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于回旋行波管微波功率測量的定向耦合器，其特征在 于，優(yōu)選的，沿所述圓波導(dǎo)的軸線方向，所述副波導(dǎo)的封閉端口到相鄰耦合孔的距離等于相 鄰兩個耦合孔之間的距離。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于回旋行波管微波功率測量的定向耦合器，其特征在 于，優(yōu)選的，與所述副波導(dǎo)連接固定的圓波導(dǎo)側(cè)壁的外側(cè)面呈平面設(shè)置。7. -種用于包括如權(quán)利要求1至6中任一權(quán)利要求所述定向耦合器的制造方法，其特征 在于，該方法包括如下步驟： 51、 根據(jù)回旋行波管的輸出特性，以及測量儀器的功率探測范圍，確定定向耦合器的設(shè) 計(jì)目標(biāo)，該設(shè)計(jì)目標(biāo)包括工作頻段、耦合度及工作帶寬； 52、 根據(jù)定向耦合器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定定向耦合器上的耦合孔的初始條件，該耦合孔的 初始條件包括耦合孔的形狀以及耦合孔的分布方式； 53、 根據(jù)耦合孔的形狀以及耦合孔的分布方式，通過耦合波理論和相位疊加原理得到 耦合孔的尺寸參數(shù)，所述耦合孔的尺寸參數(shù)包括耦合孔的大小、數(shù)目以及耦合孔之間的間 距。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造方法，其特征在于，該方法還包括如下步驟： 54、 基于耦合孔的初始條件，利用仿真軟件對耦合孔的尺寸參數(shù)仿真模擬，若仿真結(jié)果 滿足定向耦合器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，則得到性能符合要求的定向耦合器;若仿真結(jié)果不滿足定向 耦合器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，則返回步驟S2,重新確定定向耦合器上的耦合孔的初始條件。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述步驟S3包括如下步驟： S31、按照切比雪夫函數(shù)的遞推式，如式二所示，確定每個耦合孔的相對耦合強(qiáng)度;每個 耦合孔的相對耦合強(qiáng)度滿足式一； 即：式一中，4為每個耦合孔的相對耦合強(qiáng)度;k為耦合孔的序號;Ao為波的幅值的最大值； Tn(X)為切比雪夫函數(shù);N為耦合孔的數(shù)目； 532、 選取耦合孔的數(shù)目，將式一的左右兩邊同時按式二展開，使同次冪項(xiàng)的系數(shù)相等， 得到耦合孔的數(shù)目劑所對應(yīng)的每個耦合孔的相對耦合強(qiáng)度； 533、 根據(jù)定向耦合器設(shè)計(jì)目標(biāo)中的耦合度C通過下述式三，確定Ao的大?。?34、 將計(jì)算得到的各個耦合孔的相對耦合強(qiáng)度代入由耦合波理論推導(dǎo)出的式四中，得 到耦合孔的大??；上述式中，a為耦合孔的耦合強(qiáng)度;k為耦合孔的序號；±表示正反向波；ω為波的角頻 率;μ〇為真空磁導(dǎo)率；ε〇為真空介電常數(shù);mu，m4Ppn為耦合孔的極化率;Hlu，H lv和Eln為主波導(dǎo) 入射波在親合孔所在位置的歸一化磁場切向分量和電場法向分量;H2u，H2v和E2n為副波導(dǎo)中 被激勵波在耦合孔所在位置的歸一化磁場切向分量和電場法向分量;r為圓形耦合孔的半 徑；1和h分別為橢圓形耦合孔的長軸和短軸的一半;a和b分別為矩形耦合孔的長和寬的一 半； 535、 根據(jù)相位疊加原理推導(dǎo)出的式五，得到耦合孔之間的間距；Φ為疊加后的總相位；±表示正反向波;d為相鄰耦合孔之間的間距;扮和說分別為主波 導(dǎo)中波的傳播常數(shù)以及副波導(dǎo)中波的傳播常數(shù);心和\2分別為主、副波導(dǎo)中波的波長，它由 工作頻率決定； I1和Ac2分別為主、副波導(dǎo)中波的截止波長，所述主波導(dǎo)中波的截止波長由主波導(dǎo)的尺 寸和主波導(dǎo)中傳輸?shù)哪Ｊ經(jīng)Q定;所述副波導(dǎo)中波的截止波長由副波導(dǎo)中方波導(dǎo)的尺寸和副 波導(dǎo)中傳輸?shù)哪Ｊ經(jīng)Q定。10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述步驟S3包括如下步驟： 531、 按照二項(xiàng)式函數(shù)的遞推式，如式七所示，確定每個耦合孔的相對耦合強(qiáng)度;每個耦 合孔的相對耦合強(qiáng)度滿足式六；式六中，沒|為每個耦合孔的相對耦合強(qiáng)度;k為耦合孔的序號;Ao為波的幅值的最大值； Sk為二項(xiàng)式系數(shù);N為耦合孔的數(shù)目； 532、 選取耦合孔的數(shù)目，確定二項(xiàng)式系數(shù)Sk; 533、 根據(jù)定向耦合器設(shè)計(jì)目標(biāo)中的耦合度C通過下述式八，確定Ao的大??；534、 將計(jì)算得到的各個耦合孔的相對耦合強(qiáng)度代入由耦合波理論推導(dǎo)出的式四中，得 到耦合孔的大小；上述式中，a為耦合孔的耦合強(qiáng)度;k為耦合孔的序號；±表示正反向波；ω為波的角頻 率;μ〇為真空磁導(dǎo)率；ε〇為真空介電常數(shù);mu，m4Ppn為耦合孔的極化率;Hlu，H lv和Eln為主波導(dǎo) 入射波在親合孔所在位置的歸一化磁場切向分量和電場法向分量;H2u，H2v和E2n為副波導(dǎo)中 被激勵波在耦合孔所在位置的歸一化磁場切向分量和電場法向分量;r為圓形耦合孔的半 徑；1和h分別為橢圓形耦合孔的長軸和短軸的一半;a和b分別為矩形耦合孔的長和寬的一 半； S35、根據(jù)相位疊加原理推導(dǎo)出的式五，得到耦合孔之間的間距；Φ為疊加后的總相位；±表示正反向波;d為相鄰耦合孔之間的間距;扮和說分別為主波 導(dǎo)中波的傳播常數(shù)以及副波導(dǎo)中波的傳播常數(shù);心和\2分別為主、副波導(dǎo)中波的波長，它由 工作頻率決定； I1和Ac2分別為主、副波導(dǎo)中波的截止波長，所述主波導(dǎo)中波的截止波長由主波導(dǎo)的尺 寸和主波導(dǎo)中傳輸?shù)哪Ｊ經(jīng)Q定;所述副波導(dǎo)中波的截止波長由副波導(dǎo)中方波導(dǎo)的尺寸和副 波導(dǎo)中傳輸?shù)哪Ｊ經(jīng)Q定。
【文檔編號】H01P5/18GK106025480SQ201610586421
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月22日
【發(fā)明人】曾旭, 王峨鋒, 馮進(jìn)軍, 李安
【申請人】中國電子科技集團(tuán)公司第十二研究所