单孔波导定向耦合器.pdf

本发明公布了一种单孔波导定向耦合器，包括耦合腔、金属柱、金属体、耦合段和匹配段，采用深度、高度和/或宽度不同的耦合段、匹配段、金属柱和金属体，利用横向错位的金属柱，利用金属柱和金属体沿一方向的无缝连接，实现高频毫米波，特别是太赫兹频段全带宽波导定向耦合器的微波结构的无翻转一次性加工，并最大限度地降低器件装配误差和对位误差对性能的影响。本发明可以广泛用于各种微波毫米波和太赫兹测量和信号监控中。

权利要求书1.  单孔波导定向耦合器，其特征在于，包括耦合腔和4个支路，支路A上设置有端口A(1)，支路B上设置有端口B(2)， 支路C上设置有端口C（3），支路D上设置有端口D（4）；耦合腔由沿线段XY依次排列并相互连通的至少两个耦合段（5）构成，其中X点和Y点位于耦合腔内，而且线段XY为水平线段；每条支路与耦合腔之间直接连通或通过一级或多级匹配段（7）连通；端口A（1）和端口B（2）位于平面Z的左侧，端口C（3）和端口D（4）位于平面Z的右侧， 其中平面Z为过水平线段XY的垂直平面。2.  根据权利要求1所述的单孔波导定向耦合器，其特征在于，所述端口A(1)、端口B(2)、端口C（3）和D（4）的法线方向与过X点和Y点的矢量XY或矢量YX之间的夹角大于30度且小于60度。3.  根据权利要求1所述的单孔波导定向耦合器，其特征在于，所述耦合段（5）中至少有2个耦合段（5）的下表面或/和上表面设置有至少共4个金属体(6)；所述金属体(6)只在对应的耦合段（5）的下表面或/和上表面与该耦合段（5）相连；所有所述金属体(6)的数目为2N个，N为大于2或等于2的正整数，所有所述金属体(6)被分为两列；每列N个金属体(6)设置于N个耦合段（5）中；两列金属体(6)分别设置于平面Z的左右两侧；至少有2个属于同一列的金属体(6)中的一个金属体(6)的几何中心与另一个金属体(6)的几何中心之间的连线在该单孔波导定向耦合器宽度方向的投影长度为D，D>所有金属体(6)的宽度的最大值的5%。4.  根据权利要求3所述的单孔波导定向耦合器，其特征在于，至少一个匹配段（7）的下表面或/和上表面上设置有一个金属柱(8)；该金属柱(8)在对应的匹配段（7）的下表面或/和上表面与该匹配段（7）相连；位于平面Z左侧的金属柱（8）和位于平面Z左侧的金属体（6）沿XY方向依次排布连接，位于平面Z右侧的金属柱（8）和位于平面Z右侧的金属体（6）沿XY方向依次排布连接，使得相邻的金属体（6）与金属体（6）之间、相邻的金属柱（8）与金属柱（8）之间、相邻的金属体（6）和金属柱（8）之间沿XY方向都没有缝隙。5.  根据权利要求1所述的单孔波导定向耦合器，其特征在于，所述耦合段（5）中至少有一个耦合段（5）的下表面或/和上表面设置有至少2个金属体(6)；所述金属体(6)只在对应的耦合段（5）的下表面或/和上表面与该耦合段（5）相连；所有所述金属体(6)中，至少有一个金属体(6)的最大高度比另一个金属体(6)的最大高度大10%。6.  根据权利要求1所述的单孔波导定向耦合器，其特征在于，所述耦合段（5）中至少有一个耦合段（5）的下表面或/和上表面设置有至少2个金属体(6)；所述金属体(6)只在对应的耦合段（5）的下表面或/和上表面与该耦合段（5）相连；所有所述金属体(6)中，至少有一个金属体(6)的最大宽度比另一个金属体(6)的最大宽度大10%。7.  根据权利要求1所述的单孔波导定向耦合器，其特征在于，构成所述耦合腔的所有耦合段（5）中至少有一个耦合段（5）的最大高度比另一个耦合段（5）的最大高度大10%；或者构成所述耦合腔的所有耦合段（5）中至少有一个耦合段（5）的最大宽度比另一个耦合段（5）的最大宽度大10%；或者构成所述耦合腔的所有耦合段（5）中至少有一个耦合段（5）的最大高度比另一个耦合段（5）的最大高度大10%、且构成所述耦合腔的所有耦合段（5）中至少有一个耦合段（5）的最大宽度比另一个耦合段（5）的最大宽度大10%。8.  根据权利要求1所述的单孔波导定向耦合器，其特征在于，单孔波导定向耦合器的空腔结构为单连通结构，即该空腔结构内部的任何封闭曲线都可以在该空腔结构内连续收敛到一个点：该单孔波导定向耦合器的空腔结构包括所有耦合段（5）和支路A、支路B、支路C和支路D之和后减去所有的金属柱（6）和金属体（8）后得到的空腔结构。9.  根据权利要求1所述的单孔波导定向耦合器，其特征在于，单孔波导定向耦合器的空腔结构的上表面都齐平；该单孔波导定向耦合器的空腔结构包括所有耦合段（5）和支路A、支路B、支路C和支路D之和后减去所有的金属柱（6）和金属体（8）后得到的空腔结构。10.  根据权利要求1-9任意一项所述的单孔波导定向耦合器，其特征在于，所述端口A(1)为输入端，端口B(2)为输出端，端口C（3）为耦合端，端口D（4）为隔离端；所述端口A(1) 、端口B(2)、 端口C（3）、端口D（4）为矩形波导或脊波导；该单孔波导定向耦合器的相对工作带宽大于30%。

说明书单孔波导定向耦合器
技术领域
本发明涉及一种耦合器。具体地说，是涉及一种横向尺寸变化的脊结构宽带单孔波导定向耦合器。
背景技术
定向耦合器是现代微波通信和军事电子系统中的一种通用元件。波导定向耦合器由于其功率容量高、插入损耗低等特点， 应用十分广泛。十字交叉波导定向耦合器结构紧凑、插入损耗小但耦合度低、相对带宽小而且方向性有限。多孔波导定向耦合器虽然可以实现波导全带宽和高方向性，但是所需耦合孔的数目很大（比如20个以上），导致耦合器的长度比较大。随着工作频率的升高，特别是在高频段毫米波和太赫兹频段，多孔定向耦合器存在以下几个问题：1）插入损耗急剧上升。2）耦合孔很小，对加工精度要求也很高，加工成本很高。3）加工误差和装配误差的影响增大，导致多孔波导定向耦合器的性能的急剧下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构紧凑、宽带，容易加工、加工精度和装配精度容易保障的单孔波导定向耦合器。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
单孔波导定向耦合器，包括耦合腔和4个支路，支路A上设置有端口A，支路B上设置有端口B， 支路C上设置有端口C，支路D上设置有端口D。 耦合腔由沿线段XY依次排列并相互连通的至少两个耦合段构成。 其中X点和Y点位于耦合腔内， 而且线段XY为水平线段。每条支路与耦合腔之间直接连通或通过一级或多级匹配段连通。端口A和端口B位于平面Z的左侧，端口C和端口D位于平面Z的右侧。其中平面Z为过水平线段XY的垂直平面。端口A和端口D 位于水平线段XY的X点附近。端口B和端口C位于水平线段XY的Y点附近。
在高频段毫米波，特别是太赫兹频段，该单孔波导定向耦合器的尺寸非常小。为了便于通过放置适当大小的安装螺钉使底座的上表面和和盖板的下表面重合以防止电磁泄漏，我们让该单孔波导定向耦合器的四个端口中心之间的间距随着四个支路从所述耦合腔向外延伸而迅速增大：所述端口A、端口B、端口C和D的法线方向与过X点和Y点的矢量XY或矢量YX之间的夹角大于30度，小于60度。较佳的设计，四个端口的法线与过X点和Y点的矢量XY或矢量YX之间的夹角都等于45度。也就是说，四个端口中心的法线方向位于水平面内，分别从某个矩形体中心点向外，分别垂直于该矩形体的四个侧面。
扩展单孔波导定向耦合器的相对带宽的第一个步骤，所述耦合段中至少有2个耦合段的下表面或/和上表面设置有至少共4个金属体；所述金属体只在对应的耦合段的下表面或/和上表面与该耦合段相连；所有所述金属体的数目为2N个，N为大于2或等于2的正整数，所有所述金属体并被分为两列；每列N个金属体设置于N个耦合段中；两列金属体分别设置于平面Z的左右两侧；至少有2个属于同一列的金属体中的一个金属体的几何中心与另一个金属体的几何中心之间的连线在该单孔波导定向耦合器宽度方向的投影长度为D，D>所有金属体的宽度的最大值的5%。举例说明，金属体M1和金属体N1属于同一列的2个金属体，金属体M1宽度的最大值为M1，金属体N1为宽度的最大值为N1，M1大于N1，则D大于M1的5%，即所有金属体的宽度的最大值的测算方法是：将单个金属体的最大宽度求出，比较所有金属体的最大宽度，取数值最大的金属体的最大宽度作为所有金属体的宽度的最大值。
扩展单孔波导定向耦合器的相对带宽的第二个步骤，至少一个匹配段的下表面或/和上表面上设置有一个金属柱；该金属柱在对应的匹配段的下表面或/和上表面与该匹配段相连；位于平面Z左侧的金属柱和位于平面Z左侧的金属体沿XY方向依次排布连接，位于平面Z右侧的金属柱和位于平面Z右侧的金属体沿XY方向依次排布连接，使得相邻的金属体与金属体之间、相邻的金属柱与金属柱之间、相邻的金属体和金属柱之间沿XY方向都没有缝隙。
扩展单孔波导定向耦合器的相对带宽的第三个步骤，所述耦合段中至少有一个耦合段的下表面或/和上表面设置有至少2个金属体。所述金属体只在对应的耦合段的下表面或/和上表面与该耦合段相连。所有所述金属体中，至少有一个金属体的最大高度比另一个金属体的最大高度大10%。
扩展单孔波导定向耦合器的相对带宽的第四个步骤，所有所述金属体中，至少有一个金属体的最大宽度比另一个金属体的最大宽度大10%。
扩展单孔波导定向耦合器的相对带宽的第五个步骤，构成所述耦合腔的所有耦合段中至少有一个耦合段的最大高度比另一个耦合段的最大高度大10%。
扩展单孔波导定向耦合器的相对带宽的第六个步骤， 构成所述耦合腔的所有耦合段中至少有一个耦合段的最大宽度比另一个耦合段的最大宽度大10%。
为了大大降低该单孔波导定向耦合器的加工难度，克服被加工件在加工过程中被翻转导致加工误差，本发明将单孔波导定向耦合器分为底座和盖板两部分。我们让所述单孔波导定向耦合器为单连通结构。即该空腔结构内部的任何封闭曲线都可以在该空腔结构内连续收敛到一个点。该单孔波导定向耦合器单连通结构包括所有耦合段和支路A、支路B、支路C和支路D之和减去所有的金属柱和金属体后得到的空腔结构。这种安排，使得该单孔波导定向耦合器的所有微波结构都被安排在底座内并可以从底座上方通过铣刀一次性加工完成，无需翻动被加工件。
同时，为了避免不同部分之间装配时的对位误差导致器件性能的下降，本发明让所述单孔波导定向耦合器的所有部分构成的空腔结构的上表面都齐平并全部安排在底座上。这种安排，盖板的底面为平面。盖板与底座之间的对位误差对器件性能的影响被大大降低。 该单孔波导定向耦合器空腔结构包括所有耦合段和支路A、支路B、支路C和支路D之和减去所有的金属柱和金属体后得到的空腔结构。
根据所述单孔波导定向耦合器的工作，我们让所述端口A为输入端，端口B为输出端，端口C为耦合端，端口D为隔离端。端口A、端口B、 端口C、端口D为矩形波导或脊波导。该单孔波导定向耦合器的相对工作带宽大于30% ，可以达到41%，也就是标准矩形波导的全带宽。
本发明的最大特点是采用深度或高度不同、宽度不同的耦合段、匹配段、金属柱和金属体，利用横向错位的金属柱，利用金属柱和金属体沿XY方向的无缝连接，实现高频毫米波，特别是太赫兹波导定向耦合器的微波结构的无翻转一次性加工，并最大限度地降低器件装配对位误差对性能的影响。
附图说明
图1为本发明（去除盖板后）的俯视示意图和实施实例1的示意图。
图2为实施实例2（去除盖板后）的俯视示意图。
附图中标号对应名称：1-端口A，2-端口B，3-端口C，4-端口D，5-耦合段，6-金属体， 7-匹配段， 8-金属柱。
本说明书中部分名词规定如下：
水平面，也就是本文中的纸面。水平方向，也就是位于水平面内的方向。垂直方向，也就是与水平面垂直的方向。
高度：指所述结构在垂直方向上的尺寸。
任意三维结构的最大高度，指位于该三维结构内同时又位于某一垂直直线上的任意两点之间距离的最大值。垂直直线指垂直于水平面的直线。
宽度方向，指所述结构在水平面内并与XY垂直的方向。
宽度，指所述结构在水平面内并与XY垂直的方向上的尺寸。
任意三维结构的最大宽度，指位于该三维结构内同时又位于某一与平面Z垂直的直线上的任意两点之间距离的最大值。其中平面Z为过水平线段XY的垂直平面。
具体实施方式
实施实例1
单孔波导定向耦合器，如图1所示，包括耦合腔和4个支路，支路A上设置有端口A1，支路B上设置有端口B2， 支路C上设置有端口C3，支路D上设置有端口D4。 耦合腔由沿线段XY依次排列并相互连通的至少两个耦合段5构成。 其中X点和Y点位于耦合腔内， 而且线段XY为水平线段。每条支路与耦合腔之间直接连通或通过一级或多级匹配段7连通。端口A1和端口B2位于平面Z的左侧，端口C3和端口D4位于平面Z的右侧。 其中平面Z为过水平线段XY的垂直平面。端口A1和端口D4 位于水平线段XY的X点附近。端口B2和端口C3 位于水平线段XY的Y点附近。
所述耦合段5中至少有一个耦合段5的下表面或/和上表面设置有至少2个金属体6。所述金属体6只在对应的耦合段5的下表面或/和上表面与该耦合段5相连。所有所述金属体6中，至少有一个金属体6的最大高度比另一个金属体6的最大高度大10%。
所有所述金属体6中，至少有一个金属体6的最大宽度比另一个金属体6的最大宽度大10%。
所述耦合段5中至少有2个耦合段5的下表面或/和上表面设置有至少共4个金属体6；所述金属体6只在对应的耦合段5的下表面或/和上表面与该耦合段5相连；所有所述金属体6的数目为2N个，N为大于2或等于2的正整数，所有所述金属体6并被分为两列；每列N个金属体6设置于N个耦合段5中；两列金属体6分别设置于平面Z的左右两侧；至少有2个属于同一列的金属体6中的一个金属体6的几何中心与另一个金属体6的几何中心之间的连线在该单孔波导定向耦合器宽度方向的投影长度为D，D>所有金属体6的宽度的最大值的5%。举例说明，金属体M1和金属体N1属于同一列的2个金属体，金属体M1宽度的最大值为M1，金属体N1为宽度的最大值为N1，M1大于N1，则D大于M1的5%，即所有金属体6的宽度的最大值的测算方法是：将单个金属体6的最大宽度求出，比较所有金属体6的最大宽度，取数值最大的金属体6的最大宽度作为所有金属体6的宽度的最大值。
至少一个匹配段7的下表面或/和上表面上设置有至少一个金属柱8。该金属柱8在对应的匹配段7的下表面或/和上表面与该匹配段7相连。
在高频段毫米波，特别是太赫兹频段，该单孔波导定向耦合器的尺寸非常小。 为了便于放置安装螺钉并放置其电磁泄漏， 我们让该单孔波导定向耦合器的四个端口中心之间的间距从所述耦合腔迅速增大：所述端口A1、端口B2、端口C3和D4的法线方向与过X点和Y点的矢量XY或矢量YX之间的夹角大于30度， 小于60度。较佳的设计，四个端口的法线与过X点和Y点的矢量XY或矢量YX之间的夹角都等于45度。也就是说，四个端口中心的法线方向分别从某个矩形体内部垂直于该矩形体的四个侧面向外。
构成所述耦合腔的所有耦合段5中至少有一个耦合段5的最大高度比另一个耦合段5的最大高度大10%。
构成所述耦合腔的所有耦合段5中至少有一个耦合段5的最大宽度比另一个耦合段5的最大宽度大10%。
对于本实施实例，具体来讲，耦合腔由沿线段XY依次排列并相互连通的7个耦合段5构成。所述耦合段5中有3个耦合段5的下表面各设置有3个金属体6。所有所述金属体6中，右排靠近端口C3的金属体6 的最大宽度比右排中间的一个金属体6的最大宽度大10%。一个匹配段7的下表面上设置有一个金属柱8。构成所述耦合腔的所有耦合段5中, 沿XY方向，第六个耦合段5的最大宽度比第五个耦合段5的最大宽度大超过10%。
实施实例2
如图2所示。在实施实例1中，所有的耦合段5和匹配段7的形状为不规则形状。而在实施实例2中，所有的耦合段5的形状均为矩形体。 在实施例2中，所述单孔波导定向耦合器为左右镜面对称结构。所有金属体6的总数目为14并被分为两列。每列7个金属体6设置于7个耦合段5中。每列金属体6分别设置于平面Z的左右两侧中的一侧。沿着XY方向，第四个和第七个耦合段5中的位于平面Z右侧的2个属于同一列的金属体6中的一个金属体6的几何中心与另一个金属体6的几何中心之间的连线在该单孔波导定向耦合器宽度方向的投影长度为D， D>所有金属体6的宽度的最大值的5%。
每个支路上有3个匹配段7。 其中两个匹配段7底部各设置有1个金属柱8。4匹配段7的下表面设分别置有3金属柱8；所有属于同一列的每一个金属体6和该单孔波导定向耦合器的位于平面Z同一侧的设置有分别设置有2个金属柱8的两个匹配段7中的金属柱8沿XY方向连接， 使相邻的金属体6与金属体6之间，相邻的金属柱8与金属柱8之间，相邻的金属体6和金属柱8之间沿XY方向都没有缝隙。
四个端口的法线与过X点和Y点的矢量XY或矢量YX之间的夹角都等于45度。
上述仅为举例。实际生产中，构成该单孔波导定向耦合器的空腔结构的各部分之间的连接部可能都需要倒角处理，以使该器件可以通过数控铣床加工。这种倒角处理是微波设计中的常规步骤，将改变器件的性能。 其影响必须在设计中加以充分考虑。