專利名稱：高功率波導(dǎo)定向耦合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子通訊、雷達(dá)等微波工程技術(shù)領(lǐng)域，特別是微波傳輸時用于功率監(jiān)測的波導(dǎo)定向耦合器。
背景技術(shù)：
定向耦合器是微波技術(shù)領(lǐng)域一種具有定向傳輸特性的四端口元件，通常用作功率測量或監(jiān)視裝置，組成反射計等。定向耦合器可以獨立地監(jiān)視微波傳輸線上的入射信號功率和由于負(fù)載失配帶來的反射信號，其后一般連接由微波二極管構(gòu)成的功率檢波器。定向耦合器需要有較高的方向性，才能準(zhǔn)確地測量入射功率和反射功率。目前大功率微波發(fā)射機在通信，雷達(dá)、電子對抗等領(lǐng)域應(yīng)用的越來越廣泛，尤其在核聚變裝置托卡馬克的輔助加熱系統(tǒng)中，單管輸出功率已經(jīng)達(dá)到連續(xù)波幾百千瓦甚至兆瓦級，由于定向耦合器后面的檢波器中微波二極管能連續(xù)通過的功率很低，一般只有幾十毫瓦，這就需要定向耦合器的耦合度非常小(_50dB到-70dB)。而為了準(zhǔn)確地測量微波入射和反射功率，定向耦合器又需要較高的方向性(至少大于20dB)。但是，現(xiàn)有技術(shù)中，與強耦合的不同之處在于，弱耦合高方向性的定向耦合器很難實現(xiàn)。此外，高功率傳輸?shù)牟▽?dǎo)定向耦合器需要密封的環(huán)境，以便在波導(dǎo)內(nèi)充氣，提高介質(zhì)的擊穿強度，從而可以實現(xiàn)高功率連續(xù)波的運行。傳統(tǒng)的波導(dǎo)定向耦合器不能實現(xiàn)波導(dǎo)內(nèi)的密封，因而很難實現(xiàn)百千瓦級連續(xù)波的高功率運行。

發(fā)明內(nèi)容
針對目前存在的以上所述的各種問題，本發(fā)明的目的是提供一種具有密封結(jié)構(gòu)、 弱耦合和高方向性的雙定向耦合器結(jié)構(gòu)，可以在高功率微波運行時快速、準(zhǔn)確地耦合出少量入射功率和反射功率，以提供給微波檢波器，從而得到微波發(fā)射的入射信號和發(fā)射信號， 以監(jiān)視發(fā)射機的工作狀態(tài)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種高功率波導(dǎo)定向耦合器，包括有波導(dǎo)，其特征在于在所述波導(dǎo)的寬邊上，沿著波導(dǎo)的傳輸方向設(shè)有關(guān)于波導(dǎo)壁中心軸線對稱的二個耦合孔，每個耦合孔均由二個圓孔和位于二個圓孔之間的矩形孔組成，所述矩形孔的兩端分別與二個圓孔相通，矩形孔內(nèi)的中部設(shè)有金屬橫梁，所述金屬橫梁的底部與波導(dǎo)的內(nèi)壁平齊；所述二個耦合孔的上方分別設(shè)有二個同軸線，二個同軸線的中軸線分別與耦合孔的二個圓孔的中軸線重合，有矩形殼體分別與所述的二個同軸線固定連接，所述的二個同軸線和矩形殼體一起固定安裝在二個耦合孔的端部并通過塑料墊片相互隔離并密封，所述二個同軸線的端部分別安裝有接頭，接頭內(nèi)的中心導(dǎo)體與緊貼在塑料墊片上的金屬桿連接。所述的高功率波導(dǎo)定向耦合器，其特征在于所述金屬橫梁的高度低于矩形孔的尚度。所述的高功率波導(dǎo)定向耦合器，其特征在于所述的矩形殼體在二個同軸線之間和耦合孔的上方形成一個空腔，空腔的形狀與耦合孔的形狀相同，空腔的深度與耦合孔的深度不同。所述的高功率波導(dǎo)定向耦合器，其特征在于所述的接頭為N型接頭或L16接頭， 接頭的特性阻抗為50歐姆。所述的高功率波導(dǎo)定向耦合器，其特征在于沿著波導(dǎo)的傳輸方向，所述的接頭依次為耦合接頭和隔離接頭。其原理在于，波導(dǎo)為主線，傳輸模式為主模TEltl模，墊片上方的空腔為副線。通過波導(dǎo)壁上方的槽孔耦合出部分能量，在耦合端口波相位同相疊加，在隔離端口波相位反向而相互抵消。另外，機械結(jié)構(gòu)上，采用了緊壓塑料墊片的方式達(dá)到了波導(dǎo)內(nèi)的密封，以便于波導(dǎo)內(nèi)充氣提高功率容量。以上所述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)為波導(dǎo)耦合孔上方一側(cè)的結(jié)構(gòu)，另一側(cè)的結(jié)構(gòu)與上述結(jié)構(gòu)是相同的。以上所述為本發(fā)明的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其外部支撐結(jié)構(gòu)可以采用機械上常用的手段來實現(xiàn)，其外部結(jié)構(gòu)可以是不同的。采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)實施加工了一批2. 45GHz耦合度為_62dB弱耦合雙定向耦合器，經(jīng)過測試證明，所有耦合器的方向性均達(dá)到了 21dB以上，且許多都在25dB以上，充分證明了本發(fā)明的有效性，成品率很高。此外，本發(fā)明曾經(jīng)于2011年春季在2. 45GHz高功率微波測試臺上，在密封充氣的環(huán)境下，成果通過200kW高功率連續(xù)波微波能量。本發(fā)明成功地提供了入射功率和反射功率信號給后接的檢波器，并利用后續(xù)保護電路，準(zhǔn)確地監(jiān)視高功率速調(diào)管微波源的運行狀態(tài)，有效地保護了整個微波系統(tǒng)和微波器件。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于各種高功率微波系統(tǒng)，包括各種脈沖運行和連續(xù)波運行的高功率微波系統(tǒng)，比如雷達(dá)系統(tǒng)、加速器、托卡馬克等離子體低混雜波加熱系統(tǒng)等，作為一種工作可靠的雙定向耦合器，以監(jiān)測微波傳輸線上的入射和反射功率，以及發(fā)射機的工作狀態(tài)。本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，微波性能穩(wěn)定，維護調(diào)試方便的優(yōu)點，成品率高，適宜于批量化生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖。圖2為本發(fā)明內(nèi)部結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。圖3為本發(fā)明的一個實施例一側(cè)的耦合器a的耦合度和隔離度的測量結(jié)果。圖4為圖3中另一側(cè)耦合器b的耦合度和隔離度的測量結(jié)果。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明由位于波導(dǎo)寬壁上的二個定向耦合器a和b組成雙定向耦合器，這二個定向耦合器關(guān)于波導(dǎo)寬邊的中心線對稱。本發(fā)明的內(nèi)部結(jié)構(gòu)側(cè)視圖如圖2所示，采用在波導(dǎo)1寬邊上，沿著波導(dǎo)的傳輸方向，開二個關(guān)于波導(dǎo)壁中心軸線對稱的槽型耦合孔。由于二個耦合孔上方結(jié)構(gòu)是相同的，以下所述為一側(cè)的結(jié)構(gòu)。耦合孔2由二個相距一定距離的圓孔和圓孔之間的矩形孔組成。矩形孔中間為一金屬橫梁3，橫梁底部和波導(dǎo)內(nèi)壁平齊，高度低于孔高度。耦合孔上方加入塑料墊片4，其形狀為矩形，覆蓋住整個耦合孔2。塑料墊片4上方是矩形金屬腔體和兩邊的同軸線內(nèi)壁組成的空腔5，空腔5緊壓在墊片4之上?？涨?結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)壁上的耦合孔2平面相同，但深度不同。二個同軸線6和7外面分別連接標(biāo)準(zhǔn)N型接頭或L16接頭，二個同軸線6和7接頭的中心導(dǎo)體軸線分別和波導(dǎo)壁上的耦合圓孔2中心軸線重合，并且中心導(dǎo)體與緊貼在塑料墊片4上的金屬桿8連接。沿著波導(dǎo)的傳輸方向，第一個同軸線6為耦合端口，第二個同軸線7為隔離端口。以上所述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)為波導(dǎo)耦合孔上方一側(cè)的結(jié)構(gòu)，形成一個定向耦合器a。另一側(cè)的結(jié)構(gòu)與上述結(jié)構(gòu)是相同的，形成另一個結(jié)構(gòu)的定向耦合器b。如上所述的同軸線6和7的特性阻抗為50歐姆。以上所述為本發(fā)明的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其外部支撐結(jié)構(gòu)可以采用機械上常用的手段來實現(xiàn)，其外部結(jié)構(gòu)可以是多樣化的。本發(fā)明具體實施中，也可以采用定向耦合器a或者b中的一個。在具體實施中，當(dāng)波沿著如圖2所示的方向傳播時，無論對a還是b定向耦合器， 則6為耦合端，7為隔離端。當(dāng)波的傳播方向反向時，則7為耦合端，6為隔離端口。當(dāng)端口 7接50歐姆匹配負(fù)載，則可以通過端口 6測量出入射功率。當(dāng)6端口接50歐姆匹配負(fù)載時，可以通過端口 7測量出反射功率。圖3為本發(fā)明的一個實施例一側(cè)的耦合器a的耦合度和隔離度的測量結(jié)果?？梢钥闯銎漶詈隙葹?62. 2dB，方向性約為30dB。圖4為其另一側(cè)耦合器b的耦合度和隔離度的測量結(jié)果。可以看出其耦合度為-62.6dB，方向性約為25dB。此外，本發(fā)明曾經(jīng)于2011 年春季在2. 45GHz高功率微波測試臺上，在密封充氣的環(huán)境下，成果通過200kW高功率連續(xù)波微波能量。由此可以看出本發(fā)明達(dá)到了定向耦合器的弱耦合和高方向性的效果，同時達(dá)到了百千瓦級連續(xù)波的高功率運行能力，充分證明了本發(fā)明的可實施性。
權(quán)利要求
1.一種高功率波導(dǎo)定向耦合器，包括有波導(dǎo)，其特征在于在所述波導(dǎo)的寬邊上，沿著波導(dǎo)的傳輸方向設(shè)有關(guān)于波導(dǎo)壁中心軸線對稱的二個耦合孔，每個耦合孔均由二個圓孔和位于二個圓孔之間的矩形孔組成，所述矩形孔的兩端分別與二個圓孔相通，矩形孔內(nèi)的中部設(shè)有金屬橫梁，所述金屬橫梁的底部與波導(dǎo)的內(nèi)壁平齊；所述二個耦合孔的上方分別設(shè)有二個同軸線，二個同軸線的中軸線分別與耦合孔的二個圓孔的中軸線重合，有矩形殼體分別與所述的二個同軸線固定連接，所述的二個同軸線和矩形殼體一起固定安裝在二個耦合孔的端部并通過塑料墊片相互隔離并密封，所述二個同軸線的端部分別安裝有接頭，接頭內(nèi)的中心導(dǎo)體與緊貼在塑料墊片上的金屬桿連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率波導(dǎo)定向耦合器，其特征在于所述金屬橫梁的高度低于矩形孔的高度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率波導(dǎo)定向耦合器，其特征在于所述的矩形殼體在二個同軸線之間和耦合孔的上方形成一個空腔，空腔的形狀與耦合孔的形狀相同，空腔的深度與耦合孔的深度不同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率波導(dǎo)定向耦合器，其特征在于所述的接頭為N型接頭或L16接頭，接頭的特性阻抗為50歐姆。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率波導(dǎo)定向耦合器，其特征在于沿著波導(dǎo)的傳輸方向， 所述的接頭依次為耦合接頭和隔離接頭。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高功率波導(dǎo)定向耦合器，包括有波導(dǎo)，在波導(dǎo)的寬邊上，沿著波導(dǎo)的傳輸方向設(shè)有關(guān)于波導(dǎo)壁中心軸線對稱的二個耦合孔，每個耦合孔均由二個圓孔和位于二個圓孔之間的矩形孔組成，矩形孔的兩端分別與二個圓孔相通，矩形孔內(nèi)的中部設(shè)有金屬橫梁，金屬橫梁的底部與波導(dǎo)的內(nèi)壁平齊；二個耦合孔的上方分別設(shè)有二個同軸線，二個同軸線的中軸線分別與耦合孔的二個圓孔的中軸線重合，有矩形殼體分別與二個同軸線固定連接，二個同軸線和矩形殼體一起固定安裝在二個耦合孔的端部并通過塑料墊片相互隔離并密封，二個同軸線的端部分別安裝有接頭，二個同軸線內(nèi)導(dǎo)體與緊貼在塑料墊片上的金屬桿連接。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，微波性能穩(wěn)定，維護調(diào)試方便的優(yōu)點，成品率高，適宜于批量化生產(chǎn)。
文檔編號H01P5/18GK102315507SQ20111018837
公開日2012年1月11日 申請日期2011年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月7日
發(fā)明者劉甫坤, 朱文華, 江洪, 王寶根, 王曉潔, 程敏, 賈華, 趙連敏 申請人:中國科學(xué)院等離子體物理研究所, 合肥海天電子科技有限公司