專利名稱：一種超強耦合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種超級耦合器。具體地說，是涉及一種加載有多根柱狀體的寬帶超級耦合器，即一種超強耦合器。
背景技術(shù)：
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行功率分配；其中波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的耦合器由于其本身具有的優(yōu)點在微波界被廣泛應(yīng)用。金屬波導(dǎo)具有導(dǎo)體損耗和介質(zhì)(管內(nèi)一般為空氣)損耗小、功率容量大、沒有輻射損耗、結(jié)構(gòu)簡單、易于制造等優(yōu)點。廣泛應(yīng)用于3000MHz至300GHz的毫米波段通信、雷達(dá)、遙感、電子對抗和測量等系統(tǒng)中。波導(dǎo)作為導(dǎo)行系統(tǒng)，在傳輸過程中傳輸線路往往需要交叉或跨接。在以往解決此類問題時，通常是通過波導(dǎo)組件來實現(xiàn)，如彎曲波導(dǎo)、扭波導(dǎo)、波導(dǎo)管等組件實現(xiàn)。但是，這種方案通常導(dǎo)致在連接和交叉處需要采用法蘭盤連接，導(dǎo)致連接精度的降低和體積的增大。集成波導(dǎo)系統(tǒng)將上述所有元器件集成在一個金屬底板上，通過數(shù)控銑床，一次加工完成，大大地改善了加工精度，降低了加工難度，并使系統(tǒng)的體積大大縮小。但是，在波導(dǎo)傳輸線的連接和交叉處，為使兩波導(dǎo)交叉通過，通常要兩波導(dǎo)錯開使之形成立體結(jié)構(gòu)并使用漸變結(jié)構(gòu)才能恢復(fù)到處于同一平面內(nèi)繼續(xù)傳播，這樣不但造成交叉處體積增大、損耗增加、電壓駐波比增大，還會由于漸變結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性給加工帶來難度。由于脊波導(dǎo)相較于矩形波導(dǎo)的單模工作頻帶更寬，特性阻抗更低，所以采用脊波導(dǎo)能更好的解決矩形波導(dǎo)帶寬相對窄的問題。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于克服由于波導(dǎo)跨接、交叉需要立體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)而造成交叉處體積增大、加工精度降低等一系 列問題，提供了一種在一個平面上即可實現(xiàn)波導(dǎo)跨接、交叉?zhèn)鬏斍規(guī)捈墧?shù)高的一種超強耦合器。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案如下:一種超強耦合器，包括耦合腔，與耦合腔連通的輸入端、隔離端A、耦合端、隔離端B;輸入端和隔離端B位于耦合腔的前端面，耦合端和隔離端A位于耦合腔的后端面，前端面和后端面為耦合腔互相對立的兩個端面，隔離端B位于輸入端的右側(cè)，耦合端位于隔離端A右側(cè)；耦合腔中設(shè)置有柱狀體，柱狀體沿輸入端的前后向軸線方向排布成至少I行、且柱狀體沿與輸入端的前后向軸線垂直的方向排布成至少I列；所述柱狀體與耦合腔的上內(nèi)壁或下內(nèi)壁連接；相鄰2行柱狀體之間存在間隙。本實用新型在同行柱狀體中，相鄰柱狀體在俯視方向存在高度差或?qū)挾炔睢Ｔ谕兄鶢铙w中，相鄰柱狀體在與前后向軸線垂直的方向存在寬度差或高度差。這樣設(shè)置以在耦合腔內(nèi)形成凹凸不平的耦合面，以達(dá)到增強耦合的目的，最終得到超級耦合的效果。同時，本實用新型采用獨立排布的柱狀體，雖然他們之間存在接觸，但是實際上其每一個柱狀體均是用于增強耦合，另外相比于整體設(shè)計成一個結(jié)構(gòu)的柱狀體，其耦合性能明顯提高，其原因在于，多個耦合用的柱狀體造成的電場要優(yōu)于一個柱狀體造成的電場，其原理與一塊磁鐵和多塊磁鐵比較的原理是一致的。在某些位置電場處于加強，某些位置處于減弱狀態(tài)，因此，可以達(dá)到超級耦合的效果。所述耦合腔的左側(cè)面或\和右側(cè)面均設(shè)置有至少一個金屬凸起，金屬凸起的凸起方向指向耦合腔內(nèi)或者耦合腔外。金屬凸可以輔助柱狀體進一步的提升其工作性能。所述柱狀體沿輸入端的前后向的軸線方向平行為了調(diào)節(jié)耦合效果和進一步展寬器件的工作頻帶，輸入端、輸出端、耦合端、隔離端都為脊波導(dǎo)。脊波導(dǎo)包括矩形波導(dǎo)空腔體、以及設(shè)置在矩形波導(dǎo)空腔體上內(nèi)壁或\和下內(nèi)壁的加載導(dǎo)體脊。為了改善輸入輸出端與耦合腔之間的匹配，輸入端、輸出端、耦合端、隔離端均通過至少一段匹配波導(dǎo)與耦合腔連接。為了調(diào)節(jié)耦合效果，所述匹配波導(dǎo)內(nèi)設(shè)置有與匹配波導(dǎo)內(nèi)底面連接的金屬脊。進一步的，為了便于加工和裝配，降低加工要求，輸入端的上表面、輸出端的上表面、耦合端的上表面、隔離端的上表面、耦合腔的上表面、匹配波導(dǎo)的上表面均位于同一個平面內(nèi)。進一步的，為了調(diào)節(jié)耦合效果，沿與輸入端的前后向軸線方向相鄰的柱狀體之間存在零間隙，并且柱狀體為金屬柱或者為介質(zhì)柱。作為替代方案，本實用新型中柱狀體還可以為其他具備調(diào)節(jié)耦合性和\或增強帶寬性的柱狀體。進一步的，為了便于加工和裝配，降低加工要求，柱狀體在俯視方向上的橫截面為圓形或矩形。進一步的，為了便 于加工和裝配，降低加工要求，耦合腔、輸入端、輸出端、耦合端、隔離端均為矩形體。為了展寬器件的工作帶寬、以及增強其耦合效果使得達(dá)到超級耦合的效果，耦合腔中設(shè)置有柱狀體，柱狀體沿輸入端的前后向軸線方向排布成至少I行、且柱狀體沿與輸入端的前后向軸線垂直的方向排布成至少I列所述柱狀體與耦合腔的上內(nèi)壁或下內(nèi)壁連接。耦合腔的寬度沿輸入端的軸線方向有至少I次變化。即所述耦合腔的左內(nèi)側(cè)面和右內(nèi)側(cè)面均設(shè)置有至少一個金屬凸起，金屬凸起的凸起方向指向耦合腔內(nèi)或耦合腔外。金屬凸起為任意變化的，可為矩形柱、圓形柱、或其他異形體。本實用新型的最大特點是在耦合腔中設(shè)置了至少3根柱狀體并且柱狀體沿前后端面的軸線方向平行，柱狀體排列可以不在同一條直線上，通過柱狀體調(diào)節(jié)耦合腔中信號的不同模式之間的相速與耦合，使器件的工作帶寬得到大大提高。本實用新型的工作原理可以在矩形的耦合腔和矩形的輸入端口、輸出端口，以及矩形的主波導(dǎo)和副波導(dǎo)作為輸入輸出波導(dǎo)的情況下簡述如下。輸入端口在矩形的耦合腔中主要激勵起兩個波導(dǎo)工作模式，即TElO模式和TE20模式。該兩個模式的波都將沿輸入波導(dǎo)(主波導(dǎo))軸線方向傳播。由于該兩個模式的波導(dǎo)波長不同，在耦合腔的另一端，耦合端以及輸出端從耦合腔中耦合出來的功率是分別從兩個工作模式TElO模式和TE20模式的波中耦合出來的功率的和。通過選取耦合腔的寬度和長度，以及輸入端、輸出端、耦合端、隔離端的尺寸和位置，可以使輸出端分別從兩個工作模式耦合出來的功率相位相差180度，相互抵消，同時使耦合端從兩個工作模式耦合出來的功率相位相差O度或360度的整數(shù)倍，相互疊加。這時，基本上所有能量都從耦合端口耦合輸出，而不從輸出端輸出。由于輸入端口激勵的兩個工作模式TElO模式和TE20在隔離端處自然滿足反相相消，從隔離端耦合出來的功率都很小。這時，基本上所有能量都從耦合端輸出，而不從輸入端反射，也不從輸出端和隔離端輸出。為了進一步拓寬器件的工作帶寬，耦合腔的形狀，特別是寬度沿輸入端的軸線可以適當(dāng)變化，尤其是在耦合腔的底部或頂部增加柱狀體。各輸入輸出端都可以增加一級或多級脊波導(dǎo)匹配波導(dǎo)。上述前后向軸線為由前端面指向后端面的耦合腔軸線。本實用新型的優(yōu)點在于:在一個平面上即可實現(xiàn)波導(dǎo)跨接、交叉?zhèn)鬏?、寬帶級?shù)高，本實用新型的超級耦合器具有37%以上的相對工作帶寬，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小，加工難度低的特點。本實用新型可以廣泛用于天線陣、相控陣?yán)走_(dá)和功率合成、導(dǎo)彈制導(dǎo)、通信等軍事及民用領(lǐng)域。

圖1為本實用新型(去除蓋板后)的俯視圖。圖2為實施實例I的計算結(jié)果曲線。圖3為實施實例2的俯視圖。圖中的標(biāo)號分別表不為:1、輸入端:2、隔尚端A ;3、f禹合端；4、隔尚端B ;5、f禹合腔；6、加載導(dǎo)體脊；7、匹配波導(dǎo)；8、金屬脊；9、柱狀體。
具體實施方式
實施實例1如圖1所示，一種超強耦合器，包括耦合腔5，與耦合腔5連通的輸入輸出端，即與耦合腔5連通的輸入端1、隔離端A2、耦合端3、隔離端B4。輸入端I和隔離端B4位于耦合腔5的前端面，耦合端3和隔離端A2位于耦合腔5的后端面，前端面和后端面為耦合腔互相對立的兩個端面。隔離端B4位于輸入端I的右側(cè)，耦合端3位于隔離端A2右側(cè)。耦合腔5中設(shè)置有柱狀體9，柱狀體9沿輸入端I的前后向軸線方向排布成5行、且柱狀體9沿與輸入端I的前后向軸線垂直的方向排布成3列，共15根矩形柱狀體9。所述柱狀體9與耦合腔5的上內(nèi)壁或下內(nèi)壁連接。所述耦合腔5的寬度沿輸入端I的軸線方向有4次變化。具體的變化為耦合腔5的左內(nèi)側(cè)面和右內(nèi)側(cè)面均設(shè)置有金屬凸起，金屬凸起的凸起方向指向耦合腔5內(nèi)。相鄰2行柱狀體之間存在間隙。本實用新型在同列柱狀體中，相鄰柱狀體在俯視方向存在高度差。在同列柱狀體中，相鄰柱狀體在與前后向軸線垂直的方向存在寬度差。輸入端1、隔離端A2、耦合端3、隔離端B4均通過一段匹配波導(dǎo)7與耦合腔5連接。匹配波導(dǎo)7內(nèi)設(shè)置有與匹配波導(dǎo)7內(nèi)表面連接的金屬脊8，金屬脊8優(yōu)先設(shè)置在匹配波導(dǎo)7的內(nèi)底面。輸入端1、隔離端A2、耦合端3、隔離端B4都為脊波導(dǎo)，脊波導(dǎo)包括矩形波導(dǎo)空腔體、以及設(shè)置在矩形波導(dǎo)空腔體上內(nèi)壁或\和下內(nèi)壁的加載導(dǎo)體脊6。輸入端I的上表面、隔離端A2的上表面、耦合端3的上表面、隔離端B4的上表面、耦合腔5的上表面、匹配波導(dǎo)7的上表面均位于同一個平面內(nèi)。[0028]相鄰的柱狀體9沿輸入端I前后向的軸線方向平行。在本實施例中柱狀體9選用金屬材料制成的金屬柱作為柱狀體9的優(yōu)選方案。同時柱狀體9還可以為介質(zhì)柱。柱狀體9在俯視方向上的橫截面為矩形。耦合腔5、輸入端1、隔離端A2、耦合端
3、隔離端B4均為矩形體。矩形的輸入端I在矩形的耦合腔5中主要激勵起兩個波導(dǎo)工作模式，即TElO模式和TE20模式。該兩個模式的波都將沿輸入端I前后向軸線方向傳播。由于該兩個模式的波導(dǎo)波長不同，在耦合腔5的另一端，隔離端A2和耦合端3處從耦合腔5中耦合出來的功率是分別從兩個工作模式TElO模式和TE20模式的波中耦合出來的功率和。通過選取耦合腔5的寬度和長度，以及各輸入輸出端的尺寸和位置，可以使耦合端3分別從兩個工作模式耦合出來的功率之和滿足一定設(shè)計要求，同時使隔離端B4分別從兩個工作模式耦合出來的功率相位相差為180度，相互抵消。這時，基本上所有能量都從耦合端3輸出，而不從輸入端I反射，也不從隔離端A2和隔離端B4輸出。為了進一步拓寬器件的工作帶寬，耦合腔5的形狀，特別是寬度沿輸入端的軸線可以適當(dāng)變化，尤其是在耦合腔5的底部或頂部增加柱狀體9。各輸入輸出端都可以增加一級或多級脊波導(dǎo)匹配波導(dǎo)7。圖2為實施實例I的一種超強耦合器的模擬計算曲線。從中可以看出，在
6.Γ9.6GHz頻率范圍內(nèi)，很好地實現(xiàn)了一款超級耦合器。圖中Sll表示輸入端I的反射系數(shù)，S21表示隔離端A2的傳輸系數(shù)，S31表示耦合端3的耦合系數(shù)，S41表示隔離端B4的隔離系數(shù)。由圖中的曲線分布可以看出，該超級耦合器的插損小于0.5dB，波動小于0.5dB。各端口反射均低于-15dB，輸出端之間的隔離度優(yōu)于-15dB。該超級耦合器的相對工作帶寬為 40% ο實施實例2如圖3所示，與實施實例I的區(qū)別僅在于，耦合腔5在寬度上沒有漸變，并且分別采用了 2根橫截面為圓形和I根橫截面為矩形的柱狀體9。另外采用2根加載導(dǎo)體脊6沿輸入端的前后向的軸線方向平行，并且貫穿整個耦合腔5延伸到輸入輸出端，沒有金屬脊
8。輸入輸出端都增加一級脊波導(dǎo)匹配波導(dǎo)7，并且匹配波導(dǎo)7在寬度上有一次漸變。加載導(dǎo)體脊6等效于柱狀體9。上述僅為舉例。實際生產(chǎn)中，耦合腔5的側(cè)面既可以為一根或多根直線段，也可以為光滑曲線，構(gòu)成俯視方向的矩形、梯形或其他更復(fù)雜的圖型。柱狀體9可以為矩形、圓形、橢圓形、或其他不規(guī)則形狀。如上所述，即 可很好的實現(xiàn)本實用新型。
權(quán)利要求1.一種超強耦合器，其特征在于:包括耦合腔(5)，與耦合腔(5)連通的輸入端(I)、隔離端A (2)、耦合端(3)、隔離端B (4);輸入端(I)和隔離端B (4)位于耦合腔(5)的前端面，耦合端(3)和隔離端A(2)位于耦合腔(5)的后端面，前端面和后端面為耦合腔互相對立的兩個端面，隔離端B (4)位于輸入端(I)的右側(cè)，耦合端(3)位于隔離端A(2)右側(cè)；耦合腔(5)中設(shè)置有柱狀體(9)，柱狀體(9)沿輸入端(I)的前后向軸線方向排布成至少I行、且柱狀體(9)沿與輸入端(I)的前后向軸線垂直的方向排布成至少I列；所述柱狀體(9)與耦合腔(5)的上內(nèi)壁或下內(nèi)壁連接；相鄰2行柱狀體(9)之間存在間隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超強耦合器，其特征在于:所述耦合腔(5)的左側(cè)面或\和右側(cè)面均設(shè)置有至少一個金屬凸起，金屬凸起的凸起方向指向耦合腔(5)內(nèi)或者耦合腔(5)外。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超強耦合器，其特征在于:柱狀體(9)沿輸入端(I)的前后向的軸線方向平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超強耦合器，其特征在于:輸入端(I)、隔離端A(2)、耦合端(3)、隔離端B (4)都為脊波導(dǎo)，脊波導(dǎo)包括矩形波導(dǎo)空腔體、以及設(shè)置在矩形波導(dǎo)空腔體上內(nèi)壁或\和下內(nèi)壁的加載導(dǎo)體脊(6)。
5.根據(jù)權(quán)利要I所述的一種超強耦合器，其特征在于:輸入端(I)、隔離端A(2)、耦合端(3)、隔離端B (4)均通過至少一段匹配波導(dǎo)(7)與耦合腔(5)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種超強耦合器，其特征在于，所述匹配波導(dǎo)(7)內(nèi)設(shè)置有與匹配波導(dǎo)(7)內(nèi)底面連接的金屬脊(8)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5-6中任意一項所述的一種超強耦合器，其特征在于:輸入端(I)的上表面、隔離端A(2)的上表面、耦合端(3)的上表面、隔離端B (4)的上表面、耦合腔(5)的上表面、匹配波導(dǎo)(7)的上表面均位于同一個平面內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任意一項所述的一種超強耦合器，其特征在于:沿與輸入端(I)的前后向軸線方向相鄰的柱狀體(9)之間存在零間隙，并且柱狀體(9)為金屬柱或者為介質(zhì)柱。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任意一項所述的一種超強耦合器，其特征在于:柱狀體(9)在俯視方向的橫截面為圓形或矩形或梯形。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1-6中任意一項所述的一種超強耦合器，其特征在于:耦合腔(5)、輸入端(I)、隔離端A(2)、耦合端(3)、隔離端B (4)均為矩形體。
專利摘要本實用新型公布了一種超強耦合器，包括耦合腔，與耦合腔連通的輸入端、隔離端A、耦合端、隔離端B；輸入端和隔離端B位于耦合腔的前端面，耦合端和隔離端A位于耦合腔的后端面，隔離端B位于輸入端的右側(cè)，耦合端位于隔離端A右側(cè)；耦合腔中設(shè)置有柱狀體，柱狀體沿輸入端的前后向軸線方向排布成至少1行、且柱狀體沿與輸入端的前后向軸線垂直的方向排布成至少1列，所述柱狀體與耦合腔的上內(nèi)壁或下內(nèi)壁連接。本實用新型的超級耦合器具有37%以上的相對工作帶寬，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小，加工難度低的特點。本實用新型可以廣泛用于天線陣、相控陣?yán)走_(dá)和功率合成、導(dǎo)彈制導(dǎo)、通信等軍事及民用領(lǐng)域。
文檔編號H01P5/16GK203085726SQ201320108710
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月11日
發(fā)明者王清源, 王聰玲, 譚宜成 申請人:成都賽納賽德科技有限公司