一种基于透波介质和金属镀层的新型波导耦合器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微波器件领域，具体涉及一种基于透波介质和金属镀层的新型波导耦合器。
【背景技术】
[0002]耦合器是高功率微波系统中应用广泛的一种器件。它的主要作用是将微波信号按一定的比例进行功率分配。耦合器种类繁多，按原理可以分为小孔耦合、平行耦合、分支耦合和匹配双T。
[0003]波导小孔耦合是定向耦合器的一种重要方式，其主要原理是Bethe小孔耦合理论，Cohn和Levy等人也做出了很多贡献。传统的定向耦合器一般由主、副两个波导构成且主波导和副波导均采用金属材质，两个波导之间采用焊接连接。白珍等提出了一种定向耦合器【“X波段高功率微波选模定向耦合器”，白珍，李国林，张军，《强激光与粒子束》，2013年第07期】，该耦合器的主波导为圆波导，副波导为标准矩形波导，主副波导之间通过耦合孔连接，单组内耦合孔为等间距切比雪夫分布，耦合器材料为不锈钢；该耦合器中心频率为9.4GHz，对TMtll模的耦合度为-54dB，在400MHz带宽内定向性大于35dB。通过改变耦合孔间距和耦合孔的大小可以调节耦合度。
[0004]上述金属开孔耦合方式有着良好的耦合性能，但也存在着以下不足:一是主副波导均采用金属材料，两种波导的连接及其公共壁上小孔的加工工艺都比较复杂，且加工成本比较高；二是在主波导壁上开孔，破坏了主波导的密封性，需要复杂的外部密封结构。
[0005]基于以上背景，本专利提出一种新型波导耦合器，该波导耦合器加工成本低，不影响主波导密封性。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是:克服现有技术中金属开孔耦合方式耦合器加工难度大、成本高、外部密封结构复杂等问题，提供一种加工难度小、成本低、主波导密封性良好的新型波导耦合器。
[0007]本发明所采用的技术方案如下:一种基于透波介质和金属镀层的新型波导耦合器，包括作为微波主通道的主波导，作为取样信号通道的副波导和作为耦合通道的耦合孔。
[0008]所述主波导长度为L，内半径为R，由透波介质制成并在介质内表面镀金属层；所述透波介质壁厚为Tl，通常情况下Tl取1mm?50mm，透波介质内壁到主波导中心轴线的距离为Rl (R1>R);所述金属层的厚度为T2 = R1-R，T2应远大于所传输微波的趋肤深度，通常取30 μπι?300 μπι，金属层内壁到主波导中心轴线的距离为R2 = R0
[0009]所述副波导为标准矩形波导，该矩形波导实质上为在主波导的介质壁中由外向内挖出的一个长方体空腔，所述长方体空腔内嵌于主波导壁中，所述矩形波导中心轴线与主波导中心轴线相互正交，矩形波导宽边垂直于主波导中心轴线；矩形波导宽边长度为a，窄边长度为b，满足a>b，波导长度为t，满足t〈T，以保证主波导的密封性，在与矩形波导中心轴线平行的四个内表面镀金属层，金属层的厚度T2，T2应远大于所传输微波的趋肤深度，通常取30 μ???300 μm。
[0010]所述耦合孔位于主波导内表面的金属层上，正对副波导与主波导相交面的中心，耦合孔为半径为r、厚度为T2的圆孔，满足2r〈b。
[0011 ] 进一步地，所述主波导为圆波导或同轴波导。
[0012]进一步地，构成所述主波导的透波介质为烷基苯磺酸钠、聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯中的任意一种。
[0013]进一步地，所述主波导内壁所镀金属层的材料为铜和/或铬。
[0014]进一步地，所述副波导内壁所镀金属层的材料为铜和/或铬。
[0015]进一步地，通过改变親合孔的大小调节親合度。
[0016]本发明具有的有益效果为:
[0017]与现有技术相比，本发明结构新颖。首先，以透波介质代替金属作为波导基材，大大减轻了耦合结构的重量，主波导与副波导可以加工为一个整体，使耦合器结构紧凑且降低了加工难度和加工成本；其次，不需要在主波导壁上开通透的耦合孔，保证了主波导的密闭性，无需复杂的外部密封结构，对保持整个高功率微波源的真空度有着重要意义。这些结构特点极大的方便了整体设备的设计与布局，实现了在不影响高功率微波系统工作的前提下部分能量的耦合输出。
【附图说明】
[0018]图1是现有技术中波导耦合器示意图；
[0019]图2是本发明所述基于透波介质和金属镀层的新型波导耦合器轴向截面示意图；
[0020]图3是本发明所述基于透波介质和金属镀层的新型波导耦合器轴向截面尺寸示意图；
[0021]图4是本发明所述基于透波介质和金属镀层的新型波导耦合器圆截面尺寸示意图；
[0022]图5是本发明所述基于透波介质和金属镀层的新型波导耦合器俯视结构尺寸示意图；
[0023]图6是本发明实施例中新型波导耦合器耦合度与频率的关系图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】做进一步描述。
[0025]图1所述为现有技术中波导耦合器示意图，从图中可以看出，传统的定向耦合器由主、副两个波导构成，主波导和副波导均采用金属材质，两者之间通过通透的耦合孔耦合，加工难度大、成本高、外部密封结构复杂。
[0026]图2?图4给出了本发明所述基于透波介质和金属镀层的新型波导耦合器的结构示意图。如图2所示，该新型波导耦合器包括作为微波主通道的主波导A，作为取样信号通道的副波导B和作为耦合通道的耦合孔C。
[0027]所述主波导A长度为L，内半径为R，由透波介质Al制成并在Al内表面镀金属层A2。所述透波介质Al壁厚为Tl，通常情况下Tl取1mm?50mm，透波介质Al内壁到主波导中心轴线的距离为Rl (R1>R);所述金属层A2的厚度为T2 = R1-R，通常情况下T2取30μπι?300 μπι，金属层A2内壁到主波导中心轴线的距离为R2 = R。
[0028]所述副波导B为标准矩形波导，副波导B实质上为在主波导透波介质Al壁上由外向内挖出的长方体空腔，所述矩形波导宽边长度为a，窄边长度为b，a>b，波导长度为t，t<Tlo包括透波介质波导壁BI (与Al重合)和金属层B2两部分，金属层B2位于矩形波导与其中心轴线平行的四个表面内侧，金属层的厚度为T2。
[0029]所述耦合孔C位于主波导内表面的金属层上，正对于副波导与主波导相交面的中心，耦合孔为半径为r、厚度为T2的圆孔，满足2r〈b。
[0030]以X波段频率9.375GHz的输入微波为例，本实施例给出了一种新型波导耦合器，相应的尺寸设计为:主波导长度L = 90mm,内径R = 35mm，壁厚Tl = 20mm,主波导内壁所镀金属镀层材料为铜和络，厚度T2 = 0.03mm,副波导宽边a = 22.86mm，窄边b = 10.16mm，长度t = 17mm，副波导内壁所镀金属镀层为铜和络，厚度T2 = 0.03mm，小孔半径r = 2.5mm，小孔厚度T2 = 0.03mm。通过主波导端口 I输入TMtll模式微波，所述TMtll模式微波沿着主波导向前传播，并从端口 2输出，其中一部分微波通过主波导内壁金属镀层上开有的耦合孔并经过透波介质耦合进副波导，从副波导的端口 3耦合输出TElO模式。
[0031]根据上述参数所设计的频率为9.375GHz的新型耦合结构的耦合度见图5，可以看到该新型耦合结构在保持结构紧凑加工、成本低、密封性良好的优点的前提下可以实现能量耦合功能。
【主权项】
1.一种基于透波介质和金属镀层的新型波导耦合器，其特征在于:所述波导耦合器包括作为微波主通道的主波导，作为取样信号通道的副波导和作为耦合通道的耦合孔； 所述主波导长度为L，内半径为R，由透波介质制成并在介质内表面镀金属层；所述透波介质壁厚为Tl，透波介质内壁到主波导中心轴线的距离为R1，满足RDR ;所述金属层的厚度为T2 = R1-R，金属层内壁到主波导中心轴线的距离为R2 = R ; 所述副波导为标准矩形波导，该矩形波导实质上为在主波导的介质壁中由外向内挖出的一个长方体空腔，所述长方体空腔内嵌于主波导壁中，所述矩形波导中心轴线与主波导中心轴线相互正交，矩形波导宽边垂直于主波导中心轴线；矩形波导宽边长度为a，窄边长度为b，满足a>b，波导长度为t，满足t〈T，在与矩形波导中心轴线平行的四个内表面镀金属层，金属层的厚度T2，T2应远大于所传输微波的趋肤深度； 所述耦合孔位于主波导内表面的金属层上，正对副波导与主波导相交面的中心，耦合孔为半径为r、厚度为T2的圆孔，满足2r〈b。
2.一种如权利要求1所述基于透波介质和金属镀层的新型波导耦合器，其特征在于:Tl 取 1mm ?50mmo
3.一种如权利要求1所述基于透波介质和金属镀层的新型波导耦合器，其特征在于:T2 取 30 μ m ?300 μ m。
4.一种如权利要求1所述基于透波介质和金属镀层的新型波导耦合器，其特征在于:所述主波导为圆波导或同轴波导。
5.一种如权利要求1所述基于透波介质和金属镀层的新型波导耦合器，其特征在于:构成所述主波导的透波介质为烷基苯磺酸钠、聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯中的任意一种。
6.一种如权利要求1所述基于透波介质和金属镀层的新型波导耦合器，其特征在于:所述主波导内壁所镀金属层的材料为铜和/或铬。
7.一种如权利要求1所述基于透波介质和金属镀层的新型波导耦合器，其特征在于:所述副波导内壁所镀金属层的材料为铜和/或铬。
8.一种如权利要求1所述基于透波介质和金属镀层的新型波导耦合器，其特征在于:通过改变耦合孔的大小调节耦合度。
9.一种如权利要求1至8任一条所述基于透波介质和金属镀层的新型波导耦合器，其特征在于:主波导长度L = 90mm,内径R = 35mm，壁厚Tl = 20mm,主波导内壁所镀金属镀层材料为铜和络，厚度T2 = 0.03mm,副波导宽边a = 22.86mm，窄边b = 10.16mm，长度t =17mm，副波导内壁所镀金属镀层为铜和络，厚度T2 = 0.03mm，小孔半径r = 2.5mm，小孔厚度 T2 = 0.03mm。
【专利摘要】本发明涉及微波器件领域，具体涉及一种基于透波介质和金属镀层的新型波导耦合器。本发明所述耦合器包括作为微波主通道的主波导，作为取样信号通道的副波导和作为耦合通道的耦合孔：所述主波导由透波介质制成并在介质内表面镀金属层；所述副波导为标准矩形波导，该矩形波导实质上为在主波导的介质壁中由外向内挖出的一个长方体空腔，所述长方体空腔内嵌于主波导壁中；所述耦合孔位于主波导内表面的金属层上，正对副波导与主波导相交面的中心。本发明具有加工难度小、成本低、主波导密封性良好等优点。
【IPC分类】H01P5-12
【公开号】CN104733825
【申请号】CN201510181106
【发明人】张军, 张威, 戚祖敏, 白珍
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年4月16日