一种大功率微波矩形波导定向耦合器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微波器件技术领域，更为具体地讲，涉及一种大功率微波矩形波导定向耦合器。该定向耦合器可与微波功率测量系统配套使用，以提取大功率微波的小部分功率到测量系统能够测量的范围之内，以便进行精确地测量和分析。
【背景技术】
[0002]微波定向耦合器是微波系统中最常用的元件之一，尤其是在微波功率测量系统中，往往需要利用定向耦合器把功率信号耦合到测量系统能够测量的范围之内，再对信号进行精确地测量和分析。
[0003]目前常见的大功率微波定向耦合器分为同轴线定向耦合器和矩形波导定向耦合器两类。同轴线定向耦合器采用同轴线为主副线，其工作带宽通常很宽，并且标准的N型同轴接口可直接与测试系统相连，整体结构相对较小，测试非常方便，但是其峰值功率很难满足MW级别的要求。矩形波导定向耦合器主要采用矩形波导为主副线，矩形波导内部通常以空气作为介质，矩形波导通过公共壁上的缝隙或小孔进行功率耦合。
[0004]名称为《S波段高功率矩形波导定向耦合器的设计》(《电子测量技术》2011年4月第34卷第4期、P50-52)所公开的技术即属于矩形波导定向耦合器，该矩形波动定向耦合器以空气为介质，主副线为矩形波导。在两个矩形波导管公共壁上开了单排10个圆孔，主线的入射功率通过圆孔将功率耦合到副线的耦合端口。10个圆孔的耦合度按照切比雪夫函数进行设计，目的是为了在整个波段内呈现良好的方向性。为了能与外部波导相连，副线通过弯形波导与耦合端口相连，隔离端口内侧放置匹配材料。以该文所述结构为例:频率范围为S波段(1.72GHz?2.6IGHz)，耦合度为-49.3?-50.3dB，带内波动小于ldB，方向性小于-36dB。每个圆孔的中心距离波导窄边距离x = 0.235a，其中a为矩形波导的内壁宽边(a = 109.22mm)。最小的圆孔直径为7_。虽然这类定向耦合器在冷测时表现良好，但是在进行热测实验时，当输入峰值功率达到2MW，该定向耦合器内部会发生打火现象，不满足峰值功率2MW的指标要求。并且该定向耦合器总长度为1191mm,耦合端口为矩形波导端口，不仅长度过长，而且十分不方便测试，因此，该定向耦合器不满足大功率微波矩形波导定向耦合器的设计要求。
[0005]申请人在“大功率微波定向耦合器功率容量提升及小型化研宄”(2014)(指导老师童玲，作者罗春杰)的硕士论文中，申请人提出了一种两级耦合结构的大功率微波定向耦合器，第一级定向耦合器提出了采用两排椭圆孔波导转波导的耦合结构，第二级采用波导转波导双十字缝结构，但是其耦合度带内波动较大，有待改善；此外，测试端口连接复杂，不方便测试。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种大功率微波矩形波导定向耦合器，在满足频带范围内耦合度以及方向性指标的前提下，提高定向耦合器的峰值功率，从而达到可与微波功率测量系统配套，将高功率信号耦合到测量系统能够测量的范围之内，以便于对大功率微波信号进行准确分析和测量，并有效提高其测试精度，扩大其应用范围的目的。
[0007]为实现上述发明目的，本发明大功率微波矩形波导定向耦合器，其特征在于，包括:
[0008]第一级定向耦合器，所述的第一级定向耦合器采用双排6椭圆孔波导转波导的耦合结构，由主线波导管、副线波导管组成；主线波导管与副线波导管均为矩形波导，副线波导管的下侧宽边叠在主线波导管上侧宽边上，并且宽边对齐；在副线波导管的下侧宽边上沿波导管开有双排、每排6个椭圆孔、主线波导管上侧宽边对应位置也开有双排、每排6个椭圆孔，每一排6个椭圆孔的耦合度按照切比雪夫函数进行排列；
[0009]两个弯波导，分别连接到副线波导管的两端即隔离端口与耦合输出端口，然后再分别与外界匹配负载、第二级定向耦合器连接；
[0010]第二级定向耦合器，所述的第二级定向耦合器采用波导通过窄槽缝隙耦合到带状线，并从标准N型同轴接头输出功率的方式，由主线波导管以及副线带状线组成；主线波导管为矩形波导，主线波导管的一端即親合输入端口与第一级定向親合器的親合输出端口连接，主线波导管的另一端即匹配端口与外界匹配负载连接；主线波导管上侧宽边中间位置沿传输方向开有窄槽缝隙，副线带状线置于主线波导管上侧窄槽缝隙处，其外导体与主线波导管上侧形成一个矩形腔体，矩形腔体内为带状线内导体，带状线内导体位于带状线空间即矩形腔体的中间位置；
[0011]两个标准N型同轴接头，二者的内导体分别与带状线内导体的两端连接，二者的外导体与带状线外导体连接，一个标准N型同轴接头作为第二级定向耦合器的耦合输出端口，另一个标准N型同轴接头与外界匹配负载连接。
[0012]作为进一步的改进，第一级定向耦合器中所述的椭圆孔为竖置放置，即椭圆孔的长轴方向为宽边方向，短轴方向沿波导管方向。
[0013]本发明的目的是这样实现的。
[0014]本发明大功率微波矩形波导定向耦合器针对现有微波矩形波导定向耦合器功率容量低，测试端口连接不标准，不方便测试的弊端。为了扩大功率容量，整体耦合结构采用二级耦合方式，使每一级的耦合度都比整体的耦合度大，耦合度越大，对应的耦合孔就越大，进而各级定向耦合器承载的功率容量就越大。由于输入功率是逐级递减的，所以增加每一级的功率容量，就是增加整体的功率容量。在保证整体耦合度不变的条件下，实现了扩大功率容量，提高定向耦合器的峰值功率的目的。同时，本发明设计的两级定向耦合结构能够相互配合，两级结构的耦合度曲线变化相反，叠加在一起能够呈现正负相消的效果，使最终的整体耦合度曲线带内波动非常平坦，优于每一单级的耦合度曲线。
[0015]在设计方法相同的条件下，耦合度越大(意味着耦合端口输出的功率越大)，那么耦合孔的尺寸就越大。在本发明中，采用双排椭圆孔设计，这样椭圆孔中心的位置距离波导窄边越近，耦合度就更小，可以增大耦合孔即椭圆孔尺寸，第一级定向耦合器就可以承受更大的功率容量，其耦合孔发生打火的几率就减小了。
[0016]此外，本发明中的第一级定向耦合器采用了一种椭圆孔进行耦合，通过改变椭圆孔的离心率，可以实现方向性的调节。
【附图说明】
[0017]图1是本发明大功率微波矩形波导定向耦合器一种【具体实施方式】结构图；
[0018]图2是图1所示第一级定向耦合器结构图，其中，图㈧为内部结构图，图⑶为图(A)箭头所指处的双排6椭圆孔波导转波导的耦合结构的平面结构图；
[0019]图3是图1所示第二级定向耦合器结构图；其中，图(A)为垂直截面结构图，图(B)为水平平面结构图；
[0020]图4是图1所示第一、二级定向耦合器以及二者组合为一个整体的耦合度曲线图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
[0022]在本实施例中，如图1所示，本发明大功率微波矩形波导定向耦合器包括第一级定向耦合器1、两个弯波导2、3、第二级定向耦合器4以及两个标准N型同轴接头5、6。
[0023]在本实施例中，如图2所示，所述的第一级定向耦合器I采用双排6椭圆孔波导转波导的耦合结构。如图2(A)所示，第一级定向耦合器I由主线波导管101、副线波导管102组成；主线波导管101与副线波导管102均为矩形波导，副线波导管102的下侧宽边叠在主线波导管101上侧宽边上，并且宽边对齐。如图2(A)、(B)所示，在副线波导管102的下侧宽边上沿波导管开有双排、每排6个椭圆孔、主线波导管101上侧宽边对应位置也开有双排、每排6个椭圆孔，每一排6个椭圆孔的耦合度按照切比雪夫函数进行排列，构成双排6椭圆孔波导转波导的耦合结构。
[0024]在本实施例中，以工作在S波段(1.72Ghz?2.61Ghz)的大功率微波矩形波导定向耦合器为例:
[0025]第一级定向耦合器的主线波导管101采用长为600mm的BJ22波导管，副线波导管102采用长为320mm的BJ22波导管。副线波导管102位于主线波导管101长度方向的中间位置。BJ22波导管为矩形波导，其横截面参数(宽边X窄边X厚度)为109.22 X 54.61 X 2mm。在双排6椭圆孔波导转波导的耦合结构中，每一排6个椭圆孔的耦合度按照切比雪夫函数进行排列，具体而言，在本实施例中，各个椭圆孔中心距离波导壁的距离X = 0.17a = 18.56mm，任意相邻两椭圆孔中心相距D = 46.1mm。其中靠近中心的椭圆孔尺寸长轴I1= 31.2mm,短轴d i= 23.3mm ;偏离中心两侧的椭圆孔尺寸长轴I2= 27.6mm,短轴d2= 20.6mm ;两端的椭圆孔尺寸长轴I 3= 20.9mm，短轴d 3= 15.6mm。
[0026]如图1所示，端口 I为主线波导管101输入端口，端口 2为主线波导管101输出端口，在作为耦合度测试时，端口 2接波导匹配负载。输入的大功率微波从端口 I输入到主线波导管101，然后，如图2所示的经过双排6椭圆孔波导转波导的耦合结构耦合到副线波导管102中。
[0027]在本实施例中，如图1所示，两个弯波导2、3分别连接到副线波导管102的两端端口 3、4即隔离端口与耦合输出端口，然后再分别与外界匹配负载(未画出)、第二级定向耦合器4连接。耦合到副线波导管102中的微波从耦合输出端口经过弯波导3输出到第二级定向親合器4。
[0028]在本实施例中，如图3所示，所述的第二级定向耦合器4采用波导通过窄槽缝隙耦合到带状线，并从标准N型同轴接头输出功率的方式。由主线波导管401以及副线带状线402组成。主线波导管401为矩形波导，主线波导管401的一端端口 5即耦合输入端口经过弯波导3与第一级定向耦合器I的耦合输出端口即端口 4连接，主线波导管401的另一端端口 6即匹配端口与外界匹配负载(未画出)连接；主线波导管401上侧宽边中间位置沿传输方向开有窄槽缝隙4011，副线带状线402置于主线波导管401上侧窄槽缝隙4011处，其外导体4021与主线波导管401上侧形成一个矩形腔体，矩形腔体内为带状线内导体4022，带状线