单孔波导定向耦合器的制造方法
【技术领域】
[0001]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親合器。
【背景技术】
[0002]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】
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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Ml和金属体NI属于同一列的2个金属体，金属体Ml宽度的最大值为Ml，金属体NI为宽度的最大值为NI，Ml大于NI，则D大于Ml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。
[0007]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。
[0008]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%。
[0009]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%。
[0010]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%。
[0011]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%。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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为親合端，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。
[0015]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】
[0016]图1为本发明(去除盖板后)的俯视示意图和实施实例I的示意图。
[0017]图2为实施实例2 (去除盖板后)的俯视示意图。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]高度:指所述结构在垂直方向上的尺寸。
[0021]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。
[0022]宽度方向，指所述结构在水平面内并与XY垂直的方向。
[0023]宽度，指所述结构在水平面内并与XY垂直的方向上的尺寸。
[0024]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】
[0025]实施实例I
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 Al，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 Al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 Al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。
[0026]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%。
[0027]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%。
[0028]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