一种太赫兹矩形波导双定向耦合器

摘要

本发明公开了一种太赫兹矩形波导双定向耦合器，其包括直通波导基板、耦合片及耦合波导基板，其中，耦合片位于直通波导基板与耦合波导基板之间；在直通波导基板上设有直通波导腔；在耦合波导基板上设有两个关于耦合波导基板中心呈对称结构的耦合波导腔；所述耦合波导腔呈L形，其由一号腔体和二号腔体垂直连接组成；两个耦合波导腔的一号腔体均沿直通波导腔的长度方向伸展；两个耦合波导腔的二号腔体均沿直通波导腔的中垂线方向伸展；在耦合片上设有用于连通直通波导腔与耦合波导腔的一号腔体的耦合孔；直通波导基板、耦合片及耦合波导基板依次连接。本发明结构简单、加工精度高，能够满足太赫兹频段的要求，且具有耦合精度高、直通损耗小等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种太赫兹矩形波导双定向耦合器。

背景技术

定向耦合器是微波矢量网络分析仪和信号源中作为信号分离及功率监控的必不可少的微 波组件。一般由信号直通传输通路(主路)、耦合通路(副路)及耦合结构组成。其工作原理 是微波信号从主路输入，小部分功率通过耦合结构进入副路，大部分功率继续通过主路输出。 进入副路的信号输出至其他信号处理模块，从而实现信号的分离和监控。如图1所示。而双 定向耦合器则是在单定向耦合器的主路上再叠加一路耦合结构及副路，用于实现反向传输时 的信号分离。在太赫兹频段，定向耦合器一般采用矩形波导作为主路及副路传输通路，又可 称为直通波导腔和耦合波导腔，空间耦合结构多采用小孔耦合方式。

如图2所示，现有技术方案采用对称叠加方式在主路对称设置两组耦合结构及耦合通路， 便于缩短主路传输路径长度，减小损耗。为实现该方案，双定向耦合器需要采用多层空间叠 加结构，如图3和图4所示。图3示出的双定向耦合器方案采用五层结构，即直通波导腔101 位于中间层，两侧分别设置耦合片102、103、耦合波导腔104、105，中间层的直通波导腔 101由两个独立零件106、107组合形成，由于采用销钉定位，销钉需要穿过五层零件，且形 成直通波导腔101的两个独立零件106、107需要两组销钉定位，且由于销钉定位存在配合间 隙，各层零件之间位置精度无法达到要求的精度，同时各层之间还存在微波泄露，导致性能 指标达不到要求。图4示出的双定向耦合器方案采用四层结构，即采用两组集成耦合单元201、 202及盖板203、204实现各波导腔的空间组合。以集成耦合单元201为例，集成耦合单元201 是将直通波导腔子腔205、耦合波导腔206和耦合孔207通过机加工或铸造方式集成为一体 的波导腔组件，且集成耦合单元201的直通波导腔子腔205与集成耦合单元202的直通波导 腔子腔208组合形成直通波导腔。由于采用了集成结构方案，各层间的定位误差以及微波泄 漏大幅减小，但当频率升高到0.5THz以上时，最小耦合孔径缩小至0.1mm，相邻耦合孔最小 壁厚0.02mm，耦合孔长度0.03mm，已经超出现有机加工及铸造能力极限，因此，该方案加 工质量无法达到所需要求。由此可见，现有技术需要进一步改进。

发明内容

本发明的目的在于提出一种太赫兹矩形波导双定向耦合器，以解决现有技术中多层矩形 波导双定向耦合器由于结构复杂及现有加工精度难以满足太赫兹频段要求而导致的耦合精 度、直通损耗等指标较差的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种太赫兹矩形波导双定向耦合器，包括直通波导基板、耦合片及耦合波导基板，其中， 耦合片位于直通波导基板与耦合波导基板之间；在直通波导基板上设有直通波导腔；在耦合 波导基板上设有两个关于耦合波导基板中心呈对称结构的耦合波导腔；所述耦合波导腔呈L 形，其由一号腔体和二号腔体垂直连接组成；两个耦合波导腔的一号腔体均沿直通波导腔的 长度方向伸展；两个耦合波导腔的二号腔体均沿直通波导腔的中垂线方向伸展；在耦合片上 设有用于连通直通波导腔与耦合波导腔的一号腔体的耦合孔；直通波导基板、耦合片及耦合 波导基板依次连接。

进一步，直通波导腔的长度为两个耦合波导腔的一号腔体长度之和。

进一步，直通波导腔的长度为耦合波导基板上法兰盘直径的1到1.5倍。

本发明具有如下优点：

第一，本发明结构形式与单定向耦合器相同，均为三层式结构，即直通波导基板、耦合 片及耦合波导基板，对于0.5THz以上频段，此种结构的优点是耦合片可以采用先进工艺手段 独立加工成形(如激光加工)，易于保证耦合孔的加工精度；其次，直通波导腔的最小理论长 度将显著降低直通损耗；第三，本发明三层式结构只包含两个接触面，有利于降低层间微波 泄露；第四，本发明相对于原有五层和四层结构方案，加工成本大幅降低，提高加工效率。

附图说明

图1为现有技术中定向耦合器的工作原理图；

图2为现有技术中双定向耦合器的工作原理图；

图3为现有技术中具有五层结构的双定向耦合器结构示意图；

图4为现有技术中具有四层结构的双定向耦合器结构示意图；

图5为本发明中一种太赫兹矩形波导双定向耦合器的工作原理图；

图6为本发明中一种太赫兹矩形波导双定向耦合器的结构示意图；

图7为本发明中耦合波导腔的布局示意图；

其中，101-直通波导腔，102、103-耦合片，104、105-耦合波导腔，106、107-独立零件； 201、202-集成耦合单元，203、204-盖板，205、208-直通波导腔子腔，206-耦合波导腔，207- 耦合孔；1-直通波导基板，2-耦合片，3-耦合波导基板，4-直通波导腔，5、6-耦合波导腔， 7、9-一号腔体，8、10-二号腔体，11、12-耦合孔，13-吸收负载，14-法兰盘。

具体实施方式

本发明的基本原理是：在第一路耦合波导腔的相邻位置叠加第二路耦合波导腔，形成串 行耦合。通常情况下，串行耦合结构会延长直通波导腔的传输路径，导致主路损耗的加剧。 本发明通过减少耦合波导腔的弯曲半径R、相邻耦合孔之间的壁厚及吸收负载尺寸等措施， 将耦合支路在主路传输方向所占据的长度压缩至约法兰盘直径一半，叠加第二路耦合支路后， 两组耦合波导腔在主路传输方向的长度基本为一个法兰盘直径，因此直通波导腔的长度也相 应为法兰盘直径尺寸，这也是直通波导腔理论上的最小长度尺寸，如图5所示。

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

结合图6所示，一种太赫兹矩形波导双定向耦合器，包括直通波导基板1、耦合片2及 耦合波导基板3，其中，耦合片2位于直通波导基板1与耦合波导基板3之间。

在直通波导基板1上设有直通波导腔4。

在耦合波导基板3上设有两个关于耦合波导基板3中心呈对称结构的耦合波导腔5、6。

耦合波导腔5和6均呈L形。其中，耦合波导腔5由一号腔体7及二号腔体8垂直连接 组成，耦合波导腔6由一号腔体9及二号腔体10垂直连接组成。

一号腔体7与一号腔体9均沿主路方向，即直通波导腔4的长度方向伸展。

二号腔体8与二号腔体10则沿着直通波导腔4的中垂线方向伸展。

在耦合片2上设有两组耦合孔，分别为耦合孔11及耦合孔12。

耦合孔11用于连通直通波导腔4与耦合波导腔5的一号腔体7，耦合孔12用于连通直 通波导腔4与耦合波导腔6的一号腔体9，如图7所示。

在一号腔体7及一号腔体9的盲端处均设有吸收负载13。

通过缩小耦合波导腔5、6的弯曲半径R、相邻耦合孔之间的壁厚及吸收负载13尺寸等 措施，使得每个耦合支路在主路传输方向所占据的长度压缩至约法兰盘直径d1一半，即一号 腔体7与一号腔体9的长度为法兰盘14直径一半，耦合波导腔5和6在主路传输方向的长度 之和为一个法兰盘直径，因此，直通波导腔1的长度d2也相应为一个法兰盘直径。

通过上述设计，使得本发明实现了具有最短直通波导腔4的双定向耦合器，主路传输路 径短，减小了主路直通损耗。当然，直通波导腔4长度还可以根据频段要求适当加大，其长 度范围可以扩大至耦合波导基板法兰盘14尺寸的1到1.5倍。

直通波导基板1、耦合片2及耦合波导基板3依次连接，形成三层式结构，其连接方式 包括螺钉紧固或焊接、胶接方式固定。本发明双定向耦合器适用于太赫兹频段。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说 明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变 形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。