CN104810592B - 一种耦合结构太赫兹定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耦合结构太赫兹定向耦合器，包括上腔、下腔和耦合片，上腔开直通槽，下腔开耦合槽，耦合片上不开任何槽，只设有“眼图式”耦合孔；其中，上腔与耦合片连接构成直通通路，耦合片与下腔连接构成耦合支路，提供输入功率给输入端口，通过“眼图式”耦合孔耦合，一部分功率传输到耦合端口，而其余的功率由输入端口直接传输到输出端口；针对目前太赫兹定向耦合器相对公差大、加工装配精度要求高和耦合片表面质量难以保证等问题，在设计上提出了“眼图式”耦合结构，保证耦合器的平坦度和宽频带，减少对相对公差和装配精度的要求，降低了加工的难度和成本，使得所设计的部件更具有可生产性。

Description

一种耦合结构太赫兹定向耦合器

技术领域

本发明涉及一种耦合结构太赫兹定向耦合器。

背景技术

太赫兹定向耦合器是信号入射、反射和传输的关键器件，在雷达、辐射计、成像、天文观测、环境检测及安检等方面都有广泛的应用。如何解决耦合器的平坦度、宽带特性以及在太赫兹这一特殊频段内的可加工、易实现性，是太赫兹定向耦合器面临的首要问题。

在太赫兹波段常采用圆孔耦合、椭圆孔耦合、十字孔耦合和矩形孔耦合等耦合方式，随着频率越来越高，耦合孔的尺寸越来越小，对表面的精度和形位公差要求越来越高，加工难度大、成品率低，同时性能指标也难以得到保障。

目前在太赫兹波段中定向耦合器最常用的就是孔耦合结构，其形式主要有单孔耦合、双孔耦合、多孔耦合以及十字孔耦合等。具体的电路实现形式如图1所示，小孔阵采用对称设计，在纵向上小孔间距为波导波长的四分之一。小孔阵为切比雪夫阵，在弱耦合时，用一个小孔阵；在强耦合时，一个切比雪夫阵往往不够，因为小孔的孔径会过大，以至于重叠，或者所需的小孔数目过多，导致整个耦合器长度过长，此时采用两个小孔阵来增加耦合。由于小孔的绕射作用，使耦合片两侧的场强发生变化，在激励侧除了入射场产生的场强E1，H1以外，又增加了小孔的绕射场强，在被激励侧，开了小孔之后出现小孔绕射场强E2，H2。耦合片是耦合部件中非常重要的零件，耦合孔的尺寸和表面粗糙度对信号的传输具有较大的影响。对于耦合孔的加工，以往一般采用线切割等设备进行。随着频率越来越高，耦合孔的尺寸越来越小，对表面的精度和形位公差要求越来越高，加工难度大、成品率低，同时性能指标也难以得到保障。太赫兹波耦合器中的耦合孔的设计直径最小为0.1mm左右，0.001mm的公差都能都能带来极大的偏差。如此微小的孔，如何进行加工，还有保证孔内的表面质量将具有非常大的难度，而这些恰恰是我们提高定向耦合器指标的关键。采用激光的技术手段也是加工耦合片的方法，但是激光加工的尺寸精度控制和圆度等形位公差的控制能否达到设计要求，需要经过较长时间的摸索和试验。

目前在太赫兹波段常采用小孔耦合的方式，随着频率越来越高，耦合孔的尺寸越来越小，对表面的精度和形位公差要求越来越高，加工难度大、成品率低，同时性能指标也难以得到 保障。采用钻床进行钳工钻孔、采用慢走丝线切割进行电切割加工和激光打孔的方法加工耦合孔，成本高，且加工孔的精度不高，孔的周围会形成材料堆积，无法满足太赫兹波对于传输线传输特性的要求。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种耦合结构太赫兹定向耦合器，本装置通过合理的设计，在保证耦合器的平坦度、宽带特性的同时，加工“眼图式”结构的耦合片，实现定向耦合器在太赫兹这一特殊频段内的可加工和易实现性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种耦合结构太赫兹定向耦合器，包括上腔、下腔和耦合片，上腔开直通槽，下腔开耦合槽，耦合片上不开任何槽，只设有“眼图式”耦合孔；其中，上腔与耦合片连接构成直通通路，耦合片与下腔连接构成耦合支路，提供输入功率给输入端口，通过“眼图式”耦合孔耦合，一部分功率传输到耦合端口，而其余的功率由输入端口直接传输到输出端口。

所述“眼图式”耦合孔为孔隙。

所述耦合器的设计根据切比雪夫阵列T_m＝cos(m/cos(x))，通过不同的参数值m和x实现，其中T_m是曲线长度，m为零点的数量，-1≤x≤1，T_l1、T_l2、T_l3、T_l4满足切比雪夫方程，T_l1和T_l3对称，T_l2和T_l4对称，R1是T_l1和T_l3之间的距离，R2是T_l2和T_l4之间的距离，T_l1和T_l2组成第一耦合孔，T_l3和T_l4组成第二耦合孔。

所述“眼图式”耦合孔的孔间距一般取四分之一中心频率波导波长，以保证耦合器的方向性，即R1、R2满足整数倍的四分之一中心频率波导波长。

所述耦合器的T_l1、T_l2、T_l3、T_l4的长度满足中心频率的N*1.5倍波长(N＝1，2，3，4，5…),通过绕射场的反复叠加来改变整体耦合度和带内的频响。

本发明的有益效果为：

(1)本发明突破了传统的小孔耦合制作思路，通过合理的设计，实现“眼图式”结构的耦合片，通过合理的设计在保证耦合器的平坦度、宽带特性的同时，减少了腔体和耦合片尺寸公差的要求，减少了太赫兹定向耦合器加工难度和成本，降低了装配难度，提高了生产效率；

(2)针对目前太赫兹定向耦合器相对公差大、加工装配精度要求高和耦合片表面质量难以保证等问题，在设计上提出了“眼图式”耦合结构，保证耦合器的平坦度和宽频带，减少对相对公差和装配精度的要求，降低了加工的难度和成本，使得所设计的部件更具有可生产 性。

附图说明

图1为基于小孔耦合的定向耦合器示意图；

图2为眼图式太赫兹定向耦合器示意图；

图3为眼图式太赫兹定向耦合器分层结构图；

图4为眼图式太赫兹定向耦合器上腔；

图5为眼图式太赫兹定向耦合器下腔；

图6为眼图式太赫兹定向耦合器耦合片；

图7为眼图式太赫兹定向耦合器耦合片部分局部详图。

其中：1、眼图式太赫兹定向耦合器上腔；2、眼图式太赫兹定向耦合器下腔；3、眼图式太赫兹定向耦合器耦合片；4、输入端口；5、耦合端口；6、输出端口；7、“眼图式”耦合结构；8、第一耦合孔；9、第二耦合孔；10、切比雪夫阵列小孔；11、耦合片；12、定向耦合器。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

太赫兹定向耦合器是信号入射、反射和传输的关键器件，在雷达、辐射计、成像、天文观测、环境检测及安检等方面都有广泛的应用。如何解决耦合器的平坦度、宽带特性以及在太赫兹这一特殊频段内的可加工、易实现性，是太赫兹定向耦合器面临的首要问题。

在太赫兹波段常采用圆孔耦合、椭圆孔耦合、十字孔耦合和矩形孔耦合等耦合方式，随着频率越来越高，耦合孔的尺寸越来越小，对表面的精度和形位公差要求越来越高，加工难度大、成品率低，同时性能指标也难以得到保障。因此保证太赫兹定向耦合器的性能指标的同时，解决太赫兹定向耦合器加工的。

本发明要解决的技术问题就是，通过合理的设计，在保证耦合器的平坦度、宽带特性的同时，加工“眼图式”结构的耦合片，实现定向耦合器在太赫兹这一特殊频段内的可加工和易实现性。其具体的实现是根据切比雪夫阵列T_m＝cos(m/cos(x))，通过不同的参数值m和x，实现耦合器的设计。

太赫兹定向耦合器是信号入射、反射和传输的关键器件，在雷达、辐射计、成像、天文观测、环境检测及安检等方面都有广泛的应用。如何解决耦合器的平坦度、宽带特性以及在太赫兹这一特殊频段内的可加工、易实现性，是太赫兹定向耦合器面临的首要问题。

目前在太赫兹波段中定向耦合器最常用的就是孔耦合结构，其形式主要有单孔耦合、双孔耦合、多孔耦合以及十字孔耦合等。具体的电路实现形式如图1所示，切比雪夫阵列小孔小孔10阵采用对称设计，在纵向上小孔间距为波导波长的四分之一。小孔阵为切比雪夫阵列，在弱耦合时，用一个小孔阵；在强耦合时，一个切比雪夫阵往往不够，因为小孔的孔径会过大，以至于重叠，或者所需的小孔数目过多，导致整个耦合器长度过长，此时采用两个小孔阵来增加耦合。由于小孔的绕射作用，使耦合片两侧的场强发生变化，在激励侧除了入射场产生的场强E1，H1以外，又增加了小孔的绕射场强，在被激励侧，开了小孔之后出现小孔绕射场强E2，H2。耦合片是耦合部件中非常重要的零件，耦合孔的尺寸和表面粗糙度对信号的传输具有较大的影响。对于耦合孔的加工，以往一般采用线切割等设备进行。随着频率越来越高，耦合孔的尺寸越来越小，对表面的精度和形位公差要求越来越高，加工难度大、成品率低，同时性能指标也难以得到保障。太赫兹波耦合器中的耦合孔的设计直径最小为0.1mm左右，1丝的公差都能都能带来极大的偏差。如此微小的孔，如何进行加工，还有保证孔内的表面质量将具有非常大的难度，而这些恰恰是我们提高定向耦合器指标的关键。采用激光的技术手段也是加工耦合片的方法，但是激光加工的尺寸精度控制和圆度等形位公差的控制能否达到设计要求，需要经过较长时间的摸索和试验。

通过研究小孔耦合的机理，本发明针对上述的问题，采用“眼图式”耦合结构，通过合理的设计在保证耦合器的平坦度、宽带特性的同时，减少了腔体和耦合片尺寸公差的要求，减少了太赫兹定向耦合器加工难度和成本，降低了装配难度，提高了生产效率。

通过分析国内外参考文献和产品，目前在太赫兹波段常采用小孔耦合的方式，随着频率越来越高，耦合孔的尺寸越来越小，对表面的精度和形位公差要求越来越高，加工难度大、成品率低，同时性能指标也难以得到保障。采用钻床进行钳工钻孔、采用慢走丝线切割进行电切割加工和激光打孔的方法加工耦合孔，成本高，且加工孔的精度不高，孔的周围会形成材料堆积，无法满足太赫兹波对于传输线传输特性的要求。

本发明首先要解决的关键技术是，太赫兹耦合片难加工的问题。本发明继承了传统耦合器的实现方式，整体结构如图2所示，分层结构图如图3所示，如图4、5和6分别为眼图式太赫兹定向耦合器上腔1、眼图式太赫兹定向耦合器下腔2和眼图式太赫兹定向耦合器耦合片3，眼图式太赫兹定向耦合器上腔1和眼图式太赫兹定向耦合器耦合片3构成直通通路，眼图式太赫兹定向耦合器下腔2和眼图式太赫兹定向耦合器耦合片3构成耦合支路。信号通过输入端口4输入经直通通路传输，一部分信号在“眼图式”耦合结构7处耦合到耦合端口5，一部分信号沿直通通路继续传输至输出端口6。

本发明突破了传统的小孔耦合制作思路，通过合理的设计，实现“眼图式”结构的耦合片，通过合理的设计在保证耦合器的平坦度、宽带特性的同时，减少了腔体和耦合片尺寸公差的要求，减少了太赫兹定向耦合器加工难度和成本，降低了装配难度，提高了生产效率。

耦合器12的设计根据切比雪夫阵列T_m＝cos(m/cos(x))，通过不同的参数值m和x实现，其中T_m是曲线长度，m为零点的数量，-1≤x≤1，T_l1、T_l2、T_l3、T_l4满足切比雪夫方程，T_l1和T_l3对称，T_l2和T_l4对称，R1是T_l1和T_l3之间的距离，R2是T_l2和T_l4之间的距离，T_l1和T_l2组成第一耦合孔8，T_l3和T_l4组成第二耦合孔9。所述“眼图式”耦合孔的孔间距一般取四分之一中心频率波导波长，以保证耦合器的方向性，即R1、R2满足整数倍的四分之一中心频率波导波长。所述耦合器的T_l1、T_l2、T_l3、T_l4的长度满足中心频率的N*1.5倍波长(N＝1，2，3，4，5…),通过绕射场的反复叠加来改变整体耦合度和带内的频响。这样的结构容易进行线切割，同时线切割加工的表面也比较光滑，对信号质量的影响也会减小。激光加工的尺寸精度控制得到控制。实现了耦合器的平坦度和宽频带，减少对相对公差和装配精度的要求，降低了加工的难度和成本，使得所设计的部件更具有可生产性。

本发明继承了小孔式太赫兹定向耦合器平坦度高、频带宽的优势，消除了小尺寸孔，降低了对加工、装配一致性的要求，降低了加工难度和成本，同时实现了可加工和可生产的特性。采用的眼图式结构的定向耦合器，通过耦合单元的切比雪夫阵列长度描述长度，反应到平滑的耦合结构上，可以实现宽频带的匹配。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (3)

1.一种“眼图式”耦合结构太赫兹定向耦合器，其特征是：包括上腔、下腔和耦合片，上腔开直通槽，下腔开耦合槽，耦合片上不开任何槽，只设有“眼图式”耦合孔；其中，上腔与耦合片连接构成直通通路，耦合片与下腔连接构成耦合支路，提供输入功率给输入端口，通过“眼图式”耦合孔耦合，一部分功率传输到耦合端口，而其余的功率由输入端口直接传输到输出端口；

所述“眼图式”耦合孔为孔隙；

所述耦合器的设计根据切比雪夫阵列T_m＝cos(m/cos(x))，通过不同的参数值m和x实现，其中T_m是曲线长度，m为零点的数量，-1≤x≤1，T_l1、T_l2、T_l3、T_l4满足切比雪夫方程，其中l1、l2、l3、l4是组成眼图式耦合孔的4条曲线，l1和l3对称，l2和l4对称，R1是l1和l3之间的距离，R2是l2和l4之间的距离，l1和l2组成第一耦合孔，l3和l4组成第二耦合孔。

2.如权利要求1所述的一种“眼图式”耦合结构太赫兹定向耦合器，其特征是：所述“眼图式”耦合孔的孔间距取四分之一中心频率波导波长，以保证耦合器的方向性。

3.如权利要求1所述的一种“眼图式”耦合结构太赫兹定向耦合器，其特征是：所述耦合器的T_l1、T_l2、T_l3、T_l4的长度满足中心频率的N*1.5倍波长，N为整数,通过绕射场的反复叠加来改变整体耦合度和带内的频响。