用于带状注器件的耦合器的制作方法

本申请属于真空电子技术领域，尤其涉及一种用于带状注器件的耦合器。

背景技术：

毫米波/太赫兹波的频率范围位于微波和红外线之间，综合了电子学和光子学的许多优越特性，其中包含波长短、频率高、带宽宽等，在通信、雷达探测、安检成像、生物医疗、食品检测等方面具有良好的应用前景。基于带状电子注的行波管/返波管是一种非常重要的毫米波/太赫兹波放大器/振荡器。和传统圆形电子注相比，带状电子注具有电子注横截面面积大、电流密度低等优点。和带状电子注相匹配的慢波结构具有二维平面特性，利于加工。由于上述优点，近年来，带状注器件受到了广泛研究。

输入/输出耦合器是带状注器件的核心部件之一，其性能好坏直接影响整管性能，比如功率、增益和稳定性等。输入耦合器负责注波汇合，电磁波从输入端口输入，电子枪发射的带状电子注从隔离端口馈入。注波在输入耦合器汇合，并一起传输至慢波结构进行注波互作用。输出耦合器负责注波分离，电磁波通过输出耦合器输出至负载，互作用后的带状电子注通过收集极进行收集。一个性能优良的输入输出耦合器应具有以下特点：工作频带宽、耦合系数高、隔离特性好、反射系数低和易于加工。

近年来，多种带状注器件的输入输出耦合器被研究，在期刊论文“theoreticalanalysisanddesignoptimizationofwidebandinput/outputbranchwaveguidecouplersforasheetbeamtravelingwavetube”(journalofelectromagneticwavesandapplications,54(3):2002-2013(2015))，作者：g.x.shu*,j.x.wang,g.liu,y.zheng,l.y.yang,andy.luo)一文中，提出了一种多分支波导耦合的输入输出耦合器。反射系数和隔离系数低于-15db且耦合系数大于-0.3db的带宽为13.6ghz(相对带宽为30.7％)。虽然该耦合器具有很宽的工作频带，但是当工作频率上升至太赫兹波段时，由于该耦合器采用了多分支波导耦合结构，每个分支波导的结构尺寸将会很少，其加工难度将会非常大。在中国发明专利(《一种带状注器件的曲线耦合输入输出装置》，专利申请号：201510241142.1，作者：王建勋，杨利亚，刘国，舒国响，罗勇。)中，提出了一种h-面曲线耦合的输入输出耦合器。该耦合由于采用单孔耦合，降低了加工难度。然而，该耦合器的工作带宽不够宽。从该专利的实施例给出的数据可知：该耦合器工作在w频段(75-110ghz，中心频率95ghz)，1-db传输带宽为23.2ghz(相对带宽为24.4％)，另外，曲线轮廓的耦合结构加工难度大、加工成本高。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于带状注器件的耦合器，解决了上述背景技术中提到的耦合器结构复杂、加工难度大、工作频带窄等问题。

本发明具体采用如下技术方案：

本发明提供了一种用于带状注器件的耦合器，包括主波导、副波导、连接所述主波导和所述副波导的单耦合分支波导、金属挡板、倾斜短路面以及bragg反射腔；所述主波导的第一端为所述耦合器的输入端口，所述主波导的第二端为所述耦合器的隔离端口；所述副波导的第一端为所述耦合器的输出端口，所述副波导的第二端与所述倾斜短路面连接；所述bragg反射腔加载在所述主波导下方；所述金属挡板加载在所述副波导的第二端，并靠近所述倾斜短路面。

进一步地，所述单耦合分支波导的横截面形状为平行四边形或梯形。

进一步地，所述单耦合分支波导第一侧面和主波导顶面之间的夹角小于90°。

进一步地，所述单耦合分支波导的宽边长度为lb，所述主波导的高度为hm，其中lb＞5hm。

进一步地，所述bragg反射腔与所述单耦合分支波导的末端距离为d1，所述bragg反射腔的宽度为wc，其中0＜d1＜wc。

进一步地，所述倾斜短路面与所述副波导底面之间的夹角为锐角。

进一步地，所述主波导、所述副波导、所述单耦合分支波导、所述倾斜短路面和所述bragg反射腔的宽度均相同。

进一步地，所述主波导和所述单耦合分支波导组成第一e-t接头。

进一步地，所述副波导和所述单耦合分支波导组成第二e-t接头。

进一步地，所述主波导、所述副波导、所述单耦合分支波导、所述倾斜短路面和所述bragg反射腔的材质均为金属材质。

本发明的有益效果为：

(1)由于e-t接头的功分比和分支波导的横截面面积成正比，在第一e-t接头中，单耦合分支波导的宽边长度lb远大于主波导的高度hm，大部分电磁波将向副波导耦合，只有少量的电磁波会向主波导的隔离端口传输，因此，在耦合器的输入端口和输出端口之间具有较高的传输效率，在耦合器的输入端口和隔离端口之间具有较好的隔离特性。

(2)引入的bragg反射腔在很宽的频带内具有弱反射特性，可以将传输至耦合器输出端口的电磁波反射回去，阻止电磁波向耦合器的隔离端口传输，从而有助于提高耦合器的隔离特性。

(3)金属挡板可以抵消或缓解e-t接头的不连续性和倾斜短路面所带来的阻抗失配，通过调整挡板的尺寸和位置来实现更好的阻抗匹配，从而有利于降低端口反射系数。

(4)倾斜短路面和副波导底面之间的夹角以及单耦合分支波导第一侧面和主波导顶面之间的夹角，均设置为锐角而非直角，使得短路面和单耦合分支波导均具有渐变结构而非突变结构，从而有助于进一步降低端口反射系数。

(5)主波导、副波导、单耦合分支波导、倾斜短路面和bragg反射腔的宽度均相同。一方面，使得主波导、副波导和单耦合分支波导的传播常数相同，由于它们各自在很宽的频带内均具有优良的电性能，因此整个耦合器具有宽频特性。另一方面，使得整个耦合器可以从一个平面进行切铣，利于二维加工。

(6)电子注在主波导中传播，主波导的高度远大于漫波结构中电子注的高度，利于带状电子注在耦合器中的传输，从而发挥带状电子注的优势。

(7)主波导、副波导、单耦合分支波导、倾斜短路面和bragg反射腔的材质均为金属材质，耦合器整体为金属结构，容易散热和冷却，有助于增大耦合器的功率容量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例一提供的bragg反射腔和矩形挡板加载的e面平行四边形单分支波导耦合器的结构示意图；

图2是本申请实施例一提供的图1耦合器的传输/反射/隔离系数的幅频特性曲线图；

图3是本申请实施例二提供的bragg反射腔和三角形挡板加载的e面梯形单分支波导耦合器的结构示意图；

图4是本申请实施例二提供的图3耦合器的传输/反射/隔离系数的幅频特性曲线图。

图中：10、主波导；20、副波导；30、平行四边形单耦合分支波导；31、梯形单耦合分支波导；40、倾斜短路面；50、bragg反射腔；60、输入端口；70、输出端口；80、隔离端口；90、矩形挡板；91、三角形挡板；100、单耦合分支波导第一侧面；101、主波导顶面；110、副波导底面。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

实施例一

本实施例以工作在h波段的bragg反射腔和矩形挡板加载的e面平行四边形单分支波导耦合器为例。图1示出了本发明实施例一提供的带状注器件耦合器的结构示意图，耦合器包括：主波导10、副波导20、平行四边形单耦合分支波导30、以及bragg反射腔50。主波导10的第一端为耦合器的输入端口60，第二端为耦合器的隔离端口80；副波导20的第一端为耦合器的输出端口70，第二端与倾斜短路面40连接；主波导10和副波导20由单耦合分支波导30相连，单耦合分支波导30的截面为平行四边形；主波导10下方加载了bragg反射腔50，bragg反射腔50位于耦合器隔离端口80的下方附近，加载的bragg反射腔50可以将传输至隔离端口80的电磁波反射回去，从而改善隔离效果。副波导20上加载了一个矩形挡板90，该矩形挡板90的位置在倾斜短路面40附近，加载的矩形挡板90可以引入额外的不连续性，从而有利于抵消或缓解e-t接头的不连续性和倾斜短路面所带来的阻抗失配，从而进一步减小反射系数。

在实施例一中，主波导10和单耦合分支波导30组成第一e-t接头，副波导20和单耦合分支波导30组成第二e-t接头；单耦合分支波导30的宽边长度lb为2.43mm，主波导10的高度hm为0.432mm。由于e-t接头的功分比和其分支波导的横截面面积成正比，在第一e-t接头中，单耦合分支波导30的宽边长度lb远大于主波导10的高度hm，大部分电磁波将向副波导20耦合，只有少量的电磁波会向主波导10的隔离端口80传输，因此，在耦合器的输入端口60和输出端口70之间具有较高的传输效率，在耦合器的输入端口60和隔离端口80之间具有较好的隔离特性。

在实施例一中，单耦合分支波导第一侧面100和主波导顶面101之间的夹角α为65.2°，倾斜短路面40和副波导底面110之间的夹角β为70.0°。α和β设置为锐角而非直角，使得单耦合分支波导和短路面均具有渐变结构而非突变结构，从而有助于降低端口反射系数。

在实施例一中，bragg反射腔50与单耦合分支波导30的末端距离d1为0.183mm，bragg反射腔50的宽度wc为0.25mm。d1满足0＜d1＜wc，即bragg反射腔50位于单耦合分支波导30末端下方，这有利于降低单耦合分支波导不连续性所带来的不良影响。

在实施例一中，主波导10、副波导20、单耦合分支波导30、短路面和bragg反射腔50的宽度w均为0.864mm，利于二维加工以及获得宽频特性。

在实施例一中，主波导10、副波导20、单耦合分支波导30、倾斜短路面40、矩形挡板90和bragg反射腔50的材质均为无氧铜，耦合器整体为金属结构，容易散热和冷却，有助于增大耦合器的功率容量。

本发明实施例在主波导10和副波导20中间放置横截面形状为平行四边形的单耦合分支波导来获得较好的反射系数和传输系数，通过在耦合器的隔离端口80下加载bragg反射腔50来改善该耦合器的隔离特性，通过在副波导20的倾斜短路面40附近加载矩形挡板90来降低该耦合器的反射系数。使得该耦合器在极宽的工作频率范围内具有低隔离系数、低端口反射系数和高传输系数等特性，进而有利于提高基于该耦合器的行波管/返波管的整管性能。

图2示出了图1耦合器的传输/反射/隔离系数的幅频特性曲线图。图中曲线表明：在很宽的频带范围内该耦合器具有优良的传输系数、反射系数和隔离系数。本实施例耦合器的反射系数s11小于-15db的工作频率范围为231.4-345.8ghz，对应频带宽度为114.4ghz。本实施例耦合器的传输系数s31大于-1db的工作频率范围为233.7-336.4ghz，对应频带宽度为103.1ghz。本实施例耦合器的隔离系数s21小于-15db的工作频率范围为247.5-321.4ghz，对应频带宽度为73.9ghz。本实施例耦合器的中心频率为285.3ghz，1-db的传输带宽为103.1ghz，相对带宽为36.1％。由仿真结果可知：和背景技术提及的耦合器相比，本发明耦合器的相对带宽要更高。以上实例仅为方便说明本发明，本发明适用于微波至亚毫米波的多个频带，包括x、ku、ka、q、w、g和r频段。

实施例二

本实施例以工作在h波段的bragg反射腔和三角形挡板加载的e面梯形单分支波导耦合器为例。图3示出了本发明实施例二提供的带状注器件耦合器的结构示意图，该耦合器包括：主波导10、副波导20、单耦合分支波导30、以及bragg反射腔50。主波导10的第一端为耦合器的输入端口60，第二端为耦合器的隔离端口80；副波导20的第一端为耦合器的输出端口70，第二端与倾斜短路面40连接；主波导10和副波导20由单耦合分支波导30相连，单耦合分支波导30的截面为梯形；主波导10下方加载了bragg反射腔50，bragg反射腔50位于耦合器隔离端口80的下方附近，加载的bragg反射腔50可以将传输至隔离端口80的电磁波反射回去，从而实现减小隔离系数的目的。副波导20上加载了一个三角形挡板91，该三角形挡板91的位置在倾斜短路面40附近，加载的三角形挡板91可以引入额外的不连续性，从而有利于抵消或缓解e-t接头的不连续性和倾斜短路面所带来的阻抗失配，从而进一步减小反射系数。

在实施例二中，主波导10和单耦合分支波导30组成第一e-t接头，副波导20和单耦合分支波导30组成第二e-t接头；单耦合分支波导30的宽边长度lb为2.71mm，主波导10的高度hm为0.432mm。由于e-t接头的功分比和单耦合分支波导30的横截面面积成正比，在第一e-t接头中，单耦合分支波导30的宽边长度lb远大于主波导10的高度hm，大部分电磁波将向副波导20耦合，只有少量的电磁波会向主波导10的隔离端口80传输，因此，在耦合器的输入端口60和输出端口70之间具有较高的传输效率，在耦合器的输入端口60和隔离端口80之间具有较好的隔离特性。

在实施例二中，单耦合分支波导第一侧面100和主波导顶面101之间的夹角α为65.0°，倾斜短路面40和副波导底面110之间的夹角β为63.0°。α和β设置为锐角而非直角，使得单耦合分支波导和短路面均具有渐变结构而非突变结构，从而有助于降低端口反射系数。

在实施例二中，主波导10、副波导20、单耦合分支波导30、短路面和bragg反射腔50的宽度w均相同。一方面使得整个耦合器具有宽频特性，另一方面，使得可以从一个平面进行切铣，利于二维加工。

在实施例二中，bragg反射腔50与单耦合分支波导30的末端距离d1为0.1mm，bragg反射腔50的宽度wc为0.25mm。d1满足0＜d1＜wc，即bragg反射腔50位于单耦合分支波导30末端下方，这有利于降低单耦合分支波导不连续性所带来的不良影响。

在实施例二中，主波导10、副波导20、单耦合分支波导30、倾斜短路面40、三角形挡板91和bragg反射腔50的材质均为无氧铜，耦合器整体为金属结构，容易散热和冷却，有助于增大耦合器的功率容量。

在实施例二中，在主波导10和副波导20中间放置梯形状的单耦合分支波导来获得较好的反射系数和传输系数，通过在耦合器的隔离端口80下加载bragg反射腔50来降低该耦合器的隔离系数，通过在副波导20的倾斜短路面40附近加载三角形挡板91来降低该耦合器的反射系数。使得耦合器在极宽的工作频率范围内具有低隔离系数、低端口反射系数和高传输系数等特性，进而有利于提高基于该耦合器的行波管/返波管的整管性能。

图4示出了图3耦合器的传输/反射/隔离系数的幅频特性曲线图。图中曲线表明：该耦合器在很快的频带范围内具有优良的传输系数、反射系数和隔离系数。反射系数曲线表明本实施例耦合器的反射系数s11小于-15db的工作频率范围为244.0-338.5ghz，对应频带宽度为94.4ghz。传输系数曲线表明本实施例耦合器的传输系数s31大于-1db的工作频率范围为250.3-338.7ghz，对应频带宽度为88.4ghz。隔离系数曲线表明本实施例耦合器的隔离系数s21小于-10db的工作频率范围为252.8-326.3ghz，对应频带宽度为73.5ghz。本实施例耦合器的中心频率为294.5ghz，1-db的传输带宽为88.4ghz(相对带宽为30.0％)。由仿真结果可知：和背景技术提及的耦合器相比，本发明耦合器的相对带宽要更高。以上实例仅为方便说明本发明，本发明适用于微波至亚毫米波的多个频带，包括x、ku、ka、q、w、g和r频段。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。