X波段波導窄邊定向耦合器的設計

1、X波段波導窄邊定向耦合器的設計摘要:本文簡述了波導窄邊定向耦合器的基本原理及其應用。經(jīng) 過理論分析、在兩種形狀耦合孔之間進行比較，最終選擇了圓形的耦 合孔，給出了電磁場軟件仿真和實際測試的結果。測量結構與仿真結 果基本吻合。通過試驗驗證了該設計方法的正確性。根據(jù)本文介紹的 方法，可以設計其它頻率的或面耦合方式的定向耦合器。關鍵詞:波導窄邊仿真定向耦合器定向耦合器是一種方向選擇性的微波傳輸器件，在微波技術中廣 泛應用。它的本質是將微波信號按一定定向耦合器比例進行功率分 配。在微波系統(tǒng)中實現(xiàn)功率合成和分配,經(jīng)常采用定向耦合器。在微 波大功率系統(tǒng)中，通過定向耦合器耦合主傳輸線中的部分能量,可以測 量

2、微波信號的功率、頻率和頻譜。定向耦合器的結構形式是各種各樣的，從傳輸線類型來分有波 導、同軸、帶線和微帶定向耦合器等。波導傳輸線傳輸損耗小功率容 量大，結構簡單可靠性高。波導定向耦合器常見的耦合方式通過寬邊 的小孔耦合,Bethe、Collin提出小孔耦合理論奠定了波導定向耦合器 的理論基礎,R.Levy提出了多孔定向耦合器的實現(xiàn)方法。本文采用窄 邊小孔耦合，多個間距1/4導波長的小孔連續(xù)耦合電磁波，因傳輸行程 差而同相疊加或反相抵消,實現(xiàn)定向傳輸?shù)墓δ?，利用HFSS進行仿真， 仿真中采用6個耦合孔，在窄邊實現(xiàn)了定向耦合。在20世紀50年代，根據(jù)Bethe小孔耦合理論，利用波導傳輸線實 現(xiàn)了波

3、導小孔耦合定向耦合器。Bethe小孔耦合理論中小孔直徑遠小 于波長，但遠小于波長的小孔耦合的能量極其小，耦合強度相當?shù)牡? 同時增加孔的直徑也受到波導窄邊尺寸的限制，因此，實際的耦合孔的 尺寸需要合理的選擇。波導傳輸線的主模是TE10，耦合器的主波導和副波導均為3公分 矩形波導,主副波導之間的金屬壁厚為1 mm,波導的厚度太薄其支撐 強度小，容易出現(xiàn)波導變形。由于耦合孔的存在會激起高次模,將耦合 孔的位置離開波導輸入輸出端口一段距離，可以抑制高次模的輸出,同 時高次模的波導波長與主模的波導波長吧相當，選取合適的耦合孔的 間距，也能限制高次模的耦合。根據(jù)等間距多孔耦合理論，可以選擇某 一個模式的

4、高次模在副波導中耦合，其多個耦合模相位彼此相反,互相 抵消,耦合孔的間距S為：定向耦合器耦合孔的間距，是一個重要的參數(shù)，能夠保證副波導中 耦合電磁波的疊加模式,即正傳輸方向相位相同疊加，反向相位相反抵 消。在波導的窄邊上,TE10模的電場分量最小,此處的磁場分量最強, 通過窄邊小孔一般是磁場耦合,耦合的電磁場的近似解為：其中為0階第一類貝塞爾函數(shù)的導數(shù)的第n個根,r1為孔的半徑。主線中電磁場在傳輸過程中通過多個小孔耦合到副波導中，傳輸 的路徑也是相應多種途徑，耦合到副波導中，各電磁場并互相干涉,在 某一個方向上同相疊加有輸出，另一個方向反相抵消五輸出。最為典 型的是相距1/4導波長的雙孔耦合，

5、從主波導輸入的信號分兩路耦合 到副波導中，與主波導同方向的端口，因電磁波傳播路程相等，同相疊 加有輸出，另一個端口，電磁波傳輸?shù)穆烦滔嗖?/2導波長，反相抵消沒 有輸出。有輸出端稱為耦合端,無輸出端稱為隔離端。理想情況下隔 離端是沒有功率輸出的，但是小孔的尺寸并非遠小于波長，由于孔的尺 寸造成電磁場傳輸路徑差有偏差,在隔離端不是理想的反相而有信號 輸出，顯然，隔離輸出的功率期望小一點。2定向耦合器的設計波導定向耦合器采用窄邊的小孔耦合，耦合孔可以看成小天線，在 副波導內形成近場，受到復雜邊界條件的影響，數(shù)學上是很難得到精確 地解，可以將耦合孔等效為電偶極子和磁偶極子的組合體，可以視為小 天線，

6、在副波導中產(chǎn)生近區(qū)場，多個小天線產(chǎn)生的場互相疊加，同相增 強反相抵消，耦合孔的間距決定了相鄰場的相位差。耦合孔的間距可 以采取等間距的方式，耦合孔間距的確定是波導定向耦合器的重要設 計內容。本設計的波導為X波段，其中心頻率為10 GHz,選用標準矩形波 導，其主模的波導波長及高次模的波導波長可以計算得到。在孔等間 距分布條件下，根據(jù)小孔耦合理論可以得到耦合孔的直徑。波導定向 耦合器大多采用寬邊孔耦合的方式，窄邊耦合的方式比較少。在本設 計中兩個平行的X波導，兩波導窄邊相連，波導之間分隔的金屬壁為1 mm,在金屬壁上設計了 6個耦合孔，耦合孔的形式有兩種:一種為方孔; 另一種為圓孔。耦合孔的間距

7、為9.94 mm,方孔的尺寸為4x4,4x6,4x8 三種情況，圓孔的半徑為3、3.5、4，單位長度均為mm。然后對數(shù)據(jù)進 行比較，在參考較好的技術指標，對其尺寸進行適當?shù)男薷摹ｑ詈峡椎?尺寸應該不在小孔的范疇，但現(xiàn)有的理論已經(jīng)對大孔耦合做了詳細的 分析。對于微波器件普遍存在著理論計算與實際結果之間的誤差。即時 理論結果非常精確，但實際生產(chǎn)制造過程中有眾多的影響因素，很難實 現(xiàn)理論分析的結果。通過實際的研究調試過程中，需要對器件的尺寸 進行反復的修改，同時可以采用電磁場仿真軟件,對設計的定向耦合器 的理論數(shù)值進行仿真，在仿真過程中進行驗證。在軟件中建立定向耦合器的腔體，將腔體的內表面定義為理想

8、的 導體面，兩個波導均為標準X波導,長度為100 mm,公共壁為波導的窄 邊，設計的尺寸經(jīng)過仿真得到其耦合結果,耦合孔的大小對耦合度影響 比較大，耦合孔的間距會影響到隔離度。3定向耦合器的結果X波段的波導口徑為22.86x10.16,工作頻率為9 GHz11 GHz,理 論設計的結果只是近似的值，在電磁場軟件仿真中建模后，還需要通過 大量的實驗進行檢驗，對理論結果和仿真結果進行比較分析，可以指導 實際的定向耦合器的元件加工尺寸，通過分析儀可以進行實物的測 量、調試和修改設計尺寸,最終達到預定的技術指標。在仿真過程中,對定向耦合器的模型，不斷修改結構尺寸,經(jīng)過多 次計算，最終得到的結果如圖1所示

9、。根據(jù)設計的結果，進行結構件的加工并試，在加工過程中解決了波 導口徑形變的問題，最終在網(wǎng)絡分析儀上進行測量，實驗表明,圓形的 耦合孔在加工上比較方便，易于實現(xiàn)，且性能也比較好。其測量結果見 表1。比較仿真結果與測量結果:耦合度兩者均為17 dB左右，稍有一點 偏差，方向性和端口的駐波系數(shù)有一定的差別，但總體趨勢相同，其測 量結構與理論分析的結果基本吻合。本文介紹了 X波段波導窄邊定向耦合器，在兩種形狀耦合孔之間 進行比較，最終選擇了圓形的耦合孔，通過機械加工完成定向耦合器的 功能，經(jīng)過實際測量并且與仿真結果比較,測量結構與仿真結果基本相 同。充分證明了該設計方法的正確性和可行性，具有十分重大的工程 使用價值。參考文獻Janzen