微波筆記·3dB短縫波導(dǎo)耦合器設(shè)計(jì)

微波筆記·3dB短縫波導(dǎo)耦合器設(shè)計(jì)波導(dǎo)耦合器屬于分功率器件的一種，他可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的備份，回波測(cè)量，功率分配合成，信號(hào)正交等功能，屬于微波應(yīng)用的重要器件。在第5期《貝茲孔波導(dǎo)定向耦合器實(shí)現(xiàn)》中介紹了波導(dǎo)寬邊定向耦合器的實(shí)現(xiàn)方式。這一篇介紹波導(dǎo)短縫耦合器的實(shí)現(xiàn)方式，短縫耦合器也叫Ribletshort-slot耦合器，屬于窄邊耦合的一種，可以用一個(gè)窄邊縫隙實(shí)現(xiàn)3dB強(qiáng)耦合。文章所有源文件見(jiàn)：鏈接：/s/14TF94MDn0wOvJeyPs0_s9g密碼：ldcx1、短縫耦合器工作原理短縫耦合器是將兩根波導(dǎo)窄邊相接平行放置，在中間開(kāi)一段短槽，從而實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)間的能量耦合，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。圖1、短縫耦合器示意圖短縫耦合器的工作原理見(jiàn)圖2所示，奇偶模分析同樣適合該器件，在1、3口饋入奇偶模電壓，3口由于奇偶?；ハ嗟窒?，電壓為零，所以是隔離口。由于奇模和偶模的相速度不同，奇模和偶模到達(dá)2、4口的相位有差異，通過(guò)調(diào)節(jié)短縫的長(zhǎng)度可以產(chǎn)生不同的相位差，從而可以產(chǎn)生不同的耦合度。通過(guò)計(jì)算可知當(dāng)θ1和θ2相差π/2時(shí)，耦合度為3dB。圖2、短縫耦合器原理示意圖短縫耦合器的核心原理是奇模和偶模相速度不同從而產(chǎn)生的疊加效應(yīng)。設(shè)計(jì)時(shí)要保證短縫處只能傳輸TE20和TE10兩個(gè)模式，所以寬度受到限制。過(guò)寬和過(guò)窄都影響該器件的正常工作。2、3dB波導(dǎo)短縫耦合器設(shè)計(jì)1)設(shè)計(jì)步驟3dB波導(dǎo)短縫耦合器遵循下列設(shè)計(jì)步驟：a)規(guī)劃短縫寬度，通過(guò)波導(dǎo)模式計(jì)算出短縫寬度的上下限，控制短縫處只能通過(guò)TE20和TE10兩個(gè)模式b)HFSS中仿真短縫處奇偶模阻抗和有效介電常數(shù)（影響相速度）c)根據(jù)有效介電常數(shù)計(jì)算出短縫長(zhǎng)度，或者在ADS中建立耦合線模型，優(yōu)化出短縫長(zhǎng)度以及端口匹配阻抗。必要時(shí)需設(shè)計(jì)阻抗變換器d)HFSS中建模仿真驗(yàn)證2)設(shè)計(jì)實(shí)例這里用一個(gè)24GHz的3dB短縫耦合器說(shuō)明該耦合器的設(shè)計(jì)方法。a)規(guī)劃短縫寬度，通過(guò)波導(dǎo)模式計(jì)算出短縫寬度的上下限，控制短縫處只能通過(guò)TE20和TE10兩個(gè)模式這一步可以通過(guò)《微波工程》一書(shū)中波導(dǎo)截止模式計(jì)算，這里直接選用BJ260標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，詳細(xì)計(jì)算不做展開(kāi)。b)HFSS中仿真短縫處奇偶模阻抗和有效介電常數(shù)（影響相速度）圖3、奇偶模阻抗及有效介電常數(shù)仿真c)根據(jù)有效介電常數(shù)計(jì)算出短縫長(zhǎng)度，或者在ADS中建立耦合線模型，優(yōu)化出短縫長(zhǎng)度以及端口匹配阻抗。必要時(shí)需設(shè)計(jì)阻抗變換器圖4、ADS仿真確定短縫長(zhǎng)度d)HFSS中建模仿真驗(yàn)證通過(guò)c)步驟確定的短縫長(zhǎng)度在HFSS建立短縫波導(dǎo)耦合器的完整模型圖5，通過(guò)仿真可以看出很好的實(shí)現(xiàn)了3dB的耦合度，但是駐波和隔離度稍差，這主要是因?yàn)檩斎氩▽?dǎo)間有金屬壁的厚度，這個(gè)地方的不連續(xù)必須通過(guò)一定的匹配電路來(lái)補(bǔ)償。圖5、短縫波導(dǎo)耦合器模型及一次仿真曲線根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)臺(tái)階處進(jìn)行切角處理，切角模型見(jiàn)圖6所示，通過(guò)掃描切角長(zhǎng)度可以得到比