X波段波導(dǎo)窄邊定向耦合器的設(shè)計

1、X波段波導(dǎo)窄邊定向耦合器的設(shè)計摘要:本文簡述了波導(dǎo)窄邊定向耦合器的基本原理及其應(yīng)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(jié)果。測量結(jié)構(gòu)與仿真結(jié) 果基本吻合。通過試驗驗證了該設(shè)計方法的正確性。根據(jù)本文介紹的 方法，可以設(shè)計其它頻率的或面耦合方式的定向耦合器。關(guān)鍵詞:波導(dǎo)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(shù)中廣 泛應(yīng)用。它的本質(zhì)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(jié)構(gòu)形式是各種各樣的，從傳輸線類型來分有波 導(dǎo)、同軸、帶線和微帶定向耦合器等。波導(dǎo)傳輸線傳輸損耗小功率容 量大，結(jié)構(gòu)簡單可靠性高。波導(dǎo)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(dǎo)定向耦合器 的理論基礎(chǔ),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(dǎo)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(dǎo)傳輸線實 現(xiàn)了波

3、導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)傳輸線的主模是TE10，耦合器的主波導(dǎo)和副波導(dǎo)均為3公分 矩形波導(dǎo),主副波導(dǎo)之間的金屬壁厚為1 mm,波導(dǎo)的厚度太薄其支撐 強度小，容易出現(xiàn)波導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)波長與主模的波導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)中，傳輸 的路徑也是相應(yīng)多種途徑，耦合到副波導(dǎo)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(dǎo)波長的雙孔耦合，

5、從主波導(dǎo)輸入的信號分兩路耦合 到副波導(dǎo)中，與主波導(dǎo)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(dǎo)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(shè)計波導(dǎo)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(dǎo)內(nèi)形成近場，受到復(fù)雜邊界條件的影響，數(shù)學(xué)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(dǎo)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(dǎo)定向耦合器的重要設(shè) 計內(nèi)容。本設(shè)計的波導(dǎo)為X波段，其中心頻率為10 GHz,選用標準矩形波 導(dǎo)，其主模的波導(dǎo)波長及高次模的波導(dǎo)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(dǎo)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(shè) 計中兩個平行的X波導(dǎo)，兩波導(dǎo)窄邊相連，波導(dǎo)之間分隔的金屬壁為1 mm,在金屬壁上設(shè)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(shù)指標，對其尺寸進行適當?shù)男薷摹ｑ詈峡椎?尺寸應(yīng)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(jié)果之間的誤差。即時 理論結(jié)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(jié)果。通過實際的研究調(diào)試過程中，需要對器件的尺寸 進行反復(fù)的修改，同時可以采用電磁場仿真軟件,對設(shè)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(nèi)表面定義為理想

8、的 導(dǎo)體面，兩個波導(dǎo)均為標準X波導(dǎo),長度為100 mm,公共壁為波導(dǎo)的窄 邊，設(shè)計的尺寸經(jīng)過仿真得到其耦合結(jié)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(jié)果X波段的波導(dǎo)口徑為22.86x10.16,工作頻率為9 GHz11 GHz,理 論設(shè)計的結(jié)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(jié)果和仿真結(jié)果進行比較分析，可以指導(dǎo) 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(diào)試和修改設(shè)計尺寸,最終達到預(yù)定的技術(shù)指標。在仿真過程中,對定向耦合器的模型，不斷修改結(jié)構(gòu)尺寸,經(jīng)過多 次計算，最終得到的結(jié)果如圖1所示

9、。根據(jù)設(shè)計的結(jié)果，進行結(jié)構(gòu)件的加工并試，在加工過程中解決了波 導(dǎo)口徑形變的問題，最終在網(wǎng)絡(luò)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(jié)果見 表1。比較仿真結(jié)果與測量結(jié)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(jié)構(gòu)與理論分析的結(jié)果基本吻合。本文介紹了 X波段波導(dǎo)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(jié)果比較,測量結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果基本相 同。充分證明了該設(shè)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