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1、X波段波导窄边定向耦合器的设计摘要:本文简述了波导窄边定向耦合器的基本原理及其应用。经 过理论分析、在两种形状耦合孔之间进行比较，最终选择了圆形的耦 合孔，给出了电磁场软件仿真和实际测试的结果。测量结构与仿真结 果基本吻合。通过试验验证了该设计方法的正确性。根据本文介绍的 方法，可以设计其它频率的或面耦合方式的定向耦合器。关键词:波导窄边仿真定向耦合器定向耦合器是一种方向选择性的微波传输器件，在微波技术中广 泛应用。它的本质是将微波信号按一定定向耦合器比例进行功率分 配。在微波系统中实现功率合成和分配,经常采用定向耦合器。在微 波大功率系统中，通过定向耦合器耦合主传输线中的部分能量,可以测 量
2、微波信号的功率、频率和频谱。定向耦合器的结构形式是各种各样的，从传输线类型来分有波 导、同轴、带线和微带定向耦合器等。波导传输线传输损耗小功率容 量大，结构简单可靠性高。波导定向耦合器常见的耦合方式通过宽边 的小孔耦合,Bethe、Collin提出小孔耦合理论奠定了波导定向耦合器 的理论基础,R.Levy提出了多孔定向耦合器的实现方法。本文采用窄 边小孔耦合，多个间距1/4导波长的小孔连续耦合电磁波，因传输行程 差而同相叠加或反相抵消,实现定向传输的功能，利用HFSS进行仿真， 仿真中采用6个耦合孔，在窄边实现了定向耦合。在20世纪50年代，根据Bethe小孔耦合理论，利用波导传输线实 现了波
3、导小孔耦合定向耦合器。Bethe小孔耦合理论中小孔直径远小 于波长，但远小于波长的小孔耦合的能量极其小，耦合强度相当的低, 同时增加孔的直径也受到波导窄边尺寸的限制，因此，实际的耦合孔的 尺寸需要合理的选择。波导传输线的主模是TE10，耦合器的主波导和副波导均为3公分 矩形波导,主副波导之间的金属壁厚为1 mm,波导的厚度太薄其支撑 强度小，容易出现波导变形。由于耦合孔的存在会激起高次模,将耦合 孔的位置离开波导输入输出端口一段距离，可以抑制高次模的输出,同 时高次模的波导波长与主模的波导波长吧相当，选取合适的耦合孔的 间距，也能限制高次模的耦合。根据等间距多孔耦合理论，可以选择某 一个模式的
4、高次模在副波导中耦合，其多个耦合模相位彼此相反,互相 抵消,耦合孔的间距S为：定向耦合器耦合孔的间距，是一个重要的参数，能够保证副波导中 耦合电磁波的叠加模式,即正传输方向相位相同叠加，反向相位相反抵 消。在波导的窄边上,TE10模的电场分量最小,此处的磁场分量最强, 通过窄边小孔一般是磁场耦合,耦合的电磁场的近似解为：其中为0阶第一类贝塞尔函数的导数的第n个根,r1为孔的半径。主线中电磁场在传输过程中通过多个小孔耦合到副波导中，传输 的路径也是相应多种途径，耦合到副波导中，各电磁场并互相干涉,在 某一个方向上同相叠加有输出，另一个方向反相抵消五输出。最为典 型的是相距1/4导波长的双孔耦合，
5、从主波导输入的信号分两路耦合 到副波导中，与主波导同方向的端口，因电磁波传播路程相等，同相叠 加有输出，另一个端口，电磁波传输的路程相差1/2导波长，反相抵消没 有输出。有输出端称为耦合端,无输出端称为隔离端。理想情况下隔 离端是没有功率输出的，但是小孔的尺寸并非远小于波长，由于孔的尺 寸造成电磁场传输路径差有偏差,在隔离端不是理想的反相而有信号 输出，显然，隔离输出的功率期望小一点。2定向耦合器的设计波导定向耦合器采用窄边的小孔耦合，耦合孔可以看成小天线，在 副波导内形成近场，受到复杂边界条件的影响，数学上是很难得到精确 地解，可以将耦合孔等效为电偶极子和磁偶极子的组合体，可以视为小 天线，
6、在副波导中产生近区场，多个小天线产生的场互相叠加，同相增 强反相抵消，耦合孔的间距决定了相邻场的相位差。耦合孔的间距可 以采取等间距的方式，耦合孔间距的确定是波导定向耦合器的重要设 计内容。本设计的波导为X波段，其中心频率为10 GHz,选用标准矩形波 导，其主模的波导波长及高次模的波导波长可以计算得到。在孔等间 距分布条件下，根据小孔耦合理论可以得到耦合孔的直径。波导定向 耦合器大多采用宽边孔耦合的方式，窄边耦合的方式比较少。在本设 计中两个平行的X波导，两波导窄边相连，波导之间分隔的金属壁为1 mm,在金属壁上设计了 6个耦合孔，耦合孔的形式有两种:一种为方孔; 另一种为圆孔。耦合孔的间距
7、为9.94 mm,方孔的尺寸为4x4,4x6,4x8 三种情况，圆孔的半径为3、3.5、4，单位长度均为mm。然后对数据进 行比较，在参考较好的技术指标，对其尺寸进行适当的修改。耦合孔的 尺寸应该不在小孔的范畴，但现有的理论已经对大孔耦合做了详细的 分析。对于微波器件普遍存在着理论计算与实际结果之间的误差。即时 理论结果非常精确，但实际生产制造过程中有众多的影响因素，很难实 现理论分析的结果。通过实际的研究调试过程中，需要对器件的尺寸 进行反复的修改，同时可以采用电磁场仿真软件,对设计的定向耦合器 的理论数值进行仿真，在仿真过程中进行验证。在软件中建立定向耦合器的腔体，将腔体的内表面定义为理想
8、的 导体面，两个波导均为标准X波导,长度为100 mm,公共壁为波导的窄 边，设计的尺寸经过仿真得到其耦合结果,耦合孔的大小对耦合度影响 比较大，耦合孔的间距会影响到隔离度。3定向耦合器的结果X波段的波导口径为22.86x10.16,工作频率为9 GHz11 GHz,理 论设计的结果只是近似的值，在电磁场软件仿真中建模后，还需要通过 大量的实验进行检验，对理论结果和仿真结果进行比较分析，可以指导 实际的定向耦合器的元件加工尺寸，通过分析仪可以进行实物的测 量、调试和修改设计尺寸,最终达到预定的技术指标。在仿真过程中,对定向耦合器的模型，不断修改结构尺寸,经过多 次计算，最终得到的结果如图1所示
9、。根据设计的结果，进行结构件的加工并试，在加工过程中解决了波 导口径形变的问题，最终在网络分析仪上进行测量，实验表明,圆形的 耦合孔在加工上比较方便，易于实现，且性能也比较好。其测量结果见 表1。比较仿真结果与测量结果:耦合度两者均为17 dB左右，稍有一点 偏差，方向性和端口的驻波系数有一定的差别，但总体趋势相同，其测 量结构与理论分析的结果基本吻合。本文介绍了 X波段波导窄边定向耦合器，在两种形状耦合孔之间 进行比较，最终选择了圆形的耦合孔，通过机械加工完成定向耦合器的 功能，经过实际测量并且与仿真结果比较,测量结构与仿真结果基本相 同。充分证明了该设计方法的正确性和可行性，具有十分重大的工程 使用价值。参考文献1 Janzen G,Stickel H . Multihole couplers for overmoded waveguide systemsR. Stuttgart:University of Stuttgart,1983.2 王抗美.基于C波段的E形微带天线的仿真计算J.大学物 理实验,2011.
X波段波导窄边定向耦合器的设计
