过模波导定向耦合器设计的探讨

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)电子科技大学微波电真空器件国家级重点实验室 作者:唐 涛

  提出了不同模式进行耦合时,对场分量幅值系数进行归一化的方法,从而实现了过模波导定向耦合器的设计。仿真模拟验证了利用该方法进行设计的可行性。

  H.A.Bethe的小孔衍射理论是涉及小孔耦合的所有波导元件,定向耦合器、选模耦合器、取样耦合器、各种小孔激励装置等等的计算基础,R.E.Collin进而提出了小孔耦合定向耦合器的设计方法。但是,Collin方法是基于进行耦合的主、付波导种类、尺寸和模式都相同的前提下建立的,这对常规定向耦合器来说一般都是成立的,而在高功率微波系统中,为了提高波导传输的功率容量,普遍使用过模波导,这就使得在这类系统中的定向耦合器主、付波导不同,主波导都是过模波导,而且以圆波导为多,而付波导则一般采用基波矩形波导,以便于与测试仪器连接,进行波形、功率、频谱、频率等的测量。显然,这时的定向耦合器,不仅主、付波导的类型、尺寸不同,而且传输模式也不同,这就使得Collin的设计方法不再能直接应用于过模波导定向耦合器的设计。

  1、过模波导定向耦合器设计基础

  定向耦合器最主要的参量耦合度的计算,涉及到主、付波导中的功率大小:

过模波导定向耦合器设计的探讨

  式中,P1为主波导中的入射波功率,P+2为在付波导中激励起来的正向传输波的功率。如果主、付波导相同,模式相同,则主、付波导中传输的模式波场分量表达式也就相同,它们的功率比就可以直接用幅值比代替,式(1)就可以简化成

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  式中,A1为入射波的幅值,A+2为在付波导中正向传播的被激励波的幅值,a+ 为主波导入射波与付波导正向激励波之间的耦合强度。这一计算式就是常见的定向耦合器设计方法的基础。

  但如果主、付波导类型、模式不同,则它们中的场表达式也就不同,它们的幅值系数就不具有可比性,因此式(2)不再适用于过模系统。为此,我们可以在等功率条件下来求出两个不同模式各自的幅值系数,使之获得可直接相比的幅值。令

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  式中,C为场分量的幅值系数,由于场分量的表达式可以写成不同的形式,因此即使对同一i模式,C 也可以是不同的。ei、hi为场的分布函数。i=1时表示主波导中的入射模式,i=2时表示付波导中的被激励模式。

  3、设计结果

  不考虑方向性的优劣,取主波导R =14mm,付波导为标准矩形波导a×b=7.112×3.556mm2,耦合孔厚度t=0.1mm,给定耦合度为60dB,在f=35GHz频率上计算耦合孔半径r0以及耦合度的频率特性。

  计算得到的r0 =0.581mm,在此r0值下,改变频率f,就可以得到不同频率对应的隔离度与耦合度。为了验证计算结果的正确性,在以上尺寸下进行了仿真模拟,模拟结果与计算结果如图2所示。可见,计算与模拟结果良好吻合,证明我们提出的过模波导小孔耦合的设计考虑是正确的。

  因为只是为了验证提出的方法的可行性,因此只举了一个最简单的例子,实际的定向耦合器绝大多数是多孔的,关于多孔定向耦合器的设计,已由文献给出,这里不再进行讨论。

  本文提出的方法仅为作者的初步考虑,提出来供大家探讨。

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