一种新型微波大功率双定向耦合器的设计

　　分析了现有微波大功率测量装置中定向耦合器的优缺点，提出了一种新型的用于测量微波大功率信号的双定向耦合器。该双定向耦合器可以同时测量传输信号和耦合信号，在小孔耦合的基础上利用耦合片实现信号的耦合。耦合片安装在耦合头内部，耦合头作为一个独立的装置可以根据波导的尺寸调整安装位置。通过调节耦合片与波导的距离，耦合系数可以在一定范围内调节。利用HFSS进行了全波电磁场仿真，在ISM 频段利用BJ-26波导验证了设计。该双定向耦合器体积小，易于装配，特别适用于大功率、双向测量的场合。

　　随着通信技术的发展，微波大功率信号在生产实践方面的应用越来越广泛。在基站的信号发送端，峰值功率为几百瓦甚至上千瓦的功率放大器成为基站建设的核心组件，在国防建设中，所使用的微波功率也越来越大，比如地面上的雷达功率，已经要求达到上百瓦、甚至上千瓦。在微波能应用设备中，常用的微波源功率可从几十瓦到数百千瓦。一个微波信号的主要特征包括频率和幅度两部分。在低频电路中，信号的大小通常通过电压或者电流的检测来实现，在高频段，电压和电流的检测由于波长的缩小变得非常困难，而传输功率则有确定的数值。故微波功率测量是最重要的微波测量内容之一。

　　国内外在大功率微波测量方面一直存在准确性的问题，主要原因在于用于检测的定向耦合器的设计存在衰减值不稳定、带宽窄、工艺难以实现等问题。采用混合结的耦合器由于其耦合系数固定为3dB，不适用于大功率的微波测量。现有的定向耦合器主要有Bethe孔耦合器和波导多孔定向耦合器，Bethe孔耦合器需要主波导和副波导按一定角度斜交，在制造和应用上很不方便，并且它只在设计频率处工作，带宽较窄。多孔耦合器解决了频带窄的问题，但是由于需要通过耦合系数满足的响应多项式来设计孔径的大小及个数，存在可调性差、体积大、设计不方便等缺点。

　　本文设计了一种新型的微波大功率双定向耦合器，采用耦合片切割磁场激励电流来实现耦合，可以同时测量入射和反射功率。体积小，针对不同长度的波导可以独立安装;采用同轴输出，方便后端测量;耦合系数可调，方向性好，满足微波大功率测量的需求。

1、单孔定向耦合理论

　　本文设计的双定向耦合器以单孔耦合为基础。小孔耦合是一种较为典型的耦合方式，不需要设计额外的器件就能使能量从波导中耦合出来，尤其是单孔耦合，用于弱耦合情况下非常合适。一个小孔能用电和磁偶极矩组成的等效源代替。考虑图1的结构，从端口1输入TE10模。

图1　小孔耦合示意图

结论

　　从仿真结果可以看出，该双定向耦合器的技术指标全部满足设计要求，且在实际应用中，可以根据输入功率的实际情况，进行耦合系数的调节。如果需要的耦合系数超出耦合片可以调节的范围，则可以通过调整波导上所开小孔的尺寸进行进一步调节，而不必重新设计耦合器。所以该双定向耦合器使用方便，在工程实践上有很强的应用价值。