Ka波段宽带TEd01-TEW10多孔定向耦合器的设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)电子科技大学物理电子学院 作者:周宪华

  利用小孔耦合理论,设计了一种应用于Ka 波段回旋放大管输出功率和频谱测量的TEd01-TEW10多孔阵列定向耦合器。根据正向叠加和反向相消原则确定圆波导半径及相邻耦合孔间距,用MATLAB 编写程序对耦合度及定向性随耦合器尺寸相关参数的变化做了数值分析。数值计算表明: 增加耦合孔数目、扩大孔半径及减小孔厚度均可提高耦合度,而耦合孔数目的增加在工作频带内还可提高定向性。给出了16 孔定向耦合器尺寸优化设计参数,并利用CST 电磁软件对其进行了仿真验证,仿真结果与数值模拟近似一致,其耦合度为- 35 ± 0. 9 dB,定向性高于24 dB,带宽高达6 GHz。冷测实验表明所设计定向耦合器满足设计要求。

  回旋行波管是一种大功率、宽频带的微波毫米波放大器,具有高功率、宽频带的特点,在等离子体加热、毫米波雷达、电子对抗等方面有很大的应用价值,因此在国际上备受重视。在高功率回旋行波管的研制过程中,高功率的测量既是重点又是难点。传统的测量方法是将微波毫米波能量转化成水负载的热能来测量回旋行波管中的输出功率,但是其结果容易受测量装置的水压、流量以及环境温度等因素的影响。通过孔耦合理论设计的定向耦合器是一种方向性的功率分配器,它通过一系列的小孔进行弱耦合的方式对主线中传输的微波进行取样测量,具有精度高、不易受外界因素影响、安装简便的特点。具体的原理结构如图1 所示,通过回旋行波管输出的一小部分微波通过定向耦合器既可进行功率测量,还可起到频谱监测的作用。所以真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为设计高效、稳定的定向耦合器非常重要。目前,国内外对矩形波导—矩形波导定向耦合器的研究较为成熟,但对于圆波导—矩形波导定向耦合器的设计鲜有相关报道。本文根据项目研究的需要,对ka 波段宽频带的TEd01-TEW10定向耦合器进行了研究和设计。

Ka波段宽带TEd01-TEW10多孔定向耦合器的设计

图1 功率测试系统

  首先利用小孔耦合理论,通过MATLAB 数值计算,对ka 波段TEd01-TEW10多孔阵列定向耦合器的几何尺寸进行计算分析。考虑到设计指标,分析结构参数对耦合度及定向性的影响。其次,利用CST 三维仿真软件对数值计算结果进行验证,最后,加工了样品,进行实验验证。

  结论

  通过理论分析、数值计算和仿真验证,提出了一种ka 波段TEd01-TEW10定向耦合器的设计方案。在ka波段设计出了耦合度为- 35 ± 0. 9 dB,定向性高于24 dB,带宽高达6 GHz 的高性能宽带TEd01-TEW10多孔定向耦合器; 同时研究了在工程可实现最小尺寸的情况下提高定向性的方法; 其次分析了耦合孔半径和厚度的变化对耦合度指标的影响,并给出了一种定向耦合器的设计方案。最后加工了所设计的定向耦合器的样品,并对其进行了冷测实验。理论计算及模拟仿真的结果与实验结果吻合较好。以上的计算分析与仿真为回旋行波管圆波导-矩形波导定向耦合器的设计提供了理论和技术支撑。

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