CN104505571A - 一种过模圆波导宽带定向耦合器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型过模圆波导宽带定向耦合器及其设计方法。本发明引入非标过模矩形波导来代替传统过模圆波导定向耦合器中的标准矩形波导；通过调节非标过模矩形波导的尺寸大小来改变其基模TE₁₀模的截止波数，使非标过模矩形波导基模TE₁₀模的截止波数与过模圆波导中工作模式TE_mn模的截止波数相同，这样使得在任意频率点处TE₁₀模的传播常数与工作模式TE_mn的传播常数相同，进而使得耦合器的前向波在任意频率点处都能满足同向叠加条件，达到扩展过模圆波导定向耦合器工作带宽以及减小带内耦合度波动的目的。

Description

一种过模圆波导宽带定向耦合器及其设计方法

技术领域

本发明涉及微波、毫米波器件技术领域，具体涉及一种过模圆波导宽带输出定向耦合器及其设计方法。

背景技术

定向耦合器是一种广泛应用于微波、毫米波测量领域的微波毫米波器件，它的主要作用就是对微波、毫米波系统中传输的大功率信号进行精确取样，耦合出一小部分微波、毫米波信号，以便通过示波器、小功率计、频谱仪等测量仪器对微波、毫米波系统中传输的大功率信号进行时域包络监测、功率测量、频谱测量等。

传统的高功率微波系统大多数采用矩形波导作为传输线，与之配套的定向耦合器一般都采用矩形波导结构。但是随着一种输出功率量级更高的微波毫米波源—回旋管的发展，在工程应用中开始大量出现采用(过模)圆波导作为传输线的微波毫米波系统。为了对该微波毫米波系统中传输的高功率信号进行取样测量，出现了一种传统的过模圆波导结构定向耦合器。过模圆波导结构定向耦合器一般包括一个主波导即过模圆波导和一个副波导即标准矩形波导，主波导与副波导之间通过耦合孔相连接。其工作原理为：当注入微波、毫米波信号通过主波导时，大部分能量流向主波导输出端，有一小部分微波、毫米波信号通过耦合孔耦合而流向副波导，而在副波导的能量流又分为正向波(与主波导能量流方向相同)和反向波(与主波导能量流方向相反)。通过测量定向耦合器副波导中的正向波和反向波能量以及主波导中的输入能量就可以计算出定向耦合器的两个重要技术指标：耦合度和隔离度。

然而与矩形波导结构定向耦合器不同的是：在传统过模圆波导结构定向耦合器中主波导中传播的工作模式(TE_mn模，其中n不为零)与副波导(标准矩形波导)中传播的工作模式(TE₁₀模)不同，两个工作模式的相位常数差异较大；这样造成传统过模圆波导定向耦合器工作频带窄，难以实现宽带高方向性耦合。

发明内容

为了克服传统过模圆波导定向耦合器的工作频带较窄(相对带宽一般不到10％)、带内耦合度波动较大(工作频带内有些频点之间耦合度波动大于5dB)、方向性或隔离度较差(工作频带其方向性一般不到20dB)的问题，本发明提出一种新型过模圆波导宽带定向耦合器。

本发明具体采用如下技术方案：

一种过模圆波导宽带定向耦合器，其结构如图1、图2和图3所示，包括作为主波导的过模圆波导1和作为副波导的非标准过模矩形波导2，所述过模圆波导1的两端分别是信号输入端101和信号直传端104，所述过模圆波导1和非标准过模矩形波导2通过公共壁相连且二者纵向传输方向平行，非标准过模矩形波导2的E面为所述的公共壁；信号通过设置在所述公共壁上沿传播方向等间距排列的两个以上耦合孔3从过模圆波导1耦合到非标准矩形波导2，所述非标过模矩形波导2的两端均连接一段非标准过模矩形E面弯波导5；所述两个非标准过模矩形E面弯波导5的另一端均连接有一段过渡波导6，其中靠近所述信号直传端104的过渡波导6的输出端102为所述定向耦合器的前向波能量输出端，而靠近所述信号输入端101的过渡波导6的输出端103为所述定向耦合器的隔离端；过渡波导6的作用是将非标过模矩形波导4的输出端转变成标准的矩形波导接口，保证单模传输的同时便于与外部检测系统连接。

所述非标准过模矩形E面弯波导2的弯曲角度为90度，其作用是使非标过模矩形波导2中能量的传播方向旋转90°从而便于与外部检测系统连接；进一步的，非标过模矩形波导2的波导轴线处的弯曲半径为其窄边长度的2倍，可使其驻波比在整个工作频带内小于1.05。

所述非标过模矩形E面弯波导5的截面尺寸与所述非标准过模矩形E面弯波导2的截面尺寸相同。

进一步的，所述过度波导6为渐变波导，其纵向长度不小于所述定向耦合器通带最低频点对应的自由空间波长的6倍，使其驻波比在整个工作波段内小于1.05；

本发明还提供实现上述过模圆波导宽带定向耦合器的设计方法，主要包括以下步骤：

步骤一：根据给定的过模圆波导1的半径、工作频段以及工作模式，求解过模圆波导1中所输入的工作模式为TE_mn模的信号的截止波数β；

步骤二：所述非标准过模矩形波导2的窄边尺寸与相应工作频率时使用的标准矩形波导的窄边尺寸相同，调节所述非标矩形波导2的宽边尺寸以调节非标准过模矩形波导2中工作模式为TE₁₀模的截止波数，所述宽边尺寸以使非标准过模矩形波导2的工作模式TE₁₀模的截止波数与标准过模圆波导1的工作模式TE_mn模的截止波数β相同时为准；

步骤三：所述相邻的耦合孔3的中心间距S由下式求得：

$S=(i_k-\frac{1}{2})\mathrm{\π}/\mathrm{\β},i_k=\mathrm{1,2,3}...---\left(1\right)$

其中，S为耦合孔之间的中心间距，单位为米；β为过模圆波导1中工作模式为TE_mn模的相位常数。

本发明提供的设计方法利用多孔耦合的方式和相位叠加原理，计算出耦合孔之间的间距，使副波导中的前向波满足同向叠加条件，反向波满足反向抵消条件，提高过模圆波导定向耦器的工作带宽以及隔离度，减小其带内耦合度波动。

需要说明的是：

1、所述主波导即标准过模圆波导1的截面尺寸与微波、毫米波系统中标准的过模圆波导的尺寸相同，可视为已知参数；

2、耦合孔3的数量由工作带宽确定，工作频带要求越宽，耦合孔数目就要求越多，一般情况下，耦合孔数目为32个左右，就能满足定向耦合器在单个波段内全波段工作；

本发明的有益效果是：

与传统过模圆波导定向耦合器相比，本发明新型引入非标过模矩形波导来代替传统过模圆波导定向耦合器中的标准矩形波导；通过调节非标过模矩形波导的尺寸大小来改变其基模TE₁₀模的截止波数，使非标过模矩形波导基模TE₁₀模的截止波数与过模圆波导中工作模式TE_mn模的截止波数相同，这样使得在任意频率点处TE₁₀模的传播(相位)常数与工作模式TE_mn的传播常数相同，进而使得耦合器的前向波在任意频率点处都能满足同向叠加条件，达到扩展过模圆波导定向耦合器工作带宽以及减小带内耦合度波动的目的；本发明提供的耦合器工作频带宽、工作频带内隔离度高，且工作频带内耦合度波动小。

附图说明

图1是本发明提供的过模圆波导宽带定向耦合器的俯视图；

图2是本发明提供的过模圆波导宽带定向耦合器的正视图；

图3是本发明提供的过模圆波导宽带定向耦合器的A-A截面图；

图4是本发明实施例提供的过模圆波导宽带定向耦合器的S21和S31参数的仿真结果；

图5是本发明实施例提供的过模圆波导宽带定向耦合器的耦合度和隔离度的仿真结果；

图6本发明实施例提供的过模圆波导宽带定向耦合器的实物图。

具体实施方式

下面结合设计实例以及附图对本发明作进一步的详细阐述。

实施例

本实施例提供一个工作在Ka波段、TE01模的过模圆波导宽带定向耦合器，其技术指标要求如下：

主波导工作模式：TE₀₁模；

工作频段：Ka波段，即26.5GHz-40GHz；

标准矩形波导型号：BJ320，宽边尺寸：7.112毫米，窄边尺寸：3.556毫米；

耦合度：-40dB；隔离度(方向性)：20dB；带内耦合度波动：≤±1dB。

本实施例提供的过模圆波导宽带定向耦合器结构如图1、图2和图3所示，主要结构及其具体尺寸如下：

1为过模圆波导，其内半径16毫米，长度为220毫米；

2为非标过模矩形波导，宽边尺寸13.11毫米，窄边尺寸3.556毫米；

3为耦合圆孔，孔半径1.35毫米，孔的中心间距S＝2.4毫米；

4为连接法兰，外半径32毫米，内半径16毫米；

5为非标过模矩形E面弯波导，其传播方向轴线处的弯曲半径7.112毫米；

6为渐变过渡波导，渐变长度70毫米。

本实施例提供的过模圆波导宽带定向耦合器的S21和S31参数的仿真结果如图4所示；S21参数表征过模圆波导1通过耦合小孔3耦合到矩形波导2中的前向波的能量大小，其值就等于定向耦合器的耦合度，由图可知该新型过模圆波导宽带定向耦合器的S21参数约为-40dB；S31参数表征过模圆波导通过耦合小孔耦合到矩形波导中的反向波的能量大小，由图可知该新型过模圆波导宽带定向耦合器的S31参数最大值约为-65dB；S21和S31参数之间的差值的绝对值就是定向耦合器的隔离度。

本实施例提供的过模圆波导宽带定向耦合器的耦合度和隔离度的仿真结果如图5所示；由图可知该新型过模圆波导宽带定向耦合器在工作频段26.5-40GHz内的耦合度约为-40dB，带内耦合度波动小于±1dB，隔离度大于25dB，满足设计指标要求。

以上实例仅为方便说明本发明，本发明可以适用于其他频段的过模圆波导TE₀₁-TE₁₀(矩形波导)、TE₂₁-TE₁₀、TE₁₁-TE₁₀定向耦合器上，耦合孔之间的间距由相应的频段和工作模式确定。

Claims (4)

1.一种过模圆波导宽带定向耦合器，包括作为主波导的过模圆波导(1)和副波导，其特征在于，所述副波导为一段非标准过模矩形波导(2)，所述过模圆波导(1)的两端分别是信号输入端(101)和信号直传端(104)，所述过模圆波导(1)和非标准过模矩形波导(2)通过公共壁相连且二者纵向传输方向平行，非标准过模矩形波导(2)的E面为所述的公共壁；信号通过设置在所述公共壁上沿传播方向等间距排列的两个以上耦合孔(3)从过模圆波导(1)耦合到非标准过模矩形波导(2)；所述非标过模矩形波导(2)的两端分别连接一段非标准过模矩形E面弯波导(5)，所述两个非标准过模矩形E面弯波导(5)的另一端分别与一段过渡波导(6)连接，其中靠近所述信号直传端(104)的过渡波导(6)的输出端(102)为所述定向耦合器的前向波能量输出端，而靠近所述信号输入端(101)的过渡波导(6)的输出端(103)为所述定向耦合器的隔离端。

2.根据权利要求1所述的过模圆波导宽带定向耦合器，其特征在于，所述非标准过模矩形E面弯波导(2)的弯曲角度为90度；非标过模矩形波导(2)的波导轴线处的弯曲半径为其窄边长度的2倍。

3.根据权利要求1所述的过模圆波导宽带定向耦合器，其特征在于，所述过渡波导(6)为渐变波导，其纵向长度不小于所述定向耦合器通带最低频点对应的自由空间波长的6倍。

4.如权利要求1所述的过模圆波导宽带定向耦合器的设计方法，主要包括以下步骤：

步骤一：针对工作频率选定相应的标准过模圆波导(1)，求解标准过模圆波导(1)中所输入的工作模式为TE_mn模的信号的截止波数β；

步骤二：所述非标准过模矩形波导(2)的窄边尺寸与相应工作频率时使用的标准矩形波导的窄边尺寸相同；调节所述非标准过模矩形波导(2)的宽边尺寸以调节非标准过模矩形波导(2)中工作模式为TE₁₀模的截止波数，所述宽边尺寸以使非标准过模矩形波导(2)的工作模式TE₁₀模的截止波数与所述标准过模圆波导(1)的工作模式TE_mn模的截止波数β相同时为准；

步骤三：所述相邻的耦合孔3的中心间距由下式求得：

$S=(i_k-\frac{1}{2})\mathrm{\π}/\mathrm{\β},i_k=\mathrm{1,2,3}...$

其中，S为耦合孔之间的中心间距，单位为米；β为过模圆波导1中工作模式为TE_mn模的相位常数。