CN107732398A - 一种宽频带大功率毫米波过模波导te01定向耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽频带大功率毫米波过模波导TE₀₁定向耦合器，属于大功率毫米波器件技术领域。该定向耦合器包括过模四极主波导，对称设置于其两端的输入过渡段、输出过渡段，以及通过一排耦合圆孔与过模四极主波导凸起部分连通的副波导。本发明采用基于过模的四极波导结构，功率容量大，且能在宽频带范围内实现耦合度平稳、方向性高的输出特性；四极波导内模式间隔较大，从而使得定向耦合器具有强烈的模式选择特性，可以避免其他寄生模式的影响；四极波导结构还能实现高方向性的指标，具有抗驻波特性。

Description

一种宽频带大功率毫米波过模波导TE01定向耦合器

技术领域

本发明属于大功率毫米波器件技术领域，具体涉及一种用于大功 率毫米波传输链路上功率检测的定向耦合器。

背景技术

定向耦合器是微波系统中应用十分广泛的一种微波、毫米波器 件，主要作用是对大功率的信号进行功率检测、频谱测量等。通常， 定向耦合器由主波导和副波导组成，其中主波导用于大功率信号的传 输，副波导则通过耦合出部分功率进行检测进而反算出主波导中传输 的能量。同轴线、带状线、微带线和矩形波导、圆波导等波导结构都 可以实现定向耦合器。

回旋行波管是目前在毫米波频段上唯一能实现高功率、宽频带、 高增益输出的大功率源，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。TE₀₁模式具有角向均匀对称、边缘部分场强 极小的特点，是回旋行波管常用的工作模式。为了满足回旋行波管输 出功率的要求和降低传输损耗，回旋行波管通常采用过模圆波导进行 输出。因此，在大功率毫米波系统中，为了有效地测量功率源的输出 功率及检测输出频谱，需要使用TE₀₁模过模波导定向耦合器进行测 试。考虑到回旋行波管的输出功率水平和常用的毫米波检波设备、匹 配负载的工作条件，定向耦合器必须具有低耦合度、高隔离度以及高 方向性。

较单模波导不同的是，过模波导中可传播的模式数丰富。而波导 结构的形变包括倾斜、弯曲、错位等均会将功率源输出的TE₀₁模式部 分转换成其他模式如TE₀₂模、TE₁₁模等。这些寄生模式的存在会降低 TE₀₁定向耦合器的性能，从而影响测试数据的有效性。因此，定向耦 合器必须具有强力的模式选择特性，以降低寄生模式的影响。

同时，在回旋行波管输出的大功率传输链路中，会存在模式变换 器、波导弯头、滤波器等多个器件。多个器件的组合使用以及对接时 会导致反射过大，从而使得整个传输链路的驻波较大。因此，定向耦 合器也必须具有抗驻波的能力。

目前，常见的大功率定向耦合器主要有矩形波导型和圆波导型。 高博、童玲等人采用两级耦合方式，在保证整体耦合度不变的条件下， 实现了扩大矩形波导定向耦合器功率容量，提高定向耦合器峰值功率 (《一种大功率微波矩形波导定向耦合器》，专利申请号：201510267998.6，作者：高博，田雨，童玲，严嘉斌。)。但是这种 大功率微波矩形波导定向耦合器的工作模式为TE₁₁模。在工作模式为 圆波导TE₀₁模的情况下，需要专门的模式变换器，从而会使得整个功 率测试系统结构复杂。为了解决这一问题，曾旭等人提出一种基于圆波导结构的回旋行波管微波功率测量的定向耦合器(《一种用于回旋 行波管微波功率测量的定向耦合器及用于该定向耦合器的制造方法》， 专利申请号：201610586421.6，作者：曾旭，王峨峰，冯进军，李安。)。 通过在圆波导内腔和方波导内腔之间设置若干耦合孔，可以实现对工 作模式进行检测。但是设计为三端口器件，其主波导输入与输出具有 方向要求。因而只能进行正向检测，不具备反向检测功能。为此，徐 勇等使用过模波导结构，提出了一种适用于大功率传输的宽带波导定 向耦合器的设计方法(《一种过模圆波导宽带定向耦合器及其设计方 法》，专利申请号：201410775446.1，作者：徐勇，罗勇，夏建波， 王丽，王建勋等人。)。由于主副波导均采用过模波导结构，使得主 波导内工作模式与副波导内的TE₁₀模传播常数保持一致，因而设计的 定向耦合器工作频带宽。同时，由于定向耦合器的结构具有对称性， 对输入输出没有方向性要求，可以实现双向监测。但是，由于主波导 只是采用普通的圆波导，没有实现高方向性(设计实例中方向性约 25dB)。此外，圆波导存在简并模的特性，也使得定向耦合器的模 式选择特性较弱。

发明内容

针对现有大功率毫米波定向耦合器存在的功率容量不高、方向性 不高等不足以及大功率毫米波传输系统需要的高模式选择特性、抗驻 波等要求，本发明提出一种基于过模四极主波导结构的TE₀₁定向耦 合器技术方案。

本发明采用的具体技术方案如下：

一种宽频带大功率毫米波过模波导TE₀₁定向耦合器，包括过模 四极主波导，对称设置于其两端的输入过渡段、输出过渡段，以及通 过一排耦合圆孔与过模四极主波导凸起部分连通的副波导。

所述输入过渡段、输出过渡段将圆波导过渡为过模四极主波导， 其变化方式可以为线性过渡，也可以为非线性过渡。实现圆波导中TE₀₁模转化成四极波导中TE₀₁模的高效转换。

所述过模四极主波导横截面的半径变化函数R表达式为： R＝r₀+a₁cos(4t)，其中r₀为平均半径，a₁为扰动系数，考虑主波导的功 率容量问题，r₀不易过小以避免发生功率击穿。所述主波导内可传播 的模式分布由扰动量a₁决定。较圆波导而言，四极波导中的模式与模 式之间间隔宽。通过工作模式的不同，选择合适的扰动量a₁，将工作 模式与非工作模式的间隔尽可能地隔开，以实现对工作模式最大化的 耦合的同时，抑制非工作模式的输出。

所述副波导为非标准过模矩形波导，其两端对称设置过模矩形E 面弯波导以改变副波导激励起的TE₁₀模的传播方向，方便器件的加 工与安装。后接的矩形波导过渡段，将非标准过模矩形波导转变成标 准矩形波导，方便与测试仪器连接。与主波导输出端口同侧的端口为 耦合端口，而与主波导输入端口同侧的端口为隔离端口。

所述副波导的窄边尺寸b与工作频段对应的标准矩形波导相同， 宽边a的确定方式为：调节副波导宽边尺寸，使得在工作频带内的任 意频点处，副波导中工作模式TE₁₀模的相位常数β₂与主波导中工作 模式TE₀₁模的相位常数β₁相同。副波导采用非标准过模矩形波导， 能够达到拓宽工作频带宽度，减小频带内耦合度波动的作用。

所述耦合圆孔将主波导传输的电磁波部分耦合到副波导。耦合圆 孔的最大半径和高度具体由定向耦合器的耦合度确定。耦合强度要求 越大，半径越大、耦合圆孔的高度越低。耦合圆孔的数目由工作带宽 和方向性确定。一般说来，工作频带要求越宽，方向性越高，耦合圆 孔数目的需要就越多。

所述耦合圆孔采用等间距排布，其半径变化可以是等孔径分布、 切比雪夫分布、二项式分布等。根据多孔耦合的方式和相位叠加原理， 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， 可以求得耦合圆孔之间的间距d。具体确定方式如下：

当使耦合模在正向增强时，有

当使耦合模在反向相消时，有

其中λ₀₁为过模四极主波导内TE₀₁模式的波导波长，λ₁₀为副波导 内TE₁₀模式的波导波长，为影响因子。由于选择正向增强时得到的 孔间距过大，不利于实际加工，因而选取反向相消的情况计算得到d。

所述过模矩形E面弯波导的轴线为四分之一圆弧，且TE₁₀模式 在端口反射低于-30dB。

矩形波导过渡段的实现方式可以采用线性过渡或非线性过渡的 方式，且在工作频带内驻波应小于1.05。

发明的定向耦合器的工作原理如下：从前端输入的大功率毫米波 以TE₀₁模的方式输入到定向耦合器，经圆-四极波导输入过渡段后， 进入基于过模四极主波导结构的功率耦合部分。过模四极主波导中TE₀₁模经存在于四极波导凸起上的耦合圆孔部分耦合到副波导中，而 大部分则向前传播，最后经放置在功率耦合部分输出端的四极波导- 圆波导的输出过渡段输出。在副波导中激励起TE₁₀模式大部分定向 传播到副波导的耦合端口，在高定向性的情况下，只有极少部分TE₁₀模式流向副波导的隔离端口。较圆波导而言，四极波导中模式间隔更 宽，有利于高方向性指标的实现。因而，本发明的定向耦合器可以将 工作模式与非工作模式进行区分，有利于实现抗寄生模式、抗驻波等 指标的实现。同时，通过设计耦合圆孔的位置、间距及分布，进一步 地提高了定向耦合器的性能。

本发明具有以下优势：

1.发明的定向耦合器采用基于过模的四极波导结构，功率容量 大，且能在宽频带范围内实现耦合度平稳、方向性高的输出特性。

2.由于四极波导结构的应用，使得模式间隔较大，从而使得定 向耦合器具有强烈的模式选择特性，可以避免其他寄生模式的影响。 同时，四极波导结构能实现高方向性的指标，具有抗驻波特性。

3.发明的定向耦合器结构简单，加工、装配简单。

附图说明

图1为发明的过模波导TE₀₁定向耦合器的三维图；

图2为发明的过模波导TE₀₁定向耦合器副波导的剖视图；

图3为发明的过模波导TE₀₁定向耦合器的主波导剖视图；

图4为发明的过模波导TE₀₁定向耦合器的横截面剖视图；

图5为发明的过模波导TE₀₁定向耦合器耦合度和隔离度；

图6为发明的过模波导TE₀₁定向耦合器对其它模式的耦合强度；

图7为发明的过模波导TE₀₁定向耦合器在不同反射情况下的耦 合强度。

附图标号说明：1为过模四极主波导，2为圆-过模四极波导输入 /输出过渡段，3为连接法兰盘，4为耦合圆孔，5为副波导，6为非 标准过模矩形E面弯波导，7为矩形波导过渡段。

具体实施方式

下面结合上述理论基础和设计要点，以Ka波段TE₀₁模宽带定向 耦合器的设计为例进行说明。

在该实施例中，考虑到目前现有的大功率传输链路上的功率水平 及检波设备的条件，要求定向耦合器的指标如下：工作频带： 26GHz-40GHz；耦合度大于35dB；方向性大于35dB；带内耦合度波 动小于±2dB。

如附图1所示，本实施例的过模波导TE₀₁定向耦合器，包括： 过模四极主波导，对称设置于其两端的输入过渡段、输出过渡段，以 及通过一排耦合圆孔与过模四极主波导凸起部分连通的副波导。输入 过渡段和输出过渡段采用线性过渡的方式，整个渐变长度130mm，圆波导的半径为16mm。需要检测的TE₀₁模从输入端口A进入定向 耦合器，经圆-过模四极波导输入过渡段过渡后进入过模四极主波导， 一小部分会经存在于四极波导凸起上的耦合圆孔耦合到副波导中，用 于实现功率检测，而大部分继续向前传输，最后经放置在功率耦合部 分输出端的四极波导-圆波导的输出过渡段过渡后从输出端口B输 出。过模四极主波导的横截面的半径变化函数表达式为： R＝r₀+a₁cos(4t)，平均半径r₀为15.1mm，扰动系数a₁为1.8mm。为了 实现高方向性的指标，使大部分耦合到副波导中的能量从耦合端口C 输出，只有极少部分能量会流向隔离端口D，耦合圆孔采用等间距分 布，且设置于过模四极主波导中一处凸起壁上。耦合圆孔(4)的数 量为44个，孔高度0.32mm，孔半径0.9mm，孔间距2.6mm。副波 导(5)采用非标准过模矩形波导，其宽边尺寸为11.9mm，窄边尺寸 为3.556mm。为了方便加工，在副波导的输出的两段对称放置了E 面90度圆弧转弯波导，转弯半径为20mm。考虑的外接设备的接口， 在90度弯曲波导后端放置了矩形波导过渡段，将非标准矩形波导转 换成标准矩形波导BJ320(宽边尺寸为7.112mm，窄边尺寸为 3.556mm)。非标准矩形波导到标准矩形波导的过渡段长度为50mm。

本发明的过模波导TE₀₁定向耦合器工作原理如下：

输入的圆波导TE₀₁模，经圆-四极波导过渡段后，转换成四极波 导TE₀₁模。在功率耦合部分，四极波导TE₀₁模会部分经耦合圆孔耦 合到副波导中。由于采用耦合孔反相相消的方式，进入副波导中的电 磁量大部分会流向耦合端。通过测量定向耦合器副波导中的前向波和 后向波能量以及主波导中的输入能量就可以计算出耦合度和隔离度 这两个重要技术指标。主波导中的电磁波继续向前传播，经放置在功 率检测部分后端的过渡段转换成圆波导TE₀₁模，实现对外输出。由 于功率检测部分采用了四极波导结构，模式间隔较大，使得过模波导 定向耦合器具有很好的模式选择特性。

图5为发明的过模波导TE₀₁定向耦合器耦合度和隔离度。在 26-40GHz频率范围内，发明的定向耦合器的耦合度为37.5±2dB，表 明在整个工作频带具有平稳的耦合。在整个频带内，隔离度优于 74dB。根据方向性的定义：定向耦合器的方向性为耦合度与隔离度 之间的差值的绝对值，可知定向耦合器的方向性优于35dB。如此高 的方向性表明耦合出来的电磁波大部分会经耦合端输出，而在隔离端 输出的能量很少。

图6为过模波导TE₀₁定向耦合器对其它模式的耦合强度。此处 考虑了常见的寄生模式TE₀₂、TE₁₁、TM₁₁、TE₂₁等。对于TE₀₂模式 而言，整个频带内耦合强度大于53dB，大于工作模式TE₀₁模式的耦 合度15dB以上。对于TE₁₁模式而言，四极波导结构特性使得其在传 播时存在两个极化方向，其中一个极化方向的耦合度大于50dB，另 一个极化方向的耦合度大于84dB，抑制效果很好。TE₂₁模式的耦合 强度为44dB±2dB，与TE₀₁模式的耦合强度较为接近，最近相差接近 5dB，抑制效果不是很理想，但TE₂₁模属于寄生模式，在传输链路中 的含量本来就很少，因此当前的设计结果完全可以满足系统对它的抑 制要求。TM₁₁模式也存在两个极化方向，两个个极化方向的耦合度 分别为57dB±2dB和75dB±2dB，抑制效果都比较好。上述结果表明， 发明的TE₀₁定向耦合器具有强烈的模式选择特性，可以有效地避免 寄生模式的影响。

图7为发明的过模波导TE₀₁定向耦合器在不同反射情况下的耦 合强度。在26-40GHz频率范围，虽然驻波的增大，会使得整个耦合 器的耦合度出现局部抖动，但依然与正常工作时基本吻合。即使在反 射为-5dB的情况下，抖动也在2dB以内。表明发明的定向耦合器具 有良好的抗驻波特性。

以上实例仅为方便说明本发明，本发明同样可以适用于其他频段 的过模四极主波导耦合情况为TEmn-TE₁₀的定向耦合器上，其他的任 何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、 简化均应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种宽频带大功率毫米波过模波导TE₀₁定向耦合器，包括过模四极主波导，对称设置于其两端的输入过渡段、输出过渡段，以及通过一排耦合圆孔与过模四极波导凸起部分连通的副波导；

所述输入过渡段、输出过渡段将圆波导过渡为过模四极主波导，其变化方式为线性过渡或非线性过渡；

所述过模四极主波导横截面的半径变化函数R表达式为：R＝r₀+a₁cos(4t)，其中r₀为平均半径，a₁为扰动系数；

所述副波导为非标准过模矩形波导，其两端对称设置过模矩形E面弯波导以改变副波导激励起的TE₁₀模的传播方向；过模矩形E面弯波导后接的矩形波导过渡段，将非标准过模矩形波导转变成标准矩形波导；与主波导输出端口同侧的端口为耦合端口，而与主波导输入端口同侧的端口为隔离端口；

所述副波导的窄边尺寸b与工作频段对应的标准矩形波导相同，宽边a的确定方式为：调节副波导宽边尺寸，使得在工作频带内的任意频点处，副波导中工作模式TE₁₀模的相位常数β₂与主波导中工作模式TE₀₁模的相位常数β₁相同；

所述耦合圆孔将主波导传输的电磁波部分耦合到副波导。

2.如权利要求1所述的一种宽频带大功率毫米波过模波导TE₀₁定向耦合器，其特征在于：所述耦合圆孔采用等间距排布，其半径变化为等孔径分布、或者切比雪夫分布、或者二项式分布。

3.如权利要求1或2所述的一种宽频带大功率毫米波过模波导TE₀₁定向耦合器，其特征在于：根据多孔耦合的方式和相位叠加原理，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，求得耦合小孔之间的间距d；具体确定方式如下：

当使耦合模在正向增强时，有

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当使耦合模在反向相消时，有

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其中λ₀₁为过模四极主波导内TE₀₁模式的波导波长，λ₁₀为副波导内TE₁₀模式的波导波长，为影响因子；选取反向相消的情况计算得到d。

4.如权利要求1所述的一种宽频带大功率毫米波过模波导TE₀₁定向耦合器，其特征在于：所述过模矩形E面弯波导的轴线为四分之一圆弧，且TE₁₀模式在端口反射低于-30dB。

5.如权利要求1所述的一种宽频带大功率毫米波过模波导TE₀₁定向耦合器，其特征在于：矩形波导过渡段采用线性过渡或非线性过渡的方式，且在工作频带内驻波小于1.05。