X波段高功率寬帶波導(dǎo)定向耦合器設(shè)計(jì)

季彥婷,趙 臘,朱乙平,簡(jiǎn) 玲

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京 211153；2. 海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室,南京210003)

X波段高功率寬帶波導(dǎo)定向耦合器設(shè)計(jì)

季彥婷1,趙 臘2,朱乙平1,簡(jiǎn) 玲1

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京 211153；2. 海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室,南京210003)

給出了一種X波段高功率寬帶波導(dǎo)定向耦合器的工程設(shè)計(jì)方法。通過高頻結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件仿真,給出了影響耦合度指標(biāo)的主要尺寸變化規(guī)律。仿真設(shè)計(jì)結(jié)果為：在f0±350 MHz內(nèi)耦合度61 dB,帶內(nèi)起伏0.5 dB,方向性大于20 dB。

定向耦合器；寬帶；波導(dǎo)

0 引 言

在雷達(dá)、通信中,定向耦合器將所傳輸高頻信號(hào)的能量耦合出一部分用來(lái)監(jiān)測(cè)發(fā)射機(jī)的功率、頻率和頻譜,也用于測(cè)量元器件和饋線系統(tǒng)的反射系數(shù)、插入損耗等。目前,針對(duì)不同應(yīng)用,已經(jīng)設(shè)計(jì)制造出了各種形式的定向耦合器,當(dāng)十字波導(dǎo)定向耦合器的耦合度45 dB左右時(shí),具有耦合度頻響特性好和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠等特點(diǎn)而獲得了日益廣泛的應(yīng)用。但是,隨著頻率的提高,如在X波段,耦合度為61 dB十字波導(dǎo)定向耦合器的耦合元件尺寸變得很小,結(jié)構(gòu)制造很難保證尺寸公差要求,耦合度頻響特性也變差。本文給出了一種X波段高功率寬帶波導(dǎo)定向耦合器的工程設(shè)計(jì)方法,耦合度為61 dB時(shí)設(shè)計(jì)的耦合元件尺寸便于制造,公差對(duì)耦合度的影響度很小,適合工程研制[1-2]。

1 工程設(shè)計(jì)

1.1 基本理論

十字波導(dǎo)定向耦合器是由兩根波導(dǎo)寬壁相互垂直相交的波導(dǎo)組成,如圖1所示。圖中,端口1和端口2屬于一條傳輸線稱為主線,端口3和端口4屬于另一條傳輸線稱為副線,主線與副線之間由兩個(gè)互相正交的狹槽構(gòu)成的耦合元件實(shí)現(xiàn)彼此耦合。此耦合元由兩個(gè)互相正交的狹槽構(gòu)成,兩槽中心位于方形的對(duì)角線上,因此與作為主副傳輸線的波導(dǎo)窄壁的距離都等于X0。理想的定向耦合器,當(dāng)主線中電磁波由端口1向端口2傳輸時(shí),如端口2、3、4均接匹配負(fù)載則端口4無(wú)輸出而端口3有輸出；當(dāng)電磁波由端口2向端口1傳輸時(shí),如端口1、3、4均接匹配負(fù)載,則端口3無(wú)輸出而端口4有輸出,副線傳輸方向取決于主線傳輸方向,而且端口1和4及端口2和3分別是彼此隔離的。十字波導(dǎo)定向耦合器的主要技術(shù)參數(shù)包括耦合度C、方向性D和耐功率等指標(biāo)。耦合度C是指主線輸入功率P1與副線輸出功率P3之比,用“dB”作單位,則

如果2、3、4各路端口均接匹配負(fù)載,且主線和副線的等效阻抗Zc相等,則

方向性D就是當(dāng)主線輸入功率P1時(shí)副線輸出功率P3與P4之比,用“dB”作單位,則

(2)

式中S14為散射參量,定義為1、4兩端口間的傳輸系數(shù)。

因?yàn)椴劭椎某叽邕h(yuǎn)小于波長(zhǎng),所以當(dāng)功率由主波導(dǎo)端口1輸入而其他各端口均接匹配負(fù)載時(shí),根據(jù)小孔電磁波耦合原理[1],得出S13和S14為

(5)

(6)

圖1 十字波導(dǎo)定向耦合器原理圖

圖2 耦合狹槽

(7)

1.2 工程設(shè)計(jì)

需要設(shè)計(jì)的X波段十字波導(dǎo)定向耦合器的技術(shù)要求如下：

主傳輸線為波導(dǎo)BJ84,副傳輸線為波導(dǎo)BJ100,在f0±350 MHz內(nèi)耦合度61 dB,帶內(nèi)起伏小于0.5 dB,方向性大于20 dB。在設(shè)計(jì)十字波導(dǎo)定向耦合器時(shí),需要對(duì)X0、l、δ、d四個(gè)主要尺寸做多次選擇,并代入式(1)進(jìn)行試探性計(jì)算,其中X0=3.8 mm、l=3 mm、δ=1.6 mm、d=0.15 mm這組尺寸較合適,能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

工程設(shè)計(jì)主要步驟為：

工作頻段的中心頻率波長(zhǎng)λ=35 mm,主波導(dǎo)的口徑a×b=28.5 mm×12.6 mm,X0=3.8 mm,l=3 mm,δ=1.6 mm,d=0.15 mm。

先由式(5)求耦合度C：

然后代入式(1)求C進(jìn)行比對(duì)：

由式(5)和式(1)計(jì)算的結(jié)果基本一致。因此,在今后的設(shè)計(jì)中,對(duì)于槽壁δ較小的耦合器,可用式(5)簡(jiǎn)單而正確地計(jì)算耦合度C。

由式(2)求出方向性D：

十字波導(dǎo)定向耦合器的功率容量就是主波導(dǎo)的功率容量。對(duì)于空氣矩形波導(dǎo)來(lái)說(shuō),功率容量可用下式計(jì)算：

經(jīng)驗(yàn)證明,矩形波導(dǎo)允許的功率容量為

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

在十字波導(dǎo)定向耦合器槽縫位置、槽縫長(zhǎng)度、槽縫寬度以及共用波導(dǎo)壁的厚度等主要結(jié)構(gòu)尺寸初步計(jì)算設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,通過高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化。HFSS模型如圖3所示,其中X0、l、δ、d四個(gè)參數(shù)要設(shè)為變量,分析主要尺寸變化對(duì)性能的影響規(guī)律。

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)HFSS模型

最終得到的結(jié)果是：當(dāng)X0=3.9 mm、l=3.1 mm、δ=1.6 mm、d=0.15 mm時(shí),在工作頻段內(nèi)的駐波小于1.005,損耗小于0.001 dB,耦合度為61±0.3 dB(如圖4所示),隔離度大于83 dB(如圖5所示)。方向性為耦合度和隔離度差值的絕對(duì)值,仿真的結(jié)果約為22 dB。需要說(shuō)明的是,方向性的仿真值與理論計(jì)算值差距較大,這是因?yàn)樵诶碚撚?jì)算時(shí),假設(shè)理想情況下副線中耦合口輸出時(shí)隔離口無(wú)輸出,但實(shí)際上是有輸出的,難以達(dá)到理想的隔離。

圖4 耦合度

圖5 隔離度

十字波導(dǎo)定向耦合器主要尺寸變化對(duì)性能的影響規(guī)律為：槽縫遠(yuǎn)離波導(dǎo)窄邊即X0增大,耦合量變小(如圖6所示),隔離度增大；槽縫長(zhǎng)度變長(zhǎng),耦合量會(huì)增大(如圖7所示),而對(duì)隔離度的影響較小；增大槽縫寬度,耦合量會(huì)增大,隔離度變小；主副波導(dǎo)間共用波導(dǎo)壁的厚度增加,耦合量減小,隔離度增大。通過對(duì)副波導(dǎo)端口4加載變化對(duì)耦合度的影響進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)端口4匹配程度對(duì)十字波導(dǎo)定向耦合器的耦合度影響很大,當(dāng)端口4加載駐波為1.2的失匹負(fù)載時(shí), 耦合度減少1 dB,如圖8所示。

圖6 X0增大0.2 mm耦合度

圖7 x軸頭尾各加寬0.1 mm耦合器度

圖8 端口4加載失匹負(fù)載(駐波1.2)時(shí)耦合度

3 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了一種X波段高功率十字波導(dǎo)定向耦合器工程設(shè)計(jì)。該耦合器具有高方向性、寬頻帶、耐高功率和調(diào)試方便等特點(diǎn)。仿真設(shè)計(jì)結(jié)果表明,其電性能良好,滿足設(shè)計(jì)要求。本文的設(shè)計(jì)方法為以后工程應(yīng)用提供了參考。

[1] 范樹禮．微波元件與測(cè)量[M]．北京：人民郵電出版社,1976：164-174.

[2] 北京郵電學(xué)院微波專業(yè)．微波技術(shù)基礎(chǔ)(下冊(cè))[M]．北京：人民郵電出版社,1976：126-132.

Design of an X-band high-power wideband waveguide directional coupler

JI Yan-ting1, ZHAO La2, ZHU Yi-ping1, JIAN Ling1

(1.No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153; 2. Military Representatives Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003)

An X-band high-power wideband waveguide directional coupler is designed. The main change rules of the size that affect the coupling degree are given through the simulation of the HF optimum structural software. The simulation results indicate that the coupling degree is 61 dB, the in-band fluctuation is 0.5 dB, and the directivity is more than 20 dB when f0 is within the range of 350 MHz.

directional coupler; wideband; waveguide

2014-09-20；

2014-10-12

季彥婷(1983-),女,工程師,工程碩士,研究方向：微波技術(shù)；趙臘(1986-),男,工程師,碩士,研究方向：數(shù)字信號(hào)處理；朱乙平(1965-),男,高級(jí)工程師,碩士,研究方向：天線微波技術(shù)；簡(jiǎn)玲(1980-),女,工程師,碩士,研究方向：天線技術(shù)。

TN814

A

1009-0401(2014)04-0050-04