X波段寬帶圓波導耦合器設計

張立剛，宋志敏，李小澤，寧 齊，梁 旭

（西北核技術研究所，西安710024）

X波段寬帶圓波導耦合器設計

張立剛，宋志敏，李小澤，寧 齊，梁 旭

（西北核技術研究所，西安710024）

根據實際應用需求，設計了一種X波段寬帶圓波導耦合器。通過理論計算與數值模擬優(yōu)化，實現頻率9.3 GHz時，耦合度約為－71.2 d B；頻率范圍為9～10 GHz時，耦合曲線平坦度小于0.3 dB，可顯著降低微波功率測量不確定度。為了提高耦合器的功率容量，對結構進行了改進，在耦合孔處進行了倒圓角處理。倒圓角半徑為1 mm時，耦合孔最高場強降低了52%，功率容量得到提高。

X波段；高功率微波；微波測量；耦合器

高功率微波（high power microwave，HPM）具有峰值功率高（GW級）、脈沖寬度窄、模式復雜等特點［1 2］，常規(guī)的微波測量診斷裝置不能直接用于高功率微波測量，不能滿足高功率微波的測量需求，而高功率微波在線測量系統能夠實時監(jiān)測HPM源輸出功率，已成為HPM測量中必不可少的功率診斷手段之一。

高功率微波在線測量系統結構如圖1所示，其工作原理為：HPM源產生TM01模式的微波在圓波導傳輸線中傳輸，耦合孔耦合一部分功率進入BJ100標準矩形波導，并激勵起TE10模式的取樣微波，在耦合端口處測量取樣微波的功率，經過計算得到圓波導傳輸線中HPM功率。

圓波導耦合器是HPM在線測量系統中的核心部件。理論分析、數值模擬及實驗研究都已證明，HPM產生器件輸出的微波頻率隨電子束二極管電壓、諧振腔反射器尺寸、引導磁場等參數變化［1 2］。以往設計的耦合器，采用不同孔徑等間距分布，方向性好，但其耦合曲線在所需帶寬內平坦度大于2 dB［4- 12］，在實際應用中會增大微波功率的測量不確定度。本文采用等孔徑，調節(jié)孔間距，設計并研制耦合曲線平坦度更優(yōu)的寬帶耦合器，以期提高實驗測量數據的可信度。同時，在匹配端口采用波導衰減器和匹配負載，以降低耦合器的方向性指標要求。

圖1 高功率微波在線測量系統結構示意圖Fig.1 Schematic of HPM online measurement system

1 X波段寬帶圓波導耦合器設計

1.1 理論設計

X波段圓波導耦合器結構如圖2所示。

圖2 X波段圓波導耦合器結構圖Fig.2 The structure of the coupler

X波段寬帶圓波導耦合器主體結構為圓波導，直徑49.5 mm，副波導為BJ100矩形波導。采用相同孔徑，主波導和副波導通過耦合孔連接。在圓波導中心位置上對稱設置耦合孔，耦合孔半徑r1均為3.2 mm，孔間距為d1，d2，d3，孔高度為t，小孔倒圓角半徑r0，耦合器長度為l，耦合器設計中心頻率為9.3 GHz。

用小孔耦合理論計算矩形波導和圓波導之間耦合，多孔視為單孔的疊加，用小孔耦合理論和相位疊加原理計算多孔耦合器耦合度。

由文獻［3］得出多孔耦合器耦合度C：

其中，a＋k為正向波耦合幅度；dk為孔間距；β1、β2分別為主波導和副波導的波數；θ＋k為正向波的相位差。

在頻率9～10 GHz內，采用式（1）和式（2）計算不同耦合孔數下耦合曲線隨間距的變化，可以得到耦合曲線平坦度結果，如表1所列。

表1 平坦度隨耦合孔數的變化Tab.1 Flatness vs.number of holes

由表1可見：在耦合孔數為6時，耦合曲線平坦度＜0.3 dB，可滿足使用要求。圖3為耦合曲線平坦度隨耦合孔數變化情況，從圖中可以看出，隨著耦合孔數的增加，耦合曲線變得平坦，但耦合孔數增加會相應增大工程難度。綜合考慮，選擇耦合孔數為6。

圖3 不同耦合孔數下，耦合度隨頻率的變化Fig.3 Coupling coefficient vs.frequency at different number of holes

對6孔耦合器計算結果進行數值模擬驗證，結果如圖4所示。從圖中可以看到，數值模擬與理論計算結果符合得較好。

圖4 理論與數值模擬計算結果對比Fig.4 Comparison between theoretical and simulation results

1.2 場強分析

耦合孔處的結構突變，容易引起局部電場過高，導致擊穿。因此，耦合器設計需要考慮耦合孔內的場分布。利用數值模擬計算了耦合孔處場強。為了降低耦合孔處場強，耦合孔與圓波導連接處采取倒圓角處理。圖5給出了耦合孔場強隨倒圓角半徑的變化情況。從圖5可以看出，在耦合孔處，隨著倒圓角半徑的增大，耦合孔處場強逐漸降低。不倒角時，場強最大值達到1.1 MV·cm－1。當倒圓角半徑為1 mm時，場強降低到573 k V·cm－1，耦合孔最高場強降低了52%，低于X波段ns級脈沖寬度HPM的擊穿閾值，因此能避免擊穿。

圖5 6孔耦合器耦合孔處場強隨倒圓角半徑的變化Fig.5 Electric field strength vs.chamfering radius

對倒圓角后的圓波導耦合器進行了數值模擬，其耦合曲線平坦度變化較小，如圖6所示。

1.3 結構優(yōu)化結果

通過理論計算與數值模擬，確定優(yōu)化的耦合器結構參數如表2所列。計算得到的耦合度曲線和隔離度曲線如圖7所示。從圖中可以看到，頻率為9.3 GHz時，耦合度約為－71.2 d B，方向性約為11 d B。在頻率9～10 GHz內，平坦度小于0.3 dB。

圖6 耦合曲線隨倒圓角半徑的變化Fig.6 Coupling coefficient vs.chamfering radius

表2 圓波導耦合器的優(yōu)化尺寸Tab.2 Optimized dimensions of circular waveguide coupler mm

圖7 優(yōu)化后6孔耦合器耦合曲線及隔離度曲線Fig.7 Curves of coupling coefficient and isolation

隨著HPM產生器件功率水平的不斷提高，器件的功率容量成為限制其使用的重要因素。優(yōu)化設計后的耦合器，功率容量得到提高，能夠在高功率微波在線測量系統中使用。

2結論

通過對已有圓波導耦合器的深入研究，提出了一種新型X波段寬帶圓波導耦合器。采用等孔徑不等間距分布，實現頻率9.3 GHz時，耦合度為－71.2 dB，頻率為9～10 GHz時，耦合度曲線平坦度小于0.3 d B，遠小于已有圓波導耦合器的平坦度，能夠滿足使用需求。同時，耦合孔處進行倒圓角后，其場強顯著降低，有利于提高功率容量。該耦合器設計方法可以拓展應用到其他波段的耦合器設計。

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Design of a Broad Band Circular Waveguide Coupler at X-Band

ZHANG Li-gang，SONG Zhi-min，LI Xiao-ze，Ning Qi，LIANG Xu
（Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi'an 710024，China）

An improved structure of circular waveguide coupler with high power handling capacity was designed for online measurement of the power of high power microwave.Based on multi-hole coupling theory，a broad band coupler with optimized distance and sizes is presented.At 9.3 GHz，the coupling coefficient is－71.2 dB.The flatness is better than 0.3 d B at 9～10 GHz.The structure is modified with a chamferred radius of 1 mm.The peak electrical field decreases by 52%，which is beneficial for high power capacity.

X-band；HPM；microwave measurement；coupler

TN820.5

A

2095- 6223（2015）02- 098- 04