一種緊湊型寬帶功分器

謝 敏 郝萬(wàn)兵 張 瑞

（西安電子工程研究所，陜西 西安 710100）

一種緊湊型寬帶功分器

謝 敏 郝萬(wàn)兵 張 瑞

（西安電子工程研究所，陜西 西安 710100）

定向耦合器是一種常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)功率分配/合成的無(wú)源器件，具有隔離度高的優(yōu)點(diǎn)。常見(jiàn)的分支波導(dǎo)耦合器通過(guò)不斷增加分支數(shù)目來(lái)實(shí)現(xiàn)頻帶的展寬，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但具有尺寸隨著分支數(shù)目增加而不斷增大的缺點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)器件小型化上面有明顯不足。針對(duì)這一現(xiàn)狀，文章采取孔耦合的形式，設(shè)計(jì)了一種Ku波段3dB功分器，仿真結(jié)果顯示全頻段內(nèi)各端口的駐波均小于1.20，在12.3～17.3GHz內(nèi)幅度差不超過(guò)0.6dB，整體尺寸只有15.8×8.9×37mm，相比波導(dǎo)分支耦合器結(jié)構(gòu)上更加緊湊，具有工程應(yīng)用價(jià)值。

定向耦合器；孔耦合；Ku波段；寬頻帶；結(jié)構(gòu)緊湊

定向耦合器作為微波領(lǐng)域里一種具有方向性的耦合器件，廣泛應(yīng)用在雷達(dá)、測(cè)量與通信領(lǐng)域中，特別是諸如測(cè)試系統(tǒng)、功率分配系統(tǒng)這類(lèi)射頻系統(tǒng)之中。由于是四端口器件，因此定向耦合器的輸出端口具備良好的隔離度（一般可以在20%的帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn) 20dB以上的隔離度）。一般地，可以將其四個(gè)端口分別定義如下：輸入端、直通端、耦合端以及隔離端。它的形式多種多樣，按照傳輸線種類(lèi)，可以分為波導(dǎo)型、微帶線型、帶線型等；按照直通端和隔離端信號(hào)的傳輸方向，可以分為定向和反定向耦合器；按照耦合的方式，又可以分為孔耦合、槽縫耦合、分支波導(dǎo)耦合等[1]。其中，分支波導(dǎo)耦合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)增加分支數(shù)目就可以有效地展寬頻帶，在實(shí)際工程中被使用廣泛，但是帶來(lái)的問(wèn)題是尺寸會(huì)隨之變得更大，在安裝空間有限的情況下難以滿(mǎn)足性能需求。本文針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種孔耦合的波導(dǎo)定向耦合器，在性能指標(biāo)良好的前提下結(jié)構(gòu)更加緊湊，有效減小了器件的尺寸，降低了對(duì)安裝空間的要求，利于實(shí)際工程應(yīng)用。

1 Bethe孔耦合器

定向耦合器通過(guò)使兩個(gè)分開(kāi)的波或者波分量，在耦合端相位相加而隔離端相位抵消，實(shí)現(xiàn)其定向性。最基礎(chǔ)的一種實(shí)現(xiàn)方式是在兩個(gè)波導(dǎo)公共寬壁上開(kāi)孔，使能量從一個(gè)波導(dǎo)耦合到另一個(gè)波導(dǎo)，如圖1所示，即為Bethe孔耦合器[2]，這時(shí)可以定義端口1，2，3，4分別為輸入端、直通端、耦合端和隔離端[3]。不難看出，由于有了聯(lián)通上下兩個(gè)波導(dǎo)的小孔，所以當(dāng)信號(hào)從輸入端（端口1）輸入時(shí)，除了一部分功率直接從直通端（斷口2）輸出外，還會(huì)有一部分功率經(jīng)過(guò)小孔耦合到耦合端（端口3）輸出，卻不會(huì)從隔離端（端口4）輸出。設(shè)這四個(gè)端口的功率分別為P1、P2、P3、P4，評(píng)價(jià)定向耦合器性能的好壞可以由以下幾個(gè)指標(biāo)看出：耦合度C、方向性D、隔離度I、輸入駐波比以及工作帶寬；理想的定向耦合器主路和副路相位差90°，其中：

顯然，耦合度與方向性之和就是隔離度，因此一般用隔離度和耦合度就可以表征一個(gè)定向耦合器的性能。

圖1　Bethe孔耦合器

1944年，Bethe H A[4]首次提出了小孔耦合器的形式，通過(guò)對(duì)兩個(gè)緊貼的矩形波導(dǎo)寬壁打孔實(shí)現(xiàn)耦合。依據(jù)小孔耦合的理論知識(shí)，一個(gè)小孔可以等效為電偶極矩和磁偶極矩組成的的混合源。因此，調(diào)整這兩個(gè)等效源的相對(duì)振幅就能實(shí)現(xiàn)格隔離端口的輻射抵消、耦合端口的輻射增強(qiáng)，即通過(guò)控制孔徑以及小孔到窄壁的距離s就可以改變耦合度。

2 多孔定向耦合器

由于Bethe孔定向耦合器只是單孔耦合，因此一旦偏離設(shè)計(jì)頻點(diǎn)，其耦合度和方向性會(huì)降低，帶寬很窄。為了提高帶寬，在Bethe孔的基礎(chǔ)上采用多孔耦合形成的定向耦合器，可以明顯展寬頻帶，原理圖如圖2所示：

圖2　多孔定向耦合器

一般地，多孔定向耦合器的孔是沿波導(dǎo)縱向排列的，形狀為圓形，相鄰兩孔的中心間距 d通常選為中心頻率波導(dǎo)波長(zhǎng)的四分之一，即d=λg0/4，這樣一來(lái)，由于存在相位差，剛好使得端口4的波相互抵消，端口3的波相互加強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了定向性。 假設(shè)有n個(gè)孔，它們的電壓耦合系數(shù)分別為a1，a2，a,3，…，an，令端口1的輸入波電壓為V，則[4]

不難發(fā)現(xiàn)，孔徑越大，單孔耦合越強(qiáng)，耦合度越大；而孔間距 d則會(huì)影響耦合器的定向性。因此，調(diào)整孔徑和孔間距的大小可以有效改變耦合器的性能指標(biāo)，使其達(dá)到所需的設(shè)計(jì)要求。

3 3dB定向耦合器的設(shè)計(jì)

選擇Ku頻段標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)BJ-140，尺寸是15.8×7.9mm，假設(shè)等孔徑等間距耦合，當(dāng)孔徑為6mm時(shí)單孔耦合度為-33dB，此時(shí)為了實(shí)現(xiàn)3dB耦合，由式（1）～（6）可計(jì)算出，需要的孔的個(gè)數(shù)為32個(gè)，即使采取雙排孔陣，即16對(duì)孔縱向排列，耦合器尺寸仍顯過(guò)大?？梢?jiàn)，傳統(tǒng)的多孔耦合器更適用于弱耦合的情況[5]。

針對(duì)上述提到的問(wèn)題，本文基于小孔耦合理論，設(shè)計(jì)了一種工作在Ku波段的高隔離、緊湊型功分器，為了減小器件尺寸，就應(yīng)增大單孔耦合度以減小開(kāi)孔的個(gè)數(shù)。本文使用Ansoft公司的高頻電磁仿真軟件HFSS對(duì)經(jīng)過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，主副波導(dǎo)同時(shí)減高、孔的形狀由圓形改為矩形均對(duì)單孔耦合度有顯著提高，最終，文中的定向耦合器采用雙排矩形孔耦合的方式，如圖3所示：

圖3　Ku頻段波導(dǎo)定向耦合器

小孔耦合理論中孔的厚度未予考慮，實(shí)際中越薄耦合度越高，鑒于加工精度，設(shè)計(jì)中取厚度為1mm。通過(guò)調(diào)整相鄰兩孔的間距、孔的大小，不斷改善耦合器的性能指標(biāo)，最終采取四對(duì)八孔，整體尺寸為15.8×8.9×37mm。圖4至圖7給出了最終的仿真結(jié)果，可以看出，四個(gè)端口的駐波系數(shù)均小于1.20，在12.3～17.3GHz內(nèi)，幅度差不超過(guò)0.6dB，性能良好。

圖4　四個(gè)端口的駐波系數(shù)

圖5　直通端與耦合端的隔離度

圖6　直通端與耦合端的幅度差

圖7　直通端與耦合端的相位差

4 結(jié)束語(yǔ)

分支波導(dǎo)耦合器依靠增加分支個(gè)數(shù)展寬頻帶，隨之帶來(lái)的問(wèn)題是器件尺寸越來(lái)越大，不利于小型化，本文針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，基于小孔耦合的理論知識(shí)，設(shè)計(jì)了一種采用孔耦合形式的波導(dǎo)定向耦合器，該設(shè)計(jì)有別于傳統(tǒng)的多孔耦合器，改圓形小孔為矩形大孔，用八個(gè)孔就實(shí)現(xiàn)了3dB的強(qiáng)耦合。結(jié)果顯示，該波導(dǎo)定向耦合器在整個(gè) Ku頻段內(nèi)隔離度大于20dB，四端口駐波均小于1.20，在12.3～17.3GHz內(nèi)，幅度差不超過(guò)0.6dB，相位一致性良好。相較于波導(dǎo)分支電橋[6]，性能良好且耦合器尺寸只有 15.8×8.9×37mm，結(jié)構(gòu)上更加緊湊，對(duì)安裝空間大小的要求更低，具有工程應(yīng)用價(jià)值。

[1] Inder J Bahl.射頻與微波晶體管放大器基礎(chǔ)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013.

[2] 王文祥.微波工程技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2009.

[3] 趙武品.雙脊波導(dǎo)寬帶耦合器的設(shè)計(jì)[D].合肥:安徽大學(xué), 2010.

[4] 李澤民,黃卉.微波技術(shù)基礎(chǔ)及其應(yīng)用[M].北京:北京大學(xué)出版社,2013.

[5] 曹乃勝,羅勇,王建勛.圓波導(dǎo)——矩形波導(dǎo)小孔耦合定向耦合器設(shè)計(jì)[J].強(qiáng)激光與粒子束,2008,20(4):637-640.

[6] 吳昌勇. X及Ka頻段功率合成研究[D].成都:電子科技大學(xué),2010.

A compact and wide-band power divider

The directional coupler is a common passive device with high isolation, which is used as power divider/combiner. One of them is branch waveguide coupler and its bandwidth can be broadened by increasing the number of branches conveniently, but add to size at the same time. Aiming to such a situation, a 3dB divider at Ku-band with hole coupling is designed in this paper. Simulation shows that VSWR is less than 1.20 at Ku-band and amplitude inbalance is less than 0.6dB in 12.3 ～17.3GHz, good performances as well as compact structure of 15.8×8.9×37mm makes it superior to branch waveguide coupler in project application.

Directional coupler; hole coupling; Ku-band; wide band; compact structure

TN62

A

1008-1151(2015)12-0021-02

2015-11-13

謝敏（1991-），陜西西安人，西安電子工程研究所在讀研究生，研究方向?yàn)楣虘B(tài)發(fā)射機(jī)；郝萬(wàn)兵（1991-），陜西榆林人，西安電子工程研究所在讀研究生，研究方向?yàn)殡娮訉?duì)抗技術(shù)；張瑞（1990-），陜西西安人，西安電子工程研究所在讀研究生，研究方向?yàn)橄嗫仃嚴(yán)走_(dá)技術(shù)。