過模波導(dǎo)定向耦合器設(shè)計(jì)的探討

　　提出了不同模式進(jìn)行耦合時(shí)，對(duì)場(chǎng)分量幅值系數(shù)進(jìn)行歸一化的方法，從而實(shí)現(xiàn)了過模波導(dǎo)定向耦合器的設(shè)計(jì)。仿真模擬驗(yàn)證了利用該方法進(jìn)行設(shè)計(jì)的可行性。

　　H.A.Bethe的小孔衍射理論是涉及小孔耦合的所有波導(dǎo)元件，定向耦合器、選模耦合器、取樣耦合器、各種小孔激勵(lì)裝置等等的計(jì)算基礎(chǔ)，R.E.Collin進(jìn)而提出了小孔耦合定向耦合器的設(shè)計(jì)方法。但是，Collin方法是基于進(jìn)行耦合的主、付波導(dǎo)種類、尺寸和模式都相同的前提下建立的，這對(duì)常規(guī)定向耦合器來說一般都是成立的，而在高功率微波系統(tǒng)中，為了提高波導(dǎo)傳輸?shù)墓β嗜萘�，普遍使用過模波導(dǎo)，這就使得在這類系統(tǒng)中的定向耦合器主、付波導(dǎo)不同，主波導(dǎo)都是過模波導(dǎo)，而且以圓波導(dǎo)為多，而付波導(dǎo)則一般采用基波矩形波導(dǎo)，以便于與測(cè)試儀器連接，進(jìn)行波形、功率、頻譜、頻率等的測(cè)量。顯然，這時(shí)的定向耦合器，不僅主、付波導(dǎo)的類型、尺寸不同，而且傳輸模式也不同，這就使得Collin的設(shè)計(jì)方法不再能直接應(yīng)用于過模波導(dǎo)定向耦合器的設(shè)計(jì)。

　　1、過模波導(dǎo)定向耦合器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

　　定向耦合器最主要的參量耦合度的計(jì)算，涉及到主、付波導(dǎo)中的功率大�。�

　　式中，P1為主波導(dǎo)中的入射波功率，P+2為在付波導(dǎo)中激勵(lì)起來的正向傳輸波的功率。如果主、付波導(dǎo)相同，模式相同，則主、付波導(dǎo)中傳輸?shù)哪Ｊ讲▓?chǎng)分量表達(dá)式也就相同，它們的功率比就可以直接用幅值比代替，式(1)就可以簡(jiǎn)化成

　　式中，A1為入射波的幅值，A+2為在付波導(dǎo)中正向傳播的被激勵(lì)波的幅值，a+ 為主波導(dǎo)入射波與付波導(dǎo)正向激勵(lì)波之間的耦合強(qiáng)度。這一計(jì)算式就是常見的定向耦合器設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)。

　　但如果主、付波導(dǎo)類型、模式不同，則它們中的場(chǎng)表達(dá)式也就不同，它們的幅值系數(shù)就不具有可比性，因此式(2)不再適用于過模系統(tǒng)。為此，我們可以在等功率條件下來求出兩個(gè)不同模式各自的幅值系數(shù)，使之獲得可直接相比的幅值。令

　　式中，C為場(chǎng)分量的幅值系數(shù)，由于場(chǎng)分量的表達(dá)式可以寫成不同的形式，因此即使對(duì)同一i模式，C 也可以是不同的。ei、hi為場(chǎng)的分布函數(shù)。i=1時(shí)表示主波導(dǎo)中的入射模式，i=2時(shí)表示付波導(dǎo)中的被激勵(lì)模式。

　　3、設(shè)計(jì)結(jié)果

　　不考慮方向性的優(yōu)劣，取主波導(dǎo)R =14mm，付波導(dǎo)為標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)a×b=7.112×3.556mm2，耦合孔厚度t=0.1mm，給定耦合度為60dB，在f=35GHz頻率上計(jì)算耦合孔半徑r0以及耦合度的頻率特性。

　　計(jì)算得到的r0 =0.581mm，在此r0值下，改變頻率f，就可以得到不同頻率對(duì)應(yīng)的隔離度與耦合度。為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的正確性，在以上尺寸下進(jìn)行了仿真模擬，模擬結(jié)果與計(jì)算結(jié)果如圖2所示�？梢�，計(jì)算與模擬結(jié)果良好吻合，證明我們提出的過模波導(dǎo)小孔耦合的設(shè)計(jì)考慮是正確的。

　　因?yàn)橹皇菫榱蓑?yàn)證提出的方法的可行性，因此只舉了一個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，實(shí)際的定向耦合器絕大多數(shù)是多孔的，關(guān)于多孔定向耦合器的設(shè)計(jì)，已由文獻(xiàn)給出，這里不再進(jìn)行討論。

　　本文提出的方法僅為作者的初步考慮，提出來供大家探討。