一種新型微波大功率雙定向耦合器的設(shè)計(jì)

　　分析了現(xiàn)有微波大功率測(cè)量裝置中定向耦合器的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種新型的用于測(cè)量微波大功率信號(hào)的雙定向耦合器。該雙定向耦合器可以同時(shí)測(cè)量傳輸信號(hào)和耦合信號(hào)，在小孔耦合的基礎(chǔ)上利用耦合片實(shí)現(xiàn)信號(hào)的耦合。耦合片安裝在耦合頭內(nèi)部，耦合頭作為一個(gè)獨(dú)立的裝置可以根據(jù)波導(dǎo)的尺寸調(diào)整安裝位置。通過調(diào)節(jié)耦合片與波導(dǎo)的距離，耦合系數(shù)可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。利用HFSS進(jìn)行了全波電磁場(chǎng)仿真，在ISM 頻段利用BJ-26波導(dǎo)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)。該雙定向耦合器體積小，易于裝配，特別適用于大功率、雙向測(cè)量的場(chǎng)合。

　　隨著通信技術(shù)的發(fā)展，微波大功率信號(hào)在生產(chǎn)實(shí)踐方面的應(yīng)用越來越廣泛。在基站的信號(hào)發(fā)送端，峰值功率為幾百瓦甚至上千瓦的功率放大器成為基站建設(shè)的核心組件，在國防建設(shè)中，所使用的微波功率也越來越大，比如地面上的雷達(dá)功率，已經(jīng)要求達(dá)到上百瓦、甚至上千瓦。在微波能應(yīng)用設(shè)備中，常用的微波源功率可從幾十瓦到數(shù)百千瓦。一個(gè)微波信號(hào)的主要特征包括頻率和幅度兩部分。在低頻電路中，信號(hào)的大小通常通過電壓或者電流的檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)，在高頻段，電壓和電流的檢測(cè)由于波長的縮小變得非常困難，而傳輸功率則有確定的數(shù)值。故微波功率測(cè)量是最重要的微波測(cè)量內(nèi)容之一。

　　國內(nèi)外在大功率微波測(cè)量方面一直存在準(zhǔn)確性的問題，主要原因在于用于檢測(cè)的定向耦合器的設(shè)計(jì)存在衰減值不穩(wěn)定、帶寬窄、工藝難以實(shí)現(xiàn)等問題。采用混合結(jié)的耦合器由于其耦合系數(shù)固定為3dB，不適用于大功率的微波測(cè)量�，F(xiàn)有的定向耦合器主要有Bethe孔耦合器和波導(dǎo)多孔定向耦合器，Bethe孔耦合器需要主波導(dǎo)和副波導(dǎo)按一定角度斜交，在制造和應(yīng)用上很不方便，并且它只在設(shè)計(jì)頻率處工作，帶寬較窄。多孔耦合器解決了頻帶窄的問題，但是由于需要通過耦合系數(shù)滿足的響應(yīng)多項(xiàng)式來設(shè)計(jì)孔徑的大小及個(gè)數(shù)，存在可調(diào)性差、體積大、設(shè)計(jì)不方便等缺點(diǎn)。

　　本文設(shè)計(jì)了一種新型的微波大功率雙定向耦合器，采用耦合片切割磁場(chǎng)激勵(lì)電流來實(shí)現(xiàn)耦合，可以同時(shí)測(cè)量入射和反射功率。體積小，針對(duì)不同長度的波導(dǎo)可以獨(dú)立安裝;采用同軸輸出，方便后端測(cè)量;耦合系數(shù)可調(diào)，方向性好，滿足微波大功率測(cè)量的需求。

1、單孔定向耦合理論

　　本文設(shè)計(jì)的雙定向耦合器以單孔耦合為基礎(chǔ)。小孔耦合是一種較為典型的耦合方式，不需要設(shè)計(jì)額外的器件就能使能量從波導(dǎo)中耦合出來，尤其是單孔耦合，用于弱耦合情況下非常合適。一個(gè)小孔能用電和磁偶極矩組成的等效源代替�？紤]圖1的結(jié)構(gòu)，從端口1輸入TE10模。

圖1　小孔耦合示意圖

結(jié)論

　　從仿真結(jié)果可以看出，該雙定向耦合器的技術(shù)指標(biāo)全部滿足設(shè)計(jì)要求，且在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)輸入功率的實(shí)際情況，進(jìn)行耦合系數(shù)的調(diào)節(jié)。如果需要的耦合系數(shù)超出耦合片可以調(diào)節(jié)的范圍，則可以通過調(diào)整波導(dǎo)上所開小孔的尺寸進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)節(jié)，而不必重新設(shè)計(jì)耦合器。所以該雙定向耦合器使用方便，在工程實(shí)踐上有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。