磁耦合定向耦合器仿真設(shè)計(jì)

　　在分析波導(dǎo)中場(chǎng)模式基礎(chǔ)上，通過(guò)仿真計(jì)算和優(yōu)化，得出影響定向耦合器磁耦合的主要因素，并在此基礎(chǔ)上提出利用磁環(huán)耦合設(shè)計(jì)雙耦合度定向耦合器和可變耦合度的定向耦合器的設(shè)想。通過(guò)仿真，所得結(jié)果和理論分析相吻合，證明了設(shè)計(jì)方案的可行性。

　　波導(dǎo)定向耦合器是一種功率耦合器件，其作用在于從波導(dǎo)中取出一部分微波功率并經(jīng)檢波器變?yōu)橹绷餍盘?hào)用以監(jiān)測(cè)微波功率的大小及變化情況，在微波收﹑發(fā)信機(jī)及相關(guān)設(shè)備中是一個(gè)常用的部件。同時(shí)在不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)耦合器的耦合度有不同的要求，如果能設(shè)計(jì)出耦合度可調(diào)的耦合器將極大的方便工程應(yīng)用。本文在研究波導(dǎo)內(nèi)場(chǎng)分布的基礎(chǔ)上，利用影響磁耦合強(qiáng)度的因素，設(shè)計(jì)出了可變耦合度的定向耦合器和雙耦合度定向耦合器。

圖1　矩形波導(dǎo)中主模TE10場(chǎng)圖

1、波導(dǎo)定向耦合器設(shè)計(jì)原理

　　矩形波導(dǎo)中傳播的主模TE10模的場(chǎng)圖如圖1所示，電場(chǎng)是在兩個(gè)寬邊之間來(lái)回傳輸，磁場(chǎng)在波導(dǎo)H 面上沿著波導(dǎo)長(zhǎng)度方向傳輸。在波導(dǎo)耦合器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了避免破壞波導(dǎo)中的傳播模式，通常不會(huì)將探針直接伸入到波導(dǎo)內(nèi)部，而是通過(guò)在E面或H 面開(kāi)孔的方法，通過(guò)小孔耦合將能量耦合出來(lái)。

　　本文就是采取在H 面上開(kāi)孔方法，利用了磁場(chǎng)耦合，磁力線會(huì)耦合到小孔當(dāng)中去，且穿過(guò)耦合環(huán)。經(jīng)過(guò)多次仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)影響磁場(chǎng)耦合強(qiáng)度的主要因素是耦合環(huán)的有效面積，而改變耦合環(huán)的有效面積的方法有以下兩種：①改變耦合環(huán)的實(shí)際面積;②通過(guò)改變耦合環(huán)面與傳輸方向的夾角來(lái)改變有效面積。下面從以上兩方面來(lái)討論定向耦合器的設(shè)計(jì)。

2、雙耦合度定向耦合器設(shè)計(jì)

　　通過(guò)擴(kuò)大耦合環(huán)的面積來(lái)提高磁耦合量，從而提高耦合強(qiáng)度。也就是說(shuō)在耦合環(huán)所在平面和磁場(chǎng)方向的夾角已確定的情況下，可以通過(guò)改變耦合環(huán)的面積來(lái)得到不同的耦合強(qiáng)度。

　　如圖2所示的雙耦合度定向耦合器，兩個(gè)耦合環(huán)所在平面都與磁場(chǎng)方向垂直，其中波導(dǎo)型號(hào)為BJ100，波導(dǎo)長(zhǎng)為22mm，耦合孔的直徑為6mm，高度為9.2mm。為了在端口3和端口4分別實(shí)現(xiàn)40和50dB的耦合量，通過(guò)不斷地優(yōu)化和計(jì)算得到耦合環(huán)1和耦合環(huán)2的尺寸分別如圖3所示，圖中尺寸的單位為mm。

圖2　雙定向耦合器

圖3　耦合環(huán)1和耦合環(huán)2的尺寸

　　仿真計(jì)算結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出在8～12GHz頻率范圍內(nèi)，S31基本為-40dB。S41在8～9GHz頻率范圍內(nèi)比-50dB稍小點(diǎn)，其它頻點(diǎn)均達(dá)到指標(biāo)要求。

圖4　雙耦合度耦合器計(jì)算結(jié)果

3、可變耦合度定向耦合器設(shè)計(jì)

　　通過(guò)改變耦合磁環(huán)所在平面與磁場(chǎng)方向的夾角可以改變耦合強(qiáng)度的大小。這是因?yàn)楦鶕?jù)磁場(chǎng)耦合理論，當(dāng)耦合環(huán)所確定的平面與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，穿過(guò)耦合環(huán)的磁力線最多，耦合環(huán)耦合到的磁場(chǎng)能量最強(qiáng);當(dāng)耦合環(huán)所在平面與磁場(chǎng)方向平行時(shí)，穿過(guò)耦合環(huán)的磁力線最少，耦合耦合得到的能量最弱。也就是說(shuō)，當(dāng)耦合環(huán)所在平面和磁場(chǎng)方向的夾角從0°變化到90°時(shí)，耦合出的能量是逐漸增強(qiáng)的。

　　如圖5所示的耦合器，其中波導(dǎo)型號(hào)為BJ100，波導(dǎo)長(zhǎng)為22mm，耦合孔的直徑為6mm，高度為9.2mm，耦合環(huán)的尺寸如圖3所示，θ為耦合環(huán)所在平面和磁場(chǎng)方向的夾角。

圖5　可變耦合度耦合器正面圖和俯視圖

　　在CST MICROWAVE　STUDIO 中讓θ 在10°～90°之間變化，來(lái)驗(yàn)證角度變化對(duì)耦合強(qiáng)度的影響。計(jì)算結(jié)果如圖6所示，隨著θ的變大，耦合強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。

　　根據(jù)以上的結(jié)論，我們?cè)谠O(shè)計(jì)磁耦合環(huán)耦合器時(shí)，就可以把磁耦合環(huán)頭設(shè)計(jì)成可以旋轉(zhuǎn)的，比較簡(jiǎn)便的方法如圖7所示，就是在磁耦合環(huán)接頭的法蘭盤(pán)上打上間隔相等的孔，通過(guò)改變孔的固定位置來(lái)旋轉(zhuǎn)磁耦合環(huán)頭，這樣便可設(shè)計(jì)出耦合強(qiáng)度可調(diào)的定向耦合器。

圖6　θ變化對(duì)耦合強(qiáng)度的影響

圖7　可旋轉(zhuǎn)磁接頭外形示意圖

4、總結(jié)

　　本文在分析波導(dǎo)中場(chǎng)模式基礎(chǔ)上，通過(guò)仿真計(jì)算和優(yōu)化，得出影響定向耦合器磁耦合的主要因素，并在此基礎(chǔ)上提出利用磁環(huán)耦合設(shè)計(jì)雙耦合度定向耦合器，和可變耦合度定向耦合器的設(shè)想。通過(guò)仿真，所得結(jié)果和理論分析相吻合，證明了設(shè)計(jì)方案的可行性。