Ka波段寬帶TEd01-TEW10多孔定向耦合器的設(shè)計

　　利用小孔耦合理論，設(shè)計了一種應(yīng)用于Ka 波段回旋放大管輸出功率和頻譜測量的TEd01-TEW10多孔陣列定向耦合器。根據(jù)正向疊加和反向相消原則確定圓波導(dǎo)半徑及相鄰耦合孔間距，用MATLAB 編寫程序?qū)︸詈隙燃岸ㄏ蛐噪S耦合器尺寸相關(guān)參數(shù)的變化做了數(shù)值分析。數(shù)值計算表明: 增加耦合孔數(shù)目、擴大孔半徑及減小孔厚度均可提高耦合度，而耦合孔數(shù)目的增加在工作頻帶內(nèi)還可提高定向性。給出了16 孔定向耦合器尺寸優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，并利用CST 電磁軟件對其進行了仿真驗證，仿真結(jié)果與數(shù)值模擬近似一致，其耦合度為- 35 ± 0. 9 dB，定向性高于24 dB，帶寬高達6 GHz。冷測實驗表明所設(shè)計定向耦合器滿足設(shè)計要求。

　　回旋行波管是一種大功率、寬頻帶的微波毫米波放大器，具有高功率、寬頻帶的特點，在等離子體加熱、毫米波雷達、電子對抗等方面有很大的應(yīng)用價值，因此在國際上備受重視。在高功率回旋行波管的研制過程中，高功率的測量既是重點又是難點。傳統(tǒng)的測量方法是將微波毫米波能量轉(zhuǎn)化成水負載的熱能來測量回旋行波管中的輸出功率，但是其結(jié)果容易受測量裝置的水壓、流量以及環(huán)境溫度等因素的影響。通過孔耦合理論設(shè)計的定向耦合器是一種方向性的功率分配器，它通過一系列的小孔進行弱耦合的方式對主線中傳輸?shù)奈⒉ㄟM行取樣測量，具有精度高、不易受外界因素影響、安裝簡便的特點。具體的原理結(jié)構(gòu)如圖1 所示，通過回旋行波管輸出的一小部分微波通過定向耦合器既可進行功率測量，還可起到頻譜監(jiān)測的作用。所以真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為設(shè)計高效、穩(wěn)定的定向耦合器非常重要。目前，國內(nèi)外對矩形波導(dǎo)—矩形波導(dǎo)定向耦合器的研究較為成熟，但對于圓波導(dǎo)—矩形波導(dǎo)定向耦合器的設(shè)計鮮有相關(guān)報道。本文根據(jù)項目研究的需要，對ka 波段寬頻帶的TEd01-TEW10定向耦合器進行了研究和設(shè)計。

圖1 功率測試系統(tǒng)

　　首先利用小孔耦合理論，通過MATLAB 數(shù)值計算，對ka 波段TEd01-TEW10多孔陣列定向耦合器的幾何尺寸進行計算分析�？紤]到設(shè)計指標，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對耦合度及定向性的影響。其次，利用CST 三維仿真軟件對數(shù)值計算結(jié)果進行驗證，最后，加工了樣品，進行實驗驗證。

　　結(jié)論

　　通過理論分析、數(shù)值計算和仿真驗證，提出了一種ka 波段TEd01-TEW10定向耦合器的設(shè)計方案。在ka波段設(shè)計出了耦合度為- 35 ± 0. 9 dB，定向性高于24 dB，帶寬高達6 GHz 的高性能寬帶TEd01-TEW10多孔定向耦合器; 同時研究了在工程可實現(xiàn)最小尺寸的情況下提高定向性的方法; 其次分析了耦合孔半徑和厚度的變化對耦合度指標的影響，并給出了一種定向耦合器的設(shè)計方案。最后加工了所設(shè)計的定向耦合器的樣品，并對其進行了冷測實驗。理論計算及模擬仿真的結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。以上的計算分析與仿真為回旋行波管圓波導(dǎo)-矩形波導(dǎo)定向耦合器的設(shè)計提供了理論和技術(shù)支撐。