X波段高功率宽带波导定向耦合器设计

季彦婷,赵 腊,朱乙平,简 玲

(1.中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153；2. 海军驻南京地区雷达系统军事代表室,南京210003)

X波段高功率宽带波导定向耦合器设计

季彦婷1,赵 腊2,朱乙平1,简 玲1

(1.中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153；2. 海军驻南京地区雷达系统军事代表室,南京210003)

给出了一种X波段高功率宽带波导定向耦合器的工程设计方法。通过高频结构优化软件仿真,给出了影响耦合度指标的主要尺寸变化规律。仿真设计结果为：在f0±350 MHz内耦合度61 dB,带内起伏0.5 dB,方向性大于20 dB。

定向耦合器；宽带；波导

0 引 言

在雷达、通信中,定向耦合器将所传输高频信号的能量耦合出一部分用来监测发射机的功率、频率和频谱,也用于测量元器件和馈线系统的反射系数、插入损耗等。目前,针对不同应用,已经设计制造出了各种形式的定向耦合器,当十字波导定向耦合器的耦合度45 dB左右时,具有耦合度频响特性好和结构简单、可靠等特点而获得了日益广泛的应用。但是,随着频率的提高,如在X波段,耦合度为61 dB十字波导定向耦合器的耦合元件尺寸变得很小,结构制造很难保证尺寸公差要求,耦合度频响特性也变差。本文给出了一种X波段高功率宽带波导定向耦合器的工程设计方法,耦合度为61 dB时设计的耦合元件尺寸便于制造,公差对耦合度的影响度很小,适合工程研制[1-2]。

1 工程设计

1.1 基本理论

十字波导定向耦合器是由两根波导宽壁相互垂直相交的波导组成,如图1所示。图中,端口1和端口2属于一条传输线称为主线,端口3和端口4属于另一条传输线称为副线,主线与副线之间由两个互相正交的狭槽构成的耦合元件实现彼此耦合。此耦合元由两个互相正交的狭槽构成,两槽中心位于方形的对角线上,因此与作为主副传输线的波导窄壁的距离都等于X0。理想的定向耦合器,当主线中电磁波由端口1向端口2传输时,如端口2、3、4均接匹配负载则端口4无输出而端口3有输出；当电磁波由端口2向端口1传输时,如端口1、3、4均接匹配负载,则端口3无输出而端口4有输出,副线传输方向取决于主线传输方向,而且端口1和4及端口2和3分别是彼此隔离的。十字波导定向耦合器的主要技术参数包括耦合度C、方向性D和耐功率等指标。耦合度C是指主线输入功率P1与副线输出功率P3之比,用“dB”作单位,则

如果2、3、4各路端口均接匹配负载,且主线和副线的等效阻抗Zc相等,则

方向性D就是当主线输入功率P1时副线输出功率P3与P4之比,用“dB”作单位,则

(2)

式中S14为散射参量,定义为1、4两端口间的传输系数。

因为槽孔的尺寸远小于波长,所以当功率由主波导端口1输入而其他各端口均接匹配负载时,根据小孔电磁波耦合原理[1],得出S13和S14为

(5)

(6)

图1 十字波导定向耦合器原理图

图2 耦合狭槽

(7)

1.2 工程设计

需要设计的X波段十字波导定向耦合器的技术要求如下：

主传输线为波导BJ84,副传输线为波导BJ100,在f0±350 MHz内耦合度61 dB,带内起伏小于0.5 dB,方向性大于20 dB。在设计十字波导定向耦合器时,需要对X0、l、δ、d四个主要尺寸做多次选择,并代入式(1)进行试探性计算,其中X0=3.8 mm、l=3 mm、δ=1.6 mm、d=0.15 mm这组尺寸较合适,能够满足设计要求。

工程设计主要步骤为：

工作频段的中心频率波长λ=35 mm,主波导的口径a×b=28.5 mm×12.6 mm,X0=3.8 mm,l=3 mm,δ=1.6 mm,d=0.15 mm。

先由式(5)求耦合度C：

然后代入式(1)求C进行比对：

由式(5)和式(1)计算的结果基本一致。因此,在今后的设计中,对于槽壁δ较小的耦合器,可用式(5)简单而正确地计算耦合度C。

由式(2)求出方向性D：

十字波导定向耦合器的功率容量就是主波导的功率容量。对于空气矩形波导来说,功率容量可用下式计算：

经验证明,矩形波导允许的功率容量为

2 优化设计

在十字波导定向耦合器槽缝位置、槽缝长度、槽缝宽度以及共用波导壁的厚度等主要结构尺寸初步计算设计的基础上,通过高频结构仿真软件进行优化。HFSS模型如图3所示,其中X0、l、δ、d四个参数要设为变量,分析主要尺寸变化对性能的影响规律。

图3 优化设计HFSS模型

最终得到的结果是：当X0=3.9 mm、l=3.1 mm、δ=1.6 mm、d=0.15 mm时,在工作频段内的驻波小于1.005,损耗小于0.001 dB,耦合度为61±0.3 dB(如图4所示),隔离度大于83 dB(如图5所示)。方向性为耦合度和隔离度差值的绝对值,仿真的结果约为22 dB。需要说明的是,方向性的仿真值与理论计算值差距较大,这是因为在理论计算时,假设理想情况下副线中耦合口输出时隔离口无输出,但实际上是有输出的,难以达到理想的隔离。

图4 耦合度

图5 隔离度

十字波导定向耦合器主要尺寸变化对性能的影响规律为：槽缝远离波导窄边即X0增大,耦合量变小(如图6所示),隔离度增大；槽缝长度变长,耦合量会增大(如图7所示),而对隔离度的影响较小；增大槽缝宽度,耦合量会增大,隔离度变小；主副波导间共用波导壁的厚度增加,耦合量减小,隔离度增大。通过对副波导端口4加载变化对耦合度的影响进行分析,发现端口4匹配程度对十字波导定向耦合器的耦合度影响很大,当端口4加载驻波为1.2的失匹负载时, 耦合度减少1 dB,如图8所示。

图6 X0增大0.2 mm耦合度

图7 x轴头尾各加宽0.1 mm耦合器度

图8 端口4加载失匹负载(驻波1.2)时耦合度

3 结束语

本文给出了一种X波段高功率十字波导定向耦合器工程设计。该耦合器具有高方向性、宽频带、耐高功率和调试方便等特点。仿真设计结果表明,其电性能良好,满足设计要求。本文的设计方法为以后工程应用提供了参考。

[1] 范树礼．微波元件与测量[M]．北京：人民邮电出版社,1976：164-174.

[2] 北京邮电学院微波专业．微波技术基础(下册)[M]．北京：人民邮电出版社,1976：126-132.

Design of an X-band high-power wideband waveguide directional coupler

JI Yan-ting1, ZHAO La2, ZHU Yi-ping1, JIAN Ling1

(1.No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153; 2. Military Representatives Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003)

An X-band high-power wideband waveguide directional coupler is designed. The main change rules of the size that affect the coupling degree are given through the simulation of the HF optimum structural software. The simulation results indicate that the coupling degree is 61 dB, the in-band fluctuation is 0.5 dB, and the directivity is more than 20 dB when f0 is within the range of 350 MHz.

directional coupler; wideband; waveguide

2014-09-20；

2014-10-12

季彦婷(1983-),女,工程师,工程硕士,研究方向：微波技术；赵腊(1986-),男,工程师,硕士,研究方向：数字信号处理；朱乙平(1965-),男,高级工程师,硕士,研究方向：天线微波技术；简玲(1980-),女,工程师,硕士,研究方向：天线技术。

TN814

A

1009-0401(2014)04-0050-04