X波段宽带圆波导耦合器设计

张立刚，宋志敏，李小泽，宁 齐，梁 旭

（西北核技术研究所，西安710024）

X波段宽带圆波导耦合器设计

张立刚，宋志敏，李小泽，宁 齐，梁 旭

（西北核技术研究所，西安710024）

根据实际应用需求，设计了一种X波段宽带圆波导耦合器。通过理论计算与数值模拟优化，实现频率9.3 GHz时，耦合度约为－71.2 d B；频率范围为9～10 GHz时，耦合曲线平坦度小于0.3 dB，可显著降低微波功率测量不确定度。为了提高耦合器的功率容量，对结构进行了改进，在耦合孔处进行了倒圆角处理。倒圆角半径为1 mm时，耦合孔最高场强降低了52%，功率容量得到提高。

X波段；高功率微波；微波测量；耦合器

高功率微波（high power microwave，HPM）具有峰值功率高（GW级）、脉冲宽度窄、模式复杂等特点［1 2］，常规的微波测量诊断装置不能直接用于高功率微波测量，不能满足高功率微波的测量需求，而高功率微波在线测量系统能够实时监测HPM源输出功率，已成为HPM测量中必不可少的功率诊断手段之一。

高功率微波在线测量系统结构如图1所示，其工作原理为：HPM源产生TM01模式的微波在圆波导传输线中传输，耦合孔耦合一部分功率进入BJ100标准矩形波导，并激励起TE10模式的取样微波，在耦合端口处测量取样微波的功率，经过计算得到圆波导传输线中HPM功率。

圆波导耦合器是HPM在线测量系统中的核心部件。理论分析、数值模拟及实验研究都已证明，HPM产生器件输出的微波频率随电子束二极管电压、谐振腔反射器尺寸、引导磁场等参数变化［1 2］。以往设计的耦合器，采用不同孔径等间距分布，方向性好，但其耦合曲线在所需带宽内平坦度大于2 dB［4- 12］，在实际应用中会增大微波功率的测量不确定度。本文采用等孔径，调节孔间距，设计并研制耦合曲线平坦度更优的宽带耦合器，以期提高实验测量数据的可信度。同时，在匹配端口采用波导衰减器和匹配负载，以降低耦合器的方向性指标要求。

图1 高功率微波在线测量系统结构示意图Fig.1 Schematic of HPM online measurement system

1 X波段宽带圆波导耦合器设计

1.1 理论设计

X波段圆波导耦合器结构如图2所示。

图2 X波段圆波导耦合器结构图Fig.2 The structure of the coupler

X波段宽带圆波导耦合器主体结构为圆波导，直径49.5 mm，副波导为BJ100矩形波导。采用相同孔径，主波导和副波导通过耦合孔连接。在圆波导中心位置上对称设置耦合孔，耦合孔半径r1均为3.2 mm，孔间距为d1，d2，d3，孔高度为t，小孔倒圆角半径r0，耦合器长度为l，耦合器设计中心频率为9.3 GHz。

用小孔耦合理论计算矩形波导和圆波导之间耦合，多孔视为单孔的叠加，用小孔耦合理论和相位叠加原理计算多孔耦合器耦合度。

由文献［3］得出多孔耦合器耦合度C：

其中，a＋k为正向波耦合幅度；dk为孔间距；β1、β2分别为主波导和副波导的波数；θ＋k为正向波的相位差。

在频率9～10 GHz内，采用式（1）和式（2）计算不同耦合孔数下耦合曲线随间距的变化，可以得到耦合曲线平坦度结果，如表1所列。

表1 平坦度随耦合孔数的变化Tab.1 Flatness vs.number of holes

由表1可见：在耦合孔数为6时，耦合曲线平坦度＜0.3 dB，可满足使用要求。图3为耦合曲线平坦度随耦合孔数变化情况，从图中可以看出，随着耦合孔数的增加，耦合曲线变得平坦，但耦合孔数增加会相应增大工程难度。综合考虑，选择耦合孔数为6。

图3 不同耦合孔数下，耦合度随频率的变化Fig.3 Coupling coefficient vs.frequency at different number of holes

对6孔耦合器计算结果进行数值模拟验证，结果如图4所示。从图中可以看到，数值模拟与理论计算结果符合得较好。

图4 理论与数值模拟计算结果对比Fig.4 Comparison between theoretical and simulation results

1.2 场强分析

耦合孔处的结构突变，容易引起局部电场过高，导致击穿。因此，耦合器设计需要考虑耦合孔内的场分布。利用数值模拟计算了耦合孔处场强。为了降低耦合孔处场强，耦合孔与圆波导连接处采取倒圆角处理。图5给出了耦合孔场强随倒圆角半径的变化情况。从图5可以看出，在耦合孔处，随着倒圆角半径的增大，耦合孔处场强逐渐降低。不倒角时，场强最大值达到1.1 MV·cm－1。当倒圆角半径为1 mm时，场强降低到573 k V·cm－1，耦合孔最高场强降低了52%，低于X波段ns级脉冲宽度HPM的击穿阈值，因此能避免击穿。

图5 6孔耦合器耦合孔处场强随倒圆角半径的变化Fig.5 Electric field strength vs.chamfering radius

对倒圆角后的圆波导耦合器进行了数值模拟，其耦合曲线平坦度变化较小，如图6所示。

1.3 结构优化结果

通过理论计算与数值模拟，确定优化的耦合器结构参数如表2所列。计算得到的耦合度曲线和隔离度曲线如图7所示。从图中可以看到，频率为9.3 GHz时，耦合度约为－71.2 d B，方向性约为11 d B。在频率9～10 GHz内，平坦度小于0.3 dB。

图6 耦合曲线随倒圆角半径的变化Fig.6 Coupling coefficient vs.chamfering radius

表2 圆波导耦合器的优化尺寸Tab.2 Optimized dimensions of circular waveguide coupler mm

图7 优化后6孔耦合器耦合曲线及隔离度曲线Fig.7 Curves of coupling coefficient and isolation

随着HPM产生器件功率水平的不断提高，器件的功率容量成为限制其使用的重要因素。优化设计后的耦合器，功率容量得到提高，能够在高功率微波在线测量系统中使用。

2结论

通过对已有圆波导耦合器的深入研究，提出了一种新型X波段宽带圆波导耦合器。采用等孔径不等间距分布，实现频率9.3 GHz时，耦合度为－71.2 dB，频率为9～10 GHz时，耦合度曲线平坦度小于0.3 d B，远小于已有圆波导耦合器的平坦度，能够满足使用需求。同时，耦合孔处进行倒圆角后，其场强显著降低，有利于提高功率容量。该耦合器设计方法可以拓展应用到其他波段的耦合器设计。

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Design of a Broad Band Circular Waveguide Coupler at X-Band

ZHANG Li-gang，SONG Zhi-min，LI Xiao-ze，Ning Qi，LIANG Xu
（Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi'an 710024，China）

An improved structure of circular waveguide coupler with high power handling capacity was designed for online measurement of the power of high power microwave.Based on multi-hole coupling theory，a broad band coupler with optimized distance and sizes is presented.At 9.3 GHz，the coupling coefficient is－71.2 dB.The flatness is better than 0.3 d B at 9～10 GHz.The structure is modified with a chamferred radius of 1 mm.The peak electrical field decreases by 52%，which is beneficial for high power capacity.

X-band；HPM；microwave measurement；coupler

TN820.5

A

2095- 6223（2015）02- 098- 04