一种紧凑型宽带功分器

谢 敏 郝万兵 张 瑞

（西安电子工程研究所，陕西 西安 710100）

一种紧凑型宽带功分器

谢 敏 郝万兵 张 瑞

（西安电子工程研究所，陕西 西安 710100）

定向耦合器是一种常见的实现功率分配/合成的无源器件，具有隔离度高的优点。常见的分支波导耦合器通过不断增加分支数目来实现频带的展宽，虽然结构简单但具有尺寸随着分支数目增加而不断增大的缺点，在实现器件小型化上面有明显不足。针对这一现状，文章采取孔耦合的形式，设计了一种Ku波段3dB功分器，仿真结果显示全频段内各端口的驻波均小于1.20，在12.3～17.3GHz内幅度差不超过0.6dB，整体尺寸只有15.8×8.9×37mm，相比波导分支耦合器结构上更加紧凑，具有工程应用价值。

定向耦合器；孔耦合；Ku波段；宽频带；结构紧凑

定向耦合器作为微波领域里一种具有方向性的耦合器件，广泛应用在雷达、测量与通信领域中，特别是诸如测试系统、功率分配系统这类射频系统之中。由于是四端口器件，因此定向耦合器的输出端口具备良好的隔离度（一般可以在20%的带宽内实现 20dB以上的隔离度）。一般地，可以将其四个端口分别定义如下：输入端、直通端、耦合端以及隔离端。它的形式多种多样，按照传输线种类，可以分为波导型、微带线型、带线型等；按照直通端和隔离端信号的传输方向，可以分为定向和反定向耦合器；按照耦合的方式，又可以分为孔耦合、槽缝耦合、分支波导耦合等[1]。其中，分支波导耦合器结构简单，通过增加分支数目就可以有效地展宽频带，在实际工程中被使用广泛，但是带来的问题是尺寸会随之变得更大，在安装空间有限的情况下难以满足性能需求。本文针对这一问题，设计了一种孔耦合的波导定向耦合器，在性能指标良好的前提下结构更加紧凑，有效减小了器件的尺寸，降低了对安装空间的要求，利于实际工程应用。

1 Bethe孔耦合器

定向耦合器通过使两个分开的波或者波分量，在耦合端相位相加而隔离端相位抵消，实现其定向性。最基础的一种实现方式是在两个波导公共宽壁上开孔，使能量从一个波导耦合到另一个波导，如图1所示，即为Bethe孔耦合器[2]，这时可以定义端口1，2，3，4分别为输入端、直通端、耦合端和隔离端[3]。不难看出，由于有了联通上下两个波导的小孔，所以当信号从输入端（端口1）输入时，除了一部分功率直接从直通端（断口2）输出外，还会有一部分功率经过小孔耦合到耦合端（端口3）输出，却不会从隔离端（端口4）输出。设这四个端口的功率分别为P1、P2、P3、P4，评价定向耦合器性能的好坏可以由以下几个指标看出：耦合度C、方向性D、隔离度I、输入驻波比以及工作带宽；理想的定向耦合器主路和副路相位差90°，其中：

显然，耦合度与方向性之和就是隔离度，因此一般用隔离度和耦合度就可以表征一个定向耦合器的性能。

图1　Bethe孔耦合器

1944年，Bethe H A[4]首次提出了小孔耦合器的形式，通过对两个紧贴的矩形波导宽壁打孔实现耦合。依据小孔耦合的理论知识，一个小孔可以等效为电偶极矩和磁偶极矩组成的的混合源。因此，调整这两个等效源的相对振幅就能实现格隔离端口的辐射抵消、耦合端口的辐射增强，即通过控制孔径以及小孔到窄壁的距离s就可以改变耦合度。

2 多孔定向耦合器

由于Bethe孔定向耦合器只是单孔耦合，因此一旦偏离设计频点，其耦合度和方向性会降低，带宽很窄。为了提高带宽，在Bethe孔的基础上采用多孔耦合形成的定向耦合器，可以明显展宽频带，原理图如图2所示：

图2　多孔定向耦合器

一般地，多孔定向耦合器的孔是沿波导纵向排列的，形状为圆形，相邻两孔的中心间距 d通常选为中心频率波导波长的四分之一，即d=λg0/4，这样一来，由于存在相位差，刚好使得端口4的波相互抵消，端口3的波相互加强，实现了定向性。 假设有n个孔，它们的电压耦合系数分别为a1，a2，a,3，…，an，令端口1的输入波电压为V，则[4]

不难发现，孔径越大，单孔耦合越强，耦合度越大；而孔间距 d则会影响耦合器的定向性。因此，调整孔径和孔间距的大小可以有效改变耦合器的性能指标，使其达到所需的设计要求。

3 3dB定向耦合器的设计

选择Ku频段标准波导BJ-140，尺寸是15.8×7.9mm，假设等孔径等间距耦合，当孔径为6mm时单孔耦合度为-33dB，此时为了实现3dB耦合，由式（1）～（6）可计算出，需要的孔的个数为32个，即使采取双排孔阵，即16对孔纵向排列，耦合器尺寸仍显过大。可见，传统的多孔耦合器更适用于弱耦合的情况[5]。

针对上述提到的问题，本文基于小孔耦合理论，设计了一种工作在Ku波段的高隔离、紧凑型功分器，为了减小器件尺寸，就应增大单孔耦合度以减小开孔的个数。本文使用Ansoft公司的高频电磁仿真软件HFSS对经过仿真发现，主副波导同时减高、孔的形状由圆形改为矩形均对单孔耦合度有显著提高，最终，文中的定向耦合器采用双排矩形孔耦合的方式，如图3所示：

图3　Ku频段波导定向耦合器

小孔耦合理论中孔的厚度未予考虑，实际中越薄耦合度越高，鉴于加工精度，设计中取厚度为1mm。通过调整相邻两孔的间距、孔的大小，不断改善耦合器的性能指标，最终采取四对八孔，整体尺寸为15.8×8.9×37mm。图4至图7给出了最终的仿真结果，可以看出，四个端口的驻波系数均小于1.20，在12.3～17.3GHz内，幅度差不超过0.6dB，性能良好。

图4　四个端口的驻波系数

图5　直通端与耦合端的隔离度

图6　直通端与耦合端的幅度差

图7　直通端与耦合端的相位差

4 结束语

分支波导耦合器依靠增加分支个数展宽频带，随之带来的问题是器件尺寸越来越大，不利于小型化，本文针对这个问题，基于小孔耦合的理论知识，设计了一种采用孔耦合形式的波导定向耦合器，该设计有别于传统的多孔耦合器，改圆形小孔为矩形大孔，用八个孔就实现了3dB的强耦合。结果显示，该波导定向耦合器在整个 Ku频段内隔离度大于20dB，四端口驻波均小于1.20，在12.3～17.3GHz内，幅度差不超过0.6dB，相位一致性良好。相较于波导分支电桥[6]，性能良好且耦合器尺寸只有 15.8×8.9×37mm，结构上更加紧凑，对安装空间大小的要求更低，具有工程应用价值。

[1] Inder J Bahl.射频与微波晶体管放大器基础[M].北京:电子工业出版社,2013.

[2] 王文祥.微波工程技术[M].北京:国防工业出版社,2009.

[3] 赵武品.双脊波导宽带耦合器的设计[D].合肥:安徽大学, 2010.

[4] 李泽民,黄卉.微波技术基础及其应用[M].北京:北京大学出版社,2013.

[5] 曹乃胜,罗勇,王建勋.圆波导——矩形波导小孔耦合定向耦合器设计[J].强激光与粒子束,2008,20(4):637-640.

[6] 吴昌勇. X及Ka频段功率合成研究[D].成都:电子科技大学,2010.

A compact and wide-band power divider

The directional coupler is a common passive device with high isolation, which is used as power divider/combiner. One of them is branch waveguide coupler and its bandwidth can be broadened by increasing the number of branches conveniently, but add to size at the same time. Aiming to such a situation, a 3dB divider at Ku-band with hole coupling is designed in this paper. Simulation shows that VSWR is less than 1.20 at Ku-band and amplitude inbalance is less than 0.6dB in 12.3 ～17.3GHz, good performances as well as compact structure of 15.8×8.9×37mm makes it superior to branch waveguide coupler in project application.

Directional coupler; hole coupling; Ku-band; wide band; compact structure

TN62

A

1008-1151(2015)12-0021-02

2015-11-13

谢敏（1991-），陕西西安人，西安电子工程研究所在读研究生，研究方向为固态发射机；郝万兵（1991-），陕西榆林人，西安电子工程研究所在读研究生，研究方向为电子对抗技术；张瑞（1990-），陕西西安人，西安电子工程研究所在读研究生，研究方向为相控阵雷达技术。