Ka波段寬帶TEd01-TEW10多孔定向耦合器的設計

　　利用小孔耦合理論，設計了一種應用于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。根據正向疊加和反向相消原則確定圓波導半徑及相鄰耦合孔間距，用MATLAB 編寫(xiě)程序對耦合度及定向性隨耦合器尺寸相關(guān)參數的變化做了數值分析。數值計算表明: 增加耦合孔數目、擴大孔半徑及減小孔厚度均可提高耦合度，而耦合孔數目的增加在工作頻帶內還可提高定向性。給出了16 孔定向耦合器尺寸優(yōu)化設計參數，并利用CST 電磁軟件對其進(jìn)行了仿真驗證，仿真結果與數值模擬近似一致，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(shí)驗表明所設計定向耦合器滿(mǎn)足設計要求。

　　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(diǎn)，在等離子體加熱、毫米波雷達、電子對抗等方面有很大的應用價(jià)值，因此在國際上備受重視。在高功率回旋行波管的研制過(guò)程中，高功率的測量既是重點(diǎn)又是難點(diǎn)。傳統的測量方法是將微波毫米波能量轉化成水負載的熱能來(lái)測量回旋行波管中的輸出功率，但是其結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(guò)孔耦合理論設計的定向耦合器是一種方向性的功率分配器，它通過(guò)一系列的小孔進(jìn)行弱耦合的方式對主線(xiàn)中傳輸的微波進(jìn)行取樣測量，具有精度高、不易受外界因素影響、安裝簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。具體的原理結構如圖1 所示，通過(guò)回旋行波管輸出的一小部分微波通過(guò)定向耦合器既可進(jìn)行功率測量，還可起到頻譜監測的作用。所以真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為設計高效、穩定的定向耦合器非常重要。目前，國內外對矩形波導—矩形波導定向耦合器的研究較為成熟，但對于圓波導—矩形波導定向耦合器的設計鮮有相關(guān)報道。本文根據項目研究的需要，對ka 波段寬頻帶的TEd01-TEW10定向耦合器進(jìn)行了研究和設計。

圖1 功率測試系統

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

　　結論

　　通過(guò)理論分析、數值計算和仿真驗證，提出了一種ka 波段TEd01-TEW10定向耦合器的設計方案。在ka波段設計出了耦合度為- 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(shí)研究了在工程可實(shí)現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計方案。最后加工了所設計的定向耦合器的樣品，并對其進(jìn)行了冷測實(shí)驗。理論計算及模擬仿真的結果與實(shí)驗結果吻合較好。以上的計算分析與仿真為回旋行波管圓波導-矩形波導定向耦合器的設計提供了理論和技術(shù)支撐。