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Ka波段3dB定向耦合器的设计与仿真摘要：定向耦合器广泛地用在现代微波系统中，文中介绍了两种应用在平衡式放大器中的3dB定向耦合器。
首先对微带分支线耦合器与波导耦合器进行了理论分析，然后利用电磁仿真软件HFSS，对两种耦合器进行了建模仿真、仿真结果验证了这两种定向耦合器的可实现性，最后比较了两种耦合器的性能，并且总结了各自的特点。
关键词：Ka波段；定向耦合器；分支线耦合器；波导耦合器1 引言在微波通信系统中定向耦合器是一种用途广泛的微波器件，比如可以用在在信号发生器中的功率临视装置，以及接收机中的混频器。
另外，自动增益控制、平衡式放大器、反射计以及调相器和微波阻抗电桥等测量仪器也要用到定向耦合器。
构成定向耦合器的结构有波导、微带线、带状线、同轴线等。
因此，定向耦合器的种类很多，但是不同种类的定向耦合器差异很大。
平衡式放大器的稳定性很好，输入输出驻波也很低，而且由于良好的低噪声特性，平衡结构的放大器在微波波段的低噪声放大器中被普遍采用。
因此对于平衡式放大器中定向耦合器的研究就具有很高的现实意义。
本文对微带分支线耦合器和波导E面耦合器做了理论分析，然后利用电磁仿真软件进行了建模仿真，通过对仿真结果做了比较，最后得出结论。
2 耦合器的分析与设计(1)主要设计指标工作频带：29GHz～31GHz同波损耗：≤-20dB输出端口幅度不平衡度：≤1 dB输出端口隔离度：≤-20dB(2)分支线耦合器的分析与仿真如图1所示，分支线定向耦合器有主线、副线和两条分支线组成，其中分支线的长度和间距均为中心频率工作波长的。
设主线入口线1的特性阻抗为Z1=Z0，主线出口线2的特性阻抗Z2=Z0k(k为阻抗变换比)，副线隔离端4的特性阻抗为Z4=Z0，副线耦合端3的特性阻抗为Z3=Z0k，平行连接线的特性阻抗为ZOP，两个分支线特性阻抗分别为Zt1和Zt2。
假设输入电压信号从端口1经A点输入，则达到D点的信号有两路，一路是由分支线直达，其波行程为λg／4，另一路由A→B→C→D，波行程为3λg／4；故两条路径到达的波行程差为λg／2，相应的相位差为π，即相位相反。
第19卷 第1期太赫兹科学与电子信息学报 Vo1.19，No.12021年2月 Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Feb.，2021 文章编号：2095-4980(2021)01-0024-030.5 THz 波导双定向耦合器设计李小玲，赵广峰(中电科仪器仪表有限公司，山东 青岛 266555)摘 要：介绍了0.5 THz 波导双定向耦合器的原理分析及仿真设计。
采用双排多孔等间距不等孔径的方案，设计了0.325~0.5 THz 宽带波导双定向耦合器，并给出了仿真及测试曲线。
测试结果显示，0.5 THz 波导双定向耦合器在0.325~0.5 THz 全波导带宽内耦合度为(7.6±1) dB ，方向性大于18 dB ，输入端口回波损耗大于16 dB 。
该耦合器性能优越，已用于S 参数测试系统中。
关键词：太赫兹；双定向耦合器；小孔耦合中图分类号：TN622 文献标志码：A doi ：10.11805/TKYDA2019408Design of THz waveguide dual directional couplerLI Xiaoling，ZHAO Guangfeng(China Electronics Technology Instruments CO.,LTD，Qingdao Shandong 266555，China)Abstract：The theory and simulation of the 0.5 THz waveguide dual -directional coupler is introduced. By using scheme of double rows, equal spacing, different diameters of multiple holes, the 0.325- 0.5 THz broadband waveguide dual -directional coupler is realized, and the simulation and test curves are given. It indicates that, the coupling factor is 7.6 dB ±1 dB, the directivity is greater than 18 dB, and the return loss of the input port is greater than 16 dB. The coupler has excellent performance and has been applied to S -parameter test system.Keywords：THz；dual -directional coupler；hole coupled定向耦合器是一种具有方向性的四端口微波元件，由以耦合结构相联系的两对传输线构成，常用于功率的分配，由两路微波传输线相互耦合而成。
波导定向耦合器的设计
张清海;步顺福
【期刊名称】《原子能科学技术》
【年(卷),期】1989(000)004
【总页数】1页(P57)
【作者】张清海;步顺福
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】TN622.2
【相关文献】
1.等差方孔耦合型太赫兹波导定向耦合器设计 [J], 王颖;张斌珍;段俊萍;孙玉洁
2.圆波导-矩形波导小孔耦合定向耦合器设计 [J], 曹乃胜;罗勇;王建勋
3.高功率微波宽带波导定向耦合器设计 [J], 张翠翠; 王益; 王建忠
4.高功率微波宽带波导定向耦合器设计 [J], 张翠翠; 王益; 王建忠
5.0.5THz波导双定向耦合器设计 [J], 李小玲;赵广峰
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定向耦合器相关图片编辑词条参与讨论所属分类：基本物理概念天体物理学电子电子技术电子术语通信通信技术定向耦合器是一种通用的微波/毫米波部件，可用于信号的隔离、分离和混合，如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。
主要技术指标有方向性、驻波比、耦合度、插入损耗。
用来分配或合成微波信号功率并具有定向耦合特性的微波元件。
它是在主、副两根传输线(简称主、副线)之间设置适当的耦合结构组成的。
定向耦合器采用同轴线、带状线、微带线、金属波导或介质波导等各种型式。
耦合结构有耦合孔、耦合分支线和连续结构耦合等型式。
目录·• 工作原理·• 网络特性定向耦合器-工作原理主线中传输的功率通过多种途径耦合到副线,并互相干涉而在副线中只沿一个方向传输。
图1 图2 图3图1为矩形波导定向耦合器的三种典型耦合结构。
a是相距1/4导波长的双孔耦合;b是间距和长度都等于1/4导波长的双串联分支线耦合；c是在裂缝区域内TE和TE两种传播模式的连续耦合。
以a和b两种结构为例，从端口①输入的信号分两路耦合到副线后，朝端口④方向因行程相等而同相叠加，有输出；朝③方向则行程相差1/2导波长而反相抵消，被隔离而无输出。
图2为微带定向耦合器的两种典型的耦合结构。
a是间距和长度都等于1/4导波长的双并联的分支线耦合,b是在平行区域内电场和磁场两种结构连续耦合。
以b的结构为例,从端口①输入的信号由电场耦合在副线的两个端口上产生同相感应电压，磁场耦合则产生反相感应电压。
结果在端口④处相加而有输出，③处则抵消而呈隔离无输出。
此外,也可构成其他传输线的定向耦合器（图3）。
定向耦合器-网络特性定向耦合器可被看作为四端口网络，其特性可用散射矩阵【s】表示，即其中各端口的反射系数s ii(i=1、2、3、4)的值很小（理想值为零）,表示各端口的匹配情况；衰减系数s13=s31=s24=s42的值也很小(理想值为零)，表示隔离情况；s14=s41＝s23＝s32是耦合系数，其值根据需要而设计。
X波段窄带波导滤波器的研究摘要：文章简述了滤波器的基本原理，涉及到变形低通滤波器的原型和频率变换，提出了一种孔耦合波导谐振器滤波器的结构，设计了中心频率为9.86 GHz 的窄带滤波器，中心频率处的插入损耗小于0.5 dB，阻带的衰减特性曲线相当陡峭。
通过实验验证了该设计方法的可行性和正确性。
关键词：窄带；谐振腔；波导；滤波器微波滤波器是微波系统中的用于分离或组合各种不同频率信号的重要元件。
在雷达、微波通讯等微波系统中常常采用多工作频率，频率间隔相差比较小，相临频率之间容易发生信号的相互干扰，所以通常利用窄带滤波器进行邻频隔离。
滤波器的结构形式比较多，如同轴线、微带、波导等结构形式。
其中微带结构形式滤波器的研究成果，在各类文献中常常出现。
本文介绍的X波段窄带波导滤波器，是一种孔耦合波导谐振器滤波器。
将波导按照一定的长度分隔成波导谐振器，各个谐振器之间通过“窗口”进行信号的耦合，使部分频率信号顺利通过，实现频率选择性的特点，即滤波器。
耦合“窗口”的尺寸对滤波器的性能起到十分关键的作用。
本文应用现代网络理论对孔耦合波导滤波器进行了分析和设计，并通过HFSS仿真软件进行滤波器的验证和修正。
1理论分析带通滤波器的设计一般从集中参数低通原型出发，［4］根据实际滤波器的衰减特性曲线，选择相应的逼近函数形式，确定滤波器的节数，从而设计出低通滤波器原型电路；经过频率变换后，电路由串联谐振电路和并联谐振电路组成，实际的微波结构很难实现，因此，必须将原来的低通原形进行修改，通过阻抗变换器、K变换器或J变换器等，成为变形低通原型，然后竟频率变换，导出带通滤波器。
波导带通滤波器的常见结构形式，是用波导膜片或电感销钉作为并联电感，1/2λ的波导段作为串联谐振器，由于补偿K变换器中负传输线长度，因此其实际长度均小于1/2λ。
对于相对带宽较低的窄带滤波，在实现过程中出现难以克服的困难，通带的损耗比较大，这是微波器件一个致命的弱点，微波系统对器件插入损耗的要求越来越高。
简论一种X波段波导缝隙天线的设计与仿真的论文通信技术论文摘要:给出了波导缝隙天线设计步骤,设计一种x波段波导缝隙天线,计算了天线口径、波导数量、缝隙的单元数量、宽度、位置等参数,设计半高波导宽臂耦合谐振缝魔t和差器,在此基础上完成了天线设计。
仿真结果表明,当中心频率为12 ghz时,和波束增益为28.9 db,第一副瓣电平为-22.2 db,所设计的天线形式可获得较好的和、差波束方向图、电压驻波比和增益等参数。
关键词:波导缝隙天线; 低副瓣; 辐射缝隙; 和差器design and simulation of waveguide aperture antenna working in x-bandli gao-sheng, lu zhong-hao, liu feng, he jian-guo(college of electronic science and engineering, national university of defense technology, changsha 410073, china)abstract: the procedures for designing a waveguide aperture antenna are presented. a waveguide aperture antenna working in x-band is designed. the aperture of antenna, number of waveguide, and parameters of aperture including number, width and location are calculated. a wide-arm coupling resonant aperture magic t comparator with half-height waveguide is designed, based on which the design of the antenna is finished. simulation results indicate that gain of the sum beam is 28.9 db and the first side lobe is -22.2 db at 12 ghz. the antenna can attain good parameters such as sum and subtract pattern, voltage stand wave ratio and gain.keywords: waveguide aperture antenna; low side lobe; radiation slot; comparator0 引言随着信息化水平的提高和无线电技术的发展,对高效率、低副瓣天线的需求日渐强烈,特别是弹载、机载搜索和跟踪天线,由于早年常用的抛物面天线固有的口径遮挡,难以在这两方面有大幅度提高,不能满足日益增长的需求。
X波段波导窄边定向耦合器的设计
摘要:本文简述了波导窄边定向耦合器的基本原理及其应用。
经过理论分析、在两种形状耦合孔之间进行比较,最终选择了圆形的耦合孔,给出了电磁场软件仿真和实际测试的结果。
测量结构与仿真结果基本吻合。
通过试验验证了该设计方法的正确性。
根据本文介绍的方法,可以设计其它频率的或面耦合方式的定向耦合器。
关键词:波导窄边仿真定向耦合器
定向耦合器是一种方向选择性的微波传输器件,在微波技术中广泛应用。
它的本质是将微波信号按一定定向耦合器比例进行功率分配。
在微波系统中实现功率合成和分配,经常采用定向耦合器。
在微波大功率系统中,通过定向耦合器耦合主传输线中的部分能量,可以测量微波信号的功率、频率和频谱。
定向耦合器的结构形式是各种各样的,从传输线类型来分有波导、同轴、带线和微带定向耦合器等。
波导传输线传输损耗小功率容量大,结构简单可靠性高。
波导定向耦合器常见的耦合方式通过宽边的小孔耦合,Bethe、Collin提出小孔耦合理论奠定了波导定向耦合器的理论基础,R.Levy提出了多孔定向耦合器的实现方法。
本文采用窄边小孔耦合,多个间距1/4导波长的小孔连续耦合电磁波,因传输行程差而同相叠加或反相抵消,实现定向传输的功能,利用HFSS进行仿真,仿真中采用6个耦合孔,在窄边实现了定向耦合。
1 定向耦合器的分析
在20世纪50年代,根据Bethe小孔耦合理论,利用波导传输线实现了波导小孔耦合定向耦合器。
Bethe小孔耦合理论中小孔直径远小于波长,但远小于波长的小孔耦合的能量极其小,耦合强度相当的低,同时增加孔的直径也受到波导窄边尺寸的限制,因此,实际的耦合孔的尺寸需要合理的选择。
波导传输线的主模是TE10,耦合器的主波导和副波导均为3公分矩形波导,主副波导之间的金属壁厚为 1 mm,波导的厚度太薄其支撑强度小,容易出现波导变形。
由于耦合孔的存在会激起高次模,将耦合孔的位置离开波导输入输出端口一段距离,可以抑制高次模的输出,同时高次模的波导波长与主模的波导波长吧相当,选取合适的耦合孔的间距,也能限制高次模的耦合。
根据等间距多孔耦合理论,可以选择某一个模式的高次模在副波导中耦合,其多个耦合模相位彼此相反,互相抵消,耦合孔的间距S为:
定向耦合器耦合孔的间距,是一个重要的参数,能够保证副波导中耦合电磁波的叠加模式,即正传输方向相位相同叠加,反向相位相反抵消。
在波导的窄边上,TE10模的电场分量最小,此处的磁场分量最强,通过窄边小孔一般是磁场耦合,耦合的电磁场的近似解为:
其中为0阶第一类贝塞尔函数的导数的第n个根,r1为孔的半径。
主线中电磁场在传输过程中通过多个小孔耦合到副波导中,传输的路径也是相应多种途径,耦合到副波导中,各电磁场并互相干涉,在某一个方向上同相叠加有输出,另一个方向反相抵消五输出。
最为典型的是相距1/4导波长的双孔耦合,从主波导输入的信号分两路耦合到副波导中,与主波导同方向的端口,因电磁波传播路程相等,同相叠加有输出,另一个端口,电磁波传输的路程相差1/2导波长,反相抵消没有输出。
有输出端称为耦合端,无输出端称为隔离端。
理想情况下隔离端是没有功率输出的,但是小孔的尺寸并非远小于波长,由于孔的尺寸造成电磁场传输路径差有偏差,在隔离端不是理想的反相而有信号输出,显然,隔离输出的功率期望小一点。
2 定向耦合器的设计
波导定向耦合器采用窄边的小孔耦合,耦合孔可以看成小天线,在副波导内形成近场,受到复杂边界条件的影响,数学上是很难得到精确地解,可以将耦合孔等效为电偶极子和磁偶极子的组合体,可以视为小天线,在副波导中产生近区场,多个小天线产生的场互相叠加,同相增强反相抵消,耦合孔的间距决定了相邻场的相位差。
耦合孔的间距可以采取等间距的方式,耦合孔间距的确定是波导定向耦合器的重要设计内容。
本设计的波导为X波段,其中心频率为10 GHz,选用标准矩形波
导,其主模的波导波长及高次模的波导波长可以计算得到。
在孔等间距分布条件下,根据小孔耦合理论可以得到耦合孔的直径。
波导定向耦合器大多采用宽边孔耦合的方式,窄边耦合的方式比较少。
在本设计中两个平行的X波导,两波导窄边相连,波导之间分隔的金属壁为1 mm,在金属壁上设计了6个耦合孔,耦合孔的形式有两种:一种为方孔;另一种为圆孔。
耦合孔的间距为9.94 mm,方孔的尺寸为4×4,4×6,4×8三种情况,圆孔的半径为3、3.5、4,单位长度均为mm。
然后对数据进行比较,在参考较好的技术指标,对其尺寸进行适当的修改。
耦合孔的尺寸应该不在小孔的范畴,但现有的理论已经对大孔耦合做了详细的分析。
对于微波器件普遍存在着理论计算与实际结果之间的误差。
即时理论结果非常精确,但实际生产制造过程中有众多的影响因素,很难实现理论分析的结果。
通过实际的研究调试过程中,需要对器件的尺寸进行反复的修改,同时可以采用电磁场仿真软件,对设计的定向耦合器的理论数值进行仿真,在仿真过程中进行验证。
在软件中建立定向耦合器的腔体,将腔体的内表面定义为理想的导体面,两个波导均为标准X波导,长度为100 mm,公共壁为波导的窄边,设计的尺寸经过仿真得到其耦合结果,耦合孔的大小对耦合度影响比较大,耦合孔的间距会影响到隔离度。
3 定向耦合器的结果
X波段的波导口径为22.86×10.16,工作频率为9 GHz～11 GHz,理论设计的结果只是近似的值,在电磁场软件仿真中建模后,还需要通过大量的实验进行检验,对理论结果和仿真结果进行比较分析,可以指导实际的定向耦合器的元件加工尺寸,通过分析仪可以进行实物的测量、调试和修改设计尺寸,最终达到预定的技术指标。
在仿真过程中,对定向耦合器的模型,不断修改结构尺寸,经过多次计算,最终得到的结果如图1所示。
根据设计的结果,进行结构件的加工并试,在加工过程中解决了波导口径形变的问题,最终在网络分析仪上进行测量,实验表明,圆形的耦合孔在加工上比较方便,易于实现,且性能也比较好。
其测量结果见表1。
比较仿真结果与测量结果:耦合度两者均为17 dB左右,稍有一点偏差,方向性和端口的驻波系数有一定的差别,但总体趋势相同,其测量结构与理论分析的结果基本吻合。
本文介绍了X波段波导窄边定向耦合器,在两种形状耦合孔之间进行比较,最终选择了圆形的耦合孔,通过机械加工完成定向耦合器的功能,经过实际测量并且与仿真结果比较,测量结构与仿真结果基本相
同。
充分证明了该设计方法的正确性和可行性,具有十分重大的工程使用价值。
参考文献
[1] Janzen G,Stickel H．Multihole couplers for overmoded waveguide systems[R]．Stuttgart:University of Stuttgart,1983.
[2] 王抗美.基于C波段的E形微带天线的仿真计算[J].大学物理实验,2011.。
