謝 敏 郝萬兵 張 瑞

（西安電子工程研究所，陜西 西安 710100）

一種緊湊型寬帶功分器

謝 敏 郝萬兵 張 瑞

（西安電子工程研究所，陜西 西安 710100）

定向耦合器是一種常見的實現(xiàn)功率分配/合成的無源器件，具有隔離度高的優(yōu)點。常見的分支波導(dǎo)耦合器通過不斷增加分支數(shù)目來實現(xiàn)頻帶的展寬，雖然結(jié)構(gòu)簡單但具有尺寸隨著分支數(shù)目增加而不斷增大的缺點，在實現(xiàn)器件小型化上面有明顯不足。針對這一現(xiàn)狀，文章采取孔耦合的形式，設(shè)計了一種Ku波段3dB功分器，仿真結(jié)果顯示全頻段內(nèi)各端口的駐波均小于1.20，在12.3～17.3GHz內(nèi)幅度差不超過0.6dB，整體尺寸只有15.8×8.9×37mm，相比波導(dǎo)分支耦合器結(jié)構(gòu)上更加緊湊，具有工程應(yīng)用價值。

定向耦合器；孔耦合；Ku波段；寬頻帶；結(jié)構(gòu)緊湊

定向耦合器作為微波領(lǐng)域里一種具有方向性的耦合器件，廣泛應(yīng)用在雷達(dá)、測量與通信領(lǐng)域中，特別是諸如測試系統(tǒng)、功率分配系統(tǒng)這類射頻系統(tǒng)之中。由于是四端口器件，因此定向耦合器的輸出端口具備良好的隔離度（一般可以在20%的帶寬內(nèi)實現(xiàn) 20dB以上的隔離度）。一般地，可以將其四個端口分別定義如下：輸入端、直通端、耦合端以及隔離端。它的形式多種多樣，按照傳輸線種類，可以分為波導(dǎo)型、微帶線型、帶線型等；按照直通端和隔離端信號的傳輸方向，可以分為定向和反定向耦合器；按照耦合的方式，又可以分為孔耦合、槽縫耦合、分支波導(dǎo)耦合等[1]。其中，分支波導(dǎo)耦合器結(jié)構(gòu)簡單，通過增加分支數(shù)目就可以有效地展寬頻帶，在實際工程中被使用廣泛，但是帶來的問題是尺寸會隨之變得更大，在安裝空間有限的情況下難以滿足性能需求。本文針對這一問題，設(shè)計了一種孔耦合的波導(dǎo)定向耦合器，在性能指標(biāo)良好的前提下結(jié)構(gòu)更加緊湊，有效減小了器件的尺寸，降低了對安裝空間的要求，利于實際工程應(yīng)用。

1 Bethe孔耦合器

定向耦合器通過使兩個分開的波或者波分量，在耦合端相位相加而隔離端相位抵消，實現(xiàn)其定向性。最基礎(chǔ)的一種實現(xiàn)方式是在兩個波導(dǎo)公共寬壁上開孔，使能量從一個波導(dǎo)耦合到另一個波導(dǎo)，如圖1所示，即為Bethe孔耦合器[2]，這時可以定義端口1，2，3，4分別為輸入端、直通端、耦合端和隔離端[3]。不難看出，由于有了聯(lián)通上下兩個波導(dǎo)的小孔，所以當(dāng)信號從輸入端（端口1）輸入時，除了一部分功率直接從直通端（斷口2）輸出外，還會有一部分功率經(jīng)過小孔耦合到耦合端（端口3）輸出，卻不會從隔離端（端口4）輸出。設(shè)這四個端口的功率分別為P1、P2、P3、P4，評價定向耦合器性能的好壞可以由以下幾個指標(biāo)看出：耦合度C、方向性D、隔離度I、輸入駐波比以及工作帶寬；理想的定向耦合器主路和副路相位差90°，其中：

顯然，耦合度與方向性之和就是隔離度，因此一般用隔離度和耦合度就可以表征一個定向耦合器的性能。

圖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，通過對兩個緊貼的矩形波導(dǎo)寬壁打孔實現(xiàn)耦合。依據(jù)小孔耦合的理論知識，一個小孔可以等效為電偶極矩和磁偶極矩組成的的混合源。因此，調(diào)整這兩個等效源的相對振幅就能實現(xiàn)格隔離端口的輻射抵消、耦合端口的輻射增強，即通過控制孔徑以及小孔到窄壁的距離s就可以改變耦合度。

2 多孔定向耦合器

由于Bethe孔定向耦合器只是單孔耦合，因此一旦偏離設(shè)計頻點，其耦合度和方向性會降低，帶寬很窄。為了提高帶寬，在Bethe孔的基礎(chǔ)上采用多孔耦合形成的定向耦合器，可以明顯展寬頻帶，原理圖如圖2所示：

圖2　多孔定向耦合器

一般地，多孔定向耦合器的孔是沿波導(dǎo)縱向排列的，形狀為圓形，相鄰兩孔的中心間距 d通常選為中心頻率波導(dǎo)波長的四分之一，即d=λg0/4，這樣一來，由于存在相位差，剛好使得端口4的波相互抵消，端口3的波相互加強，實現(xiàn)了定向性。 假設(shè)有n個孔，它們的電壓耦合系數(shù)分別為a1，a2，a,3，…，an，令端口1的輸入波電壓為V，則[4]

不難發(fā)現(xiàn)，孔徑越大，單孔耦合越強，耦合度越大；而孔間距 d則會影響耦合器的定向性。因此，調(diào)整孔徑和孔間距的大小可以有效改變耦合器的性能指標(biāo)，使其達(dá)到所需的設(shè)計要求。

3 3dB定向耦合器的設(shè)計

選擇Ku頻段標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)BJ-140，尺寸是15.8×7.9mm，假設(shè)等孔徑等間距耦合，當(dāng)孔徑為6mm時單孔耦合度為-33dB，此時為了實現(xiàn)3dB耦合，由式（1）～（6）可計算出，需要的孔的個數(shù)為32個，即使采取雙排孔陣，即16對孔縱向排列，耦合器尺寸仍顯過大。可見，傳統(tǒng)的多孔耦合器更適用于弱耦合的情況[5]。

針對上述提到的問題，本文基于小孔耦合理論，設(shè)計了一種工作在Ku波段的高隔離、緊湊型功分器，為了減小器件尺寸，就應(yīng)增大單孔耦合度以減小開孔的個數(shù)。本文使用Ansoft公司的高頻電磁仿真軟件HFSS對經(jīng)過仿真發(fā)現(xiàn)，主副波導(dǎo)同時減高、孔的形狀由圓形改為矩形均對單孔耦合度有顯著提高，最終，文中的定向耦合器采用雙排矩形孔耦合的方式，如圖3所示：

圖3　Ku頻段波導(dǎo)定向耦合器

小孔耦合理論中孔的厚度未予考慮，實際中越薄耦合度越高，鑒于加工精度，設(shè)計中取厚度為1mm。通過調(diào)整相鄰兩孔的間距、孔的大小，不斷改善耦合器的性能指標(biāo)，最終采取四對八孔，整體尺寸為15.8×8.9×37mm。圖4至圖7給出了最終的仿真結(jié)果，可以看出，四個端口的駐波系數(shù)均小于1.20，在12.3～17.3GHz內(nèi)，幅度差不超過0.6dB，性能良好。

圖4　四個端口的駐波系數(shù)

圖5　直通端與耦合端的隔離度

圖6　直通端與耦合端的幅度差

圖7　直通端與耦合端的相位差

4 結(jié)束語

分支波導(dǎo)耦合器依靠增加分支個數(shù)展寬頻帶，隨之帶來的問題是器件尺寸越來越大，不利于小型化，本文針對這個問題，基于小孔耦合的理論知識，設(shè)計了一種采用孔耦合形式的波導(dǎo)定向耦合器，該設(shè)計有別于傳統(tǒng)的多孔耦合器，改圓形小孔為矩形大孔，用八個孔就實現(xiàn)了3dB的強耦合。結(jié)果顯示，該波導(dǎo)定向耦合器在整個 Ku頻段內(nèi)隔離度大于20dB，四端口駐波均小于1.20，在12.3～17.3GHz內(nèi)，幅度差不超過0.6dB，相位一致性良好。相較于波導(dǎo)分支電橋[6]，性能良好且耦合器尺寸只有 15.8×8.9×37mm，結(jié)構(gòu)上更加緊湊，對安裝空間大小的要求更低，具有工程應(yīng)用價值。

[1] Inder J Bahl.射頻與微波晶體管放大器基礎(chǔ)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013.

[2] 王文祥.微波工程技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009.

[3] 趙武品.雙脊波導(dǎo)寬帶耦合器的設(shè)計[D].合肥:安徽大學(xué), 2010.

[4] 李澤民,黃卉.微波技術(shù)基礎(chǔ)及其應(yīng)用[M].北京:北京大學(xué)出版社,2013.

[5] 曹乃勝,羅勇,王建勛.圓波導(dǎo)——矩形波導(dǎo)小孔耦合定向耦合器設(shè)計[J].強激光與粒子束,2008,20(4):637-640.

[6] 吳昌勇. X及Ka頻段功率合成研究[D].成都:電子科技大學(xué),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

謝敏（1991-），陜西西安人，西安電子工程研究所在讀研究生，研究方向為固態(tài)發(fā)射機；郝萬兵（1991-），陜西榆林人，西安電子工程研究所在讀研究生，研究方向為電子對抗技術(shù)；張瑞（1990-），陜西西安人，西安電子工程研究所在讀研究生，研究方向為相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)。