双脊波导宽带耦合器的设计

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1、双脊波导宽带耦合器的设计II第一章引言第一章引言1.1研究背景与意义定向耦合器是无线发射设备不可缺少的基本部件，它是调频多工器的重要组成部分，定向耦合器常被装在调频发射机各级的输入、输出端的同轴线路中，用来提供测量、监视信号，分别实现输出功率和反射功率的取样、读值和相应的控制功能，所以定向耦合器的性能优劣直接与广播信号的播出质量和广播发射机设[1]备运行安全性有关。除此之外,定向耦合器还可以用于功率放大器输出驻波比[2]的测试、用于GTEM室（GH横电磁波抗扰度测试系统）探头校准、采用自动z补偿法测试磁控管大功率等。目前国内市场上最常见到的是矩形波导和耦合线型定向耦合器，而且种类

2、繁多,研究比较成熟。但是系统化对双脊波导耦合器的设计研究比较少。双脊波导和矩形波导相比，相同截面尺寸情况下双脊波导具有更宽的单模工作带宽，因此可以预见将双脊波导应用于定向耦合器的设计比矩形波导有更好的带宽优势。鉴于这些，相信国内外对双脊波导定向耦合器的研究会越来越多。[2-4]定向耦合器在微波系统中应用十分广泛，下面参考一些应用文献列举耦合器的一些具体应用：A：在信号监视方面的应用见图1.1所示左端是设备的信号源，右端是连接的负载，在电源与负载之间插入一个定向耦合器可以用来监视信号，由于频率计或功率计一般不能直接测量信号源的信号，定向耦合器的作用是从信号源中耦合出部分功率到频率计

3、或功率计进行测量，如果在耦合端接频率计，则可以作频率检测。若用双定向耦合器可以同时测出电源输出功率和负载反射功率如图1.2，因而此系统也可以用来作电压驻波系数的测量。所以在信号检测、功率测量、频率检测方面定向耦合器的应用是必不可少的。1双脊波导宽带耦合器的设计图1.1频率或功率监视图1.2入射和反射测量B：定向耦合器在扩展功率量程方面的应用由于定向耦合器具有能承担较大功率的特点，所以，在微波传输系统中，定向耦合器通常还用来为小功率计扩大量程，以便于能够测量更大功率。如图1.3所示，在定向耦合器的副臂端接上小功率计，在定向耦合器的主臂端接上大功率50欧姆匹配负载。根据耦合器的定义，

4、当主臂接上无反射匹配负载时，其副臂端口仅耦合了信号的部分输入功率。根据已知的耦合度，可以由副臂功率计读数计算出输入信号的大小，从而达到利用小功率计测量较大功率的目的。此种方法在测量雷达、导航定位系统、通讯系统发射机大功率时颇为有用。市场上大部分的耦合器采用的结构形式主要有矩形波导、圆波导、同轴线、微带等等，而且发展很快。脊波导相比于矩形波导，由于脊的存在是波导结构和场分布发生了变化，使其主模工作带宽展宽不少，特性阻抗变得也比矩形波导低很多，所以脊形波导不仅具有带宽的优势，同时与同轴线连接时也有阻抗匹配的优势。虽然对于脊波导的研究不多，但是鉴于脊波导在频带方面的优势，2第一章引言目

5、前对于脊波导型耦合器的研究也越来越多。国内外的文献中对于耦合方式的研究有开槽，挖孔等多种形式的耦合。由于双脊波导的优势，采用双脊波导设计定向耦合器必然会在大功率、高宽带、小型化的环境下得到广泛应用。图1.3定向耦合器用于扩展量程1.2双脊波导定向耦合器的研究状况脊波导尤其是双脊波导，作为矩形波导的变形，研究起步比较早，但是在定向耦合器中的应用国内外都鲜有报道。矩形波导耦合器是最早研究的一种耦合器，在波导场结构未精确提出以前波导耦合器的设计并不完善，矩形波导场结构的精确提出和小孔耦合理论的完善才导致了矩形波导形式耦合器的研究成功。其中最简单的是单孔矩形波导耦合器，即在波导的公共臂上

6、开小孔，最佳的激励位置与离波导壁的距离有关，同时还要考虑孔径的大小。但是研究发现此种定向耦合器几乎不具有方向性，为了提高定向性，有学者分析发现将波导旋转一个角度，会使副波导的一个端口的输出电磁波抵消减弱，这样旋转后的定向耦合器就具有了一定的方向性。这种方法虽然一定程度上提高了方向性，[5]但是耦合器的形状设计极不规范。所以又有人提出了将最平坦函数（二项式分布）、最小波纹函数（切比雪夫分布）应用于多孔耦合设计即按照等间距的方式排列小孔，小孔孔径则按照二项式或者切比雪夫进行分布，此种方法大大提高了定向性和带宽，耦合器的形状也比较规范。后来在此基础之上又提出了十字孔耦合的方式，这些都为

7、后来出现的几种耦合方式提供了参考。同时不同的波导开始应用于耦合器的设计当中：圆波导—矩形波导型，多用于高功率微波[8]系统中，以圆波导作为主波导提高功率容量，以及后面出现的单脊波导—单脊波导形式在展宽带宽取得了很好的效果。3双脊波导宽带耦合器的设计目前定向耦合器的发展状况更加多元化，由于现在的通信和微波设备对于带宽的要求越来越高，通常定向耦合器的发展方向在于扩展定向耦合器的带宽和提高耦合器的方向性指标，随后出现的新型耦合器有基片集成波导定向耦合器、脊[6-8]背式硅光波导定向耦合