微波筆記·3dB短縫波導耦合器設計

2021-01-14 微波射頻網

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波導耦合器屬於分功率器件的一種，他可以實現信號的備份，回波測量，功率分配合成，信號正交等功能，屬於微波應用的重要器件。在第5期《貝茲孔波導定向耦合器實現》中介紹了波導寬邊定向耦合器的實現方式。這一篇介紹波導短縫耦合器的實現方式，短縫耦合器也叫Riblet short-slot 耦合器，屬於窄邊耦合的一種，可以用一個窄邊縫隙實現3dB強耦合。

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1、短縫耦合器工作原理

短縫耦合器是將兩根波導窄邊相接平行放置，在中間開一段短槽，從而實現波導間的能量耦合，結構見圖1所示。

圖1、短縫耦合器示意圖

短縫耦合器的工作原理見圖2所示，奇偶模分析同樣適合該器件，在1、3口饋入奇偶模電壓，3口由於奇偶模互相抵消，電壓為零，所以是隔離口。由於奇模和偶模的相速度不同，奇模和偶模到達2、4口的相位有差異，通過調節短縫的長度可以產生不同的相位差，從而可以產生不同的耦合度。通過計算可知當θ1和θ2相差π/2時，耦合度為3dB。

圖2、短縫耦合器原理示意圖

短縫耦合器的核心原理是奇模和偶模相速度不同從而產生的疊加效應。設計時要保證短縫處只能傳輸TE20和TE10兩個模式，所以寬度受到限制。過寬和過窄都影響該器件的正常工作。

2、3dB波導短縫耦合器設計

1) 設計步驟

3dB波導短縫耦合器遵循下列設計步驟：

a) 規劃短縫寬度，通過波導模式計算出短縫寬度的上下限，控制短縫處只能通過TE20和TE10兩個模式

b) HFSS中仿真短縫處奇偶模阻抗和有效介電常數（影響相速度）

c) 根據有效介電常數計算出短縫長度，或者在ADS中建立耦合線模型，優化出短縫長度以及埠匹配阻抗。必要時需設計阻抗變換器

d) HFSS中建模仿真驗證

2) 設計實例

這裡用一個24GHz的3dB短縫耦合器說明該耦合器的設計方法。

a) 規劃短縫寬度，通過波導模式計算出短縫寬度的上下限，控制短縫處只能通過TE20和TE10兩個模式

這一步可以通過《微波工程》一書中波導截止模式計算，這裡直接選用BJ260標準波導尺寸進行設計，詳細計算不做展開。

b) HFSS中仿真短縫處奇偶模阻抗和有效介電常數（影響相速度）

圖3、奇偶模阻抗及有效介電常數仿真

c) 根據有效介電常數計算出短縫長度，或者在ADS中建立耦合線模型，優化出短縫長度以及埠匹配阻抗。必要時需設計阻抗變換器

圖4、ADS仿真確定短縫長度

d) HFSS中建模仿真驗證

通過c)步驟確定的短縫長度在HFSS建立短縫波導耦合器的完整模型圖5，通過仿真可以看出很好的實現了3dB的耦合度，但是駐波和隔離度稍差，這主要是因為輸入波導間有金屬壁的厚度，這個地方的不連續必須通過一定的匹配電路來補償。

圖5、短縫波導耦合器模型及一次仿真曲線

根據經驗對臺階處進行切角處理，切角模型見圖6所示，通過掃描切角長度可以得到比較好的駐波及隔離結果見圖6所示。

短縫耦合器的耦合度在寬帶範圍內波動較大，一般適合在相對窄的帶寬裡使用。

圖6、駐波優化後的短縫耦合器模型及仿真結果

作者：趙強   微信：q_zhao_ls   手機：18180564516

趙強微波筆記專欄：

第1期、如何在ADS中綜合耦合矩陣

第2期、如何設計一個帶通濾波器

第3期、如何設計一個平面低通濾波器

第4期、如何設計一個功分器

第5期、貝茲孔波導定向耦合器的實現

第6期、數提取法設計帶通濾波器

第7期、我對移相器的理解(1)：單bit的移相結構

第8期、圓波導雙模濾波器的設計

第9期、Lange電橋的設計

第10期、糖葫蘆低通濾波器的設計

第11期、懸置線高通濾波器設計

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