本發(fā)明涉及一種Q波段多孔耦合定向耦合器，專門用于射電天文領(lǐng)域?qū)拵⒉ń邮諜C(jī)。

背景技術(shù)：

在微波系統(tǒng)中，定向耦合器是一種常用微波器件，它可以對微波信號進(jìn)行功率測量、信號檢測、顯示指示和監(jiān)視等。定向耦合器有各種各樣類型和具體形式，按傳輸線形式分類有波導(dǎo)、同軸、帶線、微帶之分，按耦合方式分類有離散耦合與連續(xù)耦合之分，按耦合強(qiáng)弱分類有強(qiáng)耦合與弱耦合之分，按承受功率的大小分類有小功率定向耦合器和大功率定向耦合器之分。而且每一種定向耦合器，由于具體的用途和應(yīng)用場合不同，又將會有多種不同的具體形式。

孔耦合定向耦合器的設(shè)計依據(jù)是小孔繞射理論，小孔繞射場的基本公式為：

式中，等號右邊“±”號中符號“﹢”和符號“-”分別指激發(fā)波導(dǎo)和被激發(fā)波導(dǎo)中的散射場，而符號右上角的“﹢”號與“-”號分別代表正向波和反向波；和分別為小孔局部坐標(biāo)u和v方向的磁極化率；p是小孔的法向電極化率；μ₀和ε₀分別為自由空間導(dǎo)磁系數(shù)和介電常數(shù)；H_1u、H_1v和E_1u為圓波導(dǎo)中入射波在小孔所在位置的相應(yīng)歸一化磁場切向分量和電場法向分量。H_2u、H_2v和E_2u為矩形波導(dǎo)中被激勵的波形在小孔所在位置的相應(yīng)歸一化分量。對于圓型小孔，其電極化率和磁極化率分別為r₀為小孔的半徑。

假設(shè)激發(fā)波導(dǎo)的終端和被激發(fā)波導(dǎo)的兩端都是匹配的：圓波導(dǎo)傳輸TE₁₁模式，矩形波導(dǎo)傳輸TE₁₀模式。圓形耦合孔位于矩形波導(dǎo)窄邊的中心線上，根據(jù)主副波導(dǎo)的耦合條件分析，圓波導(dǎo)傳輸TE₁₁模式，小孔面上不存在法向電場，即矩形波導(dǎo)的窄邊上，磁場最強(qiáng)(電場為0)，此時小孔只存在磁耦合。具體公式如下：

式中，a、b為矩形波導(dǎo)寬邊和窄邊的長度；r為圓波導(dǎo)的半徑；μ_n為1階貝塞爾函數(shù)的導(dǎo)數(shù)的第n個根；Z₁₀為矩形波導(dǎo)TE10模式的波阻抗，Z₁₁為圓波導(dǎo)TE₁₁模式的波阻抗；和為磁場按照功率歸一化的表達(dá)式。

小孔耦合度即功率耦合系數(shù)為：

C＝10lg|A_k|²＝20lg|A_k| (5)

耦合器既要考慮單孔的耦合度，還要考慮孔耦合分布，這樣才能形成定向耦合器，滿足實際需求。根據(jù)相位疊加原理，假設(shè)N＝2n或者N＝2n+1個小孔呈對稱分布，坐標(biāo)設(shè)在對稱中心。各對小孔的耦合強(qiáng)度系數(shù)分別為入射波在主波導(dǎo)中正向傳播，模式為TE₁₁，其相位常數(shù)為β_u，副波導(dǎo)中的模式為TE₁₀，其相位常數(shù)為β_v，可以得到入射波耦合到副波導(dǎo)中激勵起的波，經(jīng)過相位疊加后相對幅值為：

式中，d為小孔間間隔；當(dāng)N＝2n時，g＝1；N＝2n+1時，g＝0；δ是孔的分布函數(shù)；當(dāng)孔分布為等間距等孔徑時，δ＝1。

若要正向相位疊加，則k＝1,2,…；若要反相相位疊加，則k＝1,2,…。

反向弱耦合、波導(dǎo)同軸定向耦合器，主通道采用圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)承受功率大，耦合通道采用矩形波導(dǎo)對外連接方便，耦合機(jī)理采用對稱的等間距等強(qiáng)度多孔耦合形式。制作的實物經(jīng)過測試插入損耗小，端口反射損耗好，而且定向耦合器本身結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，特別適用于雙向弱耦合的測量和指示場合。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于，提供一種Q波段多孔耦合型定向耦合器，該定向耦合器為結(jié)構(gòu)緊湊的微波定向耦合器，由圓形波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)、功分器、第一負(fù)載、第二負(fù)載、耦合通道第一端口、耦合通道第二端口、耦合通道第三端口、耦合通道第四端口、第一矩形端口、第二矩形端口、第三矩形端口、耦合孔、電感膜片、匹配釘組成。該定向耦合器采用對稱的等間距多孔耦合形式，將主通道圓波導(dǎo)TE₁₁模式信號耦合到耦合通道的矩形波導(dǎo)中，實現(xiàn)20dB耦合特性，中心頻率40GHz，相對帶寬50％，應(yīng)用于射電望遠(yuǎn)鏡Q波段接收機(jī)系統(tǒng)。該定向耦合器反射損耗和耦合度的實測結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，可以滿足射電天文觀測需求。

本發(fā)明所述的一種Q波段多孔耦合型定向耦合器，該定向耦合器為對稱等間距多孔耦合型寬帶定向耦合器，工作頻段為30-50GHz，應(yīng)用于射電望遠(yuǎn)鏡Q波段接收機(jī)系統(tǒng)，該定向耦合器由圓形波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)、功分器、第一負(fù)載、第二負(fù)載、耦合通道第一端口、耦合通道第二端口、耦合通道第三端口、耦合通道第四端口、第一矩形端口、第二矩形端口、第三矩形端口、耦合孔、電感膜片、匹配釘組成，主波導(dǎo)為圓形波導(dǎo)(1)，副波導(dǎo)為矩形波導(dǎo)(2)，圓形波導(dǎo)(1)通過耦合孔(6)與矩形波導(dǎo)(2)連接，矩形波導(dǎo)(2)的耦合通道第一端口(11)與功分器(3)的第一矩形端口(15)連接，矩形波導(dǎo)(2)的耦合通道第二端口(12)與功分器(3)的第二矩形端口(16)連接，矩形波導(dǎo)(2)的耦合通道第三端口(13)與第一負(fù)載(4)連接，矩形波導(dǎo)(2)的耦合通道第四端口(14)與第二負(fù)載(5)連接。

圓形波導(dǎo)(1)直徑為7.8mm。

耦合孔(6)位于矩形波導(dǎo)(2)窄邊的中心，使用等間距等孔徑磁耦合形式，耦合孔(6)直徑為1.56mm，間距為2.4mm，孔厚度為0.16mm。

功分器(3)采用波導(dǎo)形式，將第一矩形端口(15)和第二矩形端口(16)的信號相加，從第三矩形端口(17)完成系統(tǒng)輸出，功分器(3)使用電感膜片(7)和匹配釘(8)調(diào)節(jié)匹配，第一矩形端口(15)、第二矩形端口(16)和第三矩形端口(17)的口徑為5.7mm*2.85mm，第一矩形端口(15)和第二矩形端口(16)的中心間距13.82mm。

第一負(fù)載(4)和第二負(fù)載(5)為硬質(zhì)吸收體(18)，外形為斜劈狀。

本發(fā)明所述一種Q波段多孔耦合型定向耦合器，該定向耦合器采用對稱等間距多孔耦合形式，將主通道圓波導(dǎo)TE11模式信號耦合到耦合通道的矩形波導(dǎo)中，實現(xiàn)20dB耦合特性，中心頻率40GHz，相對帶寬50％，應(yīng)用于射電望遠(yuǎn)鏡Q波段接收機(jī)系統(tǒng)，頻率為30-50GHz，工作帶寬百分比達(dá)到50％。K.E.Hancock在多年前提出了設(shè)計定向耦合器的完整步驟：1.根據(jù)中心頻率確定孔間距d；2.根據(jù)方向性要求估算滿足要求的最少孔數(shù)量；3.根據(jù)耦合度計算各個孔的耦合系數(shù)；4.根據(jù)孔徑與耦合系數(shù)之間的關(guān)系確定孔徑。按照定向耦合器該設(shè)計流程，經(jīng)過HFSS軟件建模仿真，參數(shù)具體優(yōu)化，得到滿足指標(biāo)的定向耦合器。該多孔耦合定向耦合器主體鍍金，仿真結(jié)果端口反射損耗≤-25dB，耦合度介于-19.4dB到-21.9dB之間。

因為單個耦合孔的耦合度增大，耦合孔的直徑必然增大；耦合孔孔徑的增大會激勵起高次模諧振，不利于信號傳輸。因此，定向耦合器采用對稱多孔耦合的原理增強(qiáng)耦合系數(shù)，設(shè)計單排多個小孔耦合實現(xiàn)-23dB耦合系數(shù)，對稱兩路耦合通道經(jīng)過功分器兩個矩形輸出口合成-20dB耦合系數(shù)，另外兩個矩形輸出口接制作好的寬頻帶負(fù)載。

所述功分器(3)，采用波導(dǎo)形式，將兩個矩形輸出口的信號相加，完成系統(tǒng)輸出的需求。功分器仿真結(jié)果端口反射損耗≤-23.6dB。

所述負(fù)載，使用硬質(zhì)吸收材料，外形為斜劈狀。測試時，將第一負(fù)載(4)和第二負(fù)載(5)與功分器(3)連接。調(diào)試過程中，吸收體必須具備足夠的長度，同時吸收片的具體形狀、尺寸需經(jīng)過調(diào)試確定。最終調(diào)試負(fù)載反射損耗滿足指標(biāo)要求，功分器和負(fù)載整體測試可得功分器輸出口反射損耗≤-19.4dB。

附圖說明

圖1為本發(fā)明Q波段多孔耦合定向耦合器整體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明圓形波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明功分器結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明負(fù)載結(jié)構(gòu)圖；

圖5為本發(fā)明定向耦合器端口反射損耗仿真結(jié)果圖；

圖6為本發(fā)明定向耦合器耦合度仿真結(jié)果圖；

圖7為本發(fā)明功分器端口反射損耗仿真結(jié)果圖；

圖8為本發(fā)明連接負(fù)載測試功分器輸出口反射損耗實測圖；

圖9為本發(fā)明圓形波導(dǎo)端口反射損耗實測圖；

圖10為本發(fā)明20dB耦合特性實測圖。

具體實施方式

本發(fā)明所述的一種Q波段多孔耦合型定向耦合器，該定向耦合器為對稱等間距多孔耦合型寬帶定向耦合器，工作頻段為30-50GHz，應(yīng)用于射電望遠(yuǎn)鏡Q波段接收機(jī)系統(tǒng)，該定向耦合器由圓形波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)、功分器、第一負(fù)載、第二負(fù)載、耦合通道第一端口、耦合通道第二端口、耦合通道第三端口、耦合通道第四端口、第一矩形端口、第二矩形端口、第三矩形端口、耦合孔、電感膜片、匹配釘組成，主波導(dǎo)為圓形波導(dǎo)1，副波導(dǎo)為矩形波導(dǎo)2，圓形波導(dǎo)1通過耦合孔6與矩形波導(dǎo)2連接，矩形波導(dǎo)2的耦合通道第一端口11與功分器3的第一矩形端口15連接，矩形波導(dǎo)2的耦合通道第二端口12與功分器3的第二矩形端口16連接，矩形波導(dǎo)2的耦合通道第三端口13與第一負(fù)載4連接，矩形波導(dǎo)2的耦合通道第四端口14與第二負(fù)載5連接；

圓形波導(dǎo)1直徑為7.8mm；

耦合孔6位于矩形波導(dǎo)2窄邊的中心，使用等間距等孔徑磁耦合形式，耦合孔6直徑為1.56mm，間距為2.4mm，孔厚度為0.16mm；

功分器3采用波導(dǎo)形式，將第一矩形端口15和第二矩形端口16的信號相加，從第三矩形端口17完成系統(tǒng)輸出，功分器3使用電感膜片7和匹配釘8調(diào)節(jié)匹配，第一矩形端口15、第二矩形端口16和第三矩形端口17的口徑為5.7mm*2.85mm，第一矩形端口15和第二矩形端口16的中心間距為13.82mm；

第一負(fù)載4和第二負(fù)載5為硬質(zhì)吸收體18，外形為斜劈狀。

使用過程中，參照圖1，信號經(jīng)圓形波導(dǎo)1的主通道輸入端口9進(jìn)入，大部分信號經(jīng)主通道輸出端口10輸出；小部分信號經(jīng)耦合孔6分至圓形波導(dǎo)1左右兩側(cè)的矩形波導(dǎo)2內(nèi)；進(jìn)入左側(cè)矩形波導(dǎo)2內(nèi)的信號分至耦合通道第一端口11和耦合通道第三端口13處，耦合通道第一端口11處信號進(jìn)入第一矩形端口15處，耦合通道第三端口13處的信號被第一負(fù)載4吸收；進(jìn)入右側(cè)矩形波導(dǎo)2內(nèi)的信號分至耦合通道第二端口12和耦合通道第四端口14處，耦合通道第二端口12處信號進(jìn)入第二矩形端口16處，耦合通道第四端口14處的信號被第二負(fù)載5吸收；第一矩形端口15和第二矩形端口16處的兩路信號，經(jīng)匹配釘8和電感膜片7后合并為一路信號，經(jīng)第三矩形端口17輸出。

實測使用美國安立MS4647B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試。測試附件包括BJ400同軸轉(zhuǎn)換、30-50GHz極化器等。定向耦合器主通道反射損耗≤-24.2dB，耦合度整體在-20dB到-21dB之間，低頻為-24dB左右，如圖10。低頻耦合度小于設(shè)計值是因為加工耦合孔誤差和鍍金厚度等導(dǎo)致耦合孔尺寸比理論值小，導(dǎo)致耦合器工作頻率整體往高頻移動。

本發(fā)明所述的一種Q波段多孔耦合定向耦合器，其實測與仿真結(jié)果的反射損耗和耦合度曲線變化趨勢大致吻合，各項性能指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，實際測量結(jié)果在工作頻帶30-50GHz范圍內(nèi)可以滿足工程需要。