过模波导定向耦合器设计的探讨

　　提出了不同模式进行耦合时，对场分量幅值系数进行归一化的方法，从而实现了过模波导定向耦合器的设计。仿真模拟验证了利用该方法进行设计的可行性。

　　H.A.Bethe的小孔衍射理论是涉及小孔耦合的所有波导元件，定向耦合器、选模耦合器、取样耦合器、各种小孔激励装置等等的计算基础，R.E.Collin进而提出了小孔耦合定向耦合器的设计方法。但是，Collin方法是基于进行耦合的主、付波导种类、尺寸和模式都相同的前提下建立的，这对常规定向耦合器来说一般都是成立的，而在高功率微波系统中，为了提高波导传输的功率容量，普遍使用过模波导，这就使得在这类系统中的定向耦合器主、付波导不同，主波导都是过模波导，而且以圆波导为多，而付波导则一般采用基波矩形波导，以便于与测试仪器连接，进行波形、功率、频谱、频率等的测量。显然，这时的定向耦合器，不仅主、付波导的类型、尺寸不同，而且传输模式也不同，这就使得Collin的设计方法不再能直接应用于过模波导定向耦合器的设计。

　　1、过模波导定向耦合器设计基础

　　定向耦合器最主要的参量耦合度的计算，涉及到主、付波导中的功率大小：

　　式中，P1为主波导中的入射波功率，P+2为在付波导中激励起来的正向传输波的功率。如果主、付波导相同，模式相同，则主、付波导中传输的模式波场分量表达式也就相同，它们的功率比就可以直接用幅值比代替，式(1)就可以简化成

　　式中，A1为入射波的幅值，A+2为在付波导中正向传播的被激励波的幅值，a+ 为主波导入射波与付波导正向激励波之间的耦合强度。这一计算式就是常见的定向耦合器设计方法的基础。

　　但如果主、付波导类型、模式不同，则它们中的场表达式也就不同，它们的幅值系数就不具有可比性，因此式(2)不再适用于过模系统。为此，我们可以在等功率条件下来求出两个不同模式各自的幅值系数，使之获得可直接相比的幅值。令

　　式中，C为场分量的幅值系数，由于场分量的表达式可以写成不同的形式，因此即使对同一i模式，C 也可以是不同的。ei、hi为场的分布函数。i=1时表示主波导中的入射模式，i=2时表示付波导中的被激励模式。

　　3、设计结果

　　不考虑方向性的优劣，取主波导R =14mm，付波导为标准矩形波导a×b=7.112×3.556mm2，耦合孔厚度t=0.1mm，给定耦合度为60dB，在f=35GHz频率上计算耦合孔半径r0以及耦合度的频率特性。

　　计算得到的r0 =0.581mm，在此r0值下，改变频率f，就可以得到不同频率对应的隔离度与耦合度。为了验证计算结果的正确性，在以上尺寸下进行了仿真模拟，模拟结果与计算结果如图2所示。可见，计算与模拟结果良好吻合，证明我们提出的过模波导小孔耦合的设计考虑是正确的。

　　因为只是为了验证提出的方法的可行性，因此只举了一个最简单的例子，实际的定向耦合器绝大多数是多孔的，关于多孔定向耦合器的设计，已由文献给出，这里不再进行讨论。

　　本文提出的方法仅为作者的初步考虑，提出来供大家探讨。