磁耦合定向耦合器仿真设计

　　在分析波导中场模式基础上，通过仿真计算和优化，得出影响定向耦合器磁耦合的主要因素，并在此基础上提出利用磁环耦合设计双耦合度定向耦合器和可变耦合度的定向耦合器的设想。通过仿真，所得结果和理论分析相吻合，证明了设计方案的可行性。

　　波导定向耦合器是一种功率耦合器件，其作用在于从波导中取出一部分微波功率并经检波器变为直流信号用以监测微波功率的大小及变化情况，在微波收﹑发信机及相关设备中是一个常用的部件。同时在不同的应用场合对耦合器的耦合度有不同的要求，如果能设计出耦合度可调的耦合器将极大的方便工程应用。本文在研究波导内场分布的基础上，利用影响磁耦合强度的因素，设计出了可变耦合度的定向耦合器和双耦合度定向耦合器。

图1　矩形波导中主模TE10场图

1、波导定向耦合器设计原理

　　矩形波导中传播的主模TE10模的场图如图1所示，电场是在两个宽边之间来回传输，磁场在波导H 面上沿着波导长度方向传输。在波导耦合器的设计过程中，为了避免破坏波导中的传播模式，通常不会将探针直接伸入到波导内部，而是通过在E面或H 面开孔的方法，通过小孔耦合将能量耦合出来。

　　本文就是采取在H 面上开孔方法，利用了磁场耦合，磁力线会耦合到小孔当中去，且穿过耦合环。经过多次仿真计算发现影响磁场耦合强度的主要因素是耦合环的有效面积，而改变耦合环的有效面积的方法有以下两种：①改变耦合环的实际面积;②通过改变耦合环面与传输方向的夹角来改变有效面积。下面从以上两方面来讨论定向耦合器的设计。

2、双耦合度定向耦合器设计

　　通过扩大耦合环的面积来提高磁耦合量，从而提高耦合强度。也就是说在耦合环所在平面和磁场方向的夹角已确定的情况下，可以通过改变耦合环的面积来得到不同的耦合强度。

　　如图2所示的双耦合度定向耦合器，两个耦合环所在平面都与磁场方向垂直，其中波导型号为BJ100，波导长为22mm，耦合孔的直径为6mm，高度为9.2mm。为了在端口3和端口4分别实现40和50dB的耦合量，通过不断地优化和计算得到耦合环1和耦合环2的尺寸分别如图3所示，图中尺寸的单位为mm。

图2　双定向耦合器

图3　耦合环1和耦合环2的尺寸

　　仿真计算结果如图4所示，从图中可以看出在8～12GHz频率范围内，S31基本为-40dB。S41在8～9GHz频率范围内比-50dB稍小点，其它频点均达到指标要求。

图4　双耦合度耦合器计算结果

3、可变耦合度定向耦合器设计

　　通过改变耦合磁环所在平面与磁场方向的夹角可以改变耦合强度的大小。这是因为根据磁场耦合理论，当耦合环所确定的平面与磁场方向垂直时，穿过耦合环的磁力线最多，耦合环耦合到的磁场能量最强;当耦合环所在平面与磁场方向平行时，穿过耦合环的磁力线最少，耦合耦合得到的能量最弱。也就是说，当耦合环所在平面和磁场方向的夹角从0°变化到90°时，耦合出的能量是逐渐增强的。

　　如图5所示的耦合器，其中波导型号为BJ100，波导长为22mm，耦合孔的直径为6mm，高度为9.2mm，耦合环的尺寸如图3所示，θ为耦合环所在平面和磁场方向的夹角。

图5　可变耦合度耦合器正面图和俯视图

　　在CST MICROWAVE　STUDIO 中让θ 在10°～90°之间变化，来验证角度变化对耦合强度的影响。计算结果如图6所示，随着θ的变大，耦合强度逐渐增强。

　　根据以上的结论，我们在设计磁耦合环耦合器时，就可以把磁耦合环头设计成可以旋转的，比较简便的方法如图7所示，就是在磁耦合环接头的法兰盘上打上间隔相等的孔，通过改变孔的固定位置来旋转磁耦合环头，这样便可设计出耦合强度可调的定向耦合器。

图6　θ变化对耦合强度的影响

图7　可旋转磁接头外形示意图

4、总结

　　本文在分析波导中场模式基础上，通过仿真计算和优化，得出影响定向耦合器磁耦合的主要因素，并在此基础上提出利用磁环耦合设计双耦合度定向耦合器，和可变耦合度定向耦合器的设想。通过仿真，所得结果和理论分析相吻合，证明了设计方案的可行性。