一种Q波段多孔耦合型定向耦合器的制作方法

本发明涉及一种Q波段多孔耦合定向耦合器，专门用于射电天文领域宽带微波接收机。

背景技术：

在微波系统中，定向耦合器是一种常用微波器件，它可以对微波信号进行功率测量、信号检测、显示指示和监视等。定向耦合器有各种各样类型和具体形式，按传输线形式分类有波导、同轴、带线、微带之分，按耦合方式分类有离散耦合与连续耦合之分，按耦合强弱分类有强耦合与弱耦合之分，按承受功率的大小分类有小功率定向耦合器和大功率定向耦合器之分。而且每一种定向耦合器，由于具体的用途和应用场合不同，又将会有多种不同的具体形式。

孔耦合定向耦合器的设计依据是小孔绕射理论，小孔绕射场的基本公式为：

式中，等号右边“±”号中符号“﹢”和符号“-”分别指激发波导和被激发波导中的散射场，而符号右上角的“﹢”号与“-”号分别代表正向波和反向波；和分别为小孔局部坐标u和v方向的磁极化率；p是小孔的法向电极化率；μ₀和ε₀分别为自由空间导磁系数和介电常数；H_1u、H_1v和E_1u为圆波导中入射波在小孔所在位置的相应归一化磁场切向分量和电场法向分量。H_2u、H_2v和E_2u为矩形波导中被激励的波形在小孔所在位置的相应归一化分量。对于圆型小孔，其电极化率和磁极化率分别为r₀为小孔的半径。

假设激发波导的终端和被激发波导的两端都是匹配的：圆波导传输TE₁₁模式，矩形波导传输TE₁₀模式。圆形耦合孔位于矩形波导窄边的中心线上，根据主副波导的耦合条件分析，圆波导传输TE₁₁模式，小孔面上不存在法向电场，即矩形波导的窄边上，磁场最强(电场为0)，此时小孔只存在磁耦合。具体公式如下：

式中，a、b为矩形波导宽边和窄边的长度；r为圆波导的半径；μ_n为1阶贝塞尔函数的导数的第n个根；Z₁₀为矩形波导TE10模式的波阻抗，Z₁₁为圆波导TE₁₁模式的波阻抗；和为磁场按照功率归一化的表达式。

小孔耦合度即功率耦合系数为：

C＝10lg|A_k|²＝20lg|A_k| (5)

耦合器既要考虑单孔的耦合度，还要考虑孔耦合分布，这样才能形成定向耦合器，满足实际需求。根据相位叠加原理，假设N＝2n或者N＝2n+1个小孔呈对称分布，坐标设在对称中心。各对小孔的耦合强度系数分别为入射波在主波导中正向传播，模式为TE₁₁，其相位常数为β_u，副波导中的模式为TE₁₀，其相位常数为β_v，可以得到入射波耦合到副波导中激励起的波，经过相位叠加后相对幅值为：

式中，d为小孔间间隔；当N＝2n时，g＝1；N＝2n+1时，g＝0；δ是孔的分布函数；当孔分布为等间距等孔径时，δ＝1。

若要正向相位叠加，则k＝1,2,…；若要反相相位叠加，则k＝1,2,…。

反向弱耦合、波导同轴定向耦合器，主通道采用圆波导结构承受功率大，耦合通道采用矩形波导对外连接方便，耦合机理采用对称的等间距等强度多孔耦合形式。制作的实物经过测试插入损耗小，端口反射损耗好，而且定向耦合器本身结构简单，可靠性高，特别适用于双向弱耦合的测量和指示场合。

技术实现要素：

本发明目的在于，提供一种Q波段多孔耦合型定向耦合器，该定向耦合器为结构紧凑的微波定向耦合器，由圆形波导、矩形波导、功分器、第一负载、第二负载、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、电感膜片、匹配钉组成。该定向耦合器采用对称的等间距多孔耦合形式，将主通道圆波导TE₁₁模式信号耦合到耦合通道的矩形波导中，实现20dB耦合特性，中心频率40GHz，相对带宽50％，应用于射电望远镜Q波段接收机系统。该定向耦合器反射损耗和耦合度的实测结果与仿真结果基本吻合，可以满足射电天文观测需求。

本发明所述的一种Q波段多孔耦合型定向耦合器，该定向耦合器为对称等间距多孔耦合型宽带定向耦合器，工作频段为30-50GHz，应用于射电望远镜Q波段接收机系统，该定向耦合器由圆形波导、矩形波导、功分器、第一负载、第二负载、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、电感膜片、匹配钉组成，主波导为圆形波导(1)，副波导为矩形波导(2)，圆形波导(1)通过耦合孔(6)与矩形波导(2)连接，矩形波导(2)的耦合通道第一端口(11)与功分器(3)的第一矩形端口(15)连接，矩形波导(2)的耦合通道第二端口(12)与功分器(3)的第二矩形端口(16)连接，矩形波导(2)的耦合通道第三端口(13)与第一负载(4)连接，矩形波导(2)的耦合通道第四端口(14)与第二负载(5)连接。

圆形波导(1)直径为7.8mm。

耦合孔(6)位于矩形波导(2)窄边的中心，使用等间距等孔径磁耦合形式，耦合孔(6)直径为1.56mm，间距为2.4mm，孔厚度为0.16mm。

功分器(3)采用波导形式，将第一矩形端口(15)和第二矩形端口(16)的信号相加，从第三矩形端口(17)完成系统输出，功分器(3)使用电感膜片(7)和匹配钉(8)调节匹配，第一矩形端口(15)、第二矩形端口(16)和第三矩形端口(17)的口径为5.7mm*2.85mm，第一矩形端口(15)和第二矩形端口(16)的中心间距13.82mm。

第一负载(4)和第二负载(5)为硬质吸收体(18)，外形为斜劈状。

本发明所述一种Q波段多孔耦合型定向耦合器，该定向耦合器采用对称等间距多孔耦合形式，将主通道圆波导TE11模式信号耦合到耦合通道的矩形波导中，实现20dB耦合特性，中心频率40GHz，相对带宽50％，应用于射电望远镜Q波段接收机系统，频率为30-50GHz，工作带宽百分比达到50％。K.E.Hancock在多年前提出了设计定向耦合器的完整步骤：1.根据中心频率确定孔间距d；2.根据方向性要求估算满足要求的最少孔数量；3.根据耦合度计算各个孔的耦合系数；4.根据孔径与耦合系数之间的关系确定孔径。按照定向耦合器该设计流程，经过HFSS软件建模仿真，参数具体优化，得到满足指标的定向耦合器。该多孔耦合定向耦合器主体镀金，仿真结果端口反射损耗≤-25dB，耦合度介于-19.4dB到-21.9dB之间。

因为单个耦合孔的耦合度增大，耦合孔的直径必然增大；耦合孔孔径的增大会激励起高次模谐振，不利于信号传输。因此，定向耦合器采用对称多孔耦合的原理增强耦合系数，设计单排多个小孔耦合实现-23dB耦合系数，对称两路耦合通道经过功分器两个矩形输出口合成-20dB耦合系数，另外两个矩形输出口接制作好的宽频带负载。

所述功分器(3)，采用波导形式，将两个矩形输出口的信号相加，完成系统输出的需求。功分器仿真结果端口反射损耗≤-23.6dB。

所述负载，使用硬质吸收材料，外形为斜劈状。测试时，将第一负载(4)和第二负载(5)与功分器(3)连接。调试过程中，吸收体必须具备足够的长度，同时吸收片的具体形状、尺寸需经过调试确定。最终调试负载反射损耗满足指标要求，功分器和负载整体测试可得功分器输出口反射损耗≤-19.4dB。

附图说明

图1为本发明Q波段多孔耦合定向耦合器整体结构图；

图2为本发明圆形波导和矩形波导结构图；

图3为本发明功分器结构图；

图4为本发明负载结构图；

图5为本发明定向耦合器端口反射损耗仿真结果图；

图6为本发明定向耦合器耦合度仿真结果图；

图7为本发明功分器端口反射损耗仿真结果图；

图8为本发明连接负载测试功分器输出口反射损耗实测图；

图9为本发明圆形波导端口反射损耗实测图；

图10为本发明20dB耦合特性实测图。

具体实施方式

本发明所述的一种Q波段多孔耦合型定向耦合器，该定向耦合器为对称等间距多孔耦合型宽带定向耦合器，工作频段为30-50GHz，应用于射电望远镜Q波段接收机系统，该定向耦合器由圆形波导、矩形波导、功分器、第一负载、第二负载、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、电感膜片、匹配钉组成，主波导为圆形波导1，副波导为矩形波导2，圆形波导1通过耦合孔6与矩形波导2连接，矩形波导2的耦合通道第一端口11与功分器3的第一矩形端口15连接，矩形波导2的耦合通道第二端口12与功分器3的第二矩形端口16连接，矩形波导2的耦合通道第三端口13与第一负载4连接，矩形波导2的耦合通道第四端口14与第二负载5连接；

圆形波导1直径为7.8mm；

耦合孔6位于矩形波导2窄边的中心，使用等间距等孔径磁耦合形式，耦合孔6直径为1.56mm，间距为2.4mm，孔厚度为0.16mm；

功分器3采用波导形式，将第一矩形端口15和第二矩形端口16的信号相加，从第三矩形端口17完成系统输出，功分器3使用电感膜片7和匹配钉8调节匹配，第一矩形端口15、第二矩形端口16和第三矩形端口17的口径为5.7mm*2.85mm，第一矩形端口15和第二矩形端口16的中心间距为13.82mm；

第一负载4和第二负载5为硬质吸收体18，外形为斜劈状。

使用过程中，参照图1，信号经圆形波导1的主通道输入端口9进入，大部分信号经主通道输出端口10输出；小部分信号经耦合孔6分至圆形波导1左右两侧的矩形波导2内；进入左侧矩形波导2内的信号分至耦合通道第一端口11和耦合通道第三端口13处，耦合通道第一端口11处信号进入第一矩形端口15处，耦合通道第三端口13处的信号被第一负载4吸收；进入右侧矩形波导2内的信号分至耦合通道第二端口12和耦合通道第四端口14处，耦合通道第二端口12处信号进入第二矩形端口16处，耦合通道第四端口14处的信号被第二负载5吸收；第一矩形端口15和第二矩形端口16处的两路信号，经匹配钉8和电感膜片7后合并为一路信号，经第三矩形端口17输出。

实测使用美国安立MS4647B矢量网络分析仪测试。测试附件包括BJ400同轴转换、30-50GHz极化器等。定向耦合器主通道反射损耗≤-24.2dB，耦合度整体在-20dB到-21dB之间，低频为-24dB左右，如图10。低频耦合度小于设计值是因为加工耦合孔误差和镀金厚度等导致耦合孔尺寸比理论值小，导致耦合器工作频率整体往高频移动。

本发明所述的一种Q波段多孔耦合定向耦合器，其实测与仿真结果的反射损耗和耦合度曲线变化趋势大致吻合，各项性能指标均达到了预期的目标，实际测量结果在工作频带30-50GHz范围内可以满足工程需要。