微波笔记·3dB短缝波导耦合器设计

Allevi

微波笔记·3dB短缝波导耦合器设计

波导耦合器属于分功率器件的一种，他可以实现信号的备份，回波测量，功率分配合成，信号正交等功能，属于微波应用的重要器件。在第5期《贝兹孔波导定向耦合器实现》中介绍了波导宽边定向耦合器的实现方式。这一篇介绍波导短缝耦合器的实现方式，短缝耦合器也叫Riblet short-slot 耦合器，属于窄边耦合的一种，可以用一个窄边缝隙实现3dB强耦合。

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1、短缝耦合器工作原理

短缝耦合器是将两根波导窄边相接平行放置，在中间开一段短槽，从而实现波导间的能量耦合，结构见图1所示。

图1、短缝耦合器示意图

短缝耦合器的工作原理见图2所示，奇偶模分析同样适合该器件，在1、3口馈入奇偶模电压，3口由于奇偶模互相抵消，电压为零，所以是隔离口。由于奇模和偶模的相速度不同，奇模和偶模到达2、4口的相位有差异，通过调节短缝的长度可以产生不同的相位差，从而可以产生不同的耦合度。通过计算可知当θ1和θ2相差π/2时，耦合度为3dB。

图2、短缝耦合器原理示意图

短缝耦合器的核心原理是奇模和偶模相速度不同从而产生的叠加效应。设计时要保证短缝处只能传输TE20和TE10两个模式，所以宽度受到限制。过宽和过窄都影响该器件的正常工作。

2、3dB波导短缝耦合器设计

1) 设计步骤

3dB波导短缝耦合器遵循下列设计步骤：

a) 规划短缝宽度，通过波导模式计算出短缝宽度的上下限，控制短缝处只能通过TE20和TE10两个模式

b) HFSS中仿真短缝处奇偶模阻抗和有效介电常数（影响相速度）

c) 根据有效介电常数计算出短缝长度，或者在ADS中建立耦合线模型，优化出短缝长度以及端口匹配阻抗。必要时需设计阻抗变换器

d) HFSS中建模仿真验证

2) 设计实例

这里用一个24GHz的3dB短缝耦合器说明该耦合器的设计方法。

a) 规划短缝宽度，通过波导模式计算出短缝宽度的上下限，控制短缝处只能通过TE20和TE10两个模式

这一步可以通过《微波工程》一书中波导截止模式计算，这里直接选用BJ260标准波导尺寸进行设计，详细计算不做展开。

b) HFSS中仿真短缝处奇偶模阻抗和有效介电常数（影响相速度）

图3、奇偶模阻抗及有效介电常数仿真

c) 根据有效介电常数计算出短缝长度，或者在ADS中建立耦合线模型，优化出短缝长度以及端口匹配阻抗。必要时需设计阻抗变换器

图4、ADS仿真确定短缝长度

d) HFSS中建模仿真验证

通过c)步骤确定的短缝长度在HFSS建立短缝波导耦合器的完整模型图5，通过仿真可以看出很好的实现了3dB的耦合度，但是驻波和隔离度稍差，这主要是因为输入波导间有金属壁的厚度，这个地方的不连续必须通过一定的匹配电路来补偿。

图5、短缝波导耦合器模型及一次仿真曲线

根据经验对台阶处进行切角处理，切角模型见图6所示，通过扫描切角长度可以得到比较好的驻波及隔离结果见图6所示。

短缝耦合器的耦合度在宽带范围内波动较大，一般适合在相对窄的带宽里使用。

图6、驻波优化后的短缝耦合器模型及仿真结果

sunygd

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