E波段和F波段波导H面T型缝隙耦合器

1  引言

波导耦合器是微波毫米波电路系统的常用部件，用来从波导中取出一部分微波功率，以便对微波系统的工作状态进行取样、检测和控制。波导耦合器有定向型和非定向型两种形式。定向型波导耦合器性能优越，应用广泛，常见的有波导宽壁单孔或多孔定向耦合器、短缝定向耦合器和交叉十字缝定向耦合器等。但是，这种耦合器一般结构复杂，体积大，在实际应用中由于要安装法兰盘，往往需要加一段弯波导作为过渡，因此加工和装配起来比较麻烦。而非定向型波导耦合器是一个三端口网络，结构简单，体积小，使用方便。文献对这种T型结构进行了详细的数值分析并给出了相应的等效电路模型。

 

毫米波段波导尺寸小，对加工精度要求高，耦合器结构不宜过于复杂。考虑实际加工问题，本文对传统的对称形式的耦合槽结构进行了改进，在H平面波导T型结的基础上，采用非对称方式开槽，设计并制作了E波段18dB和F波段13dB的耦合器，已成功应用到相应的毫米波系统中。

 

2  耦合器结构设计

图1(a)是传统H面波导T型缝隙耦合器的示意图。主波导和耦合波导的尺寸均为a×b，波导壁厚度为T，缝隙位于耦合波导口中心，尺寸为L×W, 并假定缝隙为长槽，即L≥W。这种结构为完全对称结构，实际加工时在波导公共壁中心开缝比较困难，本文采用了将耦合槽缝上移使之紧靠波导宽面的非对称结构，耦合器分为上下结构模块，耦合膜片与下腔体结构设计成一体化的形式，如图1(b)所示。波从主波导端口1输入，通过H面T型结缝隙耦合出一部分，从副波导端口3输出。应用高频电磁仿真软件HFSS，分别建立了E波段和F波段相应的模型，然后进行了仿真分析和设计。考虑实际加工制作条件，首先优选了公共壁厚度T，然后优化耦合槽的长度和宽度，最终获得一组满意的参数。

 

(a)

(b)

图1  H-T缝隙耦合器示意图 (a) 传统对称H-T缝隙
耦合结构 (b) 非对称H-T缝隙耦合结构

3  E波段耦合器仿真分析与设计

在E波段，设计工作中心频率为75GHz，要求在72-78GHz频带范围内耦合度为18dB，反射系数小于20dB。波导是E波段标准矩形波导WR12（3.1mm×1.55mm），通过优化耦合槽长度和宽度使其满足指标要求。仿真得到的特性曲线如图2所示。一般来讲，随着耦合缝长度L的增加，耦合度也随之增大；耦合缝宽度W对耦合度的影响类似，如图3所示。但是耦合缝宽度和长度对反射系数和平坦度的影响各异，需要综合考虑选取一组最优值。仿真结果显示，该耦合器在72-78 GHz频带内耦合度达到18dB,平坦度为±0.5dB，输入反射系数均小于-20dB,很好的满足了设计要求。

 

106-114GHz频带范围内耦合度为13dB，反射系数尽可能小。具体结构和设计方法与E波段耦合器类似。另外，由于波导尺寸极小，使得归一化波导壁厚大大增加，不连续部分微扰作用明显，因此选取的公共壁厚度应尽可能小，但同时还要保持刚性，不至于产生形变，本文选取的厚度为0.3mm。最后仿真得到的特性曲线如图4所示，该耦合器在106-114 GHz频带内耦合度为13dB,平坦度为±0.5dB，输入反射系数小于-17dB。

 

图2  E波段耦合器特性曲线

图3  耦合缝宽度W对耦合度的影响

 

4  F波段耦合器仿真分析与设计

F波段标准矩形波导尺寸为2.03mm×1.02 mm，设计中心频率110GHz.

 

图4  F波段耦合器特性曲线

5  耦合器实物样品制作

实际腔体加工时把耦合体部分和盖板分开加工，最后装配组合而成，如图5所示。在毫米波段，腔体内表面的粗糙不平会引起很大的衰减，因此加工时内表面光洁度一般要求优于▽12，实际制作时在腔体内表面镀金。为了保证腔体不变形，要选择合理的工艺方案，并尽可能提高加工精度。

 

图5  耦合器实物样品

 

6  结论

在传统H面T型耦合器的基础上，采用了耦合槽缝紧靠波导宽面的非对称结构，应用HFSS软件分别进行了E和F波段耦合器的仿真分析和设计，并制作了实物样品。仿真得到的E波段耦合器在72-78 GHz 内耦合度18dB，输入端反射系数-23dB，平坦度为±0.5dB；F波段耦合器在106-114 GHz内耦合度13dB，输入端反射系数-17dB；平坦度为±0.5dB。