在分析波導中場模式基礎上，通過仿真計算和優(yōu)化，得出影響定向耦合器磁耦合的主要因素，并在此基礎上提出利用磁環(huán)耦合設計雙耦合度定向耦合器和可變耦合度的定向耦合器的設想。通過仿真，所得結果和理論分析相吻合，證明了設計方案的可行性。

　　波導定向耦合器是一種功率耦合器件，其作用在于從波導中取出一部分微波功率并經(jīng)檢波器變?yōu)橹绷餍盘栍靡员O(jiān)測微波功率的大小及變化情況，在微波收﹑發(fā)信機及相關設備中是一個常用的部件。同時在不同的應用場合對耦合器的耦合度有不同的要求，如果能設計出耦合度可調的耦合器將極大的方便工程應用。本文在研究波導內場分布的基礎上，利用影響磁耦合強度的因素，設計出了可變耦合度的定向耦合器和雙耦合度定向耦合器。

圖1　矩形波導中主模TE10場圖

1、波導定向耦合器設計原理

　　矩形波導中傳播的主模TE10模的場圖如圖1所示，電場是在兩個寬邊之間來回傳輸，磁場在波導H 面上沿著波導長度方向傳輸。在波導耦合器的設計過程中，為了避免破壞波導中的傳播模式，通常不會將探針直接伸入到波導內部，而是通過在E面或H 面開孔的方法，通過小孔耦合將能量耦合出來。

　　本文就是采取在H 面上開孔方法，利用了磁場耦合，磁力線會耦合到小孔當中去，且穿過耦合環(huán)。經(jīng)過多次仿真計算發(fā)現(xiàn)影響磁場耦合強度的主要因素是耦合環(huán)的有效面積，而改變耦合環(huán)的有效面積的方法有以下兩種：①改變耦合環(huán)的實際面積;②通過改變耦合環(huán)面與傳輸方向的夾角來改變有效面積。下面從以上兩方面來討論定向耦合器的設計。

2、雙耦合度定向耦合器設計

　　通過擴大耦合環(huán)的面積來提高磁耦合量，從而提高耦合強度。也就是說在耦合環(huán)所在平面和磁場方向的夾角已確定的情況下，可以通過改變耦合環(huán)的面積來得到不同的耦合強度。

　　如圖2所示的雙耦合度定向耦合器，兩個耦合環(huán)所在平面都與磁場方向垂直，其中波導型號為BJ100，波導長為22mm，耦合孔的直徑為6mm，高度為9.2mm。為了在端口3和端口4分別實現(xiàn)40和50dB的耦合量，通過不斷地優(yōu)化和計算得到耦合環(huán)1和耦合環(huán)2的尺寸分別如圖3所示，圖中尺寸的單位為mm。

圖2　雙定向耦合器

圖3　耦合環(huán)1和耦合環(huán)2的尺寸

　　仿真計算結果如圖4所示，從圖中可以看出在8～12GHz頻率范圍內，S31基本為-40dB。S41在8～9GHz頻率范圍內比-50dB稍小點，其它頻點均達到指標要求。

圖4　雙耦合度耦合器計算結果

3、可變耦合度定向耦合器設計

　　通過改變耦合磁環(huán)所在平面與磁場方向的夾角可以改變耦合強度的大小。這是因為根據(jù)磁場耦合理論，當耦合環(huán)所確定的平面與磁場方向垂直時，穿過耦合環(huán)的磁力線最多，耦合環(huán)耦合到的磁場能量最強;當耦合環(huán)所在平面與磁場方向平行時，穿過耦合環(huán)的磁力線最少，耦合耦合得到的能量最弱。也就是說，當耦合環(huán)所在平面和磁場方向的夾角從0°變化到90°時，耦合出的能量是逐漸增強的。

　　如圖5所示的耦合器，其中波導型號為BJ100，波導長為22mm，耦合孔的直徑為6mm，高度為9.2mm，耦合環(huán)的尺寸如圖3所示，θ為耦合環(huán)所在平面和磁場方向的夾角。

圖5　可變耦合度耦合器正面圖和俯視圖

　　在CST MICROWAVE　STUDIO 中讓θ 在10°～90°之間變化，來驗證角度變化對耦合強度的影響。計算結果如圖6所示，隨著θ的變大，耦合強度逐漸增強。

　　根據(jù)以上的結論，我們在設計磁耦合環(huán)耦合器時，就可以把磁耦合環(huán)頭設計成可以旋轉的，比較簡便的方法如圖7所示，就是在磁耦合環(huán)接頭的法蘭盤上打上間隔相等的孔，通過改變孔的固定位置來旋轉磁耦合環(huán)頭，這樣便可設計出耦合強度可調的定向耦合器。

圖6　θ變化對耦合強度的影響

圖7　可旋轉磁接頭外形示意圖

4、總結

　　本文在分析波導中場模式基礎上，通過仿真計算和優(yōu)化，得出影響定向耦合器磁耦合的主要因素，并在此基礎上提出利用磁環(huán)耦合設計雙耦合度定向耦合器，和可變耦合度定向耦合器的設想。通過仿真，所得結果和理論分析相吻合，證明了設計方案的可行性。