利用小孔耦合理論，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于Ka 波段回旋放大管輸出功率和頻譜測(cè)量的TEd01-TEW10多孔陣列定向耦合器。根據(jù)正向疊加和反向相消原則確定圓波導(dǎo)半徑及相鄰耦合孔間距，用MATLAB 編寫(xiě)程序?qū)︸詈隙燃岸ㄏ蛐噪S耦合器尺寸相關(guān)參數(shù)的變化做了數(shù)值分析。數(shù)值計(jì)算表明: 增加耦合孔數(shù)目、擴(kuò)大孔半徑及減小孔厚度均可提高耦合度，而耦合孔數(shù)目的增加在工作頻帶內(nèi)還可提高定向性。給出了16 孔定向耦合器尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，并利用CST 電磁軟件對(duì)其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果與數(shù)值模擬近似一致，其耦合度為- 35 ± 0. 9 dB，定向性高于24 dB，帶寬高達(dá)6 GHz。冷測(cè)實(shí)驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)定向耦合器滿足設(shè)計(jì)要求。

　　回旋行波管是一種大功率、寬頻帶的微波毫米波放大器，具有高功率、寬頻帶的特點(diǎn)，在等離子體加熱、毫米波雷達(dá)、電子對(duì)抗等方面有很大的應(yīng)用價(jià)值，因此在國(guó)際上備受重視。在高功率回旋行波管的研制過(guò)程中，高功率的測(cè)量既是重點(diǎn)又是難點(diǎn)。傳統(tǒng)的測(cè)量方法是將微波毫米波能量轉(zhuǎn)化成水負(fù)載的熱能來(lái)測(cè)量回旋行波管中的輸出功率，但是其結(jié)果容易受測(cè)量裝置的水壓、流量以及環(huán)境溫度等因素的影響。通過(guò)孔耦合理論設(shè)計(jì)的定向耦合器是一種方向性的功率分配器，它通過(guò)一系列的小孔進(jìn)行弱耦合的方式對(duì)主線中傳輸?shù)奈⒉ㄟM(jìn)行取樣測(cè)量，具有精度高、不易受外界因素影響、安裝簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。具體的原理結(jié)構(gòu)如圖1 所示，通過(guò)回旋行波管輸出的一小部分微波通過(guò)定向耦合器既可進(jìn)行功率測(cè)量，還可起到頻譜監(jiān)測(cè)的作用。所以真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)認(rèn)為設(shè)計(jì)高效、穩(wěn)定的定向耦合器非常重要。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)矩形波導(dǎo)—矩形波導(dǎo)定向耦合器的研究較為成熟，但對(duì)于圓波導(dǎo)—矩形波導(dǎo)定向耦合器的設(shè)計(jì)鮮有相關(guān)報(bào)道。本文根據(jù)項(xiàng)目研究的需要，對(duì)ka 波段寬頻帶的TEd01-TEW10定向耦合器進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。

圖1 功率測(cè)試系統(tǒng)

　　首先利用小孔耦合理論，通過(guò)MATLAB 數(shù)值計(jì)算，對(duì)ka 波段TEd01-TEW10多孔陣列定向耦合器的幾何尺寸進(jìn)行計(jì)算分析。考慮到設(shè)計(jì)指標(biāo)，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)耦合度及定向性的影響。其次，利用CST 三維仿真軟件對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，最后，加工了樣品，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

　　結(jié)論

　　通過(guò)理論分析、數(shù)值計(jì)算和仿真驗(yàn)證，提出了一種ka 波段TEd01-TEW10定向耦合器的設(shè)計(jì)方案。在ka波段設(shè)計(jì)出了耦合度為- 35 ± 0. 9 dB，定向性高于24 dB，帶寬高達(dá)6 GHz 的高性能寬帶TEd01-TEW10多孔定向耦合器; 同時(shí)研究了在工程可實(shí)現(xiàn)最小尺寸的情況下提高定向性的方法; 其次分析了耦合孔半徑和厚度的變化對(duì)耦合度指標(biāo)的影響，并給出了一種定向耦合器的設(shè)計(jì)方案。最后加工了所設(shè)計(jì)的定向耦合器的樣品，并對(duì)其進(jìn)行了冷測(cè)實(shí)驗(yàn)。理論計(jì)算及模擬仿真的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。以上的計(jì)算分析與仿真為回旋行波管圓波導(dǎo)-矩形波導(dǎo)定向耦合器的設(shè)計(jì)提供了理論和技術(shù)支撐。