用于高功率微波测量的孔耦合定向耦合器研究与设计

论文摘要

在微波系统中,定向耦合器是一种用途较广的微波元件,例如信号发生器中的功率监视装置和接收机中的混频器都要应用定向耦合器。从结构上上看,同轴线、带状线、微带线、波导都可以构成定向耦合器。因此,定向耦合器的种类繁多,差异很大。虽然国内外对定向耦合器的研究时间久,种类多,范围广,特别是对矩形波导定向耦合器的研究可是说是非常成熟,但是对圆波导—矩形波导间通过圆孔进行耦合的研究却比较少。从微波源的发展上看,通常微波源主要采用圆波导结构（也有矩形波导等结构）,设计出圆波导—矩形波导孔耦合定向耦合器对于测量这些微波源的功率有着很重要的意义。设计的关键在于能否使耦合器的耦合系数随传输频率的变化曲线尽量平坦,频带尽量宽,模式干扰尽量的少,方向性好,能很好的满足回旋管教研室对高功率微波测量方式的需求,提高高功率微波功率测量的精确性。因此对圆波导—矩形波导孔耦合器定向耦合器进行全面系统的研究,不仅具有重要的应用价值而且也具有一定的理论意义。本论文结合现有文献对圆波导—矩形波导孔耦合定向耦合器从理论分析、数值计算、软件模拟方面进行了系统的研究。首先研究了比较简单的单孔耦合的情况,推导了圆波导一矩形波导TEm0-TE0n孔耦合器单孔耦合度计算公式,分析出单孔耦合时不具备定向耦合的条件;在此基础上,对多孔阵列耦合也进行了研究和分析。在孔与孔等间距的情况下,对小孔耦合系数分布满足二项式分布、切比雪夫分布、等孔径分布进行了计算对比,重点讨论了各种分布情况下圆波导—矩形波导孔耦合定向耦合器的带宽,通过对不同方案的分析比较,逐步实现设计最优化,从而达到拓宽工作带宽的目的,并使之在工程实践上具有更为宽广的应用价值。本论文主要研究内容:1.系统推导并完善了圆波导—矩形波导孔耦合以及孔定向耦合的理论基础,给出了耦合孔在波导对称中心的位置时耦合器的TE01-TE10耦合度计算公式,为设计此种波导定向耦合器的研究提供了较完整的设计理论。大量的研究结果为本领域及相关领域的研究提供了理论依据。2.重点分析了圆波导—矩形波导TE01-TE10孔耦合反向相消定向耦合器,对小孔耦合理论进行了理论分析,运用数值计算软件MATLAB编制了孔耦合定向耦合器的辅助设计程序完成数值计算,利用HFSS软件进行高频结构模拟,将数值计算结果与模拟结果进行了对比分析,验证理论分析和数值计算的正确性。3.在多孔耦合阵列中,分析了小孔孔径服从等孔径分布、二项式分布、切比雪夫分布下对定向耦合器带宽以及方向性等指标的影响,得出一系列实用的结论。4.分析了定向耦合器的结构参数的细微变化对其性能的影响,便于对实际加工的模型进行误差计算。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 高功率微波发展概述
• 1.2 高功率微波功率测量方法简介
• 1.3 高功率微波功率测量系统简介
• 1.3.1 吸收式微波测量系统
• 1.3.2 辐射式微波测量系统
• 1.3.3 通过式测量（在线测量）系统
• 1.4 回旋管教研室高功率微波测量系统介绍
• 1.5 小孔耦合理论研究综述
• 1.6 本论文的主要工作
• 第二章 孔耦合定向耦合器理论基础
• 2.1 基本概念
• 2.2 定向耦合器的技术指标
• 2.3 小孔耦合理论
• 2.4 相位迭加原理
• 2.5 多孔耦合
• 2.6 等间距耦合
• 2.6.1 二项式分布
• 2.6.2 切比雪夫分布
• 2.7 等强度耦合
• 2.8 等间距等强度耦合
• 2.9 耦合器重要参数设计
• 2.9.1 耦合孔间距的确定
• 2.9.2 波导尺寸的确定
• 2.9.3 耦合孔径的确定
• 01-TE₁₀单孔定向耦合器研究与设计'>第三章 TE₀₁-TE₁₀单孔定向耦合器研究与设计
• 3.1 单孔耦合定向耦合器的结构
• 3.2 单孔耦合定向耦合器的耦合系数
• 3.3 单孔耦合定向耦合器的设计与分析
• 3.3.1 单孔定向耦合器的耦合度随频率的变化
• 3.3.2 单孔定向耦合器的耦合度随小孔尺寸的变化
• 3.4 总结
• 01-TE₁₀多孔定向耦合器研究与设计'>第四章 TE₀₁-TE₁₀多孔定向耦合器研究与设计
• 01-TE₁₀单孔耦合结构'>4.1 四端口TE₀₁-TE₁₀单孔耦合结构
• 4.2 四端口单孔定向耦合器耦合理论
• 4.3 单孔定向性分析
• 4.4 单孔耦合数据图象
• 4.5 多孔耦合定向耦合器
• 4.5.1 双孔定向耦合器
• 4.5.2 多孔耦合定向耦合器的结构
• 01-TE₁₀多孔定向耦合器的设计'>4.6 TE₀₁-TE₁₀多孔定向耦合器的设计
• 01-TE₁₀定向耦合器的设计'>4.6.1 4孔TE₀₁-TE₁₀定向耦合器的设计
• 01-TE₁₀定向耦合器设计'>4.6.2 8孔TE₀₁-TE₁₀定向耦合器设计
• 4.7 本章小节
• 第五章 定向耦合器特性参量的分析
• 5.1 定向耦合器的耦合度随圆波导尺寸的变化
• 5.2 定向耦合器的耦合度随小孔厚度T的变化
• 5.3 定向耦合器功率容量的估算
• 01-TE₁₀定向耦合器的反射曲线'>5.4 TE₀₁-TE₁₀定向耦合器的反射曲线
• 21模式的抑制'>5.5 定向耦合器中TE₂₁模式的抑制
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻硕期间取得的研究成果