S-Band 3dB定向耦合器的优化设计及应用

3dB定向耦合器在组成微波器件中有着广泛的应用,在我们的实验室中最常用到的带有3dB定向耦合器的微波器件是移相器、衰减器和能量倍增器等,dB定向耦合器的性能参数对上述器件的性能起着决定性的作用.在对原有S-band 3dB定向耦合器模拟研究的基础上,通过对不同组数据的分析比较,提出了此结构的优化设计方案.重新设计后的3dB定向耦合器不仅简化了加工工艺,而且驻波比、不平衡度、隔离度都达到了更好的效果.将新设计的定向耦合器应用到移相器中,通过对新老移相器的模拟和测试结果的比较可以看到移相器的各项指标均比原来有所提高,而这也是以往移相器所无法达到的新指标.对新加工的移相器试验件的测试数据表明,实验测试和模拟计算的一致性很好.     

Ka波段宽带谐波抑制定向耦合器

为解决传统分支线定向耦合器带宽较窄,且应用到线性化器等微波元件中时受谐波信号影响较大的问题,提出了一个宽带且带有谐波抑制功能的定向耦合器。该定向耦合器在双支节定向耦合器的基础上增加一个支节,可有效地提高定向耦合器的带宽,同时将其传输线支节替换为低通滤波结构,以实现对高次谐波抑制的作用。仿真结果表明,该定向耦合器的反射系数和隔离度均小于-15 dB,传输损耗小于3.8 dB,波动范围0.5 dB,相位差为90°且与双支节耦合器相比增加1 GHz带宽。满足耦合器的设计指标,可应用到微波元件中,提高微波元件的性能。     

圆波导定向耦合器在高功率微波测量中的应用

介绍了大功率容量定向耦合器的设计、标定、测试与应用情况。以X波段圆波导定向耦合器为例,在9.2~10.2 GHz的频带范围内,基于小孔耦合理论优化设计的结构,其耦合度可以稳定在(55±2)dB以内,隔离度大于80 dB。在此基础上,设计加工了X波段圆波导定向耦合器并进行了标定测试,测试与仿真结果吻合较好,高功率微波实验证实了其具有较高功率容量,能够满足实验需求。该类圆波导定向耦合器已广泛应用于实验室高功率微波源的在线测量装置中。     

X波段高功率微波选模定向耦合器

高功率、长脉冲是高功率微波技术发展的趋势,提高微波器件的功率容量成为一项重要的任务,使用过模器件可以有效提高微波源的功率容量,然而却会带来微波源中同时存在多种模式的问题。为了识别一个X波段长脉冲过模高功率微波源的输出主模TM01模式,设计了一种在线选模定向耦合器,进行了理论分析和模拟优化设计。当频率范围为9.2~9.6 GHz时,模拟结果显示该选模耦合器对TM01模的耦合度为-54 dB,在400 MHz带宽内定向性大于35 dB,对TM02模的抑制度大于15 dB,功率容量可达到3 GW以上。     

基于Ti扩散铌酸锂偏振分束器的研制

对定向耦合型偏振分束器的原理进行了分析。设计了一种零间距定向耦合器,在空间上实现TE/TM模式分束;用BPM软件对所设计的器件进行仿真模拟,对于TE/TM模的消光比分别可以达到21.2dB和19.5dB;该器件在X切Y传的LiNbO3晶片上采用Ti扩散技术制作完成。实验样品消光比测试结果TE/TM模分别为11.5dB和19.1dB,对于消光比不够理想的原因进行了初步的分析。     

圆波导-矩形波导小孔耦合定向耦合器设计

 设计了圆波导-矩形波导通过小孔耦合的定向耦合器装置,应用于高功率微波器件输出功率测量。利用弱耦合波理论分析了单孔耦合,对单孔耦合进行了理论分析和数值计算,并在HFSS中模拟了中心频率34 GHz、耦合度－40 dB的TE₀₁TE₁₀单孔耦合,将数值计算结果和模拟结果进行了对比,两者最大差值为0.4 dB, 相对误差近1%,从而证实理论分析和数值计算的正确性,证实了此种单孔耦合器不具备定向耦合的条件。在单孔耦合的基础上利用相位叠加原理详细分析了多孔定向耦合阵列原理,得出多孔耦合器且满足反向相位相消的条件才具备定向耦合;为设计此种定向耦合器提供了设计理论和参考依据。在实际加工中只要给出标定的耦合度和方向性系数就可以确定耦合孔尺寸。     

L波段小型化同轴-共面波导定向耦合器

设计了一种适用于L波段高功率微波辐射场测量的同轴型定向耦合器。分别选择同轴线和金属底板共面波导（CBCPW）作为主副传输线,减小定向耦合器横截面积;利用小孔耦合理论和微元法对耦合结构进行理论分析,选择连续渐变的菱形耦合缝隙,缩短定向耦合器长度;采用数值模拟的方法对耦合器结构进行优化,并对其性能参数进行实验测试,结果表明, 在1~2 GHz频带范围内耦合度约为47 dB,方向性大于17 dB。     

带状注行波管E面和H面宽带耦合器

设计和分析了应用于W波段带状注行波管的E面多孔输入输出耦合器和H面多孔输入输出耦合器。研究表明,采用多孔耦合,不仅可以实现电磁场与电子注的汇聚和分离,还可以实现极宽工作带宽。HFSS仿真分析结果表明:E面多孔定向耦合器1dB相对带宽达43GHz,且隔离度优于20dB的相对带宽达到40GHz;H面定向耦合器在E面耦合器的10个耦合孔数的基础上,通过增加2个耦合孔数,1dB相对带宽提升到30GHz,且隔离度大于15dB的相对带宽达到32GHz。两种新型耦合器在极宽的工作带宽内实现低反射、高隔离的性能。与E面耦合器相比,H面耦合器易于加工和利于与周期永久磁体的封装集成。     

双枝节加载的L波段宽带高隔离度定向耦合器

提出了一种小型化双枝节加载的L波段微带线定向耦合器。使用功率相消技术提高定向耦合器的隔离度,并且采用两根长度不同的加载枝节分别在两个相近的频点上反射信号,从而实现耦合器的带宽扩展;同时采用缺陷地结构的慢波特性减小该定向耦合器的物理尺寸,并利用缺陷地结构产生的陷波,合并上述两根枝节反射抵消产生的的两个陷波,进一步提高定向耦合器的带宽和隔离度。该耦合器工作在L波段,耦合度约为10 dB,在整个L波段内的隔离度均优于?20 dB,最大约为?52.81 dB,相对带宽为60%。最后对设计的定向耦合器进行加工和测试,测试与仿真结果一致性较好,证明了该电路的可行性。     

一种高功率微波金属片波导移相器设计与特性分析

设计了一种高功率微波矩形波导移相器,在矩形波导中平行于电场放置金属片,沿波导宽边移动金属片,实现波导内的可变相移。通过优化设计波导和金属片的结构尺寸可实现0~360°相移,通过优化设计金属片过渡匹配结构可实现较低的插损。设计波导内为全金属结构,不存在介质材料,采用真空绝缘可以承受较高的功率传输。设计了中心频率为9.4GHz的金属片波导移相器,移相器最大插损小于0.2dB,功率容量设计达到64 MW。实验测试,移相器最大插损小于0.5dB,相频曲线呈线性关系。     

Ka波段的反射型模拟电调移相器设计

为了能对射频信号进行连续相位调制,设计了Ka波段新型小型化的模拟电调移相器,该电路基于90°分支线电桥与并联结构变容二极管实现电路大范围移相,利用四分之一波长微带线实现电路匹配及阻抗变换,通过并联补偿电阻平衡其插入损耗波动,并对其进行了详细分析与探讨。仿真及实测结果表明:该移相器在29~31GHz频段范围内,可获得180°左右的相移量,插入损耗优于6.5dB,插入损耗波动在1dB内,相移误差小于10°。     

3 dB桥误差对能量倍增器性能的影响

根据能量倍增器的工作原理,对3 dB桥误差引起的能量倍增器性能变化进行了理论分析,并对BEPC和BEPCⅡ直线加速器所使用能量倍增器的3 dB桥误差进行了讨论,为判断焊接后3 dB桥桥臂波导变形提供了理论参考。结果表明:无论是功率分配不平衡,还是相位关系偏离,都会使部分功率反射回速调管。功率分配不平衡和微波相位关系偏离值越大,则功率倍增因子下降得越多。     

Fin-line Pin diode BPSK and QPSK modulators

A low insertion lose fin-line PIN diode phase shifter is presented. 90° and 180° phase shifters are realized respectively. Phase error less than 5° and bandwidth 3 GHz at Ka band are achieved. The insertion loss is better than 0.5dB.The BPSK and QPSK modulators consisting of this phase shifter and fin-line coupler are also given. The circuits and results are given.     

A very short vertical directional coupler with polarization-insensitive high extinction ratios

We propose a very short vertical directional coupler with polarization-insensitive high extinction ratios. The structure of the coupler has two deep-ridge waveguide structures in the upper and lower parts which can be implemented using a double-sided wafer process. The coupling length and extinction ratios of the vertical directional coupler with symmetric structures decrease as the thicknesses of the inner cladding layer and core layer decrease. The extinction ratio is improved using a slight asymmetry in the refractive indices of two core layers. As the thicknesses of the inner cladding layer and core layer decrease, the length of the vertical directional coupler for extinction ratios greater than 30 dB of both TE and TM modes decreases. A vertical directional coupler with a very short length less than 100 μm and polarization-insensitive high extinction ratios greater than 30 dB can be implemented using the structure proposed in this paper.     

C波段能量倍增器的研制

C波段(5712 MHz)能量倍增器——SLED是我国研制的首台C波段能量倍增器。简述了利用三维电磁场仿真软件HFSS和CST对C波段能量倍增器的高品质因数储能腔、耦合孔、3 dB桥等进行优化设计的情况,对加工的能量倍增器做了射频低功率测试,实验测试和理论计算的一致性很好,测试结果表明所有技术参数指标均达到了设计要求。     

用于X波段模块化相对论速调管放大器在线测量的紧凑型定向耦合器设计

为实现模块化相对论速调管放大器功率、频率和相位的在线测量,对紧凑型高定向性高带宽的定向耦合器进行了仿真和实验研究。利用小孔耦合理论和相位叠加原理进行理论分析,设计了一种双孔紧凑型定向耦合器,在此基础上采用主、副波导正交连接,耦合孔沿轴向和角向二维分布的方法,进一步缩短了耦合器的长度。通过电磁仿真对耦合器各参数进行优化,模拟结果表明：当中心频率为10 GHz时,普通双孔定向耦合器对TM01模式的耦合度为-60.68 dB,在250 MHz的带宽内定向性大于20 dB,此时耦合区长度为3.49 cm。改进型定向耦合器对TM01模式的耦合度为-58.1 dB,在300 MHz的带宽内定向性大于20 dB,此时耦合区长度仅为1.8 cm（约0.6λ）。耦合器的冷腔实验测量结果与仿真结果符合较好。     

All-Optical Multi-Mode Interference Switch Using Non-Linear Directional Coupler as a Passive Phase Shifter

Abstract

This article presents an all-optical multi-mode interference switch in which the non-linear directional coupler is utilized to realize a passive phase shifter. The proposed structure can be used either as a 1 × 2 or a 2 × 2 switch, with two inputs applied simultaneously in the latter case. The operation of the device is mainly based on the phase difference of the inputs of the multi-mode interference section. The beam propagation method is used for the design and simulation of the structure. The simulation results approve the low sensitivity on wavelength and fabrication tolerances. The crosstalk of the structure is equal to ?31.6 dB.