波導(dǎo)耦合器屬于分功率器件的一種，他可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的備份，回波測(cè)量，功率分配合成，信號(hào)正交等功能，屬于微波應(yīng)用的重要器件。在第5期《貝茲孔波導(dǎo)定向耦合器實(shí)現(xiàn)》中介紹了波導(dǎo)寬邊定向耦合器的實(shí)現(xiàn)方式。這一篇介紹波導(dǎo)短縫耦合器的實(shí)現(xiàn)方式，短縫耦合器也叫Riblet short-slot 耦合器，屬于窄邊耦合的一種，可以用一個(gè)窄邊縫隙實(shí)現(xiàn)3dB強(qiáng)耦合。

1、短縫耦合器工作原理

短縫耦合器是將兩根波導(dǎo)窄邊相接平行放置，在中間開(kāi)一段短槽，從而實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)間的能量耦合，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。

圖1、短縫耦合器示意圖

短縫耦合器的工作原理見(jiàn)圖2所示，奇偶模分析同樣適合該器件，在1、3口饋入奇偶模電壓，3口由于奇偶模互相抵消，電壓為零，所以是隔離口。由于奇模和偶模的相速度不同，奇模和偶模到達(dá)2、4口的相位有差異，通過(guò)調(diào)節(jié)短縫的長(zhǎng)度可以產(chǎn)生不同的相位差，從而可以產(chǎn)生不同的耦合度。通過(guò)計(jì)算可知當(dāng)θ1和θ2相差π/2時(shí)，耦合度為3dB。

圖2、短縫耦合器原理示意圖

短縫耦合器的核心原理是奇模和偶模相速度不同從而產(chǎn)生的疊加效應(yīng)。設(shè)計(jì)時(shí)要保證短縫處只能傳輸TE20和TE10兩個(gè)模式，所以寬度受到限制。過(guò)寬和過(guò)窄都影響該器件的正常工作。

2、3dB波導(dǎo)短縫耦合器設(shè)計(jì)

1) 設(shè)計(jì)步驟

3dB波導(dǎo)短縫耦合器遵循下列設(shè)計(jì)步驟：

a) 規(guī)劃短縫寬度，通過(guò)波導(dǎo)模式計(jì)算出短縫寬度的上下限，控制短縫處只能通過(guò)TE20和TE10兩個(gè)模式

b) HFSS中仿真短縫處奇偶模阻抗和有效介電常數(shù)（影響相速度）

c) 根據(jù)有效介電常數(shù)計(jì)算出短縫長(zhǎng)度，或者在ADS中建立耦合線模型，優(yōu)化出短縫長(zhǎng)度以及端口匹配阻抗。必要時(shí)需設(shè)計(jì)阻抗變換器

d) HFSS中建模仿真驗(yàn)證

2) 設(shè)計(jì)實(shí)例

這里用一個(gè)24GHz的3dB短縫耦合器說(shuō)明該耦合器的設(shè)計(jì)方法。

a) 規(guī)劃短縫寬度，通過(guò)波導(dǎo)模式計(jì)算出短縫寬度的上下限，控制短縫處只能通過(guò)TE20和TE10兩個(gè)模式

這一步可以通過(guò)《微波工程》一書中波導(dǎo)截止模式計(jì)算，這里直接選用BJ260標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，詳細(xì)計(jì)算不做展開(kāi)。

b) HFSS中仿真短縫處奇偶模阻抗和有效介電常數(shù)（影響相速度）

圖3、奇偶模阻抗及有效介電常數(shù)仿真

c) 根據(jù)有效介電常數(shù)計(jì)算出短縫長(zhǎng)度，或者在ADS中建立耦合線模型，優(yōu)化出短縫長(zhǎng)度以及端口匹配阻抗。必要時(shí)需設(shè)計(jì)阻抗變換器

圖4、ADS仿真確定短縫長(zhǎng)度

d) HFSS中建模仿真驗(yàn)證

通過(guò)c)步驟確定的短縫長(zhǎng)度在HFSS建立短縫波導(dǎo)耦合器的完整模型圖5，通過(guò)仿真可以看出很好的實(shí)現(xiàn)了3dB的耦合度，但是駐波和隔離度稍差，這主要是因?yàn)檩斎氩▽?dǎo)間有金屬壁的厚度，這個(gè)地方的不連續(xù)必須通過(guò)一定的匹配電路來(lái)補(bǔ)償。

圖5、短縫波導(dǎo)耦合器模型及一次仿真曲線

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)臺(tái)階處進(jìn)行切角處理，切角模型見(jiàn)圖6所示，通過(guò)掃描切角長(zhǎng)度可以得到比較好的駐波及隔離結(jié)果見(jiàn)圖6所示。

短縫耦合器的耦合度在寬帶范圍內(nèi)波動(dòng)較大，一般適合在相對(duì)窄的帶寬里使用。

圖6、駐波優(yōu)化后的短縫耦合器模型及仿真結(jié)果