在分析波導中場模式基礎上，通過仿真計算和優化，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檢波器變為直流信號用以監測微波功率的大小及變化情況，在微波收﹑發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。經過多次仿真計算發現影響磁場耦合強度的主要因素是耦合環的有效面積，而改變耦合環的有效面積的方法有以下兩種：①改變耦合環的實際面積;②通過改變耦合環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40和50dB的耦合量，通過不斷地優化和計算得到耦合環1和耦合環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1和耦合環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。這是因為根據磁場耦合理論，當耦合環所確定的平面與磁場方向垂直時，穿過耦合環的磁力線最多，耦合環耦合到的磁場能量最強;當耦合環所在平面與磁場方向平行時，穿過耦合環的磁力線最少，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，耦合環的尺寸如圖3所示，θ為耦合環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。

　　根據以上的結論，我們在設計磁耦合環耦合器時，就可以把磁耦合環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。