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基片集成波导宽边双缝3dB定向耦合器仿真和测试
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2017-11-09
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1 引言
定向耦合器作为一种微波器件被广泛用于微波、毫米波电子设备和天线馈电电路中，用来产生在一定带宽内所需的功率比例。波导定向耦合器具有损耗小，功率容量高，耦合形式多样等优点，并且在微波高频端已有多种性能优良的各种耦合器。但是，随着微电子技术的发展，波导定向耦合器体积大、不易与固态微波电路集成的弱点显得更加突出。
基片集成波导（SIW）是一种填充介质的类波导结构，具有跟传统矩形波导相类似传播模式。并且可用通常的印制电路版（PCB）工艺加工制作基片集成波导，因此成本低廉并易于大规模生产。近年来，多种SIW定向耦合器已经成功被研制。这些耦合器大部分是通过同层的基片集成波导的窄壁开缝耦合，需要较大面积的印制电路版。本文介绍了双层基片集成波导上下重叠宽边双缝定向耦合器。仿真和测试结果证明了设计原理的可行性。这种耦合器可用于天线馈电结构和微波电路中。
2 宽边双缝3dB定向耦合器的原理和结构参数
2.1 宽边双缝3dB定向耦合器的原理
图1所示公共宽边上两个平行的纵向短缝3dB定向耦合器。可以认为在耦合区存在并传输两种模式，即矩形波导的H10波和同轴线的TEM波（可以把耦合区看成是多导体系统），两者相速不同，从耦合区始端到末端产生的相位差为：
当Δβ=π/2时，由端口1输入的功率从端口2和端口4各输出1/2，而端口3无输出，成为3dB定向耦合器。耦合端的输出的相位超前直通端输出相位90°。
2.2 宽边双槽3dB定向耦合器的结构参数
耦合器的结构如图1所示，两个平行的纵向耦合缝对称地位于重叠的宽壁上。耦合器的各个参数如图1所示。短缝的宽为Slot_w，长度为L1，耦合度随这两个参数变化；阻抗变换段的宽为W2，长度为L2，这两个参数决定各端口的驻波好坏；金属化过孔的直径为R，周期长度为Svp，两排金属化过孔的间距为a_SIW，这些基片集成波导的参数随选定频率而定。从矩形波导到基片集成波导的等效公式可从参考 中得到。由于耦合器是上下两层基片集成，实验测量时需要考虑3.5mm连接器的安装。同时为了避免微带线拐角损耗较大的能量，选择了基片集成波导拐角，如图1所示。
图1 SIW耦合器结构图
3 耦合器的设计与仿真
为了使耦合器能应用于各种微波电路和天线馈电系统中，必须根据不同的耦合度设计不同的参数值。我们采用Ansoft HFSS仿真软件来优化耦合器的各个参数和验证设计的正确性。
我们选取耦合缝的长度L1作为控制耦合度的主要变量，其他的结构参数与L1成线性关系。在中心频率（15GHz）处，我们取Svp=1mm，a_SIW=11mm，R=0.5mm，介质基片的厚度为0.508mm，介质的损耗角正切为0.001。当W1=L1，W2=L1ⅹ4.1/2.8，L2=（14.4mm-L1）/2，Slot_w=（10.5mm-L1）/2时，耦合度跟L1的关系如图2所示。在L1＝5.6mm时，直通输出和耦合输出相等，由于介质存在损耗，所以输出略小于3 dB。
定向耦合器作为一种微波器件被广泛用于微波、毫米波电子设备和天线馈电电路中，用来产生在一定带宽内所需的功率比例。波导定向耦合器具有损耗小，功率容量高，耦合形式多样等优点，并且在微波高频端已有多种性能优良的各种耦合器。但是，随着微电子技术的发展，波导定向耦合器体积大、不易与固态微波电路集成的弱点显得更加突出。
基片集成波导（SIW）是一种填充介质的类波导结构，具有跟传统矩形波导相类似传播模式。并且可用通常的印制电路版（PCB）工艺加工制作基片集成波导，因此成本低廉并易于大规模生产。近年来，多种SIW定向耦合器已经成功被研制。这些耦合器大部分是通过同层的基片集成波导的窄壁开缝耦合，需要较大面积的印制电路版。本文介绍了双层基片集成波导上下重叠宽边双缝定向耦合器。仿真和测试结果证明了设计原理的可行性。这种耦合器可用于天线馈电结构和微波电路中。
2 宽边双缝3dB定向耦合器的原理和结构参数
2.1 宽边双缝3dB定向耦合器的原理
图1所示公共宽边上两个平行的纵向短缝3dB定向耦合器。可以认为在耦合区存在并传输两种模式，即矩形波导的H10波和同轴线的TEM波（可以把耦合区看成是多导体系统），两者相速不同，从耦合区始端到末端产生的相位差为：
当Δβ=π/2时，由端口1输入的功率从端口2和端口4各输出1/2，而端口3无输出，成为3dB定向耦合器。耦合端的输出的相位超前直通端输出相位90°。
2.2 宽边双槽3dB定向耦合器的结构参数
耦合器的结构如图1所示，两个平行的纵向耦合缝对称地位于重叠的宽壁上。耦合器的各个参数如图1所示。短缝的宽为Slot_w，长度为L1，耦合度随这两个参数变化；阻抗变换段的宽为W2，长度为L2，这两个参数决定各端口的驻波好坏；金属化过孔的直径为R，周期长度为Svp，两排金属化过孔的间距为a_SIW，这些基片集成波导的参数随选定频率而定。从矩形波导到基片集成波导的等效公式可从参考 中得到。由于耦合器是上下两层基片集成，实验测量时需要考虑3.5mm连接器的安装。同时为了避免微带线拐角损耗较大的能量，选择了基片集成波导拐角，如图1所示。
图1 SIW耦合器结构图
3 耦合器的设计与仿真
为了使耦合器能应用于各种微波电路和天线馈电系统中，必须根据不同的耦合度设计不同的参数值。我们采用Ansoft HFSS仿真软件来优化耦合器的各个参数和验证设计的正确性。
我们选取耦合缝的长度L1作为控制耦合度的主要变量，其他的结构参数与L1成线性关系。在中心频率（15GHz）处，我们取Svp=1mm，a_SIW=11mm，R=0.5mm，介质基片的厚度为0.508mm，介质的损耗角正切为0.001。当W1=L1，W2=L1ⅹ4.1/2.8，L2=（14.4mm-L1）/2，Slot_w=（10.5mm-L1）/2时，耦合度跟L1的关系如图2所示。在L1＝5.6mm时，直通输出和耦合输出相等，由于介质存在损耗，所以输出略小于3 dB。
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