基片集成波導寬邊雙縫3dB定向耦合器

1 引言

定向耦合器作為一種微波器件被廣泛用于微波、毫米波電子設備和天線饋電電路中，用來產(chǎn)生在一定帶寬內(nèi)所需的功率比例。波導定向耦合器具有損耗小，功率容量高，耦合形式多樣等優(yōu)點，并且在微波高頻端已有多種性能優(yōu)良的各種耦合器。但是，隨著微電子技術的發(fā)展，波導定向耦合器體積大、不易與固態(tài)微波電路集成的弱點顯得更加突出。

基片集成波導（SIW）是一種填充介質(zhì)的類波導結構，具有跟傳統(tǒng)矩形波導相類似傳播模式。并且可用通常的印制電路版（PCB）工藝加工制作基片集成波導，因此成本低廉并易于大規(guī)模生產(chǎn)。近年來，多種SIW定向耦合器已經(jīng)成功被研制。這些耦合器大部分是通過同層的基片集成波導的窄壁開縫耦合，需要較大面積的印制電路版。本文介紹了雙層基片集成波導上下重疊寬邊雙縫定向耦合器。仿真和測試結果證明了設計原理的可行性。這種耦合器可用于天線饋電結構和微波電路中。

2 寬邊雙縫3dB定向耦合器的原理和結構參數(shù)

2.1 寬邊雙縫3dB定向耦合器的原理

圖1所示公共寬邊上兩個平行的縱向短縫3dB定向耦合器?？梢哉J為在耦合區(qū)存在并傳輸兩種模式，即矩形波導的H₁₀波和同軸線的TEM波(可以把耦合區(qū)看成是多導體系統(tǒng))，兩者相速不同，從耦合區(qū)始端到末端產(chǎn)生的相位差為：

當Δβ=π/2時，由端口1輸入的功率從端口2和端口4各輸出1/2，而端口3無輸出，成為3dB定向耦合器。耦合端的輸出的相位超前直通端輸出相位90°。

2.2 寬邊雙槽3dB定向耦合器的結構參數(shù)

耦合器的結構如圖1所示，兩個平行的縱向耦合縫對稱地位于重疊的寬壁上。耦合器的各個參數(shù)如圖1所示。短縫的寬為Slot_w，長度為L1，耦合度隨這兩個參數(shù)變化；阻抗變換段的寬為W2,長度為L2，這兩個參數(shù)決定各端口的駐波好壞；金屬化過孔的直徑為R，周期長度為Svp，兩排金屬化過孔的間距為a_SIW,這些基片集成波導的參數(shù)隨選定頻率而定。從矩形波導到基片集成波導的等效公式可從參考 中得到。由于耦合器是上下兩層基片集成，實驗測量時需要考慮3.5mm連接器的安裝。同時為了避免微帶線拐角損耗較大的能量，選擇了基片集成波導拐角，如圖1所示。

圖1 SIW耦合器結構圖

3 耦合器的設計與仿真

為了使耦合器能應用于各種微波電路和天線饋電系統(tǒng)中，必須根據(jù)不同的耦合度設計不同的參數(shù)值。我們采用Ansoft HFSS仿真軟件來優(yōu)化耦合器的各個參數(shù)和驗證設計的正確性。

我們選取耦合縫的長度L1作為控制耦合度的主要變量，其他的結構參數(shù)與L1成線性關系。在中心頻率（15GHz）處，我們?nèi)vp=1mm，a_SIW=11mm，R=0.5mm，介質(zhì)基片的厚度為0.508mm，介質(zhì)的損耗角正切為0.001。當W1=L1，W2=L1ⅹ4.1/2.8，L2=(14.4mm-L1)/2，Slot_w=(10.5mm-L1)/2時，耦合度跟L1的關系如圖2所示。在L1＝5.6mm時，直通輸出和耦合輸出相等，由于介質(zhì)存在損耗，所以輸出略小于3 dB。

W2和L2的選取主要是依據(jù)端口阻抗的匹配。在仿真過程中發(fā)現(xiàn)，當W2/ W1＝4.1/2.8時，端口駐波比可達到較好的效果。

圖2 耦合度隨L1的變化

圖3反映了耦合端的S參數(shù)（S41）隨L1變化的曲線。圖4反映了隔離端的S參數(shù)（S31）隨L1變化的曲線。圖5反映了輸入端反射參數(shù)（S11）隨L1變化的曲線。

4 實驗和測試結果

耦合器采用標準的單層印制電路版工藝加工，實物如下圖6所示。上下兩層基片集成波導由金屬塊固定以確保它們緊密貼在一起，在PCB板上設置了許多定位孔，用來對準耦合縫。使用矢量網(wǎng)絡分析儀測量端口的S參數(shù)，測試時另外兩個端口接50Ω的寬帶負載。

圖3 S41隨L1的變化

圖4 S31隨L1的變化

圖5 S11隨L1的變化

這個耦合器被設計成3dB定向耦合器，R=0.5mm，Svp=1mm，a_SIW=11mm，W1=5.6mm，L1=2.8mm，Slot_w=2.7mm，W2=8.2mm，L2=4.4mm。 圖7給出了耦合器各端口實測的S參數(shù)。由于基片集成波導到微帶過渡、3.5mm同軸接頭和介質(zhì)的損耗，實測的耦合強度(S41)比仿真的小了約 0.8dB。直通端（S21）和耦合端（S41）的相位差在14.5GHz—15.5GHz這個頻帶內(nèi)約為90度，如圖8所示。同樣地，由于基片集成波導 到微帶過渡、3.5mm同軸接頭的不匹配，實測到的隔離度（S31）比仿真的要差些，在14.5GHz—15.5GHz這個頻帶內(nèi)實測的隔離度（S31） 和一端口駐波（S11）都在-15 dB以下。

圖6 耦合器實物圖

圖7 實測的S參數(shù)

圖8 直通端和耦合端的相位差

5 結論

本文介紹了一種結構簡單緊湊的基片集成波導寬邊雙縫3dB定向耦合器，通過仿真和實驗證明了這個設計的可行性。該耦合器實現(xiàn)了在中心頻率（15GHz）處的低回波損耗和良好的隔離，同時實現(xiàn)了直通輸出端和耦合輸出端的90度相位差和功率平分。該耦合器的最大不足之處是帶寬較窄，接下來需要作更多的研究工作實現(xiàn)寬帶耦合。加工簡單和結構緊湊使這雙層基片集成波導耦合器適合應用于多層基片集成波導的天線饋電電路和微波功分器中。