基于介質(zhì)集成波導(dǎo)（SIW）的三路 零相位功率分配/合成器

1 引言

近年來，介質(zhì)集成波導(dǎo)(SIW)技術(shù)被提出并且迅速發(fā)展。作為一種新型的傳輸線結(jié)構(gòu)，它綜合了傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)和微帶線的一系列優(yōu)點(diǎn)：和傳統(tǒng)的矩形波導(dǎo)一樣，SIW具有較高的品質(zhì)因數(shù)和很小的輻射損耗；和微帶線一樣具有體積小、重量輕、容易加工和集成等優(yōu)點(diǎn)。從工作原理上看，能夠用普通波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)也都可以用SIW來實(shí)現(xiàn)，比如濾波器、天線、微帶到波導(dǎo)的過渡、耦合器、功分器等。

功率分配/合成器是一種重要的微波毫米波元件。在多普勒體制的和差三路式單脈沖雷達(dá)中，各路混頻器所需要的本振功率通常用一個(gè)三等分功分器從雷達(dá)頻率合成器上獲得。設(shè)計(jì)功分器最常用的方法是采用樹狀結(jié)構(gòu)，先把輸人信號分成兩路，然后每路又分成兩路。這種結(jié)構(gòu)分的路數(shù)需滿足2*N (N= 1, 2...)，如要分成3路，則必須先分成4路，其中一路用匹配負(fù)載吸收。這種方法不但白白耗費(fèi)了一路能量，而且由于其它3路負(fù)載與吸收支路匹配負(fù)載并不完全一樣，因而其平衡度也不理想。另一種方法是先用一個(gè)功率比為1:2的功分器，然后在功率輸出較大的一路接一個(gè)二等分功分器。這樣既可以做到等分功率，又可以避免不必要的吸收，但在電路中，實(shí)現(xiàn)滿意的1:2功率分配并不容易。本文采用基于SIW的三路零相位功率分配/合成器設(shè)計(jì)，可以克服上述困難，并且它的駐波比小，插入損耗小，不平衡度小，各路間隔離度高。

2 理論分析

2.1 SIW的原理

SIW的原理是在微波毫米波介質(zhì)基片上制作兩排周期性金屬化通孔，這樣在上下金屬面和兩排金屬化通孔之間就形成了一個(gè)類似于矩形金屬波導(dǎo)的集成導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，如圖1所示。當(dāng)金屬化通孔之間的間距滿足一定條件時(shí)，電磁場被限制在導(dǎo)波結(jié)構(gòu)內(nèi)，而且傳輸類似于普通矩形金屬波導(dǎo)內(nèi)的模式。

圖1 介質(zhì)集成波導(dǎo)(SIW)

由于介質(zhì)集成波導(dǎo)中的TE₁₀模與傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)中的TE₁₀模非常相似，因此我們可以利用傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)和介質(zhì)集成波導(dǎo)的等效關(guān)系來確定介質(zhì)集成波導(dǎo)的最初幾何尺寸。

（1）

其中是歸一化系數(shù)，是相對應(yīng)的矩形波導(dǎo)的寬度，是SIW的寬度，d是孔的直徑，p是相鄰兩個(gè)孔的中心間距。、和定義為：

（2）

（3）

（4）

圖1中，兩排金屬孔間的距離a決定了波導(dǎo)的工作頻率?？椎闹睆絛應(yīng)該小于等于工作最大波長的十分之一，孔心距p小于等于二倍孔直徑。

2.2 三路零相位功率分配/合成器原理

如圖2所示，作功率分配器時(shí)，①端口為輸入端口，②、③、④端口為三路輸出端口，⑤、⑥端口為隔離端口。通過調(diào)整金屬化通孔帶L1、L2、L3、L4和間距g1、g2、g3的大小來改變耦合量，從而得到所需的功率分配、回波損耗和隔離度；反之，作功率合成器時(shí)，②、③、④端口為三路輸入端口，①端口為輸出端口，⑤、⑥端口接匹配負(fù)載。圖2中，由于從端口①到端口②、③、④信號傳輸?shù)穆窂讲煌?，引入了一段L5來調(diào)節(jié)三路的相位差，使之為零相位。

圖2 三路零相位功率分配/合成器示意圖

2.3 微帶到SIW的過渡

為了便于和其他微波毫米波電路連接，需要設(shè)計(jì)微帶到介質(zhì)集成波導(dǎo)的過渡。微帶到SIW的過渡結(jié)構(gòu)形式如圖3，它的主體為一段微帶漸變線，這一段微帶漸變線實(shí)現(xiàn)介質(zhì)集成波導(dǎo)和50歐姆微帶線之間的阻抗變換。微帶漸變線的形式有多種(如圓弧漸變線、線性漸變線等)。由于線性漸變線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、加工方便，本文選擇了線性微帶漸變線。在高頻仿真軟件HFSS中建模，通過調(diào)整變量tt和tw可以快速地實(shí)現(xiàn)微帶到SIW的過渡。

圖3 微帶到波導(dǎo)的過渡

3 結(jié)果

利用HFSS軟件建立基于介質(zhì)集成波導(dǎo)（SIW）三路零相位功率分配/合成器模型，如圖4。通過仿真優(yōu)化，確定參數(shù)a=13.5mm, d=0.5mm, p=0.65mm, L1=L4=4.1mm, L2=L3=4mm, L5=3.9mm, g1=g3= 11.3mm, g2=10mm, tt=6.2mm, tw=3mm。介質(zhì)采用Rogers5880,介電常數(shù) =2.2，介質(zhì)厚度h=0.254mm, 50歐姆微帶線線寬w= 0.76 mm。仿真結(jié)果如圖5、6所示。

由圖5可以看到，在頻率范圍為11～12GHz時(shí)，輸入端,隔離度優(yōu)于，三路輸出功率分配，不平衡度小于0.3dB。由圖6可以看到，在頻率范圍為11～12GHz時(shí)，三路輸出、和之間的相位差小于6°。

圖4 三路零相位功率分配/合成器HFSS模型

圖5 S參數(shù)結(jié)果

圖6 三路相位輸出結(jié)果

4 結(jié)論

本文采用基于SIW的三路零相位功率分配/合成器輸入回波損耗好，隔離度高，三路功率等分，不平衡度和相位差都很小，整體尺寸小，性能優(yōu)良，具有重要的研究和實(shí)用價(jià)值。