HMSIW定向耦合器的仿真設(shè)計(jì)

1．引言

基片集成波導(dǎo)(SIW) 是一種新型的高Q值、低損耗集成導(dǎo)波結(jié)構(gòu),易于設(shè)計(jì)和加工，并 易集成在平板電路上，且成本低，可以廣泛應(yīng)用于微波毫米波集成電路中。由于與傳統(tǒng) 矩形波導(dǎo)的相似性,很多設(shè)計(jì)概念可以借用,比如波導(dǎo)功分器、濾波器、天線等。在本文中, 我們用這種導(dǎo)波結(jié)構(gòu)寬邊開縫實(shí)現(xiàn)了定向耦合器,且本文采用的是半膜結(jié)構(gòu)，這樣可以減小近一半的尺寸但不會(huì)影響其性能，最后仿真結(jié)果也符合理論分析與研究，達(dá)到了預(yù)期的目的。

基片集成波導(dǎo)工作在主模時(shí)，在沿著波傳播方向的波導(dǎo)對(duì)稱面上，電場(chǎng)的場(chǎng)值達(dá)到最大 值而磁場(chǎng)的值卻幾乎為零， 因此此對(duì)稱面可以等效為一磁壁。這樣基片集成波導(dǎo)就可以用 一假想的磁壁分隔成兩半，每一半就變成了半膜結(jié)構(gòu)的基片集成波導(dǎo)，且能量幾乎全部束縛 在內(nèi)部，從分割面泄露的能量忽略不計(jì)。圖1就是HMSIW與SIW中主膜的對(duì)比情況。

2． HMSIW定向耦合器的設(shè)計(jì)

本文中我們所研究的HMSIW定向耦合器，主要受波導(dǎo)定向耦合器的啟發(fā)，運(yùn)用波導(dǎo)寬 邊開縫耦合理論，在兩波導(dǎo)公共寬壁上的適當(dāng)位置開一細(xì)長縫隙進(jìn)行能量耦合，是一種新型 結(jié)構(gòu)的SIW定向耦合器。由于我們用的是基片集成波導(dǎo)，所以要把兩層SIW的接地板重疊在 一起，這樣上下兩層SIW就可以看成具有公共寬壁的兩波導(dǎo)，因此把縫隙開在此結(jié)構(gòu)的中間 那層接地板去耦合能量，就相當(dāng)于寬邊開縫的波導(dǎo)耦合。又由于是半膜結(jié)構(gòu)，就要考慮縫隙 的位置，通過仿真分析與研究，縫隙的位置開在金屬化孔的附近的耦合情況要好。圖2就是 設(shè)計(jì)的HMSIW定向耦合器結(jié)構(gòu)，特別說明縫隙是在中間的那層接地板，不在上層與下層微帶上。

我們必須根據(jù)其設(shè)計(jì)原理來考慮SIW定向耦合器的尺寸（5-6），對(duì)于工作在相同頻段的 HMSIW定向耦合器，其寬度（W_hsiw）可以設(shè)置成SIW定向耦合器的一半，HMSIW到微帶 線的過渡線寬（W_tr）大約也是SIW到微帶線的過渡線的一半，SIW與微帶之間的過渡設(shè)置 可以參考（7-8）。耦合縫隙的位置與尺寸的初值可以先按照工作在同一頻段的波導(dǎo)理論去設(shè) 置，然后再進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)最后達(dá)到最佳值，表一是我們?cè)O(shè)計(jì)的HMSIW定向耦合器的幾何尺 寸，這時(shí)的耦合縫隙長度是按照一個(gè)3dB定向耦合器設(shè)置的，當(dāng)然可以通過改變縫隙長度的 值來改變耦合量的大小。

3. 軟件仿真結(jié)果

該耦合器工作在14GHz-24GHz范圍內(nèi)，選用的介質(zhì)基片的厚度h = 0.5mm，介電常數(shù) 2.2 r ε = ，損耗角正切tanδ = 0.0009，導(dǎo)帶厚度t = 0.035mm。采用三維全波電磁仿真軟件HFSS 對(duì)HMSIW定向耦合器進(jìn)行仿真與優(yōu)化，使其達(dá)到最佳效果。其對(duì)應(yīng)表一的仿真S參數(shù)結(jié)果 見圖3，這時(shí)候，對(duì)應(yīng)的在基片集成波導(dǎo)里的電場(chǎng)分布情況示于圖4，我們可以看到能量從主 波導(dǎo)的1端口通過縫隙耦合到副波導(dǎo)的3端口，沒有明顯的能量泄露。

4 . 結(jié)論

本文提出了一個(gè)理想的HMSIW定向耦合器的新型結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)是尺寸小，且隔離度大，損耗低，帶寬寬，已經(jīng)跨越了KU波段和K波段?？梢杂迷诩啥雀叩奈⒉娐放c毫 米波電路中?；刹▽?dǎo)定向耦合器在設(shè)計(jì)上具有很大的靈活性，不但加工簡單，成本低， 還可以把傳統(tǒng)波導(dǎo)的一些概念和設(shè)計(jì)方法直接借用過來，使其得到充分的實(shí)現(xiàn)。