基片集成波導(dǎo)寬邊雙縫3dB定向耦合器仿真和測(cè)試

　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(shè)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(dǎo)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(diǎn)，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(shù)的發(fā)展，波導(dǎo)定向耦合器體積大、不易與固態(tài)微波電路集成的弱點(diǎn)顯得更加突出。
　　基片集成波導(dǎo)（SIW）是一種填充介質(zhì)的類波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，具有跟傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)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(dǎo)，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(dǎo)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(dǎo)上下重疊寬邊雙縫定向耦合器。仿真和測(cè)試結(jié)果證明了設(shè)計(jì)原理的可行性。這種耦合器可用于天線饋電結(jié)構(gòu)和微波電路中。
　　2 寬邊雙縫3dB定向耦合器的原理和結(jié)構(gòu)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(gè)平行的縱向短縫3dB定向耦合器?？梢哉J(rèn)為在耦合區(qū)存在并傳輸兩種模式，即矩形波導(dǎo)的H10波和同軸線的TEM波（可以把耦合區(qū)看成是多導(dǎo)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(dāng)Δβ=π/2時(shí)，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(jié)構(gòu)參數(shù)
　　耦合器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，兩個(gè)平行的縱向耦合縫對(duì)稱地位于重疊的寬壁上。耦合器的各個(gè)參數(shù)如圖1所示。短縫的寬為Slot_w，長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，耦合度隨這兩個(gè)參數(shù)變化；阻抗變換段的寬為W2，長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，這兩個(gè)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(zhǎng)度為Svp，兩排金屬化過孔的間距為a_SIW，這些基片集成波導(dǎo)的參數(shù)隨選定頻率而定。從矩形波導(dǎo)到基片集成波導(dǎo)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(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)需要考慮3.5mm連接器的安裝。同時(shí)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(dǎo)拐角，如圖1所示。
　　
　　圖1 SIW耦合器結(jié)構(gòu)圖
　　3 耦合器的設(shè)計(jì)與仿真
　　為了使耦合器能應(yīng)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(shè)計(jì)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(gè)參數(shù)和驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。
　　我們選取耦合縫的長(zhǎng)度L1作為控制耦合度的主要變量，其他的結(jié)構(gòu)參數(shù)與L1成線性關(guān)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(dāng)W1=L1，W2=L1ⅹ4.1/2.8，L2=（14.4mm-L1）/2，Slot_w=（10.5mm-L1）/2時(shí)，耦合度跟L1的關(guān)系如圖2所示。在L1＝5.6mm時(shí)，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。