基片集成波導(dǎo)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(shè)備和天線饋電電路中，用來(lái)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(lái)，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(guò)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。可以認(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(wú)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(guò)孔的直徑為R，周期長(zhǎng)度為Svp，兩排金屬化過(guò)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(lái)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。

W2和L2的選取主要是依據(jù)端口阻抗的匹配。在仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)W2/ W1＝4.1/2.8時(shí)，端口駐波比可達(dá)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(shí)驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果

耦合器采用標(biāo)準(zhǔn)的單層印制電路版工藝加工，實(shí)物如下圖6所示。上下兩層基片集成波導(dǎo)由金屬塊固定以確保它們緊密貼在一起，在PCB板上設(shè)置了許多定位孔，用來(lái)對(duì)準(zhǔn)耦合縫。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量端口的S參數(shù)，測(cè)試時(shí)另外兩個(gè)端口接50Ω的寬帶負(fù)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(gè)耦合器被設(shè)計(jì)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(shí)測(cè)的S參數(shù)。由于基片集成波導(dǎo)到微帶過(guò)渡、3.5mm同軸接頭和介質(zhì)的損耗，實(shí)測(cè)的耦合強(qiáng)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(gè)頻帶內(nèi)約為90度，如圖8所示。同樣地，由于基片集成波導(dǎo) 到微帶過(guò)渡、3.5mm同軸接頭的不匹配，實(shí)測(cè)到的隔離度（S31）比仿真的要差些，在14.5GHz—15.5GHz這個(gè)頻帶內(nèi)實(shí)測(cè)的隔離度（S31） 和一端口駐波（S11）都在-15 dB以下。

圖6 耦合器實(shí)物圖

圖7 實(shí)測(cè)的S參數(shù)

圖8 直通端和耦合端的相位差

5 結(jié)論

本文介紹了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊的基片集成波導(dǎo)寬邊雙縫3dB定向耦合器，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)證明了這個(gè)設(shè)計(jì)的可行性。該耦合器實(shí)現(xiàn)了在中心頻率（15GHz）處的低回波損耗和良好的隔離，同時(shí)實(shí)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(lái)需要作更多的研究工作實(shí)現(xiàn)寬帶耦合。加工簡(jiǎn)單和結(jié)構(gòu)緊湊使這雙層基片集成波導(dǎo)耦合器適合應(yīng)用于多層基片集成波導(dǎo)的天線饋電電路和微波功分器中。