基片集成波导宽边双缝3dB定向耦合器

1 引言

定向耦合器作为一种微波器件被广泛用于微波、毫米波电子设备和天线馈电电路中，用来产生在一定带宽内所需的功率比例。波导定向耦合器具有损耗小，功率容量高，耦合形式多样等优点，并且在微波高频端已有多种性能优良的各种耦合器。但是，随着微电子技术的发展，波导定向耦合器体积大、不易与固态微波电路集成的弱点显得更加突出。

基片集成波导（SIW）是一种填充介质的类波导结构，具有跟传统矩形波导相类似传播模式。并且可用通常的印制电路版（PCB）工艺加工制作基片集成波导，因此成本低廉并易于大规模生产。近年来，多种SIW定向耦合器已经成功被研制。这些耦合器大部分是通过同层的基片集成波导的窄壁开缝耦合，需要较大面积的印制电路版。本文介绍了双层基片集成波导上下重叠宽边双缝定向耦合器。仿真和测试结果证明了设计原理的可行性。这种耦合器可用于天线馈电结构和微波电路中。

2 宽边双缝3dB定向耦合器的原理和结构参数

2.1 宽边双缝3dB定向耦合器的原理

图1所示公共宽边上两个平行的纵向短缝3dB定向耦合器。可以认为在耦合区存在并传输两种模式，即矩形波导的H₁₀波和同轴线的TEM波(可以把耦合区看成是多导体系统)，两者相速不同，从耦合区始端到末端产生的相位差为：

当Δβ=π/2时，由端口1输入的功率从端口2和端口4各输出1/2，而端口3无输出，成为3dB定向耦合器。耦合端的输出的相位超前直通端输出相位90°。

2.2 宽边双槽3dB定向耦合器的结构参数

耦合器的结构如图1所示，两个平行的纵向耦合缝对称地位于重叠的宽壁上。耦合器的各个参数如图1所示。短缝的宽为Slot_w，长度为L1，耦合度随这两个参数变化；阻抗变换段的宽为W2,长度为L2，这两个参数决定各端口的驻波好坏；金属化过孔的直径为R，周期长度为Svp，两排金属化过孔的间距为a_SIW,这些基片集成波导的参数随选定频率而定。从矩形波导到基片集成波导的等效公式可从参考 中得到。由于耦合器是上下两层基片集成，实验测量时需要考虑3.5mm连接器的安装。同时为了避免微带线拐角损耗较大的能量，选择了基片集成波导拐角，如图1所示。

图1 SIW耦合器结构图

3 耦合器的设计与仿真

为了使耦合器能应用于各种微波电路和天线馈电系统中，必须根据不同的耦合度设计不同的参数值。我们采用Ansoft HFSS仿真软件来优化耦合器的各个参数和验证设计的正确性。

我们选取耦合缝的长度L1作为控制耦合度的主要变量，其他的结构参数与L1成线性关系。在中心频率（15GHz）处，我们取Svp=1mm，a_SIW=11mm，R=0.5mm，介质基片的厚度为0.508mm，介质的损耗角正切为0.001。当W1=L1，W2=L1ⅹ4.1/2.8，L2=(14.4mm-L1)/2，Slot_w=(10.5mm-L1)/2时，耦合度跟L1的关系如图2所示。在L1＝5.6mm时，直通输出和耦合输出相等，由于介质存在损耗，所以输出略小于3 dB。

W2和L2的选取主要是依据端口阻抗的匹配。在仿真过程中发现，当W2/ W1＝4.1/2.8时，端口驻波比可达到较好的效果。

图2 耦合度随L1的变化

图3反映了耦合端的S参数（S41）随L1变化的曲线。图4反映了隔离端的S参数（S31）随L1变化的曲线。图5反映了输入端反射参数（S11）随L1变化的曲线。

4 实验和测试结果

耦合器采用标准的单层印制电路版工艺加工，实物如下图6所示。上下两层基片集成波导由金属块固定以确保它们紧密贴在一起，在PCB板上设置了许多定位孔，用来对准耦合缝。使用矢量网络分析仪测量端口的S参数，测试时另外两个端口接50Ω的宽带负载。

图3 S41随L1的变化

图4 S31随L1的变化

图5 S11随L1的变化

这个耦合器被设计成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。 图7给出了耦合器各端口实测的S参数。由于基片集成波导到微带过渡、3.5mm同轴接头和介质的损耗，实测的耦合强度(S41)比仿真的小了约 0.8dB。直通端（S21）和耦合端（S41）的相位差在14.5GHz—15.5GHz这个频带内约为90度，如图8所示。同样地，由于基片集成波导 到微带过渡、3.5mm同轴接头的不匹配，实测到的隔离度（S31）比仿真的要差些，在14.5GHz—15.5GHz这个频带内实测的隔离度（S31） 和一端口驻波（S11）都在-15 dB以下。

图6 耦合器实物图

图7 实测的S参数

图8 直通端和耦合端的相位差

5 结论

本文介绍了一种结构简单紧凑的基片集成波导宽边双缝3dB定向耦合器，通过仿真和实验证明了这个设计的可行性。该耦合器实现了在中心频率（15GHz）处的低回波损耗和良好的隔离，同时实现了直通输出端和耦合输出端的90度相位差和功率平分。该耦合器的最大不足之处是带宽较窄，接下来需要作更多的研究工作实现宽带耦合。加工简单和结构紧凑使这双层基片集成波导耦合器适合应用于多层基片集成波导的天线馈电电路和微波功分器中。