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