基于FSIW的寬邊耦合定向耦合器的設計*

王 超

(中國空空導彈研究院 洛陽 471009)

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基于FSIW的寬邊耦合定向耦合器的設計*

王 超

(中國空空導彈研究院 洛陽 471009)

現代無線通信技術的發展,對射頻微波電路的研究與應用提出了平面化、小型化和集成化的要求。折疊襯底集成波導(FSIW)是近幾年來出現的一種新型平面傳輸線,它兼有傳統矩形波導(RW)和平面微帶結構的雙重特點,具有較好的實用價值,其理論研究和工程應用受到廣泛關注。論文利用這種新型結構,設計了一個定向耦合器。

折疊襯底集成波導; 定向耦合器

Class Number TN713

1 引言

定向耦合器[1～3]是用來分配或合成微波信號功率并具有定向耦合特性的微波元件,通過在主、副兩幅傳輸線(簡稱主、副線)之間設計適當的耦合結構來實現能量的重新分配/組合,可采用同軸線、帶狀線、微帶線、金屬波導或介質波導等各種形式。耦合結構有耦合孔、耦合分支線和連續結構耦合等形式[4～7]。

現代無線通信技術的發展,對射頻微波電路的研究與應用提出了平面化、小型化和集成化的要求。折疊襯底集成波導(Folded Substrate Integrated Waveguide,FSIW)是近幾年繼SIW[8]之后,出現的一種新型平面傳輸線。這種結構在保持SIW幾乎所有特性的同時,其橫向尺寸減小了一半,結構更為緊湊,符合現代通信技術發展對系統小型化和集成化的要求。

2 折疊襯底集成波導(FSIW)

FSIW由SIW結構沿中間線橫向折疊而成,其高度變為原來SIW高度的兩倍,寬度為原SIW的一半左右,原先SIW的上表面折疊后經層壓在中間形成金屬面,并與右邊的壁留出了間隔gap,間隔的大小近似為原SIW的高度h。SIW到FSIW的變換過程如圖1所示。

圖1 SIW結構到FSIW的變換過程

折疊襯底集成波導[9](FSIW)是由SIW經橫向折疊而來,因而在與平面電路相連接時也可以采用微帶線轉換。不過由于其主要場分布在中間層金屬面上,因此需要在中間層面進行轉換,與帶狀線的結構類似,因此在FSIW到微帶的過渡中可采用帶狀線過渡。

3 基于FSIW的寬邊耦合定向耦合器的分析和設計

3.1 強耦合理論分析

當兩個無耗波導管用許多耦合單元耦合[10]在一起時,雖然每個耦合單元產生的耦合電壓不大,但由于這些耦合電壓相位相等,疊加結果可以得到很大的耦合端合成電壓,主波導中的功率有可能大部分甚至全部耦合到副波導中并從耦合端輸出。這種耦合稱為強耦合。

假定兩根波導都是無耗的,主、副波導中的反射波影響不會太大,故可忽略不計。主波導和副波導中的入射波電壓歸一化值分別用a1和a2表示,則下列聯立方程式成立。

(1)

(2)

其中β1、β2分別為主波導和副波導相互耦合時的相移常數,C12以及C21為單位長度的耦合強度,因為是可逆網絡,故C12=C21。C11以及C22代表耦合槽或孔對波導相移常數的反作用,如果沒有耦合,主波導的相移常數為β1,有了耦合,相移常數變成β1+C11。同理副波導的相移常數變為β2+C22。

另外,βp1=β1+C11,βp2=β2+C22,C12=C21=C,則式(1)和式(2)化作:

(3)

(4)

上式的一般通解為

(5)

(6)

式中

a1(0)及a2(0)為z=0處主、副波導的入射波模式電壓。式(5)、式(6)指出,當兩個入射波電壓相互耦合時,在主、副波導中會出現兩個傳播常數不同的入射波,一個為γ1,另一個為γ2,每一個傳播常數代表一種模式,故強耦合波導中有兩種不同的入射波。這是因為在強耦合區內,場強分布產生嚴重畸變,這種畸變場強可以用疊加原理分解成兩個不同的模式,每一個模式對應不同的相移常數。

令:

則式(5)、式(6)可以寫為

a1(z)=cosξW1(0)e-γ1z-sinξW2(0)e-γ2z

(7)

a2(z)=sinξW1(0)e-γ1z+cosξW2(0)e-γ2z

(8)

3.2 FSIW寬邊耦合定向耦合器的工作原理

FSIW寬邊縱槽定向耦合器的結構如圖2所示。兩個FSIW寬壁重合,在場最強處開一縱槽,兩端漸變使阻抗匹配。通過縱槽,主、副波導間有電場耦合又有磁場耦合。FSIW寬邊縱槽定向耦合器的四個端口為輸入端口(1端口),直通端口(2端口),耦合端口(3端口),隔離端口(4端口)。雙層FSIW介質板的厚度為H,FSIW的寬度為a2,金屬柱直徑為2R,相鄰金屬柱間距為W,g為FSIW金屬面與右邊金屬柱中心的間隔。

圖2 FSIW寬邊耦合定向耦合器結構示意圖

由于主、副FSIW尺寸相同,βp1=βp2,假定只有主FSIW有入射波電壓a1(0),副FSIW沒有入射波電壓,a2(0)=0,則根據式(7)、(8)得:

a1(L)=a1(0)(e-γaL+e-γbL)/2

(9)

a1(L)=a1(0)(e-γaL-e-γbL)/2

(10)

式中L為縱槽的有效長度,包括漸變段的作用在內。

γa=j(β-c)=jβaγb=j(β+c)=jβbβ=βp1=βp2

從式(9)可以看出,在主FSIW的輸入端有兩個等幅同相的輸入電壓a1(0)/2。一個傳播常數為γa,另一個為γb。在副FSIW的輸入端也有兩個輸入電壓,不過它們等幅反相,故合成電壓為零。

令Δβ=βa-βb,式(9)、(10)的模為

故耦合度為

3.3 FSIW寬邊縱槽定向耦合器的設計

根據寬邊耦合理論設計一3dB寬邊縱槽定向耦合器,結構如圖3所示。所用單層介質板的厚度h=0.8mm,FSIW寬度a2=8.85mm,金屬柱半徑R=0.45mm,相鄰金屬柱間距W=1.2mm。優化后的縱向槽段的尺寸為:漸變段長度LL0=6mm,FSIW金屬面到縱槽中心距離dd0=1.8mm,縱槽長度LL1=37.6mm,縱槽寬度dd1=1.6mm。3dB FSIW寬邊縱槽定向耦合器的S參數的HFSS仿真結果如圖4所示。

在頻段7.7GHz～8.6GHz內,該定向耦合器具有較好的性能,端口插入損耗小于0.5dB,回波損耗小于-30dB,隔離度大于30dB,耦合幅度不平衡度小于±0.4dB。

圖3 3dB FSIW寬邊縱槽定向耦合器

圖4 3dB FSIW寬邊縱槽定向耦合器仿真結果

4 結語

本文主要針對FSIW寬邊耦合定向耦合器進行理論分析與仿真設計。根據強耦合理論進行分析,推導出耦合槽尺寸與波長的關系式,用縱槽兩端漸變進行匹配,減小回波損耗。最后設計了一個3dB耦合度的SIW寬邊耦合定向耦合器,HFSS仿真顯示較好結果。

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Directional Coupler Based on FSIW Broadside-coupling

WANG Chao

(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009)

The rapid development of modern wireless-communication technology arouses some critical requirements on the RF/microwave devices and subsystems, such as low profile, miniaturization and high integration etc. Folded Substrate-integrated waveguide(FSIW) is a novel transmission line proposed in recent years. It takes the advantages of rectangular waveguide and microstrip line, and has aroused a lot of attention to its theoretical analyses and engineering applications. In this work, this structure is used to design a directional coupler.

folded substrate-integrated waveguide(FSIW), directional coupler

2014年10月16日,

2014年11月23日

王超,男,碩士,工程師,研究方向:射頻電路設計。

TN713

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.019