HMSIW定向耦合器的仿真設計

1．引言

基片集成波導(SIW) 是一種新型的高Q值、低損耗集成導波結構,易于設計和加工，并 易集成在平板電路上，且成本低，可以廣泛應用于微波毫米波集成電路中。由于與傳統(tǒng) 矩形波導的相似性,很多設計概念可以借用,比如波導功分器、濾波器、天線等。在本文中, 我們用這種導波結構寬邊開縫實現(xiàn)了定向耦合器,且本文采用的是半膜結構，這樣可以減小近一半的尺寸但不會影響其性能，最后仿真結果也符合理論分析與研究，達到了預期的目的。

基片集成波導工作在主模時，在沿著波傳播方向的波導對稱面上，電場的場值達到最大 值而磁場的值卻幾乎為零， 因此此對稱面可以等效為一磁壁。這樣基片集成波導就可以用 一假想的磁壁分隔成兩半，每一半就變成了半膜結構的基片集成波導，且能量幾乎全部束縛 在內(nèi)部，從分割面泄露的能量忽略不計。圖1就是HMSIW與SIW中主膜的對比情況。

2． HMSIW定向耦合器的設計

本文中我們所研究的HMSIW定向耦合器，主要受波導定向耦合器的啟發(fā)，運用波導寬 邊開縫耦合理論，在兩波導公共寬壁上的適當位置開一細長縫隙進行能量耦合，是一種新型 結構的SIW定向耦合器。由于我們用的是基片集成波導，所以要把兩層SIW的接地板重疊在 一起，這樣上下兩層SIW就可以看成具有公共寬壁的兩波導，因此把縫隙開在此結構的中間 那層接地板去耦合能量，就相當于寬邊開縫的波導耦合。又由于是半膜結構，就要考慮縫隙 的位置，通過仿真分析與研究，縫隙的位置開在金屬化孔的附近的耦合情況要好。圖2就是 設計的HMSIW定向耦合器結構，特別說明縫隙是在中間的那層接地板，不在上層與下層微帶上。

我們必須根據(jù)其設計原理來考慮SIW定向耦合器的尺寸（5-6），對于工作在相同頻段的 HMSIW定向耦合器，其寬度（W_hsiw）可以設置成SIW定向耦合器的一半，HMSIW到微帶 線的過渡線寬（W_tr）大約也是SIW到微帶線的過渡線的一半，SIW與微帶之間的過渡設置 可以參考（7-8）。耦合縫隙的位置與尺寸的初值可以先按照工作在同一頻段的波導理論去設 置，然后再進行優(yōu)化設計最后達到最佳值，表一是我們設計的HMSIW定向耦合器的幾何尺 寸，這時的耦合縫隙長度是按照一個3dB定向耦合器設置的，當然可以通過改變縫隙長度的 值來改變耦合量的大小。

3. 軟件仿真結果

該耦合器工作在14GHz-24GHz范圍內(nèi)，選用的介質(zhì)基片的厚度h = 0.5mm，介電常數(shù) 2.2 r ε = ，損耗角正切tanδ = 0.0009，導帶厚度t = 0.035mm。采用三維全波電磁仿真軟件HFSS 對HMSIW定向耦合器進行仿真與優(yōu)化，使其達到最佳效果。其對應表一的仿真S參數(shù)結果 見圖3，這時候，對應的在基片集成波導里的電場分布情況示于圖4，我們可以看到能量從主 波導的1端口通過縫隙耦合到副波導的3端口，沒有明顯的能量泄露。

4 . 結論

本文提出了一個理想的HMSIW定向耦合器的新型結構，其主要特點是尺寸小，且隔離度大，損耗低，帶寬寬，已經(jīng)跨越了KU波段和K波段。可以用在集成度高的微波電路與毫 米波電路中。基片集成波導定向耦合器在設計上具有很大的靈活性，不但加工簡單，成本低， 還可以把傳統(tǒng)波導的一些概念和設計方法直接借用過來，使其得到充分的實現(xiàn)。