CN105789810A

CN105789810A - 一种宽带半模波纹基片集成波导耦合器及其设计方法

Info

Publication number: CN105789810A
Application number: CN201610164681.4A
Authority: CN
Inventors: 周瑜亮; 金海焱
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2016-03-21
Filing date: 2016-03-21
Publication date: 2016-07-20

Abstract

本发明公开了一种宽带半模波纹基片集成波导耦合器及其设计方法包括：耦合器介质基板，介质基板上表面敷铜形状为两条互相平行的半模波纹基片集成波导线，分别为：第一半模波纹基片集成波导线、第二半模波纹基片集成波导线；所述第一半模波纹基片集成波导线和所述第二半模波纹基片集成波导线的外侧都均匀分布有N条1/4波长微带短截线，所述第一半模波纹基片集成波导线的两端和所述第二半模波纹基片集成波导线的两端分别与微带线连接，实现了具有更低的损耗和更高的功率容量，具有更宽的工作带宽，更易于和微波有源器件相集成的技术效果。

Description

一种宽带半模波纹基片集成波导耦合器及其设计方法

技术领域

本发明涉及耦合器设计研究领域，具体地，涉及一种宽带半模波纹基片集成波导耦合器及其设计方法。

背景技术

近年来，随着微波和毫米波通信系统的快速发展，基片集成波导(SubstrateIntegratedWaveguide，SIW)技术凭着其低廉的成本和完全的平面电路结构，引起了人们的广泛关注。基片集成波导作为一种新型的平面导波结构，既具备了传统金属矩形波导低损耗、高功率容量、适应高频频段的特点，又克服了传统波导结构体积过大，加工困难等特点，实现了结构的小型化和易加工集成。

基片集成波导(SubstrateIntegratedWaveguide，SIW)是通过在上下底面为金属面(或敷铜面)的介质基片上，利用金属化通孔阵列来实现的一种导波结构，可以等效于传统介质填充波导。介质上下表面的金属层可以看作是传统金属矩形波导的上下宽边；而在两排金属孔的排列周期足够小的情况下，金属通孔阵列可以形成理想电壁，看作是矩形波导的窄边。在理想情况下，电磁波被完全束缚在上下金属层和金属通孔之间的介质中传播，其传输特性也与金属矩形波导非常相似，传播的主模为TE10模式。

2005年，东南大学的洪伟教授提出了半模基片集成波导(HalfModeSubstrateIntegratedWaveguide，HMSIW)的概念。与基片集成波导相比，它能减少将近一半的尺寸而不恶化基片集成波导的性能。当SIW工作在主模时，电场的最大值在沿传播方向的垂直中心平面上，因而中心平面能够被看作一个等效的磁壁，将基片集成波导沿传播方向中心线分开两半，就得到新波导结构——半模基片集成波导。新结构传输主模为“半TE10模”，同时还具有主模下带宽大，在低频时插入损耗小等优点。

迄今为止，已经出现了许多基于基片集成波导(SIW)及其相关技术的无源微波器件，例如耦合器、功分器、和天线等。但另一方面，基于基片集成波导(SIW)及其相关技术的微波毫米波有源电路，却出现的较少，这主要因为：1)在有源基片集成波导电路中，依靠单导体传输的基片集成波导传输线由于其本身无法做到较好直流隔离，而成为限制其应用的一个主要障碍。2)在毫米波频段，由于电路尺寸对频率的敏感性，传统基片集成波导电路需要的接地通孔由于尺寸太小往往无法进行机械加工，因此也成为限制基片集成波导在毫米波频段电路应用中的主要因素。

综上所述，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

在现有技术中，现有的传统的微带耦合器存在损耗较高、功率容量较低、工作带宽较窄的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种宽带半模波纹基片集成波导耦合器及其设计方法，解决了现有的传统的微带耦合器存在损耗较高、功率容量较低、工作带宽较窄的技术问题，实现了具有更低的损耗和更高的功率容量，具有更宽的工作带宽，更易于和微波有源器件相集成的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种宽带半模波纹基片集成波导耦合器，所述耦合器包括：

耦合器介质基板，所述介质基板上下表面敷铜，采用标准印刷电路板工艺加工，铜箔厚度均为35μm。下表面敷铜铺满介质基片；上表面敷铜形状为两条互相平行的半模波纹基片集成波导线，分别为：第一半模波纹基片集成波导线、第二半模波纹基片集成波导线；所述第一半模波纹基片集成波导线和所述第二半模波纹基片集成波导线的外侧都均匀分布有N条1/4波长微带短截线，所述N为大于等于1的正整数，所述第一半模波纹基片集成波导线的两端和所述第二半模波纹基片集成波导线的两端分别与微带线连接，与所述第二半模波纹基片集成波导线连接的微带线左右两端分别作为耦合器的输入端和直通输出端；与所述第一半模波纹基片集成波导线连接的微带线左右两端分别作为耦合器的隔离端和耦合输出端。

其中，所述介质基板采用厚度为0.508mm，相对介电常数为10的有机陶瓷制成。

其中，所述耦合器为平面结构，工作带宽为9.5-17GHz，功率分配优于3.7dB±0.5dB，输出相位差为90±5度。

其中，所述第一半模波纹基片集成波导线与微带线之间和和所述第二半模波纹基片集成波导线与微带线之间均连接有梯形微带过渡段以寻求二者之间的阻抗匹配。

其中，L1＝6mm，L2＝15mm，L3＝6mm，L4＝3mm，L5＝0.69mm，L6＝1mm，W1＝0.64mm，W2＝0.2mm，W3＝0.3mm，W4＝0.8mm，W5＝2.81mm，W6＝0.51mm，其中，L1为输入端梯形微带过渡段长度，L2为半模波纹基片集成波导线长度，L3为输出端梯形微带过渡段长度，L4为1/4波长微带短截线长度，L5为半模波纹基片集成波导线未连接过渡段长度，L6为梯形微带过渡段上底距端口微带线距离，W1为端口微带线宽，W2为相邻1/4波长微带短截线非金属区域间距、W3为1/4波长微带短截线宽度，W4为两半模波纹基片集成波导线开放边间隔，W5为梯形微带过渡段下底宽度，W6为梯形微带过渡段内侧偏移距离。

另一方面，本申请还提供了一种宽带半模波纹基片集成波导耦合器设计方法，所述方法包括：

步骤1：对耦合器介质基板板材选择：选择厚度为0.508mm，相对介电常数为10的有机陶瓷制成的基片作为耦合器介质基板；

步骤2：基于公式1对半模波纹基片集成波导传输线进行设计，公式1为其中，f_c为对应半模波纹基片集成波导传输线的截止频率，ε_r为介质基片的相对介电常数，a为半模波纹基片集成波导传输线宽。在本例中，a对应尺寸L5+W5。由于存在耦合影响，实际耦合器截止频率要高于半模波纹基片集成波导截止频率。通过电磁软件仿真，综合选取合适的耦合器的传输线宽，调整耦合器截止频率；

步骤3：用开路的1/4波长微带短截线来代替形成基片集成波导的侧壁通孔，调整相邻1/4波长微带短截线非金属区域间距W2，1/4波长微带短截线宽度W3与1/4波长微带短截线长度L4，使半模波纹基片集成波导线外侧达到等效的对地短路，形成导波状态；

步骤4：对耦合器进行微带过渡设计，在半模波纹基片集成波导线和微带线之间加入梯形微带过渡段，通过调整梯形微带过渡段长度L1、L3，梯形微带过渡段下底宽度W5与梯形微带过渡段内侧偏移距离W6，实现对微带线与半模波纹基片集成波导之间的驻波情况的调整，同时，实现对耦合器的宽带特性调整；

步骤5：优化耦合器的尺寸，综合调整半模波纹基片集成波导线长度L2，相邻1/4波长微带短截线非金属区域间距W2，1/4波长微带短截线宽度W3与梯形微带过渡段内侧偏移距离W6。对隔离端口功率进行控制，调整以上参数使隔离端口功率向零接近，直通输出端和耦合输出端输出功率接近相等，相位相差90度。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明提出的宽带半模波纹基片集成波导耦合器，与传统的基片集成波导耦合器相比，因其介质基片顶层和底层金属没有通过金属化通孔相短路，具备固有的直流隔离特性，容易和微波有源器件集成，可以降低有源器件直流偏置设计方面的难度。

本发明提出的宽带半模波纹基片集成波导耦合器，与传统的基片集成波导耦合器相比，由于用1/4波长微带短截线代替了构成基片集成波导侧壁的金属化通孔，因此其设计模型更加准确，设计过程更加简单和加工成本更为低廉。

本发明提出的宽带半模波纹基片集成波导耦合器，由于用1/4波长微带短截线代替了构成基片集成波导侧壁的金属通孔，因此其形成了具有特殊导波传输性能的慢波传输线，而由其构成的耦合器与传统的微带耦合器相比，具有更宽的工作带宽和更好的耦合性能。

本发明提出的宽带半模波纹基片集成波导耦合器，属完全平面结构，体积小，易于制作和大批量生产，与传统的微带耦合器相比，在毫米波频段具有更低的损耗，更大的工作容量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定，在附图中：

图1是本申请实施例一中宽带半模波纹基片集成波导耦合器的结构示意图；

图2是本申请实施例一中宽带半模波纹基片集成波导耦合器的尺寸示意图；

其中，1-输入端，2-隔离端，3-耦合输出端，4-直通输出端，5-耦合器介质基板，6-第一半模波纹基片集成波导线，7-第二半模波纹基片集成波导线，8-1/4波长微带短截线，9-微带线。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例一：

在实施例一中，提供了一种宽带半模波纹基片集成波导耦合器，宽带半模波纹基片集成波导耦合器即为HMCSIW耦合器，请参考图1-图2，所述耦合器包括：

耦合器介质基板5，所述介质基板上下表面敷铜，采用标准印刷电路板工艺加工，敷铜厚度均为35μm。下表面敷铜铺满介质基片；上表面敷铜形状为两条直流隔离且互相平行的半模波纹基片集成波导线，分别为：第一半模波纹基片集成波导线6、第二半模波纹基片集成波导线7；所述第一半模波纹基片集成波导线和所述第二半模波纹基片集成波导线的外侧都均匀分布有N条1/4波长微带短截线8，所述N为大于等于1的正整数，所述第一半模波纹基片集成波导线的两端和所述第二半模波纹基片集成波导线的两端分别与微带线9连接。与所述第二半模波纹基片集成波导线连接的微带线左右两端分别作为耦合器的输入端1和直通输出端4；与所述第一半模波纹基片集成波导线连接的微带线左右两端分别作为耦合器的隔离端2和耦合输出端3。

耦合器电路包括输入端1、直通输出端4、耦合输出端3与隔离端2。在输入端1，输入功率的一部分通过HMCSIW传输线传输到直通输出端4，其余通过HMCSIW过渡线之间的磁耦合来耦合到耦合输出端3，在隔离端2，没有能量。

具体设计步骤如下

1)基片集成波导板材选择

在纹波基片集成波导耦合器的设计中，波导板材的选取是个关键，这不仅是因为它是整个电路的载体，波纹耦合器需要在其表面生成，更重要的是输入输出的能量都是以类矩形金属波导的模式在其介质内传播，它直接影响着整个波纹耦合器的插入损耗、工作带宽以及过渡段尺寸的大小等关键参数。为此在其选择上需要综合考虑。综上所述，本设计中选用有机陶瓷层压板材料作为制作基片集成波导的基片，其厚度为0.508mm，相对介电常数为10，具有介质损耗低，导带金属与基板介质黏附力好等特点，比较适合作为微波频段的基片集成波导板材。

2)宽带纹波耦合器设计

(1)HMSIW波导传输线设计。对于基片集成波导，其宽度主要决定于主模的截止频率。在本例设计中，采用半模波纹基片集成波导(HMCSIW)，对半模波纹基片集成波导物理特性与截止频率的关系：其中f_c为对应HMCSIW的截止频率，ε_r为介质基片的相对介电常数，a为主传输线宽。在本例的设计中，a对应尺寸L5+W5，考虑到在微带线开边界处边缘场效应所带来的等效宽度扩展，实际的主传输线宽度应略有增加。在确定了半模波纹基片集成波导的宽度之后，即可进行HMCSIW耦合器的设计。

(2)HMCSIW波导传输线设计。在(1)的设计基础上，调整W4和L2的值，使直通输出端口2和耦合输出端口4的功率近似相同，且相位相差90度；用开路的1/4波长微带线来代替形成基片集成波导的侧壁通孔。在实际的设计中，为了防止半模基片集成波导的1/4波长微带线区域的电磁场辐射，有效的减少辐射损耗，增加工作带宽，还应选择适当的开路微带线尺寸W2、W3、L4，使其辐射损耗最小。

(3)HMCSIW到微带过渡设计。在上述(1)(2)基础上，为了进一步提高端口的驻波特性和隔离特性，需在HMCSIW和微带线之间加入一渐变的过渡微带线段，为了实现HMCSIW中的“半TE10模”到微带中的准TEM模的过渡，可以在HMCSIW的起始端和终端过渡出微带端口，耦合出能量。由于半模波纹基片集成波导(HMCSIW)的阻抗一般较低，而微带的阻抗较高，为了实现其间的阻抗匹配，应在HMCSIW与微带之间增加适当长度的高低阻抗变换微带线，从而增加匹配性能，减少HMCSIW与各微带间的反射。由于微带线的主模是准TEM模，而HMCSIW的主模是“半TE10模”，为了有效的实现它们间的模式匹配，使反射系数(S11)最小，应适当选择过渡段的长度L1。一般来说，过渡段长度L1越大，越有利于输入端口驻波的减少，但太长的长度将引起过大的传输损耗与辐射损耗，为此综合考虑，过渡段长度应选择小于一个波导波长。

(4)HMCSIW耦合器设计。在上述(1)(2)(3)的基础上，综合调整L1，L2，W3，W4，W5，W6的尺寸，使端口3和端口4的输出功率相等，相位相差90度。为了在要求的频段获得好的输入端口驻波和和好的输出端口幅度与相位，还必须在上述设计的基础上进行综合的仿真优化，可得到具体的设计尺寸如表1所示。

表1HMCSIW耦合器的尺寸(单位:mm)

L1	L2	L3	L4	L5	L6
						6.00	15.00	6.00	3.00	0.69	1.00
W1	W2	W3	W4	W5	W6
						0.64	0.20	0.30	0.80	2.81	0.51

在上述尺寸的基础上得到的耦合器内的电场和磁场图，从中可以看出在HMCSIW的开放边缘没有明显的场辐射发生，且在隔离端2，并没有能量辐射。

在上述结构的输入端口驻波与各输出端口的耦合曲线中和各端口间的相位曲线。从中可以看出，本耦合器在9.7－17GHz频率范围内具有较好性能。

对于仿真结果，在9.5-17GHz频率范围内，实现了耦合输出端3和直通输出端4上的等功率分配(3.2dB±0.5dB，接近理想的3.01dB预期值)，且相位差保持在85-95度范围，实现了良好的端口正交；而在9.5-16.5GHz之间，实现了高于15dB的端口隔离和大于15dB的端口回波损耗。对于实测结果，在9-12GHz的频率范围内，端口回波损耗低于-15dB，在10.2-15.5GHz，端口驻波低于-10dB；而隔离度在9.7-17.5GHz优于10dB，在10.2-15.5GHz优于15dB，在整个9.7-17.5GHz的设计带宽内，相位差始终保持在85-95度之间。应当指出的是，上述测量结果包括微带HMSIW过渡段和SMA连接器的损耗，根据测试结果，在9.7-17.5GHz频率范围内，该损耗总共约0.8dB。由于较好的回波损耗和隔离度特性，上面提到的插入损耗可以直接从S₂₁和S₄₁的性能中减去，因此设计的HMCSIW耦合器实际功率分配比优于3.7dB±0.5dB。

本发明提出了一种新的3dBHMCSIW耦合器设计方法。该耦合器的设计、制作都可采用标准的印刷电路板工艺来进行。在9.7-17.5GHz频率范围，得到了优于3.7dB±0.5dB的功率分配和90±5度的输出相位差。样品测量和仿真结果具有良好的一致性，隔离度高、功率容量大，使得该宽带耦合器具有良好的应用前景。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种宽带半模波纹基片集成波导耦合器，其特征在于，所述耦合器包括：

耦合器介质基板，介质基板上下表面敷铜，下表面敷铜铺满介质基板；上表面敷铜形状为两条互相平行的半模波纹基片集成波导线，分别为：第一半模波纹基片集成波导线、第二半模波纹基片集成波导线；所述第一半模波纹基片集成波导线和所述第二半模波纹基片集成波导线的外侧都均匀分布有N条1/4波长微带短截线，所述N为大于等于1的正整数，所述第一半模波纹基片集成波导线的两端和所述第二半模波纹基片集成波导线的两端分别与微带线连接，与所述第二半模波纹基片集成波导线连接的微带线左右两端分别作为耦合器的输入端和直通输出端；与所述第一半模波纹基片集成波导线连接的微带线左右两端分别作为耦合器的隔离端和耦合输出端。

2.根据权利要求1所述的宽带半模波纹基片集成波导耦合器，其特征在于，所述耦合器介质基板上敷铜厚度为35μm。

3.根据权利要求1所述的宽带半模波纹基片集成波导耦合器，其特征在于，所述耦合器介质基板采用厚度为0.508mm，相对介电常数为10的有机陶瓷制成。

4.根据权利要求1所述的宽带半模波纹基片集成波导耦合器，其特征在于，所述耦合器工作带宽为9.5-17GHz，功率分配为3.7dB±0.5dB，输出相位差为90±5度。

5.根据权利要求1所述的宽带半模波纹基片集成波导耦合器，其特征在于，所述第一半模波纹基片集成波导线与微带线之间和所述第二半模波纹基片集成波导线与微带线之间均连接有梯形微带过渡段。

6.根据权利要求5所述的宽带半模波纹基片集成波导耦合器，其特征在于，其中，L1＝6mm，L2＝15mm，L3＝6mm，L4＝3mm，L5＝0.69mm，L6＝1mm，W1＝0.64mm，W2＝0.2mm，W3＝0.3mm，W4＝0.8mm，W5＝2.81mm，W6＝0.51mm，其中，L1为输入端梯形微带过渡段长度，L2为半模波纹基片集成波导线长度，L3为输出端梯形微带过渡段长度，L4为1/4波长微带短截线长度，L5为半模波纹基片集成波导线未连接过渡段长度，L6为梯形微带过渡段上底距端口微带线距离，W1为端口微带线宽，W2为相邻1/4波长微带短截线非金属区域间距、W3为1/4波长微带短截线宽度，W4为两半模波纹基片集成波导线开放边间隔，W5为梯形微带过渡段下底宽度，W6为梯形微带过渡段内侧偏移距离。

7.一种宽带半模波纹基片集成波导耦合器设计方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤2：基于公式1对半模波纹基片集成波导传输线进行设计，公式1为其中，f_c为对应半模波纹基片集成波导传输线的截止频率，ε_r为介质基片的相对介电常数，a为半模波纹基片集成波导传输线宽，通过电磁软件仿真，综合选取合适的耦合器的传输线宽，调整耦合器截止频率；

步骤5：优化耦合器的尺寸，综合调整半模波纹基片集成波导线长度L2、相邻1/4波长微带短截线非金属区域间距W2、1/4波长微带短截线宽度W3与梯形微带过渡段内侧偏移距离W6，对隔离端口功率进行控制，使得隔离端口功率为零，直通输出端和耦合输出端输出功率相等，相位相差90±5度。