基于FSIW的宽边耦合定向耦合器的设计*

王 超

(中国空空导弹研究院 洛阳 471009)



基于FSIW的宽边耦合定向耦合器的设计*

王 超

(中国空空导弹研究院 洛阳 471009)

现代无线通信技术的发展,对射频微波电路的研究与应用提出了平面化、小型化和集成化的要求。折叠衬底集成波导(FSIW)是近几年来出现的一种新型平面传输线,它兼有传统矩形波导(RW)和平面微带结构的双重特点,具有较好的实用价值,其理论研究和工程应用受到广泛关注。论文利用这种新型结构,设计了一个定向耦合器。

折叠衬底集成波导; 定向耦合器

Class Number TN713

1 引言

定向耦合器[1～3]是用来分配或合成微波信号功率并具有定向耦合特性的微波元件,通过在主、副两幅传输线(简称主、副线)之间设计适当的耦合结构来实现能量的重新分配/组合,可采用同轴线、带状线、微带线、金属波导或介质波导等各种形式。耦合结构有耦合孔、耦合分支线和连续结构耦合等形式[4～7]。

现代无线通信技术的发展,对射频微波电路的研究与应用提出了平面化、小型化和集成化的要求。折叠衬底集成波导(Folded Substrate Integrated Waveguide,FSIW)是近几年继SIW[8]之后,出现的一种新型平面传输线。这种结构在保持SIW几乎所有特性的同时,其横向尺寸减小了一半,结构更为紧凑,符合现代通信技术发展对系统小型化和集成化的要求。

2 折叠衬底集成波导(FSIW)

FSIW由SIW结构沿中间线横向折叠而成,其高度变为原来SIW高度的两倍,宽度为原SIW的一半左右,原先SIW的上表面折叠后经层压在中间形成金属面,并与右边的壁留出了间隔gap,间隔的大小近似为原SIW的高度h。SIW到FSIW的变换过程如图1所示。

图1 SIW结构到FSIW的变换过程

折叠衬底集成波导[9](FSIW)是由SIW经横向折叠而来,因而在与平面电路相连接时也可以采用微带线转换。不过由于其主要场分布在中间层金属面上,因此需要在中间层面进行转换,与带状线的结构类似,因此在FSIW到微带的过渡中可采用带状线过渡。

3 基于FSIW的宽边耦合定向耦合器的分析和设计

3.1 强耦合理论分析

当两个无耗波导管用许多耦合单元耦合[10]在一起时,虽然每个耦合单元产生的耦合电压不大,但由于这些耦合电压相位相等,叠加结果可以得到很大的耦合端合成电压,主波导中的功率有可能大部分甚至全部耦合到副波导中并从耦合端输出。这种耦合称为强耦合。

假定两根波导都是无耗的,主、副波导中的反射波影响不会太大,故可忽略不计。主波导和副波导中的入射波电压归一化值分别用a1和a2表示,则下列联立方程式成立。

(1)

(2)

其中β1、β2分别为主波导和副波导相互耦合时的相移常数,C12以及C21为单位长度的耦合强度,因为是可逆网络,故C12=C21。C11以及C22代表耦合槽或孔对波导相移常数的反作用,如果没有耦合,主波导的相移常数为β1,有了耦合,相移常数变成β1+C11。同理副波导的相移常数变为β2+C22。

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

(3)

(4)

上式的一般通解为

(5)

(6)

式中

a1(0)及a2(0)为z=0处主、副波导的入射波模式电压。式(5)、式(6)指出,当两个入射波电压相互耦合时,在主、副波导中会出现两个传播常数不同的入射波,一个为γ1,另一个为γ2,每一个传播常数代表一种模式,故强耦合波导中有两种不同的入射波。这是因为在强耦合区内,场强分布产生严重畸变,这种畸变场强可以用叠加原理分解成两个不同的模式,每一个模式对应不同的相移常数。

令:

则式(5)、式(6)可以写为

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宽边耦合定向耦合器的工作原理

FSIW宽边纵槽定向耦合器的结构如图2所示。两个FSIW宽壁重合,在场最强处开一纵槽,两端渐变使阻抗匹配。通过纵槽,主、副波导间有电场耦合又有磁场耦合。FSIW宽边纵槽定向耦合器的四个端口为输入端口(1端口),直通端口(2端口),耦合端口(3端口),隔离端口(4端口)。双层FSIW介质板的厚度为H,FSIW的宽度为a2,金属柱直径为2R,相邻金属柱间距为W,g为FSIW金属面与右边金属柱中心的间隔。

图2 FSIW宽边耦合定向耦合器结构示意图

由于主、副FSIW尺寸相同,βp1=βp2,假定只有主FSIW有入射波电压a1(0),副FSIW没有入射波电压,a2(0)=0,则根据式(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为纵槽的有效长度,包括渐变段的作用在内。

γa=j(β-c)=jβaγb=j(β+c)=jβbβ=βp1=βp2

从式(9)可以看出,在主FSIW的输入端有两个等幅同相的输入电压a1(0)/2。一个传播常数为γa,另一个为γb。在副FSIW的输入端也有两个输入电压,不过它们等幅反相,故合成电压为零。

令Δβ=βa-βb,式(9)、(10)的模为

故耦合度为

3.3 FSIW宽边纵槽定向耦合器的设计

根据宽边耦合理论设计一3dB宽边纵槽定向耦合器,结构如图3所示。所用单层介质板的厚度h=0.8mm,FSIW宽度a2=8.85mm,金属柱半径R=0.45mm,相邻金属柱间距W=1.2mm。优化后的纵向槽段的尺寸为:渐变段长度LL0=6mm,FSIW金属面到纵槽中心距离dd0=1.8mm,纵槽长度LL1=37.6mm,纵槽宽度dd1=1.6mm。3dB FSIW宽边纵槽定向耦合器的S参数的HFSS仿真结果如图4所示。

在频段7.7GHz～8.6GHz内,该定向耦合器具有较好的性能,端口插入损耗小于0.5dB,回波损耗小于-30dB,隔离度大于30dB,耦合幅度不平衡度小于±0.4dB。

图3 3dB FSIW宽边纵槽定向耦合器

图4 3dB FSIW宽边纵槽定向耦合器仿真结果

4 结语

本文主要针对FSIW宽边耦合定向耦合器进行理论分析与仿真设计。根据强耦合理论进行分析,推导出耦合槽尺寸与波长的关系式,用纵槽两端渐变进行匹配,减小回波损耗。最后设计了一个3dB耦合度的SIW宽边耦合定向耦合器,HFSS仿真显示较好结果。

[1] R.E.柯林.微波工程基础[M].第1版.北京:人民邮电出版社,1981.

[2] 戈稳.雷达接收机技术[M].北京:电子工业出版社,2005.

[3] 李嗣范.微波元件原理与设计[M].第1版.北京:人民邮电出版社,1982.

[4] 谢处方,饶克谨.电磁场与电磁波[M].第3版.北京:高等教育出版社,1999.

[5] 廖承恩.微波技术基础[M].西安:西安电子科技大学出版社,1994.

[6] 顾继慧.微波技术[M].北京:科学出版社,2005.

[7] 李嗣范.微波元件原理与设计[M].第1版.北京:人民邮电出版社,1982.

[8] Wenquan Che, K. Deng, Y. L. Chow. Equivalence between waveguides with side walls of cylinders(SIRW) and of regular solid sheets[C]//2005 Asia-Pacific Microwave Conference,2005:296-299.

[9] 耿亮.折叠衬底集成波导(FSIW)的理论研究及工程应用[D].南京:南京理工大学.

[10] 安宁.基于窄边耦合定向耦合器研究[J].中国电子技术,2012,33(1).

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,硕士,工程师,研究方向:射频电路设计。

TN713

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.019