王 超

(中國空空導(dǎo)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(shè)計*

王 超

(中國空空導(dǎo)彈研究院 洛陽 471009)

現(xiàn)代無線通信技術(shù)的發(fā)展,對射頻微波電路的研究與應(yīng)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(dǎo)(FSIW)是近幾年來出現(xiàn)的一種新型平面?zhèn)鬏斁€,它兼有傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)(RW)和平面微帶結(jié)構(gòu)的雙重特點,具有較好的實用價值,其理論研究和工程應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。論文利用這種新型結(jié)構(gòu),設(shè)計了一個定向耦合器。

折疊襯底集成波導(dǎo); 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(shè)計適當(dāng)?shù)鸟詈辖Y(jié)構(gòu)來實現(xiàn)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(dǎo)或介質(zhì)波導(dǎo)等各種形式。耦合結(jié)構(gòu)有耦合孔、耦合分支線和連續(xù)結(jié)構(gòu)耦合等形式[4～7]。

現(xiàn)代無線通信技術(shù)的發(fā)展,對射頻微波電路的研究與應(yīng)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(dǎo)(Folded Substrate Integrated Waveguide,FSIW)是近幾年繼SIW[8]之后,出現(xiàn)的一種新型平面?zhèn)鬏斁€。這種結(jié)構(gòu)在保持SIW幾乎所有特性的同時,其橫向尺寸減小了一半,結(jié)構(gòu)更為緊湊,符合現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展對系統(tǒng)小型化和集成化的要求。

2 折疊襯底集成波導(dǎo)(FSIW)

FSIW由SIW結(jié)構(gòu)沿中間線橫向折疊而成,其高度變?yōu)樵瓉鞸IW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(jīng)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(jié)構(gòu)到FSIW的變換過程

折疊襯底集成波導(dǎo)[9](FSIW)是由SIW經(jīng)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(zhuǎn)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(jìn)行轉(zhuǎn)換,與帶狀線的結(jié)構(gòu)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(shè)計

3.1 強(qiáng)耦合理論分析

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

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

(1)

(2)

其中β1、β2分別為主波導(dǎo)和副波導(dǎo)相互耦合時的相移常數(shù),C12以及C21為單位長度的耦合強(qiáng)度,因為是可逆網(wǎng)絡(luò),故C12=C21。C11以及C22代表耦合槽或孔對波導(dǎo)相移常數(shù)的反作用,如果沒有耦合,主波導(dǎo)的相移常數(shù)為β1,有了耦合,相移常數(shù)變成β1+C11。同理副波導(dǎo)的相移常數(shù)變?yōu)棣?+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(dǎo)的入射波模式電壓。式(5)、式(6)指出,當(dāng)兩個入射波電壓相互耦合時,在主、副波導(dǎo)中會出現(xiàn)兩個傳播常數(shù)不同的入射波,一個為γ1,另一個為γ2,每一個傳播常數(shù)代表一種模式,故強(qiáng)耦合波導(dǎo)中有兩種不同的入射波。這是因為在強(qiáng)耦合區(qū)內(nèi),場強(qiáng)分布產(chǎn)生嚴(yán)重畸變,這種畸變場強(qiáng)可以用疊加原理分解成兩個不同的模式,每一個模式對應(yīng)不同的相移常數(shù)。

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(jié)構(gòu)如圖2所示。兩個FSIW寬壁重合,在場最強(qiáng)處開一縱槽,兩端漸變使阻抗匹配。通過縱槽,主、副波導(dǎo)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(jù)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(nèi)。

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(shù)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(shè)計

根據(jù)寬邊耦合理論設(shè)計一3dB寬邊縱槽定向耦合器,結(jié)構(gòu)如圖3所示。所用單層介質(zhì)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(yōu)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(shù)的HFSS仿真結(jié)果如圖4所示。

在頻段7.7GHz～8.6GHz內(nèi),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(jié)果

4 結(jié)語

本文主要針對FSIW寬邊耦合定向耦合器進(jìn)行理論分析與仿真設(shè)計。根據(jù)強(qiáng)耦合理論進(jìn)行分析,推導(dǎo)出耦合槽尺寸與波長的關(guān)系式,用縱槽兩端漸變進(jìn)行匹配,減小回波損耗。最后設(shè)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(jié)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(shè)計。

TN713

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.019