摘 要：基片集成波導(dǎo)(SIW)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型傳輸線，隨著現(xiàn)代LTCC技術(shù)和PCB技術(shù)的快速發(fā)展，SIW在現(xiàn)代微波電路中有著較好的應(yīng)用前景。在此利用這種新型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了基于SIW窄邊耦合定向耦合器的多路功率分配網(wǎng)絡(luò)，實(shí)驗(yàn)樣件的測(cè)試結(jié)果與Ansoft HFSS商用軟件仿真結(jié)果吻合較好。

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關(guān)鍵詞：基片集成波導(dǎo); 定向耦合器; 功率分配/合成網(wǎng)絡(luò); Ansoft HFSS

中圖分類號(hào)：

TN454-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2012)05

-0090

-05

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Multi-way power dividing/combining network based on substrate integrated waveguide(SIW)

narrow-side coupling directional coupler

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AN Ning， WANG Chao， ZHAO Shu-min

(China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China)

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Abstract：

Substrate integrated waveguide(SIW) is a novel transmission line proposed in recent years. Along with the rapid development of LTCC technology and PCB technology， SIW has a better applied foreground in modern microwave circuit. In this work， this novel structure is used to design the multi-way power divider network based on substrate integrated waveguide (SIW) narrow-side coupling directional coupler. The measured results are in agreement with the simulated results using Ansoft HFSS.

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Keywords： substrate-integrated waveguide(SIW); directional coupler; power divider/combining network; Ansoft HFSS

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收稿日期：2011-10-20

0 引 言

現(xiàn)代通信及雷達(dá)系統(tǒng)中功率源的輸出脈沖功率可以高達(dá)數(shù)千瓦到數(shù)十千瓦，因此在微波頻段，很難靠單個(gè)功率源和單路功放得到較高的功率，這就需要采用微波功率合成技術(shù)。其中，最重要的環(huán)節(jié)就是功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，因?yàn)榉峙渚W(wǎng)絡(luò)和合成網(wǎng)絡(luò)分別位于功率管的輸入/輸出端，其駐波的好壞則直接影響放大器工作的穩(wěn)定性，其插入損耗的大小直接關(guān)系到輸出功率的大小。

傳統(tǒng)的微波傳輸線包括微帶傳輸線、矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)等，其中微帶傳輸線是應(yīng)用最為廣泛的平面?zhèn)鬏斁€之一。微帶傳輸線具有低剖面、易加工、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但由于其功率容量大、損耗大、輻射大等缺點(diǎn)，導(dǎo)致微帶電路在實(shí)際工程中具有一定的局限性。波導(dǎo)傳輸線具有Q值高、功率容量大等一些優(yōu)點(diǎn)，但很難實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代微波電路設(shè)計(jì)小型化的需求［1］。

在此基礎(chǔ)上，襯底集成波導(dǎo)(SIW)技術(shù)［2-3］的出現(xiàn)使這個(gè)問(wèn)題在一定程度上得到了解決，SIW是通過(guò)在平面電路的襯底上加工兩列平行金屬化孔而形成的人工矩形波導(dǎo)［4］，這兩排金屬孔構(gòu)成了波導(dǎo)的窄壁，而上下金屬面則為波導(dǎo)的寬邊。這樣可以將諸如微帶線、共面波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)設(shè)計(jì)在同一襯底上，并且只需要一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的過(guò)渡段就可以實(shí)現(xiàn)兩者的匹配。由于波導(dǎo)和微帶共用同一襯底，因而具有較高的集成度，而且重量輕、體積小、功率容量和Q值均較高。隨著現(xiàn)代LTCC技術(shù)和PCB技術(shù)的不斷成熟，SIW在現(xiàn)代微波電路中將有著較好的應(yīng)用前景。

1 微波功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)

微波功率源是現(xiàn)代通信及雷達(dá)系統(tǒng)中的重要組成部分。微波功率源是用來(lái)產(chǎn)生微波頻率和大功率信號(hào)的一種裝置，一般由調(diào)制器、振蕩源和功率放大單元組成。由于現(xiàn)代通信及雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)功率源的輸出功率要求很高，脈沖功率可以高達(dá)數(shù)千瓦到數(shù)十千瓦。在微波頻段，靠單個(gè)功率源和單路功率放大很難獲得如此高的功率，這就需要采用微波功率合成技術(shù)。

對(duì)于中小微波功率源，由于系統(tǒng)對(duì)于體積、重量以及集成性能的要求，通常采用平面功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)。平面分配/合成網(wǎng)絡(luò)一般分為兩種類型，即并行(樹(shù)狀)結(jié)構(gòu)和串行(鏈狀)結(jié)構(gòu)。

并行結(jié)構(gòu)功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)通常用微帶線來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易加工等優(yōu)點(diǎn)，但也具有一些缺陷，如頻率高時(shí)插損大、功率容量低以及需要額外電阻實(shí)現(xiàn)比較好的隔離。

串行結(jié)構(gòu)功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)可由帶狀線、SIW來(lái)實(shí)現(xiàn)。該結(jié)構(gòu)不需要額外電阻即可實(shí)現(xiàn)較好的隔離，且功率容量相對(duì)較大。在串行結(jié)構(gòu)微波功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)中，定向耦合器是最基本的組成單元，而且這種網(wǎng)絡(luò)無(wú)需外接匹配電阻，設(shè)計(jì)和使用都更為方便。

2 基片集成波導(dǎo)

基片集成波導(dǎo)(SIW)是由平面電路上、下兩層襯底上打兩排金屬化通孔組成，并且通孔成周期性排列。這兩排金屬化通孔相當(dāng)于矩形波導(dǎo)的兩個(gè)側(cè)壁，上下兩導(dǎo)體面則類似矩形波導(dǎo)的寬壁［5］。圖1所示為SIW結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 基片集成波導(dǎo)(SIW)結(jié)構(gòu)示意圖

作為一種平面電路，SIW本身不能直接與外部電路連接，必須通過(guò)微帶線、共面波導(dǎo)(CPW)等結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行過(guò)渡。圖2為工程中常用SIW與微帶間的過(guò)渡轉(zhuǎn)換——taper過(guò)渡［6-7］。

圖2 SIW與微帶線的taper過(guò)渡結(jié)構(gòu)

3 基于SIW窄邊耦合定向耦合器的多路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)

到目前為止，關(guān)于平面功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)的研究已經(jīng)比較成熟，并在工程上得到了廣泛的應(yīng)用，但基本都是并行(樹(shù)狀)結(jié)構(gòu)。本文的研究將側(cè)重于以SIW窄邊耦合定向耦合器為平臺(tái)的串行(鏈狀)結(jié)構(gòu)的功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)。首先對(duì)SIW窄邊耦合定向耦合器進(jìn)行理論分析及設(shè)計(jì)，然后通過(guò)不同耦合度的定向耦合器的級(jí)聯(lián)組合成所需的功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)。

3.1 SIW窄邊耦合定向耦合器的工作原理

圖3所示為SIW窄邊耦合定向耦合器［8-9］的結(jié)構(gòu)示意圖，它由兩個(gè)尺寸完全相同、窄邊共用的單層SIW構(gòu)成，耦合結(jié)構(gòu)為公共邊上長(zhǎng)度為L的連續(xù)耦合槽。它的介質(zhì)板的厚度為h，SIW寬度為a′，金屬柱半徑R，相鄰金屬柱間距W。這種定向耦合器的特點(diǎn)是定向性高、頻帶寬、功率容量較大。

圖3 SIW窄邊耦合定向耦合器結(jié)構(gòu)示意圖

SIW窄邊耦合定向耦合器四個(gè)端口依次為輸入端口(1端口)，直通端口(2端口)，耦合端口(3端口)，隔離端口(4端口)，如圖4所示。設(shè)TE10電磁波自1端口輸入，2，3，4各端口均接匹配負(fù)載。在開(kāi)槽部分，主副SIW間有電磁耦合，稱為耦合區(qū)。在耦合區(qū)，SIW寬度加倍，故在這個(gè)區(qū)域同時(shí)有TE10模和TE20模傳播。但是受SIW尺寸的限制，TE30以及更高次模則不能傳輸。TE10模和TE20模的場(chǎng)強(qiáng)在SIW1側(cè)是相加的，而在4側(cè)是相減的，故從波導(dǎo)的4端口輸出功率極少。被激發(fā)的TE10和TE20模兩種模式的電磁波在耦合區(qū)中的傳播相速是不同的，彼此互相干涉。通過(guò)調(diào)節(jié)耦合區(qū)耦合槽尺寸，可以獲得各種不同耦合度的SIW窄邊耦合定向耦合器。

圖4 SIW窄邊耦合定向耦合器工作原理圖

3.2 SIW窄邊耦合定向耦合器的理論分析

在研究SIW窄邊耦合定向耦合器原理之前，先作如下幾個(gè)假設(shè)：SIW金屬柱為理想導(dǎo)體；各端口均接匹配負(fù)載；兩SIW公共金屬柱厚度為零。

利用奇偶模原理進(jìn)行分析［6］。設(shè)端口1輸入的TE10模的電場(chǎng)幅度為1，則輸入波的電場(chǎng)強(qiáng)度橫向分布為：

這種情況可以等效為端口1和端口4同時(shí)有一對(duì)等幅同向的TE10輸入波和一對(duì)等幅反向的TE10輸入波，其幅度均為1/2，即將端口1的輸入波等效為偶模波和奇模波的疊加，如圖5所示。

對(duì)于偶模波激勵(lì)，在非耦合區(qū)的兩SIW中分別傳輸?shù)氖峭嗟腡E10模。在耦合區(qū)中，由于兩輸入激勵(lì)信號(hào)是同相的TE10模，由耦合區(qū)的對(duì)稱結(jié)構(gòu)及邊界條件可知，它們將在耦合區(qū)內(nèi)激勵(lì)起TE10，TE30，TE50等多種模式的波，適當(dāng)選取SIW 的寬度可確保主模TE10的單模傳輸。另外，由于其橫截面尺寸由a′×b變?yōu)楠?a′×b，故其中的TE10模的截止波長(zhǎng)、相波長(zhǎng)等都發(fā)生了變化，波的傳輸特性也不同。耦合區(qū)中TE10模的相波長(zhǎng)和相移常數(shù)分別為：

對(duì)于奇模波激勵(lì)，兩SIW中分別傳輸?shù)氖欠聪嗟腡E10模，即在耦合區(qū)寬邊中央處電場(chǎng)為零，故將激起TE20，TE40，TE60等多種模式的波。同樣，適當(dāng)選擇波導(dǎo)尺寸，可確保其中只有TE20模傳輸，耦合區(qū)中TE20模的相波長(zhǎng)和相移常數(shù)分別為：

耦合區(qū)SIW中的TE10模經(jīng)過(guò)耦合區(qū)傳輸后，其相位滯后β10l；TE20模經(jīng)耦合區(qū)傳輸后相位滯后β20l。兩者相位差θ為：

設(shè)在z=0處偶模波和奇模波的相位均為零，當(dāng)傳輸至z＝l處時(shí)，雖然它們的振幅大小不變，但因相移不同，故在端口2和端口3疊加后的結(jié)果就不同。

端口2的輸出波電場(chǎng)E2為：

E2=E2，e+E2，0=12e－jβTE10l+12e－jβTE20l

=12e－jβTE10l(1+ejθ)(9)

端口3輸出波電場(chǎng)E3為：

由以上關(guān)系式可得，輸出信號(hào)的幅度比為E3/E4=tan(θ/2)，耦合端口3的相位比直通端口2滯后90°，輸出功率比為：

3.3 基于SIW窄邊耦合定向耦合器的多路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

SIW窄邊功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，采用串行(鏈狀)結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)，SIWN路功率等分分配/合成網(wǎng)絡(luò)是由N-1個(gè)SIW窄邊耦合定向耦合器級(jí)聯(lián)組合而成。把兩個(gè)定向耦合器組合成一個(gè)三路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，以此來(lái)驗(yàn)證多路SIW窄邊功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)思路的可行性和性能的有效性。

[HTF]3.3.1 基于SIW窄邊耦合定向耦合器的三路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)



首先需要設(shè)計(jì)兩個(gè)SIW窄邊耦合的定向耦合器(3 dB和4.8 dB)，下面將這兩個(gè)SIW窄邊耦合定向耦合器級(jí)連組合，就能夠?qū)崿F(xiàn)三路SIW功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品的測(cè)試及與仿真結(jié)果的比較，對(duì)設(shè)計(jì)思路進(jìn)行驗(yàn)證。

三路功率分配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示，圖中左邊為4.8 dB SIW定向耦合器，右邊為3 dB SIW定向耦合器。在這個(gè)三路功率分配網(wǎng)絡(luò)中，一共有6個(gè)端口。假定1端口為輸入端口，1/3的能量從2端口輸出，剩下2/3的能量進(jìn)入右邊耦合部分，最終平均分配進(jìn)入4端口和6端口，其中3端口和5端口為隔離端口。

此外，為方便該網(wǎng)絡(luò)的試驗(yàn)測(cè)量，每個(gè)端口都設(shè)計(jì)了從SIW到微帶的過(guò)渡，如圖7所示。Ws和Ls分別是50 Ω微帶線的寬度和長(zhǎng)度，Wm和Lm分別是錐形過(guò)渡的線寬和長(zhǎng)度。

3.3.2 三路功率分配網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的正確性，在此加工了三路SIW窄邊功率分配網(wǎng)絡(luò)樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如圖8所示。介質(zhì)板厚度0.8 mm，介電常數(shù)2.65，測(cè)試頻段為：7.7~8.6 GHz。

該三路SIW功率分配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)尺寸如下：SIW寬度a′=14 mm，金屬柱間距W=1.2 mm，半徑R=0.3 mm;三路功率分配網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度L1=137.6 mm，L2=20.7 mm，L3=40.2 mm，L4=19.8 mm，L5=17.6 mm，L6=19.2 mm;W1=27.2 mm，W2=14 mm。優(yōu)化后的微帶過(guò)渡段尺寸為：Wm=3.4 mm，Lm=4.2 mm，Ls=4 mm，Ws=2.2 mm。

基于SIW窄邊耦合定向耦合器的三路功率分配網(wǎng)絡(luò)的紡真及測(cè)試結(jié)果如圖9~圖11所示。

圖9所示為輸入端口1以及三個(gè)輸出端口2，4，6的回波損耗，由圖中可以看到，測(cè)試的四個(gè)端口回波損耗小于-15 dB， 帶寬為11% 。由于加工精度、測(cè)試方法等問(wèn)題，測(cè)試結(jié)果相對(duì)仿真結(jié)果存在一定的偏差，結(jié)果可以接受。

三個(gè)耦合輸出端口插入損耗的仿真以及測(cè)試結(jié)果如圖10所示。由于介質(zhì)板本身的損耗、測(cè)試方法(采用底饋)、加工精度等方面的原因，導(dǎo)致中心頻率的測(cè)試插入損耗為1.4 dB， 比仿真結(jié)果大0.4 dB左右。耦合度幅度不平衡度小于±0.6 dB。

輸出端口的隔離也是功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)一個(gè)很重要的性能指標(biāo)。 在基于窄邊耦合定向耦合器的SIW三路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)中，不需額外電阻即可達(dá)到比較好的隔離。輸出端口的隔離仿真及測(cè)試結(jié)果如圖11所示， 二者吻合較好，測(cè)試結(jié)果顯示隔離小于-20 dB， 其帶寬大約10%。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文主要針對(duì)SIW窄邊耦合定向耦合器進(jìn)行理論分析與工程設(shè)計(jì)，并以此為平臺(tái)，組合形成串行(鏈狀)功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)。首先，用奇偶模原理，推導(dǎo)出TE10模和TE20模式的傳播常數(shù)以及工作波長(zhǎng)，得到耦合端口與直通端口能量分配以及相位的關(guān)系；其次，對(duì)SIW窄邊耦合定向耦合器進(jìn)行理論分析，推導(dǎo)出耦合槽尺寸與波長(zhǎng)的關(guān)系式，并設(shè)計(jì)了兩個(gè)不同耦合度的SIW窄邊耦合定向耦合器；最后，設(shè)計(jì)了基于窄邊耦合定向耦合器的SIW功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)驗(yàn)樣品的測(cè)試結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果吻合較好，表明理論分析方法的正確性以及設(shè)計(jì)思路的有效性。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］R E 柯林.微波工程基礎(chǔ)［M］.北京：人民郵電出版社，1981.



［2］李皓，陳安定，洪偉，等.基片集成波導(dǎo)定向耦合器的仿真與實(shí)驗(yàn)研究［J］.微波學(xué)報(bào)，2004，20(4)：54-56.



［3］曲曉云.寬壁耦合器的理論分析與設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2001，23(2)：68-70.



［4］張清海，步順福.波導(dǎo)定向耦合器的設(shè)計(jì)［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，1989，23(4)：57-60.



［5］CHE Wen-quan， DENG K， CHOW Y L. Equivalence between waveguides with side walls of cylinders (SIRW) and of regular solid sheets \\[C\\]//2005 Asia-Pacific Microwave Conference. \\[S.l.\\]: \\[s.n.\\]， 2005: 296-299.



［6］虞萍.矩形波導(dǎo)TE10、TEM模電橋［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，1992，14(1)：110-112.



［7］DESLANDES Dominic， WU Ke. Integrated microstrip and rectangular waveguid in plannar from \\[J\\]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters， 2001，11(2): 68-70.



［8］WU Ke， BOONE Frangcois. Guided-wave properties of synthesized non-radiative dielectric waveguide for substrate integrated circuits(SIC) \\[J\\].IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 1998: 625-630.



［9］HENDRICK Louos W， LEVY Ralph. Design of waveguide narrow-wall short-slot couplers \\[J\\]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1980，46: 239-245.



［10］李皓，華光，陳繼新，等.基片集成波導(dǎo)和微帶轉(zhuǎn)換器的理論與實(shí)驗(yàn)研究［J］.電子學(xué)報(bào)，2003，31(z1)：2002-2004.

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作者簡(jiǎn)介：

安 寧 女，1985年出生，河南洛陽(yáng)人，碩士，工程師。主要研究方向?yàn)槲⒉娐吩O(shè)計(jì)。

王 超 男，1983年出生，山東煙臺(tái)人，碩士，工程師。主要研究方向?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù)。

趙書敏 男，1979年出生，河南洛陽(yáng)人，博士。主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息技術(shù)。