HMSIW定向耦合器的仿真設(shè)計1．引言基片集成波導(dǎo)(SIW)是一種新型的高Q值、低損耗集成導(dǎo)波結(jié)構(gòu),易于設(shè)計和加工，并易集成在平板電路上，且成本低，可以廣泛應(yīng)用于微波毫米波集成電路中[1-4]。由于與傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)的相似性,很多設(shè)計概念可以借用,比如波導(dǎo)功分器、濾波器、天線等。在本文中,我們用這種導(dǎo)波結(jié)構(gòu)寬邊開縫實現(xiàn)了定向耦合器,且本文采用的是半膜結(jié)構(gòu)，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(jié)果也符合理論分析與研究，達到了預(yù)期的目的。基片集成波導(dǎo)工作在主模時，在沿著波傳播方向的波導(dǎo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)的基片集成波導(dǎo)，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(shè)計本文中我們所研究的HMSIW定向耦合器，主要受波導(dǎo)定向耦合器的啟發(fā)，運用波導(dǎo)寬邊開縫耦合理論，在兩波導(dǎo)公共寬壁上的適當(dāng)位置開一細長縫隙進行能量耦合，是一種新型結(jié)構(gòu)的SIW定向耦合器。由于我們用的是基片集成波導(dǎo)，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(dǎo)，因此把縫隙開在此結(jié)構(gòu)的中間那層接地板去耦合能量，就相當(dāng)于寬邊開縫的波導(dǎo)耦合。又由于是半膜結(jié)構(gòu)，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(shè)計的HMSIW定向耦合器結(jié)構(gòu)，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(shè)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(shè)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(shè)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(dǎo)理論去設(shè)置，然后再進行優(yōu)化設(shè)計最后達到最佳值，表一是我們設(shè)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(shè)置的，當(dāng)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(jié)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)2.2rε=，損耗角正切tanδ=0.0009，導(dǎo)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(yīng)表一的仿真S參數(shù)結(jié)果見圖3，這時候，對應(yīng)的在基片集成波導(dǎo)里的電場分布情況示于圖4，我們可以看到能量從主波導(dǎo)的1端口通過縫隙耦合到副波導(dǎo)的3端口，沒有明顯的能量泄露。

4.結(jié)論本文提出了一個理想的HMSIW定向耦合器的新型結(jié)構(gòu)，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?？梢杂迷诩啥雀叩奈⒉娐放c毫米波電路中?；刹▽?dǎo)定向耦合器在設(shè)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(dǎo)的一些概念和設(shè)計方法直接借用過來，使其得到充分的實現(xiàn)。：任利霞、唐璞，電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院[1]WuK.Integrationandinterconnecttechniquesofplanarandnonplanarstructuresformicrowaveandmillimeter-wavecir-Cuits-currentstatusandfuturetrend.2001Asia-PacificMicrowaveConfProc,Taiwan,2001

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