设计一个理想的HMSIW定向耦合器的新型结构并对它进行仿真

1．引言

基片集成波导(SIW) 是一种新型的高Q 值、低损耗集成导波结构,易于设计和加工，并 易集成在平板电路上，且成本低，可以广泛应用于微波毫米波集成电路中[1-4]。由于与传统 矩形波导的相似性,很多设计概念可以借用,比如波导功分器、滤波器、天线等。在本文中, 我们用这种导波结构宽边开缝实现了定向耦合器,且本文采用的是半膜结构，这样可以减小 近一半的尺寸但不会影响其性能，最后仿真结果也符合理论分析与研究，达到了预期的目的。

基片集成波导工作在主模时，在沿着波传播方向的波导对称面上，电场的场值达到最大 值而磁场的值却几乎为零， 因此此对称面可以等效为一磁壁。这样基片集成波导就可以用 一假想的磁壁分隔成两半，每一半就变成了半膜结构的基片集成波导，且能量几乎全部束缚 在内部，从分割面泄露的能量忽略不计。图1就是HMSIW与SIW中主膜的对比情况。

 

 

2． HMSIW定向耦合器的设计

本文中我们所研究的HMSIW定向耦合器，主要受波导定向耦合器的启发，运用波导宽 边开缝耦合理论，在两波导公共宽壁上的适当位置开一细长缝隙进行能量耦合，是一种新型 结构的SIW定向耦合器。由于我们用的是基片集成波导，所以要把两层SIW的接地板重叠在 一起，这样上下两层SIW就可以看成具有公共宽壁的两波导，因此把缝隙开在此结构的中间 那层接地板去耦合能量，就相当于宽边开缝的波导耦合。又由于是半膜结构，就要考虑缝隙 的位置，通过仿真分析与研究，缝隙的位置开在金属化孔的附近的耦合情况要好。图2就是 设计的HMSIW定向耦合器结构，特别说明缝隙是在中间的那层接地板，不在上层与下层微带上。

 

 

我们必须根据其设计原理来考虑SIW定向耦合器的尺寸（5-6），对于工作在相同频段的 HMSIW定向耦合器，其宽度（W_hsiw）可以设置成SIW定向耦合器的一半，HMSIW到微带 线的过渡线宽（W_tr）大约也是SIW到微带线的过渡线的一半，SIW与微带之间的过渡设置 可以参考（7-8）。耦合缝隙的位置与尺寸的初值可以先按照工作在同一频段的波导理论去设 置，然后再进行优化设计最后达到最佳值，表一是我们设计的HMSIW定向耦合器的几何尺 寸，这时的耦合缝隙长度是按照一个3dB定向耦合器设置的，当然可以通过改变缝隙长度的 值来改变耦合量的大小。

 

 

3. 软件仿真结果

该耦合器工作在14GHz-24GHz范围内，选用的介质基片的厚度h = 0.5mm，介电常数 2.2 r ε = ，损耗角正切tanδ = 0.0009，导带厚度t = 0.035mm。采用三维全波电磁仿真软件HFSS 对HMSIW定向耦合器进行仿真与优化，使其达到最佳效果。其对应表一的仿真S参数结果 见图3，这时候，对应的在基片集成波导里的电场分布情况示于图4，我们可以看到能量从主 波导的1端口通过缝隙耦合到副波导的3端口，没有明显的能量泄露。

 

 

 

 

4 . 结论

本文提出了一个理想的HMSIW定向耦合器的新型结构，其主要特点是尺寸小，且隔离 度大，损耗低，带宽宽，已经跨越了KU波段和K波段。可以用在集成度高的微波电路与毫 米波电路中。基片集成波导定向耦合器在设计上具有很大的灵活性，不但加工简单，成本低， 还可以把传统波导的一些概念和设计方法直接借用过来，使其得到充分的实现。