为 X 波段应用设计基于 SIW 技术的定向耦合器

$1^{st}$ 穆罕默德-布勒斯巴a
L.R.P.P.S. 实验室、电子和电信部
瓦格拉 Kasdi Merbah 大学，30000 阿尔及利亚瓦格拉，阿尔及利亚boulesbaa.mohammed@univouargla.dz

$2^{nd}$ Tarek Djerafi，IEEE 会员Centre - Energie Matériaux Télécommunications
国家科学研究院
加拿大蒙特利尔（魁北克Tarek.djerafi@emt.inrs.ca

$3^{rd}$ Ahmed Bouchekhlal
微系统与仪器实验室
君士坦丁大学1 ，阿尔及利亚阿尔及利亚，君士坦丁bouchekhlalahmed@gmail.com

$4^{th}$ Boualem Mekimah 电子部
阿尔及利亚君士坦丁堡大学阿尔及利亚，君士坦丁b_mekimah@umc.edu

摘要

本文设计了一种基于基底集成波导（SIW）技术的新型定向耦合器结构。我们使用 HFSS 仿真器设计了微带过渡锥的结构和工作在 X 频段的拟议耦合器的结构。仿真结果表明，拟议的定向耦合器在带宽（ $2.5 G H z$ ）、插入损耗（-3.52 dB）、耦合（-6.57 dB）和隔离（-26 dB）方面具有良好的性能。拟议的定向耦合器将在天线网络、雷达和光通信系统中发挥重要作用。因此，SIW 技术为各种微波和毫米波应用的开发提供了一个极好的平台。

关键词-SIW、耦合器、波导、

S

参数、TE

_{10}

I.导言

近年来，微波行业需求旺盛，技术进步显著，因为它对改善通信产生了影响，在我们的日常生活中发挥着重要作用。电视、移动电话、广播、报警系统、安防等高质量的专业应用领域都是微波的应用范围。总体而言，技术发展面临着各种制约因素，如电子电路的微型化问题、有用频段的增加以及生产成本的最小化[1]。

为了找到替代解决方案，有必要开发性能卓越的无源结构，以满足新的微波应用需求，因为高频波长较低[2]。对于传统的矩形波导（RCW）来说，由于其损耗小、品质因数高，因此在微波和毫米波系统中，其成分比其他平面传输设备具有更好的特性[3]。另一方面，由于这种波导结构庞大，难以集成和制造，因此这种解决方案毫无用处。SIW 结构是在高频带宽下工作的波导，具有以下特点

与传统波形相比，SIW 具有出色的抗电磁干扰特性，而且成本更低。最近，基于 SIW 技术的各种器件已被开发出来，用于多种微波电路，如滤波器 [4]、耦合器 [5]。

定向耦合器在雷达测量系统和天线波束形成网络中发挥着重要作用 [6]。它们被用于许多电路中，包括混频器、平衡放大器 [7,8] 和天线功率电路 [9]。耦合器的性能在很大程度上决定了所生产电路的性能（频带、隔离度等），但通常会受到电路制造技术的限制。尤其是微波频率下使用的耦合器一般都是无源结构[10]。

本研究的目的是设计和模拟一种工作在 X 波段频率的新型定向耦合器结构，该结构基于光通信应用中的 SIW 技术。它主要用于各种毫米波和微波电路，以产生具有一定规格（如频率、带宽和结构尺寸）的适当功率分布。

II.SIW 理论

A.SIW 结构

SIW 结构被大量用于几毫米平面电路的设计。SIW 结构由金属板之间的两排圆柱体组成，金属板之间由介质基板隔开。图 1 展示了 SIW 波导的基本设计。这些模式的质量系数直接取决于基板（介质损耗）和金属（导电损耗）的电气性能，特别是 SIW 结构的形状和尺寸[11]。

2002 年，[12] 提取了经验方程，用于确定相应的特征宽度。

图 1.SIW 波导的基本结构 [11]。

RCW 结构，在尺寸相似、材料相同的 SIW 中具有相同的基模传输特性，如

\begin{aligned} W_{S I W} = W_{e q} + \frac{d^{2}}{0.95 p} \\ L_{S I W} = L_{e q} + \frac{d^{2}}{0.95 p} \end{aligned}

其中

W_{siw}, L_{siw}

和

W_{eq}, L_{eq}

分别表示 SIW 技术中的 RCW 及其对应的传统 RCW 结构的宽度和长度，(d) 是圆柱金属的直径，( p ) 是相邻两个圆柱之间的距离。图 2 展示了圆形金属通孔的设计示意图。

为了降低圆形金属通孔的损耗，§和（d）参数由以下公式（3）、（4）、（5）联系起来：

\begin{matrix} d < \frac{λ_{g}}{5} \\ p < 2 d \\ λ_{g} = \frac{2 π}{\sqrt{\frac{{(2 π f_{c})}^{2} ε_{r}}{c^{2}} - {(\frac{π}{W_{s i v}})}^{2}}} \end{matrix}

其中

f_{c}, c

和

λ_{g}

分别代表频率、光速和导波波长。

文献 [12] 显示，带有通孔侧壁的 SIW 波导与宽度

W_{eq.}

相似的传统矩形波导几乎完全相同。为了确定 SIW 波导第一个模式

{TE}_{10}

的截止频率，我们使用了公式 (6)。

图 2.圆形金属通孔的结构示意图。

f_{c 10} = \frac{c}{2 W_{e q} \sqrt{ε_{r}}} = \frac{c}{2 (W_{s i w} - \frac{d^{2}}{0.95 p}) \sqrt{ε_{r}}}

B.微带过渡锥

在本节中，我们关注将 SIW 波导与微带传输线互连的过渡装置。为此，我们使用 HFSS 软件 [13] 设计了过渡锥。图 3 显示了微带过渡锥的结构及其各种物理参数。表 1表 1 列出了我们工作中所研究的两种结构（即 SIW 器件和微带过渡锥）的所有物理参数的尺寸：SIW 器件和微带过渡锥的所有物理参数。这些数值是根据文献 [14] 中的公式进行第一阶段计算后得出的。然后，在第二阶段使用 HFSS 仿真器对这些计算出的尺寸进行优化。

C.SIW 定向耦合器

定向耦合器的基本构造是在各向同性支架上的一个四端口无源无损元件，它允许输出端在输入端收集功率：它是一个功率分配器。图 4 显示了四路定向耦合器的基本结构。在这种耦合器中，入射信号被引入激励端口（端口 1）。该信号的大部分功率被传输到直接端口（端口 2）。端口 (3) 代表耦合端口，其中激发端口引入的功率信号的一部分被传输到该端口。最后，端口 (4) 代表隔离端口。

图 3.微带过渡锥的结构及其各种物理参数。

表 I.SiW 结构的物理参数尺寸

常数	陈述	尺寸（毫米）
$L_{siw}$	基质长度	29
$W_{siw}$	基板宽度	15.77
d	圆孔直径	1
P	环形通道间距	2
h	基底厚度	0.508
$W_{L}$	微带线宽度	1.6
$W_{t}$	微带锥宽度	7
$L_{t}$	微带锥的长度	7.7

图 4.定向耦合器四个端口的基本示意图 [15]。

在完美的情况下，没有信号源传输到隔离端口，而几乎任何类型的信号都会泄漏到该端口。

耦合：表征耦合波归一化功率（相对于入射波）的耦合由以下表达式给出 [8] ：

C_{(dB)} = 20 \log | S_{31} |

其中

S_{31}

是耦合系数。

2) 插入损耗：插入损耗表征了定向耦合器中直接功率传输信号的归一化功率，用下式表示 [8]：

A f f_{(dB)} = 20 \log | S_{21} |

其中

S_{21}

是插入系数。

3) 自适应：适配表征了输入耦合器上反射信号的归一化功率 [8]：

A_{(dB)} = 20 \log | S_{11} |

其中

S_{11}

是反射系数。

4) 隔离度：隔离度表征端口 (4) 接收信号的归一化功率，用下式表示 [8]：

I s_{(dB)} = 20 \log | S_{41} |

其中

S_{41}

是隔离系数。

5) 指向性：指向性表示耦合波的功率与通过隔离方式发出的波的功率之间的比值，如下式（4）所示：

D_{(dB)} = 20 \log | \frac{S_{31}}{S_{41}} | = C_{(dB)} - I s_{(d B)}

带宽：表征耦合器最佳工作频率范围的相对带宽用下式表示 [8] ：

B W (%) = \frac{F_{1} - F_{2}}{F_{0}} \times 100

其中，

F_{0}, F_{1}

和

F_{2}

分别为中心、最大和最小工作频率。

对于电路的实现，人们对 3 dB 耦合器尤其感兴趣。耦合和衰减相等，这意味着入射功率在直接通道和耦合通道之间平均分配。

III.结果与讨论

A.微带锥形

最终结构（SIW 波导和微带过渡锥）由 HFSS 模拟器设计，尺寸如表（1）所示。图 5 显示了受激信号在设计结构中的传播截面。从图中我们可以清楚地观察到，通过使用锥形微带过渡锥，微带通道准 TEM 模式的传播波将变为在 SIW 波导中传播的

{TE}_{10}

模式。图 6 展示了使用 HFSS 仿真器获得的最终结构的

S

参数（

S_{11}

和

S_{21}

）随频率变化的情况。仿真结果给出了可接受的

S_{11} < - 10 dB

适应度和 10.8 至 14 GHz 的宽频率范围。该图还显示，频率

13.15 GHz, S_{11} = - 71.91 dB

时的适应性最佳。

B.SIW 定向耦合器

定向耦合器作为许多系统中的重要元件已被广泛使用，因为它们对通信应用有着重要影响。考虑到此类传统优质元件的设计技术，许多问题要么过于昂贵，要么无法实现预期性能。

图 5.电信号在最终装置中的传播情况（锥度 + SIW）。

图 6.S 参数与最终结构（SIW + 锥形）频率的函数关系。

我们已经找到了基于 SIW 技术的解决方案来消除这些缺点。

图 7 显示了基于 SIW 技术的定向耦合器设计方案。在该装置中，激励端口为端口 (1)，传输端口为端口 (2)，耦合端口保留为端口 (3)，隔离端口为端口 (4)。在定向耦合器中，主要的设计参数是宽度

W_{n}

和开口槽

L_{f}

。在我们的工作中，我们选择的

W_{n}

参数值为 14.27 mm。在设置了

W_{n}

参数后，我们调整了孔隙

L_{f}

以控制端口 (3) 的输出信号，端口 (3) 代表耦合端口。经过多次尝试，当

L_{f}

等于 17 mm 时，SIW 定向耦合器的耦合和插入损耗表现最佳。在确定了拟议定向耦合器的所有物理参数尺寸后，我们使用 HFSS 仿真器设计了最终结构。

图 8 展示了

{TE}_{10}

模式在拟议定向耦合器四个端口中的电场分布。从图中我们可以清楚地观察到，端口 (1) 中引入的光信号中最重要的电源被耦合到端口 (2) 和端口 (3)。端口 4 是隔离端口，但结果是电源耦合到了这个端口。

图 9 显示了使用 HFSS 软件对拟议定向耦合器进行仿真后获得的 S 参数。

图 7.所设计定向耦合器的二维模型。

图 8. 拟议定向耦合器中

{TE}_{10}

模式的电场分布。

图 9. 拟议定向耦合器 S 参数随频率的变化。

得到的结果表明，在电源端口 1 引入的信号中，最重要的信号被耦合到端口 2。它在 8.5 GHz 至 11 GHz 频段内产生了约 -3.52 dB 的插入损耗，这表明所提供的带宽为 2.5 GHz。我们还可以看到，电源端口 (1) 入射的部分信号耦合到端口 (3)。在同一频段，它产生的耦合约为 -6.57 dB。此外，它还改善了端口（1）的隔离度，使其低于-10 dB，端口（4）的隔离度低于-12 dB。图 10 显示了端口 (2) 和端口 (3) 之间的相位差。它显示这些端口之间的相位差约为 90 度。这种耦合器可用于天线波束形成。

IV.比较

在本节中，我们从插入损耗、耦合功率、隔离度和带宽等方面对基于 SIW 技术的拟议定向耦合器与作者 [16] 在 X 频段提出的另一种定向耦合器进行了比较。表2 重新列出了这两种耦合器的各种特性。从表中我们可以清楚地看到，与文献 [16] 中的结果相比，所提出的 SIW 定向耦合器的某些特性得到了改善。

图 10. 拟议定向耦合器的相位差随频率的变化。

表 II.拟议结构与传统结构的比较。

结构	工作 16	我们的工作
插入损耗（分贝	-3.78	-3.52
耦合（分贝	-3.82	-6.57
隔离度（分贝	-13	-26.4
带宽（千兆赫	2	2.5

因此，改进后的功能有

插入损耗大大降低。
与世隔绝
2.5 千兆赫的宽频范围 .
可接受的耦合。

V.结论

在我们的工作中，我们使用 HFSS 仿真器开发了一种基于 SIW 技术的定向耦合器。通过仿真结果，我们得出结论：所提出的 SIW 定向耦合器具有更好的性能，带宽相对较宽，达到 2.5 GHz，插入损耗大大降低，回波损耗降低，隔离度高。因此，其紧凑的尺寸和良好的特性使所开发的 SIW 耦合器易于集成到各种平面微波和毫米波电路中。开发的 SIW 耦合器可以通过使用标准印刷样品轻松制造。与传统波导相比，这种制造技术大大降低了制造过程的成本。

参考资料

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