（电磁场与微波技术专业论文）基片集成波导定向耦合器的设计与应用.pdf

摘要 基片集成波导定向耦合器的设计与应用 硕士生：王忆淘 导师：朱晓维教授 东南大学信息科学与工程学院毫米波国家重点实验室 摘要 基片集成波导( s m o 是近十年来出现在微波，毫米波领域内的一种新型波导结 构。它具有插损小，辐射低，功率容量大等特点。基片集成波导可以方便的集成于介 ，质基片中，其传输特性与填充介质的金属矩形波导相似，但又可以通过过渡结构与其 他无源或有源器件相连。基片集成波导的出现为微波，毫米波系统的集成化，小型化 提供了一个全新的途径。 本文以基片集成波导定向耦合器的研制及其应用作为研究方向，研制了波导结 ( w a v e g u i d ej u n c t i o n ) 结构的定向耦合器，并将其应用于定向滤波器和平衡混频器的设 计。主要的研究工作包括：首先设计实现了一个工作在x 波段的，波导臂交叉角度可变的 波导结型基片集成波导3 一d b 定向耦合器，该耦合器工作带宽达1 9 2 ；然后提出了一个应 用半模基片集成波导设计实现的，可以工作在k 波段和k a 波段的波导结型3 - d b 定向耦合 器，其有效工作带宽可达2 4 左右：同时，本文还应用互补型开口谐振环( c s r r ) 设计了一 个工作在k 波段的半模基片集成波导窄带带通滤波器：在此基础上，将k 波段半模基片集 成波导3 一d b 耦合器与k 波段半模基片集成波导窄带带通滤波器连接，实现了一个工作在k 波段的定向滤波器。最后，将前面设计的l ( a 波段半模基片集成波导3 - d b 定向耦合器作为 信号输入器件，应用于i ( a 波段的平衡混频器设计。 关键词：基片集成波导，半模基片集成波导，毫米波，定向耦合器，定向滤波器，单 平衡混频器 a b s t r a c t t h e d e s i g na n da p p l i c a t i o n so fs u b s t r a t ei n t e g r a t e d w a v e g u i d e d i r e c t i o n a lc o u p l e r m sc a n d i d a t e ：w a n gy i t a o s u p e r v i s o r ：p r o z h ux i a o w e i a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，an e wk i n do fw a v e g u i d ew h i c hn a m e db ys u b s t r a t ei n t e g r a t e d w a v e g u i d e ( s mh a sb e e nd e v e l o p e da n di n v e s t i g a t e d i th a sm a n ya d v a n t a g e sa sl o w i n s e r t i o nl o s s ，l o wr a d i a t i o na n dh i 曲p o w e rc a p a b i l i t y s i wi sp u r e l yf o r m e db ym e t a l l i c p o s ta r r a y s ，w h i c hm e a n si ti sv e r ye a s yt ob ei n t e g r a t e di n t os u b s t r a t ea n dm a n u f a c t u r e db y s t a n d a r dp c b p r o c e s s t h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i co fs m i ss i m i l a rt ot h et r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i co fd i e l e c t r i cf i l l e dw a v e g u i d e ，b u ti tc o u l db ec o n n e c t e dt op a s s i v ea n da c t i v e d e v i c e sb yt r a n s i t i o ns t r u c t u r e i nt h i st h e s i s ，s e v e r a ld i r e c t i o n a lc o u p l e r sw h i c he m p l o yw a v e g u i d ej u n c t i o ns t r u c t u r e h a sb e e nd e s i g n e d ，m a n u f a c t u r e da n dm e a s u r e d t h e n ，t h ed e s i g n e dc o u p l e r sa r eu s e dt o w o r ka sap a r to fd i r e c t i o n a lf i l t e ra n ds i n g l yb a l a n c e dm i x e r t h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i s i n c l u d e s ：ac r o s s e d s i w3 一d bd i r e c t i o n a lc o u p l e ri sd e s i g n e di nx - b a n d , w i t ha19 2 o p e r a t i n gb a n d w i d t h t h e n , as e r i e so fw a v e g u i d ej u n c t i o nh y b r i da r er e a l i z e di nk b a n da n d k ab a n db yh a l fm o d es u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e ( h m s i w ) a r e rt h a t ，ak - b a n d n a r r o wb a n db p fi sd e s i g n e da n dr e a l i z e d ，i tc o u l db ec o n n e c t e dt ot h e3 - d bh m s i w h y b r i d t ob u i l dak - b a n dd i r e c t i o n a lf i l t e r a tl a s t ，t h ek a - b a n dh m s i wh y b r i dw i ub eu s e da s p o w e ri i l p u td e v i c ef o rab a l a n c e dm i x e r k e y w o r d s ：s u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e ( s i w ) ，h a l fm o d es u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e 饵m s m ，m i l l i m e t e r - w a v e ，d i r e c t i o n a lc o u p l e r , d i r e c t i o n a lf i l t e r , s i n g l yb a l a n c e dm i x e r i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究l ：作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰丐过 的研究成果，也不包含为获得东南火学或其它教育机构的学位或证- i5 而使州过的材料。与我 一同：l ：作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示丫谢意。 研究生签名： 日期：丝里辜兰星竺乡 东南大学学位论文使用授权声明 东南人学、中国科学技术信息研究所、国家图二伟馆有权保留本人所送交学位论文的复印 什和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电j r 文档的内容羽i 纸质 论文的内释相一致。除往保密期内的保密论文外，允许论文被夯阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：必导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 本章将首先介绍基片集成波导技术的研究背景和国内外研究现状，然后介绍本文 的主要工作与章节安排。 1 1 本文的研究背景 微波技术与理论从二十世纪初开始被人关注，至今已经发展出一整套完备的结构 体系，取得了丰硕的成果 1 1 - 12 1 。在微波技术发展的过程中，导波结构的发展一直是非 常重要的一环。导波结构的演进从一个侧面体现了微波工业的发展趋势。1 8 9 7 年， r a y l e i g h 爵士发表了关于中空金属圆波导的论文【1 3 1 ，之后，由gc s o u t h w o r t h 和w ：l b a r r o w 各自独立发现了中空金属波导可以有效的导引电磁波【1 4 1 _ 【1 5 1 ，严格的波导模式理 论也同时开始建立起来。从这段时间一直n - 十世纪五十年代，金属中空波导，特别 是矩形波导一直在传输线领域占统治地位。但是金属矩形波导的体积庞大，加工成本 高，且有截止频率限制其工作频段，于是人们开始着手寻找其他形式的导波结构。带 状线和微带线的出现满足了这种需要【1 6 1 - 1 7 】，同时也开创了微波印制电路的时代，使微 波电路的混合与集成成为可能。之后，槽线，共面波导，鳍线等各种导波结构也陆续 出现【l 引。到了八十年代，一种基于微波厚膜技术的结构开始出现，即低温共烧结陶瓷 ( 1 0 wt e m p e r a t u r ec o f i r e dc e r a m i c s ：l t c c ) 1 9 - t 2 1 l ，这种结构的优点在于具有较高的集 成度，可以方便的在其中加工各种基本元件和传输线。与此同时，t y o n e y a m a 领导的 研究小组在t i s h e r 等人提出的h 型波导基础上发展出了非辐射性介质波导 ( n o n r a d i a t i v ed i e l e c t r i cw a v e g u i d e ：) 归2 1 - 2 4 1 ，非辐射性介质波导的提出使介质波导在 不连续处严重的辐射问题得以解决。然而，非辐射性介质波导并不适合于混合电路的 集成设计。对于任何二端口平面电路器件，如果要想和非辐射性介质波导连接，都首 先要被安装在一块平面电路上，再将这块平面电路固定到非辐射性介质波导的介质中， 其工艺相当繁杂。而三端口或四端口平面电路器件则更难和非辐射性介质波导相连接。 在上一段所述的各种导波结构中，普通的金属矩形波导无论是在理论上还是应用 上都是比较完备的。但是矩形波导同样也很难与平面电路器件相集成。为了尝试解决 各种导波系统的集成问题，1 9 9 6 年，文献【2 5 1 提出了一种集成非辐射性介质波导和平面 电路的混合结构，这种结构利用非辐射性介质波导实现其系统的无源部分功能，而有 源器件安装在上下介质基片上，并在二者之前通过耦合缝隙实现连接。这种混合集成 的方式为实现基片集成电路( s u b s t r a t ei n t e g r a t e dc i r c u i t ：s i c ) 提供了一个重要的途径。 这里所说的基片集成电路，是指在单层或多层介质基片上，通过各种导波结构，尤其 是通过各种非平面导波结构，实现一定功能或系统性能的模块电路【2 6 1 - t 2 引。在微带线与 东南大学硕士学位论文 非辐射性介质波导实现了互连后，文献正式提出了一种基于介质基片的导波结构一 一基片集成波导( s u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e ：s m r ) 。 作为基片集成电路的一个重要实现途径，基片集成波导的基本思想是在介质基片 上用相邻很近的金属化通孔阵列形成电壁，与上下金属面一起构成类似于金属矩形波 导的结构。这种结构能够在很薄的基片上实现矩形波导的传输特性以及各种不连续性 结构【3 0 h 3 。与传统的矩形波导元件相比，基片集成波导成本低，可以使用标准p c b 工艺加工。目前，国内外所报道过的基片集成波导器件已经有滤波器，振荡器，功分 器，天线，定向耦合器等 3 2 1 。 和矩形波导一样，基片集成波导也是有着固有的截止频率的，就是说工作在一定 频率的基片集成波导的宽度也是一定的，因此在较低的微波频段内，基片集成波导器 件的尺寸仍然可能偏大，这使其应用范围受到了限制。最近，东南大学毫米波实验室 的洪伟教授的研究小组提出了一种基于基片集成波导的改进型结构半模基片集成 波导( h a l fm o d es u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e ：h m s l w ) 3 3 】。该项新技术所利用的原 理是：当基片集成波导工作在主模状态时，其沿纵向的对称面可以等效为理想磁壁， 而由于基片集成波导一般实现在薄基片上，其结构本身的宽高比( w i d t ht oh e i g h tr a t i o ： 慨) 非常大，所以如果在该对称面上把一个基片集成波导段切开，剖面开口上的辐 射是非常微弱的，此时开口面仍然可以等效为一个理想磁壁。这样被对称切开的基片 集成波导的任意一半，就可以称为一段半模基片集成波导。在这种导波结构中传播的 波的模式是基片集成波导中所传播波的t e 。模的一半，即t e 。；。模式，所以称为半模 基片集成波导。通过研究发现，半模基片集成波导与基片集成波导相比，在传输特性 上并没有明显的变化，而其金属损耗和介质损耗却因为尺寸的缩减而得到了减小。 1 2 基片集成波导定向耦合器研究现状 矩形波导的定向耦合器理论建立于二十世纪四十年代，在初期主要的贡献者包括 h a b e t h e ，s b c o h n ，w w m u m f o r d ，h j r i b l e t ，r l e v y 和c l d o l p h 等m h 3 6 1 ， 他们采用的耦合结构包括小孔，槽和探针。其基本原理是在两个相邻波导的公共壁上 以九，4 的距离排列某种耦合结构，从而产生在一个方向互相叠加而在另一个方向互相 抵消的场，实现能量在特定方向上的耦合。在目前建立起来的理论中，对于各类尺寸 的波导，耦合度为3d b ，1 0d b ，2 0d b 的定向耦合器都可以得到准确的设计。 鉴于基片集成波导和矩形波导之间在传输特性上的相似性，应用矩形波导中的窄 壁缝隙耦合原理【3 7 h 3 引，可以方便的在基片集成波导或半模基片集成波导上实现定向耦 合器。文献m 】实现了一个单缝耦合的基片集成波导定向耦合器。文献【柏】和文献【4 1 1 分 别提出了单缝和双缝的半模基片集成波导定向耦合器。在文献【4 2 1 中还将基片集成波导 定向耦合器通过过渡段与微带结构相连，构成了一个单平衡混频器。而与应用缝隙耦 2 第一章绪论 合原理的定向耦合器不同，文献【4 3 1 和 4 4 1 则在基片集成波导上实现了应用波导结 ( w a v e g u i d ej u n c t i o n ) 技术的定向耦合器，有关波导结这一部分的内容会在下一章中得 到更加具体的叙述。 1 3 论文的研究目标和章节安排 本文的研究内容主要集中在两方面：一是设计和制作工作在微波波段的基片集成波导 定向耦合器与半模基片集成波导定向耦合器。要求所设计的耦合器具有较宽的工作频带， 较高的隔离度和尽可能低的损耗，其输出端口之间的相位差也应该保持稳定。二是将设计 完成的定向耦合器分别应用于一个定向滤波器和一个混频器的设计。 论文的章节安排为： 第一章简要回顾了基片集成波导的发展过程与基片集成波导定向耦合器的研究现 状。 在第二章中，提出了两种分别应用基片集成波导技术和半模基片集成波导技术的波 导结型定向耦合器，并对于设计与仿真的结果进行了实验验证。其中，波导结型基 片集成波导定向耦合器的设计工作频段是x 波段，它的四个波导臂之间的交叉角 度是可以呈非9 0 。的，其作为正交混合网络的有效工作带宽在1 9 左右；波导结 型半模基片集成波导定向耦合器四个波导臂之间是呈9 0 。的，作为正交混合网络 的有效工作带宽在2 4 左右。 第三章应用互补开口谐振环结构设计了一个工作于k 波段的半模基片集成波导窄 带滤波器，并将其和第二章中提出的k 波段半模基片集成波导定向耦合器连接， 完成了k 波段定向滤波器( d i r e c t i o n a lf i l t e r ) 的实现。其中带通滤波器的3 ( 1 b 带宽 为6 2 ，带内插损小，带外抑制良好且陡峭。 论文的第四章使用半模基片集成波导定向耦合器作为组成部分，设计了一个工作于 k a 波段的单平衡混频器。并对其进行了制作和测试。 3 第二章基于波导结的基片集成波导定向耦合器设计 第二章基于波导结的基片集成波导定向耦合器设计 2 1 定向耦合器的主要技术指标吲 作为一种重要的微波无源器件，定向耦合器从上个世纪中开始就得到了广泛的研 究，在此只简要叙述定向耦合器的基本结构和重要技术指标，以方便下文的分析。 一个定向耦合器的基本运作可以借助图2 1 来说明，提供给端口1 的功率被耦合 到端1 33 ( 耦合端口) ，耦合因数is ，1 2 = p 2 ，而剩余的输入功率传送到端1 34 ( 直通端 口) ，其系数is 。1 2 = 口2 = 1 一2 。在一个理想的定向耦合器中，没有功率被传送到端1 3 2 ( 隔离端口) 。 i n p u t p o r t1 t h r o u g h p o r t4 i s o l a t e d p o r t2 c o u p l i n g p o r t3 图2 - 1 定向耦合器示意图 传统上通常用下面三个参量来表征定向耦合器的性能： 耦合度= c = l o l g p l b = - 2 0 1 9 f l ( d b ) 方向性= d - 1 0 1 9p a p 2 = 2 0 1 9 f l is 2i ( d b ) 隔离度= i = i o l g p i p 2 = - 2 0 1 9 l s l 2i ( d b ) 简单的观察下可以发现这三个量之间是存在关系的，即 ，= d + c ( d b ) 5 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 东南大学硕士学位论文 箕中，方向性和隔离度一样，是定向耦合器隔离前向波和反向波能力的量度。理 想的耦合器应该拥有无限大的方向性和隔离度。 3 - d b 定向藕合器，或者称混合网络定向耦合器( h 沛r i dc o u p l e r ) 是定向耦合器的 特殊情况，它的耦合因素是3d b ，这意味着口= = 1 2 。3 d b 定向耦合器又可以分为 两种，它们分别被称为正交混合网络( q u a d r a t u r eh y b r i d ) 和反对称混合礴络 ( a n t i s y m m e t r i c a lh y b r i d ) 。正交混合网络在端口设置和图2 1 一样时，端口3 和端e l4 之间会存在9 0 。的相位差，其理想散射参数矩阵如( 2 。5 ) 所示。 阐= 忑1 00 - j 1 001 一 - j 1 00 l o0 0 g 5 ) 而反对称混合网络的输出端口之间则有1 8 0 。的相位差，它的理想散射参数矩阵如 ( 2 6 ) 所示。 f 0 1 1 测= 忑 0o oo ll l一1 1l ll oo o0 0 。6 ) 出于简便起见，在本章以及后续章节中所涉及到的定向耦合器的性能分析，主要 观察的是各端口的s 参数和直通端与耦含端之间的相位差。 2 2 基于金属矩形波导的波导结定向耦合器m ，】 波导结是一种在波导器件中经常出现的不连续性结构。如被广泛应用的t 形结， h 面环行器等等【3 1 ，以及一般包含e 面不连续性的魔t 【5 1 。考虑到目前使用标准p c b 技术实现酶基片集成波导技术圭要还是基于单层板工艺这一实际情况，本节所关注的 波导结技术也只限于波导的h 面上。 在文献淄h q 中，薹。o h t a 等入的研究小组报道了一种通过嚣蔫躜波导结和感性金属 梢钉来实现3 - d b 定向耦合器的技术，其结构如图2 2 所示。在两个金属矩形波导呈直 角相交瑟构成的正方形区域内，沿区域的对焦线放置了两个h 嚣感性金属梢钉。由端 口l 进入的t e 。波分别在两个金属梢钉表面形成反射，在金属梢钉之间所取距离适当 的情况下，两个反射波会在端躁3 和端麟4 相叠加，而在端口l 和端口2 相消，从而 实现了一个芷交混合网络的特性。如果在这个基础上将金属梢钉之间的距离减小，则 有可能实现耦合度更小的定向耦合器。 6 第二章基于波导结的基片集成波学定向耦合器设计 彳 图2 2t 4 6 波导缩型定向藕禽器结构j i 鼍意图 b 相对于在波导器件中比较常见的缝隙耦合定向耦合器或小孔耦合定向耦合器，这 种波导结型定向耦合器的主要优势在于其结构紧凑，频率依赖性小，而且设计简单， 加工难度低。 自然地，由于矩形波导和基片集成波导之间在传输特性上具有相似性，上文所述 的这种单纯的h 面结构可以很顺利的移植到基片集成波导上来进行实现。文献t 4 3 h “1 就 分别设计和制作了使用该结构的基片集成波导定向藕合器，取得了良好的实验效果。 2 3 一种新型波导结型基片集成波导定向耦合器 相对于【4 3 卜【删中由两段基片集成波导呈9 0 。交叉构成的波导结型基片集成波导定 向耦会器，本节提出了一类由基片集成波导呈菲9 0 。交叉而构成的定蠢耦合器，著提 供简要的设计流程，以及仿真和测试的结果。这种设计的主要目的是增加波导结型定 向藕合器在不同电路中豹设计灵活性，方便和处予不同相对位置的其它器佟连接。该 耦合器设计工作频段为x 波段，要求实现正交混合网络的性能。 2 3 1 设计考虑 随着现代微波c a d 技术的发展，对各种大规模商用微波仿真软 牛熬使用也越来越 普遍。在这些软件的使用中，如果能够对被仿真结构进行分析，充分的使用简化后的 等效模型，将大大的减少建模和仿真所需要的时间。 东南大学碳士学位论文 基片集成波导结构中大量豹睡柱形金属透孔薄戮是一种毙较复杂麓三维结构。考 虑到基片集成波导与填充了介质材料的金属波导之间的等效性，在对器件进行初步的 设计与优优的过程中，采瘸壹矩澎波导建立静模型，代替出基片集成波导建立静模型 可以有效的缩短设计流程。但是填充了介质材料的金属矩形波导，和与其等效的基片 集成波导之闻在波导宽度上是不同的。设分别有磷段如图2 3 所示熬介质填充矩形波 导和基片集成波导，剐它们之闻等效韵时候其宽度之闻的关系可由式( 2 7 ) ( 2 8 ) 表示溺 。 图2 3 基片集成波导与等效的余质填究波导 矽一“舻一蛾+ 互蠹) ( 2 7 ) d v a磊一轰 奏乩。燃+ 匠互0 3 4 6 蒜5 五v s p 彘= - 0 1 1 8 3 一互亘1 2 = 7 2 9 磊 l v s p 磊吐嘲2 一匿甄0 9 1 6 3 z v s p ( 2 8 ) 上式中，驴一s w 是基片集成波导豁宽度，w 一掰裂是等效翡填充分裴的金属筵形 波导的宽度，式( 2 7 ) 说明基片集成波导的宽度与对应的矩形波导等效宽度之间相差 一个系数。相关的磅究还提供了另一种等效关系l 蛾； 8 第二章基于波导结的基片集成波导定向耦合器设计 形刚：形j i w - j 生生 ( 2 9 ) 一 一0 9 5 l v s p 上式说明形一刑的值位于形一s i w 与( 形一s i w - l v s p ) 之间，只要l v s p 足够小的 话，计算结果就可以保证有很高的精度。值得注意的是这些等效关系建立的前提都是 两种波导都工作在主模，即t e 。模下。在高次模条件下基片集成波导的等效宽度与主 模条件下存在着一些不同1 4 9 1 ，这些已经超出本文涉及范围，不再多加叙述。 建立起来的等效模型如图2 4 所示，两段基片集成波导按角度目互相交叉，其交叉 的区域呈圆柱形，半径为r1 。两个金属通孔被对称放置在中央的交叉区域内，其作 用和在【4 3 1 - 1 4 7 】中所描述的处于波导结中央的两个金属通孔一样，也是用来对入射的t e ，。 波进行反射，从而产生定向性。两个通孔到波导结中央的距离为r 一2 。 p 2 1 s t 图2 - 4 由等效介质填充矩形波导建立的模型 设端口l 为输入端口，经过仿真发现，在护逐渐变小的情况下，如果想要保证直 通和耦合端1 ：3 ，即端1 2 14 和端1 33 之间能有稳定的9 0 。相位差，并且墨。和墨。相等的 话，需要同时增大r1 和r2 。考虑到预定的工作频段和下面将要用来实现该定向耦 合器的基片的特性，在这里设形= 1 4 7 8 r a m ，h = 0 5 0 8 m m ，相对介电常数则设为2 2 。经 过优化之后，对应不同护的rl ，尺2 列在表2 1 中，而优化后得出的s 参数则如图 2 5 所示。优化过程采用的软件为c s ts ，兀巾i os u i t e 2 0 0 8 。 9 东南大学颈士学位论义 & 08 。59 。0鬟51 0 + 01 0 51 01 1 51 2 。0 f r e q u e n c y ( g h z ) 圈2 5 不同秽所对应的彷翼结果：s 参数 表2 对应苓1 = 4 疹的r1 和r2 馕 9 ( 度) 6 06 57 07 5 8 0 8 59 0 1 7 0 41 6 8 81 6 6 91 6 4 61 6 2 51 6 0 41 5 8 l r 一1 1 0 。5 2 1 0 。2 39 。s 79 。4 69 。2 79 。1 38 。9 2 r 2 ( m m ) 由图2 5 可见在p 取8 0 。时该耦合器在预定工作频段有着较好的性能。 为了保证设计韵可靠性，在制作p c b 版进行实验之前还需要为前面所提出的基片 集成波导定向耦合器建立完整的模型，并对由等效模型得出的设计参数进行调整。取矽 为8 0 。的情况，建立的完整模型如鎏2 - 6 所示。这个模型还包括了踺个微带一基片集成 波导过渡段。这种过渡段一般由梯形的渐变微带组成，其前端与基片集成波导的上层 金属结构相连接，末端则与测试接头或者电路中其他非基片集成波导器件相连接。从 测试的角度出发，过渡段的末端应该呈现出5 0 欧姆的阻抗，即w 。m s 应该对应5 0 欧 姆微带的宽度【h 强l 。在工作频率较低，模型整体体积较大的情况下，可以先单独为过 渡带建立模型，对其进行优化，以节省仿真时闻。最终，所有优化后得到的参数到予 表2 2 中。 1 0 餐xow毁露篓懈饥s 第= 章基于艘导结的基片集成艘辱定向耦音署设计 圈2 - 6 完整的渡导结型基片羹成波导定向耦台需模型 表2 - 2 日= 8 0 。的情兄下，对图2 - 6 所示梗型进行优化后得到的参数( 单位：m m ) w _ m s ws i w w t a p r2s i wr1s i w l t a p d1d 2 一一一一 一一 1 1 5 4 1 54 2& 41 4 71 0 5 0 40 4 2 3 2 实验验证 使用标准的p u b 工艺在0 5 0 8 m m 厚的r o g g o r s5 8 8 0 基片上对前面设计的x 波 段波导结型基片集成波导定向耦台器进行了制作。图2 7 展示了制作完成的该定向耦 合器的实物图。使用a g i l e n t e 8 3 6 3 b 矢量网络分析仪我们对此定向耦合器进行了测试。 测试的结果和对应的仿真结果示于图2 - 8 ，圈2 - 9 和图2 1 0 中。 阐 围2 - 7 波导结型基片纂成波导定向耦台嚣实铹图 东南大学硕士学位论文 实测结果显示，在8g h z 到1 0g h z 的频率范围内该定向耦合器性能良好。其中墨。 和鼠，在3 2d b o 2 5d b 的范围内波动。代表隔离度的s ，在同一个频率范围内始终低 于1 4d b ，而表征输入端口反射的s 则也一直低于1 4 血。作为正交混合网络的一项 重要指标，端口3 和端口4 之间的相位差在8g h z 到1 0g h z 这个频段内为9 0 。5 。 测试结果除了反射和隔离性能有轻微劣化外，和仿真结果基本吻合，细微的差距推测 主要来自于测试接头的影响以及加工的误差。其中，加工的误差包括金属通孔定位的 不准确以及孔直径的变动。 - 。j hn o 、 一 j k -w o o 、嘤 一 s 4 1 j【m e a s u r e d j o 一$ 3 1【m e a s u r e d ) ，a s 4 1s i m u l a t e d 亏s 3 1 ( s i m u l a t e d ) 8 0 08 2 58 5 08 7 59 o o9 2 59 5 09 7 51 0 0 0 f r e q u e n c y ( g h z ) 图2 - 8 波导结型基片集成波导定向耦合器直通端( 端口4 ) 和耦合端( 端口3 ) 的s 参数 o 一$ 2 1。m e a s u r e d 小$ 1 1 ( s i m u l a t e d ) 十$ 2 1s i m u l a t e d j缓 礤 险、l - 嘏r 镩爨冬叁 k：j 乏尸亏啊i 1 1 i l o 夸、一 k卅 弋5 = ：兮 8 8 2 58 5 08 7 5口0 09 2 59 5 09 7 51 0 f r e q u e n c y ( g h z ) 图2 9 波导结型基片集成波导定向耦合器隔离端( 端口2 ) 和输入端( 端口1 ) 的s 参数 1 2 一p)也粤me巴可也 第二章基予波导结的基片集成波导定向耦合器设计 l a 墨 善 警 圣 琶 暑 h s l m u l a t e d o m e a s u r e d 、i ；蕊 o q o - _ na 8 8 2 5 8 e 7 59 92 59 孰7 51 0 f r e q u e n c yi g h z ) 圈2 - 1 0 波导结型基片集成波导定向耦合器崴通端( 端阴4 ) 和耦台端( 端口3 ) 之间的相位差。 2 。4 波导结型半模基片集成波导定向耦合器 本节在文献躬h 4 4 j 的基础上，提出了一种波导结型半模基片集成波导定向耦合器。 其预定工作频段是k 波段，要求实现正交混合网络的性能。 2 4 。1 设计考虑 采用基片集成波导设计的定向耦合器虽然具有体积小，性能可靠，加工工艺要求 低，易于与其它平面电路集成虽适合大规模生产等优点，但是正如绪论中所介绍的， 在一些对尺寸要求非常严格的高集成度电路中，基片集成波导器件的尺寸还是略微偏 大。在这种情况下就可以使用半模基片集成波导来代替全模结构，溺于尺寸限制大的 器件中。这样在保证性能达到的同时，减小了设计，生产和推广方面的难度。 麸结构特征上来说，基片集成波导是不能支持t m 模式的，鄹与普通金属波导相 比模式减小了近一半，其主模工作带宽得到了扩展；而半模基片集成波导又进一步将 模式减少了一半，仅支持t e 如瞄蕊。( m = o ，l ，2 ，) 模，因此其主模工作带宽可以说得到了 进一步的拓宽。但是，如果想设计具有较宽可用频带的波导结型定向耦合器，不仅仅 需要具有较宽主模工作频带的波导作为基础，还需要保证构成波导结型定向耦合器的 波导臂和波导结之闻具有良好的阻抗匹配。在文献转3 蚓中，作者分别使用了位于每个 波导臂内一侧或两侧的金属通孔来形成感性窗，从而改善阻抗匹配效果。但是在实际 电路制作中，金属通孔的定位总会出现一定的误差，所以如果采用一种更易加工鲶飘 面不连续性来取代这种金属感性窗可能会有更好的效果。半模基片集成波导的出现提 供了这个机会。 东南大学硕士学位论文 图2 1 1 波导结型半模基片集成波导定向耦台器 本文提出的结构示于图2 - 11 中。两段半模基片集成波导以9 0 。相交叉，在其重叠 的区域，它们的顶层金属形成了两个圆弧状韵拐角圆弧的半径为d2 。中央两个对 称放置的金属通孔则仍然是用来产生定向性两个道孔之间的距离为d _ 1 。四个波导 臂上都各自接了个徽带- 半模基片集成波导过渡带，这种过渡带的设计方法基本和徽 带基片集成波导过渡带的设计方法基本相同。在确定波导的宽度酽一1 后，对d 一1 和 d2 进行优化即可获得与正交混合网络相符台的输出。为了增加整个结构的宽高比， 尽可能的减小从半模基片集成波导的开放边缘泄露出去的能量，选择了较薄的厚度 为0 2 5 4 m m 的r o g g o r s5 8 8 0 基片进行仿真。 图2 - 1 2 波导结型半模基诗集成波导定向耦台器内的电场分布 第= 章基于被导结的基片集成波导定向耦台嚣设计 经过优化后的设计参数列于表2 - 3 中，所有金属通空的半径为0 2m m ，孔间距为 0 8 n 皿。孔仿真过后得到的器件内部电场分布则示于图2 - 1 2 中。观察此图可知，在两 个拐弯处能量并没有因为出现不连续性就大量的泄露，两个产生定向性的金属通孔也 能正常的工作，在端口3 和端口4 产生均等的输出。 表2 - 3 与圈冬1 1 相对应的优化后设计参数( 单位；m m ) 卜 d2矽134，1 一一 一 一一 1 1 n 6s 8450 7 82 14 5 2 , 4 2 实验验证 依照表2 - 3 中的设计参数通过标准的p c b 工艺实现了一个工作在k 波段的波导 结型半模基片集成波导定向耦台器。其外观如图2 1 3 所示。由于工作频段较高，加上 使用了半模技术，整体显得很紧凑。使用a g i l 船te 8 3 6 3 b 矢量网络分析仪我们对此定 向耦合器进行了测试，测试平台展示于图2 1 4 中。测试的结果列于图2 - 1 5 ，圈2 - 1 6 和图2 1 7 中。 图2 - 图2 - 1 4 波导结型半横基片集成波导定向撬合器测试平台 东南大学硕士学位论文 测试结果显示，在1 8 g h z 到2 3 g h z 的频段内，最，和只。都在4 5d b 0 2d b 的 范围内波动。这个结果比仿真的结果低了大约0 7d b 。这部分损耗估计主要还是由测 试接头引起的。在同一个频率范围内，表征隔离性能的& 。一直低于- 2 0d b ，而墨则保 持在一1 5d b 以下。直通端( 端口4 ) 和耦合端( 端口3 ) 之间的相位差比较稳定，在 1 8g h z 到2 3g h z 之内为9 1 5 。1 5 。+ 所有的测试结果都基本和仿真结果相吻合。 从整体上来说，该耦合器的输出损耗比之前叙述的x 波段波导结型基片集成波导定向 耦合器略有上升，这可能和工作频率的升高，造成微带半模基片集成波导过渡带部分 的辐射损耗增大有关。 2 02 1 f r e q u e n c y ( g h z ) 图2 1 5 波导结型半模基片集成波导定向耦合器隔离端( 端口2 ) 和输入端( 端口1 ) s 参数 已 廷 要 e 理 叮 也 2 0 1 81 92 02 12 22 3 f r e q u e n c y ( g h z ) 图2 1 6 波导结型半模基片集成波导定向耦合器直通端( 端口4 ) 和耦合端( 端口3 ) s 参数 1 6 珊 渤 舶 舶 舶 一p)sjo_尘上j巴西乱 第二章基于波导结的基片集成波导定向耦合器设计 2 02 1 2 2 f r e q u e n y ( g h z ) 图2 1 7 波导结型半模基片集成波导定向耦合器直通端和耦合端相位差。 2 5 本章小结 本章讨论了分别基于基片集成波导和半模基片集成波导的两类波导结型定向耦合 器的设计，提供了简要的设计方法，并且进行了实物的制作和测试。测试结果表明所 设计的定向耦合器具有较宽的工作频带和良好的输出性能。其中，在2 4 节里提出的波 导结型半模基片集成波导定向耦合器还将在下面两章和其他器件进行互连，以证实其 设计的实用性和可靠性。 1 7 加 帖 ；2 己 窗口e69p)一1寸s)西jv-(lc一6j 第三章半模基片集成波导定向滤波器设计 第三章半模基片集成波导定向滤波器设计 本章提出了一种半模基片集成波导定向滤波器。该定向滤波器设计工作频段为k 波段，要求具有窄带滤波功能，其通带中心频率为2 0 g h z ，。3d b 带宽应在7 左右。 3 1 定向滤波器的主要技术指标唧h 1 对于一个频分多工系统( 丘e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ：f d m ) 来说，使用何种器 件作为滤波模块是非常重要的。因为在实际应用中，一个多工系统需要将一段较宽的 频率范围细分为很多非常窄的频道。使用普通的带通滤波器固然可以完成频率划分的 任务，但任何一个带通滤波器在其处于阻带中的时候都会产生非谐振失配( o f f - r e s o n a n t m i s m a t c h ) ，这种失配会影响到连接在同一个主通道上到的其他带通滤波器的工作，并 且在主通道内也同样产生很大的失配。为了弥补这个不足，一种在理想情况输入阻抗 衡定( v s 忡1 ) 的微波器件定向滤波器开始引起人们的关注【5 9 1 - 4 6 0 1 。 p o r t1 i n p o r t4 p o r t2 b a n d r e j e c t t e d p o r t3 b a n d p a s s 图3 - 1 典型定向滤波器示意图 典型定向滤波器可以表示为如图3 1 所示的一个四端口网络。理想的情况是：若 设端口l 为输入端口，则在定向滤波器的通带内，输入的能量应该全部传送至端口3 ， 而不在通带内的时候，所有的能量则应传送至端口2 。端口4 无论什么时候都应该是与 输入端口隔离的，而端口l 本身则不会有反射出现。在这种情况下，一般称端口3 是 带通端口或传输端口，端口2 是带阻端口，而端口4 则为隔离端口。通常我们就用s 参数来表征所设计的定向滤波器的性能。 1 9 东南大学硕士学位论文 3 2 定向滤波器的实现方法 一种比较常用的定向滤波器的实现方法是文献【5 9 1 中描述的行波式定向滤波器，或 称环行定向滤波器( 1 0 0 pd i r e c t i o n a lf i l t e r ) ，这种结构通过两个正交混合网络之间连接 的固定长度传输线的环行谐振效应来实现定向滤波器的功能。yj c h e n g 使用这种结 构实现了一个半模基片集成波导定向滤波器【6 1 1 。 与环行滤波器不同，本章所提出的定向滤波器由图3 2 中所示的四个部分组成， 包括两个完全相同的带通滤波器和两个完全相同的正交混合网络1 。对于任何一个正 交混合网络，与两个带通滤波器分别相连的两个端口之间都是互相隔离的，两个带通 滤波器及与之相连的传输线在两个正交混合网络之间产生的相移是完全相同的。 一二= 了1b p f l 1 i r ：i l a d r a t lr a 1 ，o r t l | 岫一州 厂沁 ! 】 h y 断泪2 1p o r t i n p u t l l i s o l a t e d i l i l ) o r t 2 广沁 i b a n d ：i ：p o r t ： e l e c t i o n l l b a n d d a i bp f21 图3 - 2 本章所提出的定向滤波器使用的结构图【删 为了分析该结构的工作原理，不妨称正交混合网络1 为输入网络，而把两个带通 滤波器仅看作输入反射系数都为r 的二端口网络。接着，设在输入网络的耦合端和直 通端的入射波和反射波分别为鸭，岛和a 。，6 4 。则有： a 3 = 1 1 6 3 ( 3 1 ) a 4 = r 6 4 ( 3 2 ) 将( 3 1 ) ( 3 2 ) 代入( 2 5 ) 所示的正交混合网络散射参数矩阵，即可得： 阡r 匕谁 ( 3 3 ) 第三章半模基片集成波导定向滤波器设计 其中a l ，巍和a 2 ，玩分别表示了在图3 2 中端口l 和端1 32 出现的入射波和反射 波。豳式( 3 3 ) 可知，如果在端口2 接有适当的负载的话，所有从两个带通滤波器反 射回来的能量都会被消耗在端囡2 ，丽不会出现在作为输入端叠的端翔董。从丽使输入 端口达到完全的匹配。 在两个带运滤波器的通带内，由端嗣l 内进入的能量可以通过两个带通滤波器， 然后因为相位的原因在端口3 相加，在端口4 相消；而在两个带通滤波器的阻带内， 由端闷i 进入的导行波则会因为上文分析的原因出现在端翻2 。这样，一个定向滤波器 的基本功能就实现了。 考虑到在之前的章节我们已经成功实现了一个半模正交混合网络，下面我们只需 要设计一个半模的带通滤波器，就能将图3 2 中的结构完全在半模基片集成波导上构 筑起来。 3 3 基于互补型开口谐振环的半模基片集成波导窄带带通滤波器 应用基片集成波导和半模基片集成波导设计的各种带通滤波器已经得到了广泛豹 研究【6 2 h 7 3 1 ，其中应用最多的是豳级联的基片集成波导腔体构成的腔体滤波器。与腔体 结构不同，本节提出了一静利用方形互补型开口谐