基于介質集成波導（SIW）的三路 零相位功率分配/合成器

1 引言

近年來，介質集成波導(SIW)技術被提出并且迅速發展。作為一種新型的傳輸線結構，它綜合了傳統矩形波導和微帶線的一系列優點：和傳統的矩形波導一樣，SIW具有較高的品質因數和很小的輻射損耗；和微帶線一樣具有體積小、重量輕、容易加工和集成等優點。從工作原理上看，能夠用普通波導實現的結構也都可以用SIW來實現，比如濾波器、天線、微帶到波導的過渡、耦合器、功分器等。

功率分配/合成器是一種重要的微波毫米波元件。在多普勒體制的和差三路式單脈沖雷達中，各路混頻器所需要的本振功率通常用一個三等分功分器從雷達頻率合成器上獲得。設計功分器最常用的方法是采用樹狀結構，先把輸人信號分成兩路，然后每路又分成兩路。這種結構分的路數需滿足2*N (N= 1, 2...)，如要分成3路，則必須先分成4路，其中一路用匹配負載吸收。這種方法不但白白耗費了一路能量，而且由于其它3路負載與吸收支路匹配負載并不完全一樣，因而其平衡度也不理想。另一種方法是先用一個功率比為1:2的功分器，然后在功率輸出較大的一路接一個二等分功分器。這樣既可以做到等分功率，又可以避免不必要的吸收，但在電路中，實現滿意的1:2功率分配并不容易。本文采用基于SIW的三路零相位功率分配/合成器設計，可以克服上述困難，并且它的駐波比小，插入損耗小，不平衡度小，各路間隔離度高。

2 理論分析

2.1 SIW的原理

SIW的原理是在微波毫米波介質基片上制作兩排周期性金屬化通孔，這樣在上下金屬面和兩排金屬化通孔之間就形成了一個類似于矩形金屬波導的集成導波結構，如圖1所示。當金屬化通孔之間的間距滿足一定條件時，電磁場被限制在導波結構內，而且傳輸類似于普通矩形金屬波導內的模式。

圖1 介質集成波導(SIW)

由于介質集成波導中的TE₁₀模與傳統矩形波導中的TE₁₀模非常相似，因此我們可以利用傳統矩形波導和介質集成波導的等效關系來確定介質集成波導的最初幾何尺寸。

（1）

其中是歸一化系數，是相對應的矩形波導的寬度，是SIW的寬度，d是孔的直徑，p是相鄰兩個孔的中心間距。、和定義為：

（2）

（3）

（4）

圖1中，兩排金屬孔間的距離a決定了波導的工作頻率。孔的直徑d應該小于等于工作最大波長的十分之一，孔心距p小于等于二倍孔直徑。

2.2 三路零相位功率分配/合成器原理

如圖2所示，作功率分配器時，①端口為輸入端口，②、③、④端口為三路輸出端口，⑤、⑥端口為隔離端口。通過調整金屬化通孔帶L1、L2、L3、L4和間距g1、g2、g3的大小來改變耦合量，從而得到所需的功率分配、回波損耗和隔離度；反之，作功率合成器時，②、③、④端口為三路輸入端口，①端口為輸出端口，⑤、⑥端口接匹配負載。圖2中，由于從端口①到端口②、③、④信號傳輸的路徑不同，引入了一段L5來調節三路的相位差，使之為零相位。

圖2 三路零相位功率分配/合成器示意圖

2.3 微帶到SIW的過渡

為了便于和其他微波毫米波電路連接，需要設計微帶到介質集成波導的過渡。微帶到SIW的過渡結構形式如圖3，它的主體為一段微帶漸變線，這一段微帶漸變線實現介質集成波導和50歐姆微帶線之間的阻抗變換。微帶漸變線的形式有多種(如圓弧漸變線、線性漸變線等)。由于線性漸變線結構設計簡單、加工方便，本文選擇了線性微帶漸變線。在高頻仿真軟件HFSS中建模，通過調整變量tt和tw可以快速地實現微帶到SIW的過渡。

圖3 微帶到波導的過渡

3 結果

利用HFSS軟件建立基于介質集成波導（SIW）三路零相位功率分配/合成器模型，如圖4。通過仿真優化，確定參數a=13.5mm, d=0.5mm, p=0.65mm, L1=L4=4.1mm, L2=L3=4mm, L5=3.9mm, g1=g3= 11.3mm, g2=10mm, tt=6.2mm, tw=3mm。介質采用Rogers5880,介電常數 =2.2，介質厚度h=0.254mm, 50歐姆微帶線線寬w= 0.76 mm。仿真結果如圖5、6所示。

由圖5可以看到，在頻率范圍為11～12GHz時，輸入端,隔離度優于，三路輸出功率分配，不平衡度小于0.3dB。由圖6可以看到，在頻率范圍為11～12GHz時，三路輸出、和之間的相位差小于6°。

圖4 三路零相位功率分配/合成器HFSS模型

圖5 S參數結果

圖6 三路相位輸出結果

4 結論

本文采用基于SIW的三路零相位功率分配/合成器輸入回波損耗好，隔離度高，三路功率等分，不平衡度和相位差都很小，整體尺寸小，性能優良，具有重要的研究和實用價值。