小型化宽带慢波半模基片集成波导耦合器及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种小型化宽带慢波半模基片集成波导耦合器及其设计方法，利用半模基片集成波导传输线的开放边沿作为耦合器的耦合部分，并在其表面蚀刻形成微带多段线网络以代替传统的金属面形成新的耦合器结构。与传统基片集成波导耦合器相比，本发明专利技术通过微带多段线引入电感性加载，形成慢波效应，有效地减小了耦合边的物理尺寸；多参量可调节的微带多段线结构，能够灵敏地影响耦合器的耦合特性，更加灵活有效地控制耦合系数和耦合带宽；同时微带多段线中多个结构尺寸可调的参数又为耦合器各项性能指标的优化提供了新的设计自由度，由其构成新型耦合器与传统的基片集成波导耦合器相比，具有更低的剖面、更宽的工作带宽和更好的耦合性能。

【技术实现步骤摘要】
小型化宽带慢波半模基片集成波导耦合器及其设计方法
本专利技术涉及耦合器领域，具体涉及一种小型化宽带慢波半模基片集成波导耦合器及其设计方法。
技术介绍
近年来，随着微波和毫米波通信系统的快速发展，基片集成波导即SIW技术凭着其低廉的成本和完全的平面电路结构，引起了人们的广泛关注。基片集成波导作为一种新型的平面导波结构，既具备了传统金属矩形波导低损耗、高功率容量、适应高频频段的特点，又克服了传统波导结构体积过大，加工困难等特点，实现了结构的小型化和易加工集成。基片集成波导是通过在上下底面为金属面或敷铜面的介质基片上，利用金属化通孔阵列来实现的一种导波结构，可以等效于传统介质填充波导。介质上下表面的金属敷层可以看作是传统金属矩形波导的上下宽边；而在两排金属孔的排列周期足够小的情况下，金属通孔阵列可以形成理想电壁，看作是矩形波导的窄边。在理想情况下，电磁波被完全束缚在上下金属敷层和金属通孔之间的介质中传播，其传输特性也与金属矩形波导非常相似，传播的主模为TE10模式。基于镜像原理，东南大学的洪伟教授提出了半模基片集成波导既HMSIW的概念。与基片集成波导相比，它能减少将近一半的尺寸而不恶化基片集成波导的性能。当SIW工作在主模时，电场的最大值在沿传播方向的垂直中心平面上，因而中心平面能够被看作一个等效的磁壁，将基片集成波导沿传播方向中心线分开两半，就得到新波导结构——半模基片集成波导。新结构传输主模为“半TE10模”，同时还具有主模下带宽大，在低频时插入损耗小等优点。但是，现有的基片集成波导仍然存在以下几个方面的问题：一、与矩形波导类似，在较低射频频段内，SIW结构的缺点是紧凑性和工作带宽。因此，如何做到SIW有效小型化而不丧失良好的传导特性成为SIW在较低频段内广泛应用的瓶颈。二、对基于SIW的传输线来说，其截止频率和传播相速度等传导特性仅与基片材料和SIW等效宽度相关。一旦基片选材和波导尺寸受限，其传导特性就不能二次调节，设计自由度较低。同样地，基于SIW和HMSIW的诸多微波器件，例如耦合器，也存在诸如此类物理尺寸较大，设计自由度低的问题。另外，基于SIW的耦合器耦合结构单一，缺乏有效控制耦合系数的设计变量，也成为耦合器设计的瓶颈之一。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述技术问题提供一种小型化宽带慢波半模基片集成波导耦合器及其设计方法。本专利技术通过下述技术方案实现：一种小型化宽带慢波半模基片集成波导耦合器，包括介质基板，所述介质基板的上下两个表面上均设置有金属敷层，所述介质基板上表面的金属敷层包括两个不接触但相互对称的半模基片集成波导传输线，两个半模基片集成波导传输线的中心线为对称轴，沿其对称轴方向为耦合器的纵向，耦合器平面内与纵向垂直的方向为耦合器的横向，且两个半模基片集成波导传输线靠近对称轴的一侧为内侧，远离对称轴的一侧为外侧，在半模基片集成波导传输线的内侧上均设置加载窗，所述加载窗内设置有微带多段线网络，微带多段线网络构成镂空花纹结构；所述半模基片集成波导传输线的外侧均设置有电壁，电壁和加载窗之间设置有金属化通孔以调节调谐耦合器的带宽与功率分配效果。本专利技术的宽带慢波半模基片集成波导耦合器，与传统的基片集成波导耦合器相比，1.通过在表面蚀刻形成微带多段线加载，等效于增大了介质材料的磁导率，相当于在相等电长度的情况下，有效地减小了耦合边的物理尺寸，实现了耦合器的小型化。2.微带多段线结构参数的变化，能够灵敏地影响耦合器的传输特性。通过调整微带多段线网络结构参数与加载窗的位置尺寸参数，可以在耦合器尺寸不必有所变动的前提下，灵活有效地控制耦合器工作频率以及耦合带宽。3.采用微带多段线实现感性加载，代替了传统的金属面，形成了具有特殊导波传输性能的慢波传输线。而微带多段线加载中多个结构尺寸可调的参数又为耦合器各项性能指标的优化提供了新的设计自由度。由其构成新型耦合器与传统的微带耦合器相比，具有更宽的工作带宽和更好的耦合性能。作为优选，所述微带多段线网络包括多个成周期排列的微带节点，相邻两个微带节点之间、微带节点与半模基片集成波导传输线之间连接有微带多段线，所述微带节点和微带多段线没有重叠区域。进一步的，所述微带多段线包括横向微带多段线和纵向微带多段线，所述微带节点沿横向设置有多排且沿纵向设置有多列，所述横向微带多段线连接于每排相邻两个微带节点之间且每排两侧的横向微带多段线连接于微带节点和加载窗的横向边沿；所述纵向微带多段线连接于每列相邻两个微带节点之间且每列两侧的纵向微带多段线连接于微带节点和加载窗纵向边沿。微带节点可直接与半模基片集成波导传输线相连，但是，本方案形成慢波效应的关键在于微带多段线，保持微带多段线的完整性有利于增强慢波效果，故在上述方案上优化的采用横向微带多段线和纵向微带多段线实现微带节点与半模基片集成波导传输线的连接。若微带节点直接与半模基片集成波导传输线相连，相当于在微带节点的该连接端少了一个加载，相应慢波效果会减弱。进一步的，所述横向微带多段线和纵向微带多段线均包括多条微带线且相邻两个微带线之间相互垂直。就微带线来说，采用该结构的微带多段线形成电感效应最佳，在现有的加工精度情况下，其他通过折叠方式来获得电感效应的形状均比所述结构占用更大的面积。进一步的，所述微带节点成“十”字形，所述微带多段线连接在微带节点的四个端口上。采用“十”字形微带节点既兼顾了横向纵向加载量的分离，相比于其他结构的微带节点又不至于占用太多空间导致有效加载面积降低。由于微带线的曲回能自然形成电感效应，通过合理大小的“十”字形微带节点将其相互连接，才能使整个微带线网络的横向曲回度和纵向曲回度均处于可调谐的情况。圆形方形金属片或者不相垂直的“十”字形或者其他形状均可，但效果不如“十”字形。作为优选，所述加载窗为矩形。作为优选，一半模基片集成波导传输线的两端分别通过梯形微带过渡段与输入端和直通输出端相连，另一半模基片集成波导传输线的两端分别通过梯形微带过渡段与隔离端和耦合输出端相连。一种小型化宽带慢波半模基片集成波导耦合器的设计方法，包括：步骤1：根据工程需要，选择合适的微波介质材料作为耦合器介质基板；步骤2：根据对两条半模基片集成波导传输线进行设计，其中，fc为对应半模基片集成波导传输线的截止频率，εr为介质基片的相对介电常数，a为半模基片集成波导传输线宽；将fc初始化为耦合器设计需求的中心频率，得出波导线的宽度；通过电磁仿真软件进行建模，选取合适波导线长度与电壁参数；步骤3：对两条半模基片集成波导传输线内部的加载窗进行设计，利用电磁仿真软件建模微带多段线网络；步骤4：在加载窗和电壁之间，建模金属化通孔，通过调节金属化通孔的位置和通孔直径以调谐耦合器内电磁波场分布情况以及耦合器宽带特性；步骤5：对耦合器进行微带过渡设计，在半模基片集成波导传输线和端口微带线之间加入梯形微带过渡段，通过调整微带过渡段的特性，实现对微带线与慢波半模基片集成波导之间的驻波情况的调整；此处的端口微带线即构成输入端、直通输出端、隔离端和耦合输出端的微带线；步骤6：优化耦合器的尺寸，使耦合器满足设计需求的工作频率，调整两半模基片集成波导传输线开放边间隔d，对各端口功率进行控制，使得隔离端口功率趋于零，直通输出端和耦合输出端输出功率趋于相等，相位相差趋本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种小型化宽带慢波半模基片集成波导耦合器，包括介质基板(1)，所述介质基板(1)的上下两个表面上设置为金属敷层，其特征在于：所述介质基板(1)上表面的金属敷层包括两个不接触且相互对称的半模基片集成波导传输线(2)，所述半模基片集成波导传输线(2)的内侧上均设置有加载窗(4)，所述加载窗(4)内设置有微带多段线网络(5)，所述半模基片集成波导传输线(2)的外侧均设置有电壁(6)，所述电壁(6)和加载窗(4)之间设置有金属化通孔(7)。

【技术特征摘要】
1.一种小型化宽带慢波半模基片集成波导耦合器，包括介质基板(1)，所述介质基板(1)的上下两个表面上设置为金属敷层，其特征在于：所述介质基板(1)上表面的金属敷层包括两个不接触且相互对称的半模基片集成波导传输线(2)，所述半模基片集成波导传输线(2)的内侧上均设置有加载窗(4)，所述加载窗(4)内设置有微带多段线网络(5)，所述半模基片集成波导传输线(2)的外侧均设置有电壁(6)，所述电壁(6)和加载窗(4)之间设置有金属化通孔(7)。2.根据权利要求1所述的一种小型化宽带慢波半模基片集成波导耦合器，其特征在于：所述微带多段线网络(5)包括多个成周期排列的微带节点(51)，相邻两个微带节点之间、微带节点与半模基片集成波导传输线(2)之间连接有微带多段线(52)，所述微带节点和各微带多段线之间没有重叠区域。3.根据权利要求2所述的一种小型化宽带慢波半模基片集成波导耦合器，其特征在于：所述微带多段线(52)包括横向微带多段线和纵向微带多段线，所述微带节点(51)沿横向设置有多排且沿纵向设置有多列，所述横向微带多段线连接于每排相邻两个微带节点(51)之间且每排两侧的横向微带多段线连接于微带节点(51)和加载窗(4)的横向边沿；所述纵向微带多段线连接于每列相邻两个微带节点(51)之间且每列两侧的纵向微带多段线连接于微带节点(51)和加载窗(4)纵向边沿。4.根据权利要求3所述的一种小型化宽带慢波半模基片集成波导耦合器，其特征在于：所述横向微带多段线和纵向微带多段线均包括多条微带线且相邻两个微带线之间相互垂直。5.根据权利要求2所述的一种小型化宽带慢波半模基片集成波导耦合器，其特征在于：所述微带节点成十字形，所述微带多段线连接在微带节点的四个端口上。6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：金海焱，周瑜亮，金海陆，黄永茂，廖丹，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51