本發明專利技術公開了一種小型化寬帶慢波半?；刹▽я詈掀骷捌湓O計方法，利用半?；刹▽鬏斁€的開放邊沿作為耦合器的耦合部分，并在其表面蝕刻形成微帶多段線網絡以代替傳統的金屬面形成新的耦合器結構。與傳統基片集成波導耦合器相比，本發明專利技術通過微帶多段線引入電感性加載，形成慢波效應，有效地減小了耦合邊的物理尺寸；多參量可調節的微帶多段線結構，能夠靈敏地影響耦合器的耦合特性，更加靈活有效地控制耦合系數和耦合帶寬；同時微帶多段線中多個結構尺寸可調的參數又為耦合器各項性能指標的優化提供了新的設計自由度，由其構成新型耦合器與傳統的基片集成波導耦合器相比，具有更低的剖面、更寬的工作帶寬和更好的耦合性能。
【技術實現步驟摘要】
小型化寬帶慢波半?；刹▽я詈掀骷捌湓O計方法
本專利技術涉及耦合器領域，具體涉及一種小型化寬帶慢波半模基片集成波導耦合器及其設計方法。
技術介紹
近年來，隨著微波和毫米波通信系統的快速發展，基片集成波導即SIW技術憑著其低廉的成本和完全的平面電路結構，引起了人們的廣泛關注?；刹▽ё鳛橐环N新型的平面導波結構，既具備了傳統金屬矩形波導低損耗、高功率容量、適應高頻頻段的特點，又克服了傳統波導結構體積過大，加工困難等特點，實現了結構的小型化和易加工集成?；刹▽峭ㄟ^在上下底面為金屬面或敷銅面的介質基片上，利用金屬化通孔陣列來實現的一種導波結構，可以等效于傳統介質填充波導。介質上下表面的金屬敷層可以看作是傳統金屬矩形波導的上下寬邊；而在兩排金屬孔的排列周期足夠小的情況下，金屬通孔陣列可以形成理想電壁，看作是矩形波導的窄邊。在理想情況下，電磁波被完全束縛在上下金屬敷層和金屬通孔之間的介質中傳播，其傳輸特性也與金屬矩形波導非常相似，傳播的主模為TE10模式。基于鏡像原理，東南大學的洪偉教授提出了半?；刹▽Ъ菻MSIW的概念。與基片集成波導相比，它能減少將近一半的尺寸而不惡化基片集成波導的性能。當SIW工作在主模時，電場的最大值在沿傳播方向的垂直中心平面上，因而中心平面能夠被看作一個等效的磁壁，將基片集成波導沿傳播方向中心線分開兩半，就得到新波導結構——半?；刹▽?。新結構傳輸主模為“半TE10?！?，同時還具有主模下帶寬大，在低頻時插入損耗小等優點。但是，現有的基片集成波導仍然存在以下幾個方面的問題：一、與矩形波導類似，在較低射頻頻段內，SIW結構的缺點是緊湊性和工作帶寬。因此，如何做到SIW有效小型化而不喪失良好的傳導特性成為SIW在較低頻段內廣泛應用的瓶頸。二、對基于SIW的傳輸線來說，其截止頻率和傳播相速度等傳導特性僅與基片材料和SIW等效寬度相關。一旦基片選材和波導尺寸受限，其傳導特性就不能二次調節，設計自由度較低。同樣地，基于SIW和HMSIW的諸多微波器件，例如耦合器，也存在諸如此類物理尺寸較大，設計自由度低的問題。另外，基于SIW的耦合器耦合結構單一，缺乏有效控制耦合系數的設計變量，也成為耦合器設計的瓶頸之一。
技術實現思路
本專利技術為了解決上述技術問題提供一種小型化寬帶慢波半模基片集成波導耦合器及其設計方法。本專利技術通過下述技術方案實現：一種小型化寬帶慢波半?；刹▽я詈掀?，包括介質基板，所述介質基板的上下兩個表面上均設置有金屬敷層，所述介質基板上表面的金屬敷層包括兩個不接觸但相互對稱的半?；刹▽鬏斁€，兩個半?；刹▽鬏斁€的中心線為對稱軸，沿其對稱軸方向為耦合器的縱向，耦合器平面內與縱向垂直的方向為耦合器的橫向，且兩個半?；刹▽鬏斁€靠近對稱軸的一側為內側，遠離對稱軸的一側為外側，在半?；刹▽鬏斁€的內側上均設置加載窗，所述加載窗內設置有微帶多段線網絡，微帶多段線網絡構成鏤空花紋結構；所述半模基片集成波導傳輸線的外側均設置有電壁，電壁和加載窗之間設置有金屬化通孔以調節調諧耦合器的帶寬與功率分配效果。本專利技術的寬帶慢波半?；刹▽я詈掀?，與傳統的基片集成波導耦合器相比，1.通過在表面蝕刻形成微帶多段線加載，等效于增大了介質材料的磁導率，相當于在相等電長度的情況下，有效地減小了耦合邊的物理尺寸，實現了耦合器的小型化。2.微帶多段線結構參數的變化，能夠靈敏地影響耦合器的傳輸特性。通過調整微帶多段線網絡結構參數與加載窗的位置尺寸參數，可以在耦合器尺寸不必有所變動的前提下，靈活有效地控制耦合器工作頻率以及耦合帶寬。3.采用微帶多段線實現感性加載，代替了傳統的金屬面，形成了具有特殊導波傳輸性能的慢波傳輸線。而微帶多段線加載中多個結構尺寸可調的參數又為耦合器各項性能指標的優化提供了新的設計自由度。由其構成新型耦合器與傳統的微帶耦合器相比，具有更寬的工作帶寬和更好的耦合性能。作為優選，所述微帶多段線網絡包括多個成周期排列的微帶節點，相鄰兩個微帶節點之間、微帶節點與半?；刹▽鬏斁€之間連接有微帶多段線，所述微帶節點和微帶多段線沒有重疊區域。進一步的，所述微帶多段線包括橫向微帶多段線和縱向微帶多段線，所述微帶節點沿橫向設置有多排且沿縱向設置有多列，所述橫向微帶多段線連接于每排相鄰兩個微帶節點之間且每排兩側的橫向微帶多段線連接于微帶節點和加載窗的橫向邊沿；所述縱向微帶多段線連接于每列相鄰兩個微帶節點之間且每列兩側的縱向微帶多段線連接于微帶節點和加載窗縱向邊沿。微帶節點可直接與半?；刹▽鬏斁€相連，但是，本方案形成慢波效應的關鍵在于微帶多段線，保持微帶多段線的完整性有利于增強慢波效果，故在上述方案上優化的采用橫向微帶多段線和縱向微帶多段線實現微帶節點與半?；刹▽鬏斁€的連接。若微帶節點直接與半?；刹▽鬏斁€相連，相當于在微帶節點的該連接端少了一個加載，相應慢波效果會減弱。進一步的，所述橫向微帶多段線和縱向微帶多段線均包括多條微帶線且相鄰兩個微帶線之間相互垂直。就微帶線來說，采用該結構的微帶多段線形成電感效應最佳，在現有的加工精度情況下，其他通過折疊方式來獲得電感效應的形狀均比所述結構占用更大的面積。進一步的，所述微帶節點成“十”字形，所述微帶多段線連接在微帶節點的四個端口上。采用“十”字形微帶節點既兼顧了橫向縱向加載量的分離，相比于其他結構的微帶節點又不至于占用太多空間導致有效加載面積降低。由于微帶線的曲回能自然形成電感效應，通過合理大小的“十”字形微帶節點將其相互連接，才能使整個微帶線網絡的橫向曲回度和縱向曲回度均處于可調諧的情況。圓形方形金屬片或者不相垂直的“十”字形或者其他形狀均可，但效果不如“十”字形。作為優選，所述加載窗為矩形。作為優選，一半?；刹▽鬏斁€的兩端分別通過梯形微帶過渡段與輸入端和直通輸出端相連，另一半?；刹▽鬏斁€的兩端分別通過梯形微帶過渡段與隔離端和耦合輸出端相連。一種小型化寬帶慢波半?；刹▽я詈掀鞯脑O計方法，包括：步驟1：根據工程需要，選擇合適的微波介質材料作為耦合器介質基板；步驟2：根據對兩條半模基片集成波導傳輸線進行設計，其中，fc為對應半模基片集成波導傳輸線的截止頻率，εr為介質基片的相對介電常數，a為半?；刹▽鬏斁€寬；將fc初始化為耦合器設計需求的中心頻率，得出波導線的寬度；通過電磁仿真軟件進行建模，選取合適波導線長度與電壁參數；步驟3：對兩條半?；刹▽鬏斁€內部的加載窗進行設計，利用電磁仿真軟件建模微帶多段線網絡；步驟4：在加載窗和電壁之間，建模金屬化通孔，通過調節金屬化通孔的位置和通孔直徑以調諧耦合器內電磁波場分布情況以及耦合器寬帶特性；步驟5：對耦合器進行微帶過渡設計，在半?；刹▽鬏斁€和端口微帶線之間加入梯形微帶過渡段，通過調整微帶過渡段的特性，實現對微帶線與慢波半?；刹▽еg的駐波情況的調整；此處的端口微帶線即構成輸入端、直通輸出端、隔離端和耦合輸出端的微帶線；步驟6：優化耦合器的尺寸，使耦合器滿足設計需求的工作頻率，調整兩半模基片集成波導傳輸線開放邊間隔d，對各端口功率進行控制，使得隔離端口功率趨于零，直通輸出端和耦合輸出端輸出功率趨于相等，相位相差趨本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種小型化寬帶慢波半模基片集成波導耦合器，包括介質基板(1)，所述介質基板(1)的上下兩個表面上設置為金屬敷層，其特征在于：所述介質基板(1)上表面的金屬敷層包括兩個不接觸且相互對稱的半?；刹▽鬏斁€(2)，所述半?；刹▽鬏斁€(2)的內側上均設置有加載窗(4)，所述加載窗(4)內設置有微帶多段線網絡(5)，所述半?；刹▽鬏斁€(2)的外側均設置有電壁(6)，所述電壁(6)和加載窗(4)之間設置有金屬化通孔(7)。
【技術特征摘要】
1.一種小型化寬帶慢波半?；刹▽я詈掀鳎ń橘|基板(1)，所述介質基板(1)的上下兩個表面上設置為金屬敷層，其特征在于：所述介質基板(1)上表面的金屬敷層包括兩個不接觸且相互對稱的半?；刹▽鬏斁€(2)，所述半模基片集成波導傳輸線(2)的內側上均設置有加載窗(4)，所述加載窗(4)內設置有微帶多段線網絡(5)，所述半模基片集成波導傳輸線(2)的外側均設置有電壁(6)，所述電壁(6)和加載窗(4)之間設置有金屬化通孔(7)。2.根據權利要求1所述的一種小型化寬帶慢波半?；刹▽я詈掀?，其特征在于：所述微帶多段線網絡(5)包括多個成周期排列的微帶節點(51)，相鄰兩個微帶節點之間、微帶節點與半?；刹▽鬏斁€(2)之間連接有微帶多段線(52)，所述微帶節點和各微帶多段線之間沒有重疊區域。3.根據權利要求2所述的一種小型化寬帶慢波半?；刹▽я詈掀鳎涮卣髟谟冢核鑫Ф喽尉€(52)包括橫向微帶多段線和縱向微帶多段線，所述微帶節點(51)沿橫向設置有多排且沿縱向設置有多列，所述橫向微帶多段線連接于每排相鄰兩個微帶節點(51)之間且每排兩側的橫向微帶多段線連接于微帶節點(51)和加載窗(4)的橫向邊沿；所述縱向微帶多段線連接于每列相鄰兩個微帶節點(51)之間且每列兩側的縱向微帶多段線連接于微帶節點(51)和加載窗(4)縱向邊沿。4.根據權利要求3所述的一種小型化寬帶慢波半?；刹▽я詈掀?，其特征在于：所述橫向微帶多段線和縱向微帶多段線均包括多條微帶線且相鄰兩個微帶線之間相互垂直。5.根據權利要求2所述的一種小型化寬帶慢波半?；刹▽я詈掀鳎涮卣髟谟冢核鑫Ч濣c成十字形，所述微帶多段線連接在微帶節點的四個端口上。6.根據權利要求...
【專利技術屬性】
技術研發人員：金海焱，周瑜亮，金海陸，黃永茂，廖丹，
申請(專利權)人：電子科技大學，
類型：發明
國別省市：四川,51
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