Ka波段開槽加匹配膜片型SIW魔T的設計*

張開寧，汪曉光

（電子科技大學 電子科學與工程學院，四川 成都 610054）

0 引 言

作為一種常用的微波電橋，魔T可以廣泛應用于E-H調(diào)配器、阻抗測量、雙工器以及雷達系統(tǒng)所需的和差網(wǎng)絡中。傳統(tǒng)波導魔T是通過公共對稱面ET、HT接頭的組合來實現(xiàn)的，具有功率容量高、端口特性好等優(yōu)點，但存在尺寸較大、調(diào)諧困難等缺點。隨著現(xiàn)代微波電路的發(fā)展，器件的小型化和集成化變得非常重要。因此，提出了一種新的平面集成波導技術-基片集成波導（SIW）[1]，且其通過PCB工藝在低損耗介質(zhì)基板上制作金屬通孔實現(xiàn)[2]。與傳統(tǒng)波導相比，它具有高Q值、高功率容量、低損耗、易于集成等優(yōu)點[3]。本文主要介紹基片集成波導魔T的設計過程及相關研究。

1 魔T的基本工作原理

傳統(tǒng)波導魔T的結(jié)構(gòu)如圖1所示，是由公共對稱面上的E-T分支和H-T分支構(gòu)成。如果在端口2和端口3輸入等幅同相的微波，那么它們在對稱平面的位置將形成駐波電壓波腹。在端口4所在的支臂（E臂）中形成等幅反相的電場而正好抵消，則沒有能量輸出；而在端口1（H臂）所在的支臂中因為同相疊加的原因，從而得到最大能量輸出。同理，如果在端口2、端口3同時輸入等幅反相的微波時，在對稱平面上將形成電壓的波節(jié)點，從而使端口1沒有能量輸出，端口4獲得最大輸出。

圖1 傳統(tǒng)魔T結(jié)構(gòu)

作為一種互易四端口器件，魔T還具有下列特性：

（1）端口1、端口4在對稱工作情況下相互隔離，端口2、端口3在對稱工作時相互隔離。

（2）因為端口1、端口4相互隔離，所以2個端口能夠分別進行調(diào)配而不相互影響；同理，端口2、端口3也是如此。這種相互隔離的特性有利于進行魔T的匹配。

（3）如果端口1、端口4達到匹配且隔離，那么端口2、端口3自動達到匹配且隔離。

以上魔T的基本工作原理為本基片集成波導魔T的設計基礎，且在進行設計魔T時可以僅僅考慮E臂和H臂的匹配與隔離特性，從而簡化設計。

2 SIW傳輸線的設計

SIW的窄臂由金屬通孔形成，相當于開槽。若開槽切割管壁電流，則會產(chǎn)生能量輻射，造成較大損耗。所以，SIW只可以傳輸TEn0模。我們要求只傳輸主模TE10模，又因為SIW TE10模與TE20模的截止頻率為[4-5]：

這里C0為光速，a'為SIW的寬度，d為金屬通孔直徑，b為金屬通孔間距。此處，SIW的介質(zhì)基板基板材料選擇Duroid（tm），其相對介電常數(shù)是2.2，厚度0.8 mm，d為0.5 mm，b為0.8 mm。根據(jù)頻段29～31 GHz，利用以式（1）和式（2）計算并優(yōu)化可以得到此SIW魔T的寬度a'為5.6 mm。

3 H-T分支的匹配研究及其設計

對于下層H-T分支，如果不添加任何匹配元件，則端口1的回波損耗很大。這里使用H-T主波導開金屬通孔槽和感性匹配膜片搭配使用的方式匹配。下層H-T分支的結(jié)構(gòu)如圖2所示，o為開槽的寬度，r1為開槽金屬通孔的半徑，l為匹配膜片的長度。

圖2 H-T分支結(jié)構(gòu)

根據(jù)波導傳輸線理論，H-T接頭的H臂相當于并聯(lián)在主波導傳輸線中的電抗jX，而金屬通孔開槽等效于并聯(lián)其中的電納jB。通過調(diào)節(jié)金屬通孔開槽的寬度o、開槽中金屬通孔的半徑r1以及其間距t，使其等效電納能夠抵消H臂并聯(lián)電抗。之所以要加入感性匹配膜片，是因為主波導金屬通孔開槽會產(chǎn)生寄生電容。使用感性匹配膜片來消除寄生電容產(chǎn)生的影響，調(diào)節(jié)金屬膜片的長度l，就能夠?qū)崿F(xiàn)良好的匹配。

圖3、圖4、圖5以及圖6分別為開槽寬度o、開槽中金屬通孔的半徑r1以及其間距t和感性匹配膜片長度l對下層H臂回波損耗的影響。

圖3 r1對端口1回波損耗影響

圖5 t對端口1回波損耗的影響

圖6 l對端口1回波損耗的影響

通過分析可以得到，隨著開槽寬度o的增加，諧振頻率變大；隨著匹配膜片長度l的增加，諧振頻率幾乎不變，但回波損耗的性能先變好后變差。這里確定的開槽寬度o為0.4 mm，感性匹配膜片長度l為0.6 mm。通過分析開槽金屬孔之間距離t和開槽金屬孔的半徑r1對回波損耗的影響可以得到，隨著t的增大，諧振頻率變大，且端口1回波損耗性能先變好再變差；隨著r1的增大，諧振頻率變大，端口1回波損耗性能幾乎不變。這里確定t為0.41 mm，r1為0.15 mm。

4 上層E-T分支的設計

從圖1中上層的機構(gòu)分析，所設計的魔T的E-T分支與傳統(tǒng)波導魔T不同。這里將魔T的E-T分支放平，同時通過耦合縫來實現(xiàn)與主基片波導的強耦合，俯視圖如圖7所示。

圖7 E-T分支俯視圖

根據(jù)導行電磁波理論，SIW表面電流分布具有周期性。當耦合縫與表面電流平行時，不切割電流，無耦合產(chǎn)生，則端口4反射很大；反之，若耦合縫與表面電流垂直，則能夠很好地切割表面電流，產(chǎn)生很大耦合，使反射減小。所以，確定耦合縫離E-T分支底層的距離e為1/4個波長，這里取1.45 mm。同時，耦合縫開在H-T分支的寬邊中心處，使H-T分支與E-T分支天然隔離。由耦合縫和匹配膜片搭配使用，達到端口2、端口3、端口4之間匹配的目的，這里耦合縫長度u取4.4 mm。通過HFSS軟件仿真可得，隨著耦合縫寬度w的增加，諧振頻率增大，且端口4回波損耗性能先變好再變差；隨著匹配膜片長度q增加，諧振頻率減小，且端口4回波損耗性能先變好再變差。這里優(yōu)化后確定w為0.4 mm，q為0.68 mm。

5 綜合性能

使用HFSS仿真可以得到該SIW魔T在28.6～30.4 GHz的綜合性能。

5.1 回波損耗

各端口回波損耗均優(yōu)于-20 dB，如圖8所示。

5.2 隔離度

端口2、端口3隔離度優(yōu)于-23.5 dB，E臂、H臂隔離度優(yōu)于-43 dB，如圖9所示。

圖8 各端口回波損耗

圖9 隔離度

5.3 幅度平分度

同相輸出的幅度不平衡度小于0.1 dB，反相輸出的幅度不平衡度小于0.12 dB。圖10、圖11分別是同相功分圖和反相功分圖。

圖10 反相幅度不平衡度

圖11 同相幅度不平衡度

6 結(jié) 語

一個基片集成波導魔T已經(jīng)通過金屬通孔開槽和膜片匹配的方法設計出來，且基片集成波導可以使用PCB工藝制作，大大減小了加工難度。該魔T使用在H-T分支中心開耦合縫的方式實現(xiàn)E-T分支的強耦合，從而使H-T分支和E-T分支本身具有良好的隔離性，可以單獨調(diào)節(jié)各自的匹配。綜上所述，該魔T不但兼含矩形波導魔T和微帶線魔T的優(yōu)點，而且具有插入損耗低和幅度相位高度一致等優(yōu)點。

參考文獻：

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