[发明专利]小型化宽带慢波半模基片集成波导耦合器及其设计方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及耦合器领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明通过下述技术方案实现：