1 导言
定向耦合器作为一种微波器材被广泛用于微波、毫米波电子设备和天线馈电电路中，用来发生在必定带宽内所需的功率份额。波导定向耦合器具有损耗小，功率容量高，耦合形式多样等长处，而且在微波高频端已有多种功能优秀的各种耦合器。可是，跟着微电子技术的开展，波导定向耦合器体积大、不易与固态微波电路集成的缺点显得愈加杰出。
基片集成波导（SIW）是一种填充介质的类波导结构，具有跟传统矩形波导相相似传达形式。而且可用一般的印制电路版（PCB）工艺加工制造基片集成波导，因而本钱低价并易于大规模出产。近年来，多种SIW定向耦合器现已成功被研发。这些耦合器大部分是经过同层的基片集成波导的窄壁开缝耦合，需求较大面积的印制电路版。本文介绍了双层基片集成波导上下堆叠宽边双缝定向耦合器。仿真和测验成果证明了规划原理的可行性。这种耦合器可用于天线馈电结构和微波电路中。
2 宽边双缝3dB定向耦合器的原理和结构参数
2.1 宽边双缝3dB定向耦合器的原理
图1所示公共宽边上两个平行的纵向短缝3dB定向耦合器。能够以为在耦合区存在并传输两种形式，即矩形波导的H10波和同轴线的TEM波(能够把耦合区看成是多导体体系)，两者相速不同，从耦合区始端到结尾发生的相位差为：
当Δβ=π/2时，由端口1输入的功率从端口2和端口4各输出1/2，而端口3无输出，成为3dB定向耦合器。耦合端的输出的相位超前直通端输出相位90°。
2.2 宽边双槽3dB定向耦合器的结构参数
耦合器的结构如图1所示，两个平行的纵向耦合缝对称地坐落堆叠的宽壁上。耦合器的各个参数如图1所示。短缝的宽为Slot_w，长度为L1，耦合度随这两个参数改变；阻抗改换段的宽为W2,长度为L2，这两个参数决议各端口的驻波好坏；金属化过孔的直径为R，周期长度为Svp，两排金属化过孔的距离为a_SIW,这些基片集成波导的参数随选定频率而定。从矩形波导到基片集成波导的等效公式可从参阅 中得到。因为耦合器是上下两层基片集成，试验丈量时需求考虑3.5mm连接器的装置。一同为了防止微带线角落损耗较大的能量，挑选了基片集成波导角落，如图1所示。
图1 SIW耦合器结构图
3 耦合器的规划与仿真
为了使耦合器能应用于各种微波电路和天线馈电体系中，有必要根据不同的耦合度规划不同的参数值。咱们选用Ansoft HFSS仿真软件来优化耦合器的各个参数和验证规划的正确性。
咱们选取耦合缝的长度L1作为操控耦合度的首要变量，其他的结构参数与L1成线性联系。在中心频率（15GHz）处，咱们取Svp=1mm，a_SIW=11mm，R=0.5mm，介质基片的厚度为0.508mm，介质的损耗角正切为0.001。当W1=L1，W2=L1ⅹ4.1/2.8，L2=(14.4mm-L1)/2，Slot_w=(10.5mm-L1)/2时，耦合度跟L1的联系如图2所示。在L1＝5.6mm时，直通输出和耦合输出持平，因为介质存在损耗，所以输出略小于3 dB。
W2和L2的选取首要是根据端口阻抗的匹配。在仿真过程中发现，当W2/ W1＝4.1/2.8时，端口驻波比可到达较好的作用。
图2 耦合度随L1的改变
图3反映了耦合端的S参数（S41）随L1改变的曲线。图4反映了阻隔端的S参数（S31）随L1改变的曲线。图5反映了输入端反射参数（S11）随L1改变的曲线。
4 试验和测验成果
耦合器选用规范的单层印制电路版工艺加工，什物如下图6所示。上下两层基片集成波导由金属块固定以保证它们严密贴在一同，在PCB板上设置了许多定位孔，用来对准耦合缝。运用矢量网络分析仪丈量端口的S参数，测验时别的两个端口接50Ω的宽带负载。
图3 S41随L1的改变
图4 S31随L1的改变
图5 S11随L1的改变
这个耦合器被规划成3dB定向耦合器，R=0.5mm，Svp=1mm，a_SIW=11mm，W1=5.6mm，L1=2.8mm，Slot_w=2.7mm，W2=8.2mm，L2=4.4mm。 图7给出了耦合器各端口实测的S参数。因为基片集成波导到微带过渡、3.5mm同轴接头和介质的损耗，实测的耦合强度(S41)比仿真的小了约 0.8dB。直通端（S21）和耦合端（S41）的相位差在14.5GHz—15.5GHz这个频带内约为90度，如图8所示。同样地，因为基片集成波导 到微带过渡、3.5mm同轴接头的不匹配，实测到的阻隔度（S31）比仿真的要差些，在14.5GHz—15.5GHz这个频带内实测的阻隔度（S31） 和一端口驻波（S11）都在-15 dB以下。
图6 耦合器什物图
图7 实测的S参数
图8 直通端和耦合端的相位差
5 定论
本文介绍了一种结构简略紧凑的基片集成波导宽边双缝3dB定向耦合器，经过仿真和试验证明了这个规划的可行性。该耦合器完成了在中心频率（15GHz）处的低回波损耗和杰出的阻隔，一同完成了直通输出端和耦合输出端的90度相位差和功率平分。该耦合器的最大不足之处是带宽较窄，接下来需求作更多的研究工作完成宽带耦合。加工简略和结构紧凑使这双层基片集成波导耦合器合适应用于多层基片集成波导的天线馈电电路和微波功分器中。
