Ka波段开槽加匹配膜片型SIW魔T的设计*

张开宁，汪晓光

（电子科技大学 电子科学与工程学院，四川 成都 610054）

0 引 言

作为一种常用的微波电桥，魔T可以广泛应用于E-H调配器、阻抗测量、双工器以及雷达系统所需的和差网络中。传统波导魔T是通过公共对称面ET、HT接头的组合来实现的，具有功率容量高、端口特性好等优点，但存在尺寸较大、调谐困难等缺点。随着现代微波电路的发展，器件的小型化和集成化变得非常重要。因此，提出了一种新的平面集成波导技术-基片集成波导（SIW）[1]，且其通过PCB工艺在低损耗介质基板上制作金属通孔实现[2]。与传统波导相比，它具有高Q值、高功率容量、低损耗、易于集成等优点[3]。本文主要介绍基片集成波导魔T的设计过程及相关研究。

1 魔T的基本工作原理

传统波导魔T的结构如图1所示，是由公共对称面上的E-T分支和H-T分支构成。如果在端口2和端口3输入等幅同相的微波，那么它们在对称平面的位置将形成驻波电压波腹。在端口4所在的支臂（E臂）中形成等幅反相的电场而正好抵消，则没有能量输出；而在端口1（H臂）所在的支臂中因为同相叠加的原因，从而得到最大能量输出。同理，如果在端口2、端口3同时输入等幅反相的微波时，在对称平面上将形成电压的波节点，从而使端口1没有能量输出，端口4获得最大输出。

图1 传统魔T结构

作为一种互易四端口器件，魔T还具有下列特性：

（1）端口1、端口4在对称工作情况下相互隔离，端口2、端口3在对称工作时相互隔离。

（2）因为端口1、端口4相互隔离，所以2个端口能够分别进行调配而不相互影响；同理，端口2、端口3也是如此。这种相互隔离的特性有利于进行魔T的匹配。

（3）如果端口1、端口4达到匹配且隔离，那么端口2、端口3自动达到匹配且隔离。

以上魔T的基本工作原理为本基片集成波导魔T的设计基础，且在进行设计魔T时可以仅仅考虑E臂和H臂的匹配与隔离特性，从而简化设计。

2 SIW传输线的设计

SIW的窄臂由金属通孔形成，相当于开槽。若开槽切割管壁电流，则会产生能量辐射，造成较大损耗。所以，SIW只可以传输TEn0模。我们要求只传输主模TE10模，又因为SIW TE10模与TE20模的截止频率为[4-5]：

这里C0为光速，a'为SIW的宽度，d为金属通孔直径，b为金属通孔间距。此处，SIW的介质基板基板材料选择Duroid（tm），其相对介电常数是2.2，厚度0.8 mm，d为0.5 mm，b为0.8 mm。根据频段29～31 GHz，利用以式（1）和式（2）计算并优化可以得到此SIW魔T的宽度a'为5.6 mm。

3 H-T分支的匹配研究及其设计

对于下层H-T分支，如果不添加任何匹配元件，则端口1的回波损耗很大。这里使用H-T主波导开金属通孔槽和感性匹配膜片搭配使用的方式匹配。下层H-T分支的结构如图2所示，o为开槽的宽度，r1为开槽金属通孔的半径，l为匹配膜片的长度。

图2 H-T分支结构

根据波导传输线理论，H-T接头的H臂相当于并联在主波导传输线中的电抗jX，而金属通孔开槽等效于并联其中的电纳jB。通过调节金属通孔开槽的宽度o、开槽中金属通孔的半径r1以及其间距t，使其等效电纳能够抵消H臂并联电抗。之所以要加入感性匹配膜片，是因为主波导金属通孔开槽会产生寄生电容。使用感性匹配膜片来消除寄生电容产生的影响，调节金属膜片的长度l，就能够实现良好的匹配。

图3、图4、图5以及图6分别为开槽宽度o、开槽中金属通孔的半径r1以及其间距t和感性匹配膜片长度l对下层H臂回波损耗的影响。

图3 r1对端口1回波损耗影响

图5 t对端口1回波损耗的影响

图6 l对端口1回波损耗的影响

通过分析可以得到，随着开槽宽度o的增加，谐振频率变大；随着匹配膜片长度l的增加，谐振频率几乎不变，但回波损耗的性能先变好后变差。这里确定的开槽宽度o为0.4 mm，感性匹配膜片长度l为0.6 mm。通过分析开槽金属孔之间距离t和开槽金属孔的半径r1对回波损耗的影响可以得到，随着t的增大，谐振频率变大，且端口1回波损耗性能先变好再变差；随着r1的增大，谐振频率变大，端口1回波损耗性能几乎不变。这里确定t为0.41 mm，r1为0.15 mm。

4 上层E-T分支的设计

从图1中上层的机构分析，所设计的魔T的E-T分支与传统波导魔T不同。这里将魔T的E-T分支放平，同时通过耦合缝来实现与主基片波导的强耦合，俯视图如图7所示。

图7 E-T分支俯视图

根据导行电磁波理论，SIW表面电流分布具有周期性。当耦合缝与表面电流平行时，不切割电流，无耦合产生，则端口4反射很大；反之，若耦合缝与表面电流垂直，则能够很好地切割表面电流，产生很大耦合，使反射减小。所以，确定耦合缝离E-T分支底层的距离e为1/4个波长，这里取1.45 mm。同时，耦合缝开在H-T分支的宽边中心处，使H-T分支与E-T分支天然隔离。由耦合缝和匹配膜片搭配使用，达到端口2、端口3、端口4之间匹配的目的，这里耦合缝长度u取4.4 mm。通过HFSS软件仿真可得，随着耦合缝宽度w的增加，谐振频率增大，且端口4回波损耗性能先变好再变差；随着匹配膜片长度q增加，谐振频率减小，且端口4回波损耗性能先变好再变差。这里优化后确定w为0.4 mm，q为0.68 mm。

5 综合性能

使用HFSS仿真可以得到该SIW魔T在28.6～30.4 GHz的综合性能。

5.1 回波损耗

各端口回波损耗均优于-20 dB，如图8所示。

5.2 隔离度

端口2、端口3隔离度优于-23.5 dB，E臂、H臂隔离度优于-43 dB，如图9所示。

图8 各端口回波损耗

图9 隔离度

5.3 幅度平分度

同相输出的幅度不平衡度小于0.1 dB，反相输出的幅度不平衡度小于0.12 dB。图10、图11分别是同相功分图和反相功分图。

图10 反相幅度不平衡度

图11 同相幅度不平衡度

6 结 语

一个基片集成波导魔T已经通过金属通孔开槽和膜片匹配的方法设计出来，且基片集成波导可以使用PCB工艺制作，大大减小了加工难度。该魔T使用在H-T分支中心开耦合缝的方式实现E-T分支的强耦合，从而使H-T分支和E-T分支本身具有良好的隔离性，可以单独调节各自的匹配。综上所述，该魔T不但兼含矩形波导魔T和微带线魔T的优点，而且具有插入损耗低和幅度相位高度一致等优点。

参考文献：

[1] Ke W,Deslandes D,Cassivi Y.The Substrate i-Ntegrated Circuits a New Concept for Highfrequency Electronics and Optoslectronics[C].Nis,Yug-oslavia,Yugoslavia:TELSIKS International Conference,2003.

[2] Deslandes D,Wu K.Integratedmicrostrip and Rectangular Waveguide in Planar Form[J].IEEE Microstrip Wireless Components Lett.,2001(01):68-70.

[3] Wei H.Development of Microwave Antennas,Components and Subsystems Based on SIW Technology,Microwave,A ntenna,Propagation and EM-C Technologies for Wireless Communications[C].Beijing:International Symposium on MAPE,2005.

[4] Cassivi Y,Perregrini L,Arcioni P,et al.Dispersi-on Chancteristics of Substrate Integrated rectang-ular Waveguide[J].IEEE Microwave Wireless Compon.Lett.,2002,12(09):333-335.

[5] Xu F,Wu K.Guidedwave and Leakage Characteristics of Substrate Integrated Waveguide[J].IEEE Trans Microwave Theory Tech,2005,53(01):66-73.