【摘 要】
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随着5G时代的来临,运用于物联网场景的毫米波技术也要跟随5G发展的脚步逐渐成熟并加以运用。耦合器件的性能与物联网的整体微波通信体系是否优秀息息相关,运用于5G频段的毫米波宽带耦合器有十分重要的研究意义。集成基片间隙波导（Integrated substrate gap waveguide,ISGW）和封装型集成基片间隙波导（Package Integrated substrate gap wave
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随着5G时代的来临,运用于物联网场景的毫米波技术也要跟随5G发展的脚步逐渐成熟并加以运用。耦合器件的性能与物联网的整体微波通信体系是否优秀息息相关,运用于5G频段的毫米波宽带耦合器有十分重要的研究意义。集成基片间隙波导（Integrated substrate gap waveguide,ISGW）和封装型集成基片间隙波导（Package Integrated substrate gap waveguide,P-ISGW）是新型的波导结构,它具有低插入损耗和自封装特性,可抑制电磁干扰和辐射,为毫米波耦合器件的设计指明了全新的研发方向。但是P-ISGW的特征阻抗和等效相对介电常数的计算目前仅根据微带线计算得到并没有准确的计算公式,并且基于ISGW的耦合器的尺寸较大无法在有小型化趋势的通信体系中应用。本文基于ISGW结构和P-ISGW结构提出了三种定向耦合器,并讨论了P-ISGW的等效相对介电常数和特征阻抗的计算。（1）为了解决P-ISGW特征阻抗和等效相对介电常数的计算问题。提出了封装型集成基片间隙波导（P-ISGW）等效相对介电常数及特征阻抗的计算公式,利用在理想条件下P-ISGW和宽边耦合带状线偶模形式的电场分布情况相同,加入影响因子进行校正得到P-ISGW特征阻抗计算公式。利用HFSS仿真得到P-ISGW的等效相对介电常数与金属贴片直径与电磁带隙（Electromagnetic Band Gap,EBG）周期之比,金属柱直径与EBG周期之比,间隙层与过孔层高度的乘积,间隙层介电常数,频率有关,通过数据拟合的方式得到P-ISGW的等效相对介电常数计算公式。为了验证计算公式的正确性,设计了一个基于P-ISGW的双节分支线耦合器,该耦合器工作频段为23.4GHz-29.5GHz,相对带宽为22.6%,相位差为90°±0.9°。工作频段内耦合度在3.2d B±1d B范围之内波动,得到的计算公式设计的耦合器性能较好。（2）为了解决其他波导结构的脊隙耦合器大相位差和低隔离度的问题提出了基于ISGW的矩形结耦合器,该耦合器在ISGW的基础上增加了耦合矩形结。耦合矩形结上有关于中心对称的金属柱可以控制电磁波的流向,在耦合矩形结上开有两个矩形缝隙,用于改善耦合器的耦合度。论文利用奇偶模分析法对该耦合器进行了理论研究,利用奇偶模相位常数和特征阻抗不同设计得到该耦合器的尺寸。此外,论文分析了矩形耦合结旁围绕的电磁带隙结构的排列,耦合矩形结中金属柱的位置及大小,耦合矩形结上矩形缝隙对耦合器的影响。经过优化,论文得到的3-d B耦合器的工作频段为27.7GHz至33.1GHz。回波损耗在整个工作频带内低于-20d B,从28.8GHz到32.3GHz低于-30d B。隔离度在整个工作频段内均低于-20d B,从28.5GHz到32GHz低于-30d B。与其他的脊隙耦合器相比,宽带、高隔离和小相位差是基于ISGW的矩形结耦合器最具代表性的优点。（3）为了解决ISGW耦合器小型化的问题提出了集成基片双间隙封装波导（Package Integrated substrate double gap waveguide,P-ISDGW）。P-ISDGW是在ISGW的基础上增加了一层间隙层,并且在传统ISGW的过孔层的基础上,将蘑菇状EBG结构转变为杠铃状EBG结构,杠铃状EBG结构由贯穿过孔层的金属过孔和印刷于金属过孔二端的圆形金属贴片组成。提出了基于P-ISDGW耦合器,该耦合器由宽边耦合带状线和金属过孔组成,论文利用奇偶模分析法和等效电路法对该耦合器进行了理论分析和参数分析。该耦合器的工作频率为25.9GHz到31.5GHz,耦合度为3.3d B,在工作频段内耦合度在±0.8d B范围之内波动,在工作频段内隔离度均高于20d B。耦合器的仿真相位差在90°±3°范围内。与其他耦合器相比,该耦合器具有小型化、高隔离和宽带等优点。
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