On Fast Optimization of Quasi-Periodic Slow-Wave Structures: Application to Broadband Microwave Coupler Miniaturization

摘要

W pracy omówiono problem optymalizacji quasi-periodycznych struktur ze spowolnieniem fali w kontekście miniaturyzacji szerokopasmowego sprzęgacza gałęziowego. Redukcja powierzchni została osiągnięta poprzez zastosowanie struktur ze spowolnieniem fali jako zamienników dla konwencjonalnych linii transmisyjnych, które są podstawowymi elementami składowymi obwodu referencyjnego. Połączenie kaskadowe kilku komórek ze spowolnieniem fali umożliwia uzyskanie szerokiego pasma pracy kompletnej struktury. Wybór konkretnej realizacji komórki oraz określenie współczynnika powtarzalności dla quasi-periodycznej struktury ze spowolnieniem fali jest przeprowadzone na podstawie badań teoretycznych opartych na optymalizacji. Właściwa procedura projektowania wykorzystuje optymalizację elektromagnetyczną pojedynczej komórki oraz jej lokalne modelowanie aproksymacyjne, a następnie metodę modeli zastępczych do przeprowadzenia efektywnej optymalizacji kaskadowego połączenia lokalnych modeli aproksymacyjnych pojedynczej komórki. Ponadto zastosowano efektywną procedurę strojenia sprzęgacza gałęziowego w celu uwzględnienia efektów łączników typu T. Otrzymana w ten sposób struktura cechuje się wysoką wydajnością oraz pracą szerokopasmową przy zajmowanej powierzchni odpowiadającej 1/3 powierzchni struktury referencyjnej.%This work discusses design optimization of quasi-periodic slow-wave structures in the context of wideband branch-line coupler miniaturization. Size reduction is achieved by using slow-wave structures as substitutes for conventional transmission lines that constitute a reference circuit. Selection of a specific cell realization as well as determination of a repetition factor of the quasi-periodic slow-wave structure is accomplished by optimization-based theoretical studies. The principal design procedure involves cell optimization using electromagnetic simulations, local response surface approximation modeling of the single cell, and surrogate-based optimization of the slow-wave structure composed of cascaded cell approximation models. Surrogate-based design closure is applied to account for T-junction effects neglected throughout the design process. The final coupler exhibits a high-performance operation over a 31% bandwidth and occupies only 1/3 of the reference circuit area.