CN102142593A - 小型宽带基片集成波导平面魔t结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小型宽带基片集成波导平面魔T结构，该小型宽带基片集成波导平面魔T包括介质基板上、中、下三层金属面，介质基板含有两排平行的金属柱，中间层金属面蚀刻出的槽线结构，能很好地实现从微带线到基片集成波导SIW的能量传输，采用的基片集成波导SIW等功分网络，代替了传统的分支结构，使整个平面魔T的结构比以往基片集成波导SIW平面魔T结构体积减小了一半，并且使得魔T工作的相对带宽有了很大的提高，而且该平面魔T的和差臂以及等功分端口之间具有良好的隔离特性。该小型宽带基片集成波导SIW平面魔T设计简单，体积小，电性能好，易于和其他平面微波毫米波电路集成。

Description

小型宽带基片集成波导平面魔T结构

技术领域

本发明属于微波毫米波混合集成电路，特别是一种新型的含有地板槽线蚀刻结构的小型宽带基片集成波导平面魔T结构。

背景技术

魔T结构是一种四端口的微波器件，理想情况下的魔T结构是一种180°的混合环，传统的波导魔T结构体积大，宽带的匹配电路很难实现，所以传输相对带宽一般低于10％。应用基片集成波导即SIW(Substrate Integrated Waveguide)这种成熟的设计平台来实现的平面魔T结构，融合了矩形波导和微带线的优点，具有体积小、重量轻、相对带宽更宽的优点，同时可承受较高的功率门限，Q值也比较高，理论和实验均表明这类平面魔T结构具有非常突出的优点，因此可在微波毫米波混合集成电路(HMIC)以及毫米波单片集成电路(MMIC)中得到很好的应用。如文献1(“Integrated microstrip and rectangular waveguide in planarform”，IEEE Microwave and Wireless Comp.Lett.，Vol.11，No.2，2001，pp.68-70)，以及文献2(“A Planar Magic-T Using Substrate Integrated Circuits Concept，”IEEEMicrowave and Wireless Comp.Lett.，Vol.18，No.6，2008，pp386-388)中，都比较详细地介绍了用基片集成波导(SIW)这种新技术设计新型的微波毫米波平面无源电路。以往的基片集成波导(SIW)平面魔T结构采用的是T型和Y型的分支网络，这类结构的缺点有：(1)结构体积大；(2)电路匹配设计复杂，相对带宽较小，在文献2中的相对带宽较小为11.2％(8.4-9.4GHz)；(3)端口之间的传输特性较差和隔离度也比较小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于小型宽带的基片集成波导(SIW)等功率功分网络，在改良传统基片集成波导(SIW)等功率功分网络的基础之上，实现结构更为小型化、简单化，以便提供一种更加实用性的基片集成波导(SIW)平面魔T结构。

实现本发明目的的技术解决方案为：本发明小型宽带基片集成波导SIW平面魔T结构，包括上、下层介质基板、上层金属面、中间层金属面、底层金属面、两排平行的金属柱及槽线结构，上层金属面位于上层介质基板的上表面，中间层金属面位于上下层介质基板的中间位置，底层金属面位于下层介质基板的下表面，两排平行的金属柱之间的距离对应为基片集成波导SIW结构截止频率的二分之一波长，中间层金属面上基片集成波导SIW结构的一侧蚀刻出槽线结构，该槽线结构包括槽线和扇形短路线，槽线在基片集成波导SIW结构外侧的末端与扇形短路线相连接；上层介质基板上的50欧姆微带线与槽线结构上下垂直相交，50欧姆微带线与槽线结构垂直交叉相耦合。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)采用在质基板中间层金属面的新型功分网络，体积相对减小一半，结构更加紧凑；(2)采用微带与槽线耦合再到衬底集成波导(SIW)的能量传输方式，传输相对带宽明显提高；(3)结构设计简单易行，带内功率分配端口输出接近-3dB，差臂和臂之间的隔离低于-31dB，两能量等功率输出端口隔离在-15dB以下，传输频段的相对带宽接近20％。

附图说明

图1为本发明小型宽带基片集成波导平面魔T的结构平面示意图。

图2为本发明小型宽带基片集成波导平面魔T结构的上层示意图。

图3为本发明小型宽带基片集成波导平面魔T结构的中间层示意图。

图4为本发明小型宽带集成波导平面魔T结构的下层示意图。

图5为本发明小型宽带集成波导平面魔T结构结构的立体示意图。

图6为本发明小型宽带集成波导平面魔T测试的电路简化图。

图7为本发明小型宽带集成波导平面魔T结构仿真(Simulated)和测试(Measured)结果图，端口1，4相当于传统波导魔T的差臂与和臂端口，端口2，3相当于传统波导魔T的等功率输入/输出端口，(a)为差臂能量等功率传输特性图，端口1能量输入时端口2，3等功率输出结果；(b)为和臂能量等功率传输特性图，端口4能量输入时端口2，3等功率输出结果；(c)为差臂和臂以及等功分端口之间的隔离特性图，端口1和端口4之间的隔离，等功率输出端口2，3的隔离.

图8为本发明小型宽带集成波导平面魔T结构差臂和臂等功率传输特性的幅度不平衡性图，端口1能量输入时端口2，3等功率输出时的幅度不平衡性，端口4能量输入时端口2，3等功率输出时的幅度不平衡性。

图9为本发明小型宽带集成波导平面魔T结构差臂和臂等功率传输特性的相位不平衡性图，端口1能量输入时端口2，3等功率输出时的相位不平衡性，端口4能量输入时端口2，3等功率输出时的相位不平衡性。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图5，本发明小型宽带基片集成波导平面魔T结构，包括上、下层介质基板、上层金属面1、中间层金属面2、底层金属面3、两排平行的金属柱5及槽线结构14，上层金属面1位于上层介质基板的上表面，中间层金属面2位于上下层介质基板的中间位置，底层金属面3位于下层介质基板的下表面，两排平行的金属柱5上下面与介质基板上下面平行相切，该金属柱5得高度与介质基板的高度相同，两排金属柱之间的间距为所对应传输频段的截止频率的二分之一波长，金属柱的半径和两金属柱之间的间距可以根据已有公式(1)-(2)计算，

$a^{\′}=\frac{2a}{\mathrm{\π}}\mathrm{arccot}\left(\frac{\mathrm{\πW}}{4a}\ln \frac{W}{4R}\right)---\left(1\right)$

R＜0.1λ_g，W＜4R，R＜0.2a    (2)

其中a′是SIW的宽度，R是金属柱半径，W是相邻金属柱的间距，a是与SIW传输特性等效的RW的波导宽度，λ_g为矩形波导波长。一般选取金属柱半径小于基片集成波导(SIW)截止波长的1/10，两金属柱之间的间距小于金属柱直径长度，并作适当调节。两排平行的金属柱5之间的距离对应为基片集成波导SIW结构截止频率的二分之一波长，中间层金属面2上基片集成波导SIW结构的一侧蚀刻出槽线结构14，该槽线结构14包括槽线和扇形短路线4，槽线在基片集成波导SIW结构外侧的末端与扇形短路线4相连接；上层介质基板上的50欧姆微带线9与槽线结构14上下垂直相交，50欧姆微带线9与槽线结构14相耦合。

本发明小型宽带基片集成波导平面魔T结构，两排平行金属柱5之间间距为7～15mm，金属柱5中每个金属柱的半径为0.2～0.5mm，每两个金属柱之间的距离为0.2～0.6mm，每个金属柱的高度与介质基板的高度相同，其高度为0.4～2mm。

本发明小型宽带基片集成波导平面魔T结构，上层金属面1上设置有左端50欧姆微带线6和右端50欧姆微带线7，上层金属面1中设置有基片集成波导SIW结构到左端50欧姆微带线6的左端锥形过渡12，以及基片集成波导SIW结构到右端50欧姆微带线7的右端锥形过渡13，左端锥形过渡12的长度为3～8mm，该锥形过渡12底端与基片集成波导SIW结构相连处的宽度为2～6mm，右端锥形过渡13的长度为3～8mm，该锥形过渡13底端与基片集成波导SIW结构相连处的宽度为1～5mm；两个锥形过渡，根据一般50欧姆微带线到基片集成波导(SIW)过渡方式，选取的长度一般为基片集成波导(SIW)工作中心频率的1/4波长，宽度为50欧姆微带线宽度的两倍，可以很方便地通过软件仿真优化出锥形过渡12与13的长度和终端宽度，与锥形过渡12和13分别相连的50欧姆微带线6和7作为能量的输入/输出端口，为了减小结构的尺寸，右端采用了折叠切角的50欧姆微带线11，另外在介质基板的上表面一段50欧姆的微带线9作为该魔T结构的一个输入/输出端口，通过终端连接一段阶跃阻抗线10来达到与介质基板中间层金属面2上蚀刻出的槽线结构14良好的阻抗匹配，该阶跃阻抗线10可以根据步进阻抗谐振器的等价计算公式(3)得出两小段结构的长度和宽度，

${\mathrm{\θ}}_0={\tan }^{-1}\sqrt{K},$ K＝Z₂/Z₁  (3)

Z₁，Z₂为两段阶跃阻抗线的阻抗，θ₀为其两段等长的阻抗线对应的电长度，另外50欧姆微带线9与介质基板上层金属面1边缘处的距离可以根据结构尺寸的需要进行调整，但一般应大于1mm。右端50欧姆微带线7切角11的斜边长度为0.8～2.8mm；50欧姆微带线9终端两段等长的阶跃阻抗线10的总长度为1.5～3.2mm，该50欧姆微带线9采用的切角的尺寸和右端50欧姆微带线7的尺寸相同。

本发明小型宽带基片集成波导平面魔T结构，中间层金属面2的宽度与介质基板的宽度相同，宽度为29～43mm，该中间层金属面2的长度为25～43mm；槽线结构14的宽度为0.15～0.5mm，该槽线结构14伸进基片集成波导SIW内部的长度为1.5～6mm，为该平面魔T结构工作频段中心频率的四分之一波长，该槽线结构14与基片集成波导SIW结构相交处的金属柱之间的边距S为7～13mm，所述扇形短路线4的半径为1.5～5.5mm，该扇形短路线4的角度为40°～170°。

本发明小型宽带基片集成波导平面魔T结构，底层金属面3左端部分宽度与介质基板的宽度相同，均为29～43mm，该左端部分的长度为17～31mm；底层金属面3右端设置有锥形过渡，该锥形过渡与上层金属面1的右端锥形过渡13的长度和宽度都相同；该底层金属面3右端的50欧姆微带线8与上层金属面1右端50欧姆微带线7采用的结构尺寸都相同。介质基板底层金属面3的左端一侧宽度与介质基板的宽度相同，右端采用的50欧姆微带线输入/输出端口8的方式与介质基板上层金属面1右端的50欧姆微带线7采用的方式相同，同样是采用切角弯曲的50欧姆微带线，作为能量输入/输出端口的50欧姆微带线6、7、8和9的长度，可以根据结构应用的频段和尺寸紧凑性的要求进行适当调整，以满足不同结构体积大小的需要。

本发明小型宽带基片集成波导平面魔T结构，介质基板的介电常数ε_r为2～16，每层介质基板的高度为0.4～2mm。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的说明：

本发明小型宽带基片集成波导(SIW)平面魔T结构，它采用了一种新型的基片集成波导(SIW)等功率分配网络，结合新型的槽线到基片集成波导(SIW)的能量耦合传输方式，整个介质基板的尺寸是59mm*38mm*1mm，介质基板的介电常数ε_r为2.65，介质基板分上中下三层结构，即介质基板上层金属面1，中间层金属面2和底层金属面3。所选魔T结构工作在Ku波段，频率范围13.1GHz-15.9GHz，中心频率对应的四分之一波长为3.3mm，金属柱5的半径为0.3mm，相邻两个金属柱之间的距离为0.4mm，两排平行的金属柱5之间的距离为11.4mm，介质基板上层金属面1左端部分锥形过渡12的长度为5mm，该锥形过渡12底端与基片集成波导(SIW)相连接的宽度为4mm，介质基板上层金属面1中间与金属柱5相连接部分的长度为35mm，宽度为13mm。槽线与基片集成波导(SIW)相交耦合一侧金属柱之间的间距S为10.3mm，介质基板上层金属面1右端的锥形过渡13的长度为5mm，该锥形过渡底端与基片集成波导(SIW)相连接的宽度为3mm，50欧姆微带线切角处11的斜边长度为2.54mm，介质基板上层金属面1左端50欧姆微带线的长度可以根据结构尺寸大小的需要调整，一般大于1.5mm即可，介质基板上层与槽线14耦合相交的50欧姆微带线9末端的两端等长阶跃阻抗线10的总长度为2.2mm，宽度分别为1.4mm和0.4mm，小于魔T工作频段中心频率的四分之一波长，50欧姆微带线9与介质基板上层金属面1之间的间距为1.1mm。

介质基板中间层金属面2的宽度与介质基板的宽度相同，都为38mm，该中间层金属面的长度为37mm，该中间层金属面2上蚀刻出的槽线结构14伸进基片集成波导(SIW)内部的长度为3.5mm，约等于魔T工作频段中心频率的四分之一波长，该槽线结构14末端的扇形短路线4的半径为2mm，该扇形短路槽线4的角度为70°。

介质基板底层金属面3左端部分的宽度与介质基板的宽度相同，也为38mm，该部分的长度为22mm，该底层金属面3右端的锥形过渡13的长度与介质基板上层金属面1上的锥形过渡长度和宽度相同，分别为5mm和3mm，最右端50欧姆微带线输出端口8与上层金属面1的50欧姆微带线7采用的结构尺寸相同。

以上便是该小型宽带基片集成波导(SIW)平面魔T结构的设计方法和具体实例设计，该平面魔T结构采用了一种新型等幅反相输出的功率分配结构，应用一种新型的槽线到基片集成波导(SIW)的能量耦合传输方式，使得能量从微带到槽线再到基片集成波导(SIW)传输的过程中，能量能较好地耦合，并且在两等功率输出端口实现能量的等幅同相输出，并且保证了和臂与差臂之间良好的隔离效果。此外该结构采用的是一节基片集成波导(SIW)传输结构，代替了一般基片集成波导(SIW)分支型的功分网络，使得结构体积减小一半，并且魔T结构的工作的相对带宽大大提高，设计简单，实用性更强。该结构测试与矢量网络分析仪HP8510C相结合的测试图如6所示，平面魔T结构连接矢量网络分析仪HP8510C两端口时，其他另外两个端口连接匹配负载，分别测出各个端口相对应的S参数，整理的测试结果和仿真结果对比如图7-9所示，测试本发明设计实例的结果表明：本发明小型宽带基片集成波导(SIW)平面魔T结构的工作带宽在13.1GHz-15.9GHz，相对带宽约为20％，并且等功率能量输出端口2，3接近-3dB，差臂端口1与和臂端口4之间的隔离在-31dB以下，两等功率能量输出端口的隔离在-15dB以下，相位和幅度不平衡性小于1.2°和0.2dB。总体积为59mm*38mm*1mm，重量不足150克。

Claims (6)

1.一种小型宽带基片集成波导平面魔T结构，其特征在于：包括上、下层介质基板、上层金属面[1]、中间层金属面[2]、底层金属面[3]、两排平行的金属柱[5]及槽线结构[14]，上层金属面[1]位于上层介质基板的上表面，中间层金属面[2]位于上、下层介质基板的中间位置，底层金属面[3]位于下层介质基板的下表面，两排平行的金属柱[5]之间的距离对应为基片集成波导结构截止频率的二分之一波长，中间层金属面[2]上基片集成波导结构的一侧蚀刻出槽线结构[14]，该槽线结构[14]包括槽线和扇形短路线[4]，槽线在基片集成波导结构外侧的末端与扇形短路线[4]相连接；上层介质基板上的50欧姆微带线[9]与槽线结构[14]上下垂直相交，50欧姆微带线[9]与槽线结构[14]垂直交叉相耦合。

2.根据权利要求1所述的小型宽带基片集成波导平面魔T结构，其特征在于：两排平行金属柱[5]之间间距为7～15mm，金属柱[5]中每个金属柱的半径为0.2～0.5mm，每两个金属柱之间的距离为0.2～0.6mm，每个金属柱的高度与介质基板的高度相同，其高度为0.4～2mm。

3.根据权利要求1所述的小型宽带基片集成波导平面魔T结构，其特征在于：上层金属面[1]上设置有左端50欧姆微带线[6]和右端50欧姆微带线[7]，上层金属面[1]中设置有基片集成波导结构到左端50欧姆微带线[6]的左端锥形过渡[12]，以及基片集成波导结构到右端50欧姆微带线[7]的右端锥形过渡[13]，左端锥形过渡[12]的长度为3～8mm，该锥形过渡[12]底端与基片集成波导结构相连处的宽度为2～6mm，右端锥形过渡[13]的长度为3～8mm，该锥形过渡[13]底端与基片集成波导结构相连处的宽度为1～5mm；右端50欧姆微带线[7]切角[11]的斜边长度为0.8～2.8mm；50欧姆微带线[9]终端两段等长的阶跃阻抗线[10]的总长度为1.5～3.2mm，该50欧姆微带线[9]采用的切角的尺寸和右端50欧姆微带线[7]的尺寸相同。

4.根据权利要求1中所述的小型宽带基片集成波导平面魔T结构，其特征在于：中间层金属面[2]的宽度与介质基板的宽度相同，宽度为29～43mm，该中间层金属面[2]的长度为25～43mm；槽线结构[14]的宽度为0.15～0.5mm，该槽线结构[14]伸进基片集成波导内部的长度为1.5～6mm，为该平面魔T结构工作频段中心频率的四分之一波长，该槽线结构[14]与基片集成波导结构相交处的金属柱之间的边距S为7～13mm，所述扇形短路线[4]的半径为1.5～5.5mm，该扇形短路线[4]的角度为40°～170°。

5.根据权利要求1中所述的小型宽带基片集成波导平面魔T结构，其特征在于：底层金属面[3]左端部分宽度与介质基板的宽度相同，均为29～43mm，该左端部分的长度为17～31mm；底层金属面[3]右端设置有锥形过渡，该锥形过渡与上层金属面[1]的右端锥形过渡[13]的长度和宽度都相同；该底层金属面[3]右端的50欧姆微带线[8]与上层金属面[1]右端50欧姆微带线[7]采用的结构尺寸都相同。

6.根据权利要求1所述的小型宽带基片集成波导平面魔T结构，其特征在于：介质基板的介电常数ε_r为2～16，每层介质基板的高度为0.4～2mm。

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