CN102157771A - 小型宽带半模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半模基片集成波导HMSIW平面魔T结构。该小型宽带半模基片集成波导HMSIW平面魔T包括介质基板上、中、下三层金属面，介质基板含有一排金属柱，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半模基片集成波导HMSIW的能量传输。采用的半模基片集成波导HMSIW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3/4，并且使魔T的相对工作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。该小型宽带半模基片集成波导HMSIW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

小型宽带半模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半模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，在理想情况下的魔T结构是一种180°的混合环，但是传统的波导魔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)以及半模基片集成波导结构即HMSIW(Half Mode Substrate Integrated Waveguide)这类成熟的设计平台来实现的平面结构，融合了矩形波导和微带线的优点，具有体积小、重量轻、相对带宽较宽的优点，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 inplanar form”，IEEE Microwave and Wireless Comp.Lett.，Vol.11，No.2，2001，pp.68-70)，文献2(“A Planar Magic-T Using Substrate Integrated Circuits Concept，”IEEE Microwave andWireless Comp.Lett.，Vol.18，No.6，2008，pp386-388)，以及文献3(“Half Mode SubstrateIntegrated Waveguide 180 3-dB Directional Couplers，”IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，Vol.55，No.12，2007，pp2586-2592)中，都比较详细地介绍了用基片集成波导(SIW)和半模基片集成波导结构(HMSIW)这类新技术，以及由它们所设计的新型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型或Y型的分支网络，这类结构的缺点有：(1)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，仅为11.2％(8.4-9.4GHz)；(3)端口之间的传输特性较差，隔离度也比较小。而半模基片集成波导(HMSIW)结构与基片集成波导(SIW)结构相比，体积减小了一半；另外结合半模基片集成波导(HMSIW)的宽带平面魔T结构的设计一直是微波毫米波平面无源电路上的一个难点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型宽带的半模基片集成波导(HMSIW)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半模基片集成波导(HMSIW)平面魔T结构。

实现本发明目的的技术解决方案为：本发明小型宽带半模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、中间层金属面、底层金属面、一排金属柱及槽线结构，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，上层金属面的宽度对应为半模基片集成波导HMSIW结构截止频率对应波长的四分之一，中间层金属面上半模基片集成波导HMSIW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，槽线在半模基片集成波导HMSIW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相耦合。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用在介质基板中间层增加金属面的新型功分网络结构，体积相对减小了四分之三，结构更加紧凑；(2)采用微带与槽线耦合再到半模基片集成波导(HMSIW)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-3.3dB，差臂和臂之间的隔离度非常高，两能量等功率输出端口隔离也很高，传输频段的相对带宽接近20％。

附图说明

图1为本发明小型宽带半模集成波导(HMSIW)平面魔T的结构平面示意图。

图2为本发明小型宽带半模集成波导(HMSIW)平面魔T结构的上层示意图。

图3为本发明小型宽带半模集成波导(HMSIW)平面魔T结构的中间层示意图。

图4为本发明小型宽带半模集成波导(HMSIW)平面魔T结构的下层示意图。

图5为本发明小型宽带半模集成波导(HMSIW)平面魔T结构的立体示意图。

图6为本发明小型宽带半模集成波导(HMSIW)平面魔T测试的电路简化图。

图7为本发明小型宽带半模集成波导(HMSIW)平面魔T结构仿真和测试结果图。其中，(a)为差臂能量等功率传输特性，端口1(差臂)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，端口4(和臂)能量输入时端口2、3等功率输出结果；(c)为端口1(差臂)和端口4(和臂)的反射特性；(d)为能量等功率输出端口2、3的反射特性。

图8为本发明小型宽带半模集成波导(HMSIW)差臂和臂以及等功分端口之间的隔离特性，端口1(差臂)和端口4(和臂)之间的隔离，等功率输出端口2、3的隔离。

图9为本发明小型宽带集成波导(HMSIW)平面魔T结构差臂和臂等功率传输特性的幅度不平衡性。端口1(差臂)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(和臂)能量输入时端口2、3等功率输出时的幅度不平衡性。

图10为本发明小型宽带半模集成波导(HMSIW)平面魔T结构差臂和臂等功率传输特性的相位不平衡性，端口1(差臂)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(和臂)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SIW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、一排金属柱4及槽线结构12，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，在与一排金属柱4相对的另一侧，对上层金属面1、中间层金属面2和底层金属面3进行刻蚀，使这三层金属面在这一侧上下垂直对齐，从而形成半模基片集成波导的磁壁；金属柱4的高度与介质基板的厚度相同，上层金属面1的宽度对应传输频段的截止频率的波长的四分之一，上层金属面的宽度和金属柱的半径可以根据已有公式(1)-(2)计算：

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

R＜0.1λ_g，W＜4R，R＜0.2a    (2)

其中a′是HMSIW的宽度，R是金属柱半径，W是相邻金属柱的间距，a是与HMSIW传输特性等效的矩形波导RW(Rectangular Waveguide)的宽度，λ_g为矩形波导RW的波长。一般选取金属柱半径小于半模基片集成波导(HMSIW)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。上层金属面的宽度对应为半模基片集成波导HMSIW结构截止频率波长的四分之一，中间层金属面2上半模基片集成波导HMSIW的一侧蚀刻出槽线结构12，该槽线结构12包括槽线和扇形短路线13，槽线在半模基片集成波导HMSIW结构外侧的末端与扇形短路线13相连接；上层介质基板上的50欧姆微带线11与槽线结构12上下垂直相交，50欧姆微带线11与槽线结构12相耦合。

本发明小型宽带半模基片集成波导HMSIW平面魔T结构，金属柱4中每个金属柱的半径通常为0.2～0.5mm，每两个金属柱之间的距离通常为0.2～0.6mm，每个金属柱的高度与介质基板的厚度相同，其高度通常为0.3～1.5mm。

本发明小型宽带半模基片集成波导HMSIW平面魔T结构，上层金属面1上设置有左端50欧姆微带线9和右下端50欧姆微带线10，上层金属面1中设置有半模基片集成波导HMSIW结构到左端50欧姆微带线9的左端锥形过渡6，以及半模基片集成波导HMSIW结构到右下端50欧姆微带线10的右端锥形过渡7，左端锥形过渡6的长度通常为2～7mm，该锥形过渡6底端与半模基片集成波导(HMSIW)结构相连处的宽度通常为1.2～3mm，右端锥形过渡7的长度通常为2～7.5mm，该锥形过渡7底端与半模基片集成波导HMSIW结构相连处的宽度通常为0.8～3mm；两个锥形过渡，根据一般50欧姆微带线到半模基片集成波导(HMSIW)过渡方式，选取的长度一般为半模基片集成波导(HMSIW)工作中心频率对应波长的1/4，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6与7的长度和终端宽度，与锥形过渡6和7分别相连的50欧姆微带线9和10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10，另外在介质基板的上表面一段50欧姆的微带线11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5来达到与介质基板中间层金属面2上蚀刻出的槽线结构12良好的阻抗匹配，该阶跃阻抗线5可以根据阶跃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：

${\mathrm{\&theta;}}_0=\frac{{\mathrm{\&theta;}}_s\&times;\arctan \sqrt{Z_1/Z_2}}{\mathrm{\&pi;}/2},({\mathrm{\&theta;}}_s<\mathrm{\&pi;}/2),K=Z_2/Z_1---\left(3\right)$

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11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。右下端50欧姆微带线10切角8的斜边长度通常为0.5～2mm；50欧姆微带线11终端两段等长的阶跃阻抗线5的总长度通常为0.8～3mm，该50欧姆微带线11采用的切角的尺寸和右下端50欧姆微带线10的尺寸相同。

本发明小型宽带半模基片集成波导HMSIW平面魔T结构，中间层金属面2的一边与上下层金属面1，3相切，该中间层金属面2的长度通常为18～35mm；槽线结构12的宽度通常为0.1～0.5mm，该槽线结构12伸进基片集成波导SIW内部的长度通常为1.5～5.5mm，为该平面魔T结构工作频段中心频率对应波长的四分之一，该槽线结构12与半模基片集成波导HMSIW结构相交处的金属柱之间的边距d通常为5～13mm，所述扇形短路线13的半径通常为1～4mm，该扇形短路线13的角度通常为30°～150°。

本发明小型宽带半模基片集成波导HMSIW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，通常均为18～35mm，该左端部分的长度通常为15～30mm；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7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14与上层金属面1右端50欧姆微带线10采用的结构宽度都相同。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。

本发明小型宽带半模基片集成波导HMSIW平面魔T结构，介质基板的介电常数ε_r通常为2～16，上下层介质基板的厚度通常为0.3～1.5mm。

下面结合实例对本发明做进一步详细的说明。

本发明小型宽带半模基片集成波导(HMSIW)平面魔T结构，它采用了一种新型的半模基片集成波导(HMSIW)等功率分配网络，结合新型的槽线到半模基片集成波导(HMSIW)的能量耦合传输方式，整个介质基板的尺寸是48mm*19mm*0.5mm，介质基板的介电常数ε_r为2.6，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12.9GHz-15.5GHz，中心频率对应波长的四分之一为3.5mm，金属柱4的半径为0.35mm，相邻两个金属柱之间的距离为0.3mm，上层金属面的宽度为5.75mm，介质基板上层金属面1左端部分锥形过渡6的长度为4mm，该锥形过渡6底端与半模基片集成波导(HMSIW)相连接的宽度为2.1mm，介质基板上层金属面1中间与金属柱4相连接部分的长度为27mm。槽线与半模基片集成波导(HMSIW)相交耦合一侧金属柱之间的间距d为10.3mm，介质基板上层金属面1右端的锥形过渡7的长度为4.3mm，该锥形过渡7底端与半模基片集成波导(HMSIW)相连接的宽度为1.85mm，50欧姆微带线切角处7的斜边长度为0.85mm，介质基板上层金属面1左端50欧姆微带线9的长度可以根据结构尺寸大小的需要调整，一般大于2mm即可，介质基板上层与槽线12耦合相交的50欧姆微带线11末端的两端等长阶跃阻抗线5的总长度为1.2mm，宽度分别为1.1mm和0.3mm，小于魔T工作频段中心频率对应波长的四分之一，50欧姆微带线11与介质基板上层金属面1之间的间距为0.8mm。

介质基板中间层金属面2的一边与上下层金属面1，3相切，该中间层金属面的长度为25.5mm，该中间层金属面2上蚀刻出的槽线结构12伸进半模基片集成波导(HMSIW)内部的长度为3mm，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12末端的扇形短路线13的半径为1.5mm，该扇形短路槽线13的角度为80°。

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19mm，该部分的长度为22.5mm，该底层金属面3右端的锥形过渡7的长度与介质基板上层金属面1上的右端锥形过渡长度和宽度相同，分别为4.3mm和1.85mm，最右端50欧姆微带线输出端口14与上层金属面1的50欧姆微带线10采用的宽度相同。

以上便是该小型宽带半模基片集成波导(HMSIW)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半模基片集成波导(HMSIW)的能量耦合传输方式，使得能量从微带到槽线再到半模基片集成波导(HMSIW)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级半模基片集成波导(HMSIW)传输结构，代替了一般半模基片集成波导(HMSIW)分支型的功分网络，使得结构体积减小四分之三，并且魔T结构的相对工作带宽大大提高，设计简单，实用性更强。该结构用矢量网络分析仪Agilent 8722ES进行测试的测试图如6所示，平面魔T结构连接矢量网络分析仪Agilent 8722ES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7-10所示。测试本发明设计实例的结果表明：本发明小型宽带半模基片集成波导(HMSIW)平面魔T结构的工作带宽在12.9GHz-15.5GHz，相对带宽约为20％，并且等功率能量输出端口2，3接近-3.3dB，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-16dB以下，相位和幅度不平衡性分别小于2°和0.23dB。总体积为48mm*19mm*0.5mm，重量不足100克。

Claims (5)

1.一种小型宽带半模基片集成波导平面魔T结构，其特征在于：包括上层介质基板、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]、一排带有耦合开口的金属柱[4]及槽线结构[12]；金属柱[4]的耦合开口长度为该半模基片集成波导平面魔T结构中心频率处波长的二分之一，该耦合开口中心距等功率输出端口四分之一波长，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]位于上层介质基板的下表面或下层介质基板的上表面，底层金属面[3]位于下层介质基板的下表面，在中间层金属面[2]上蚀刻有槽线结构[12]，该槽线结构[12]包括槽线和扇形短路线[13]，槽线在金属柱[4]外侧，槽线末端与扇形短路线[13]相连接，且槽线位于耦合开口的中间并与该开口垂直；上层介质基板上的50欧姆微带线[11]与槽线结构[12]上下垂直相交，50欧姆微带线[11]末端为一段开路的阶跃阻抗线[5]。

2.根据权利要求1所述的小型宽带半模基片集成波导平面魔T结构，其特征在于：所述每个金属柱的高度与介质基板的厚度相同。

3.根据权利要求1所述的小型宽带半模基片集成波导平面魔T结构，其特征在于：上层金属面[1]的左端设置有50欧姆微带线[9]，右端设置有50欧姆微带线[10]，上层金属面[1]上设置有到50欧姆微带线[9]的锥形过渡[6]和到50欧姆微带线[10]的锥形过渡[7]。

4.根据权利要求1所述的小型宽带半模基片集成波导平面魔T结构，其特征在于：所述磁壁一侧，中间层金属面[2]、上层金属面[1]以及底层金属面[3]在垂直方向上对齐，该槽线结构[12]伸进耦合开口的长度为该平面魔T结构工作频段中心频率对应波长的四分之一。

5.根据权利要求1所述的小型宽带半模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，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[7]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[14]与上层金属面[1]右端50欧姆微带线[10]的结构尺寸都相同。

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