CN102496763B - 新型高隔离技术宽带多路基片集成波导功分器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用新型高隔离技术的宽带多路基片集成波导功分器，输入/输出端口与基片集成波导腔之间采用新型混合多过孔探针过渡，以实现宽带阻抗匹配。在基片集成波导腔上有引流槽和阻性隔离槽，隔离槽上安装隔离电阻，以实现各输出端口优良的隔离特性。输出端口在以输入端口为中心的圆上等间距分布，整个功分电路具有轴旋转对称性，以保证多路功分信号幅度相等，以实现N路并行功分，可最大限度地减小信号传输损耗。本电路可灵活设计成同相功分器、反相功分器、以及差分功分器。本发明具有宽带、低插入损耗、高隔离、可实现任意多路功分输出、良好的输入/输出驻波、各路功分输出信号幅度一致性好等优点。本发明主要用于微波毫米波功率合成放大系统、相控阵天线馈电网络等，在通信、雷达、测控等微波毫米波系统中有广阔的应用前景。

Description

新型高隔离技术宽带多路基片集成波导功分器
技术领域
本发明涉及一种具有混合多过孔电流探针和引流槽、阻性隔离槽的宽带基片集成波导功率分配器。
背景技术
功分器是大功率合成放大器和相控阵天线馈电系统的关键部件，直接决定了系统性能指标的好坏。随着军用与民用通信系统的快速发展，对于宽带、高效大功率放大器的需求以及相控阵天线中对宽带、高隔离、低插损特性的馈电网络的需要与日俱增。这就需要宽带、高效、低损耗、高隔离特性的多路功分器/合成器。传统的功分/合成电路，如Wilkinson功分器、Lange耦合器和分支线耦合器等由于带宽、隔离、体积、插损以及功分数量等问题的限制而远远达不到以上应用的需求。因此，急需宽带、低损耗、高隔离特性的多路功分器/合成器以满足现代通信系统发展的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型多路基片集成波导功分器，它具有宽带、高隔离度、低插损、良好的输入/输出驻波比等优良特性。可一次性实现任意多路功分输出，各路功分输出端口信号幅度/相位一致性好。适用于大数量单元的功率合成系统或阵列天线中的功分馈电网络。
为了实现上述目的，本发明提出了一种新型的采用混合多过孔电流探针和引流槽、隔离槽的宽带基片集成波导功分器。其具体技术方案如下：
采用新型高隔离技术的宽带多路基片集成波导功分器，包括混合多过孔探针、引流槽、阻性隔离槽、隔离电阻、金属化通孔构成的基片集成波导腔。其特征在于，所述功分器由基片集成波导构成，采用新型混合多过孔电流探针，开创性地采用引流槽和隔离槽技术，以实现输出端口的高隔离特性和优良的输出驻波。
射频信号从中心端口馈入，通过混合多过孔探针实现与基片集成波导腔的宽带阻抗匹配；同样，功分器的输出端口也采用混合多过孔探针实现与与基片集成波导腔的宽带阻抗匹配，从而实现多路功分器的宽带特性。这种新型混合多过孔电流探针(1)由金属化通孔构成，中间的金属化过孔可用于与标准同轴接头的内导体相连接，在中间过孔周围的金属化通孔可实现宽带阻抗匹配功能。基片集成波导腔表面设计有引流槽和隔离槽，其分布具有旋转轴对称性。引流槽具有引导电流的作用，而隔离槽上安装的隔离电阻可实现各输出端口间良好的隔离。
功分器的输入端口位于基片集成波导腔的中心，输出端口在以输入端口为中心的圆上等间距分布，相邻输出端口间夹角为360°/N(N为功分器的功分单元数目)。当设计成同相功分器时，所有输出端口位于基片集成波导腔体的同一面；当设计成差分功分器或反相功分器时，输出端口位于基片集成波导腔体的两面。
基片集成波导腔上有N个隔离槽(N为功分器的功分单元数目)，相邻隔离槽之间有引流槽。所有引流槽尺寸相同，以基片集成波导腔中心为轴旋转对称分布；所有隔离槽尺寸相同，以基片集成波导腔中心为轴旋转对称分布。各隔离槽上安装的隔离电阻的位置也呈轴旋转对称分布。
本发明所提出的采用新型高隔离技术的宽带多路基片集成波导功分器工作原理如下：
N个输出混合多过孔探针在以输入端口为中心的圆上等间距分布，以实现N路并行等幅功分。当设计成同相功分器时，所有输出端口位于基片集成波导腔的同一面，实现输出端口相位相等；当设计成差分功分器或反相功分器时，输出端口位于基片集成波导腔的两面，从而使基片集成波导腔两面输出端口间的相位相差180°，以实现差分功分或反相功分功能。N路信号的功分一步实现，可最大限度地减小信号传输损耗。基片集成波导腔上的引流槽可引导输出端口间电流流向隔离槽，而隔离槽上安装的隔离电阻可以吸收输出端口间的传输电流，以实现各输出端口间的信号隔离。
这种并行功分电路结构和场分布都具有轴旋转对称性，只要确保输出混合多过孔探针沿圆周等间距分布，就可实现各路输出信号幅度一致，而与信号功率分配路数无关。功分器电路的宽带匹配采用混合多过孔探针实现。因此，本发明不仅具有宽带特性，还可实现任意功分路数(功分路数可为2，3，4，5，…等)，并可实现各端口间的高隔离要求，极大地提高了电路性能，可满足各种不同的应用需求，比如大数量的功率合成与相控阵馈电网络。
当需要增加功分电路的信号功分路数时，只要增加基片集成波导腔的输出端口数量，并保证功分电路的轴旋转对称性就可实现，通过引流槽和隔离槽实现各输出端口间良好的隔离特性。因此，本发明不仅可实现大数量的信号功分路数(功分路数可达16路或32路以上)，而且在不增加电路尺寸的情况下实现端口间良好的隔离，在微波毫米波多功率器件大功率合成系统和相控阵馈电网络中具有极大的应用优势。
本发明所提出的径向基片集成波导功分器电磁场工作模式为单一的TEM模，没有传输截止频率，具有宽带工作的能力。本发明是基于基片集成波导而设计，不仅损耗低、成本低、结构紧凑，而且具有宽带、高频率、大数量功分单元、输出驻波好、良好的输出端口间隔离、功分信号幅度一致性好等优势；同时可根据系统要求灵活设计成同相功分器或反相(差分)功分器。本发明主要用于微波毫米波功率合成系统、阵列天线等，在通信、雷达、测控等微波毫米波系统中有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明提出的新型功分器结构示意图；
图2是宽带四路基片集成矩形波导功分器示意图；
图3是宽带十六路基片集成径向波导功分器示意图；
图4是图2的S参数仿真曲线；
图5是图3的S参数仿真曲线；
附图中标号对应名称为：
(1)混合多过孔探针，(2)引流槽，(3)阻性隔离槽，(4)隔离电阻，(5)基片集成波导腔。
具体实施方式
下面通过举例来说明本发明的优点。
例1：如图2所示，本发明提出的新型宽带四路基片集成矩形波导功分器，其包含五个部分。分别是：混合多过孔探针，引流槽，阻性隔离槽，隔离电阻，基片集成矩形波导腔。
输入端口与基片集成矩形波导腔之间采用新型混合多过孔探针实现宽带匹配。基片集成矩形波导腔上有引流槽和阻性隔离槽，引流槽具有引导电流的作用；而阻性隔离槽上安装有隔离电阻，可实现各输出端口间良好的隔离特性。输入端的混合多过孔探针位于腔中心，输出端口的混合多过孔探针位于中心输入端口的外围，并均匀等间距分布于圆上，相邻输出端口的间隔角度为360/N(N为功分器的功分单元数目)。
图4(a)是例1的频率响应曲线，由图可知在9GHz-13GHz范围内输入端口的回波损耗为20dB左右，带内插入损耗小于0.1dB(不包含四路功分器的6dB理论插损)。
图4(b)是例1的输出端驻波与隔离特性，由图可看出，输出端口的隔离度在9.5GHz-13GHz范围内大于10dB。
例2：如图3所示，本发明提出的新型宽带十六路基片集成径向波导功分器，其包含4个部分。分别是：混合多过孔探针，阻性隔离槽，隔离电阻，基片集成波导腔。
输入端口与基片集成径向波导腔之间采用新型混合多过孔探针实现宽带匹配。基片集成径向波导腔上有阻性隔离槽，阻性隔离槽上安装有隔离电阻，可实现各输出端口间良好的隔离特性。输入端的混合多过孔探针位于腔中心，输出端口的混合多过孔探针位于中心输入端口的外围，并均匀等间距分布于圆上，相邻输出端口的间隔角度为360/N(N为功分器的功分单元数目)。
图5(a)是例2的频率响应曲线，由图可知输入端口的回波损耗在4.8GHz-8.3GHz范围内为25dB左右，带内插入损耗小于0.1dB(不包含十六路功分器的12dB理论插损)。
图5(b)是例2的输出端驻波与隔离特性，由图可看出，输出端口的隔离度在整个通带内都达到20dB左右。

Claims (8)

1.采用高隔离技术的宽带多路基片集成波导(SIW)功分器，包括混合多过孔电流探针(1)、引流槽(2)、阻性隔离槽(3)、隔离电阻(4)、以及基于金属化通孔技术构成的基片集成波导(SIW)(5)，其特征在于，所述功分器的输入端口位于基片集成波导(SIW)(5)的中心，N个输出端口在以所述输入端口为中心的圆上等间距分布，在所述输入端口与每一个所述的输出端口之间均设置有一个引流槽(2)，相邻引流槽(2)之间设置有隔离槽(3)，所述隔离槽(3)上设置有隔离电阻(4)，所述混合多过孔电流探针(1)由中间金属化过孔和位于所述中间金属化过孔周围的金属化通孔构成，所述混合多过孔电流探针(1)设置于所述功分器的输入端口和输出端口，采用混合多过孔电流探针，引流槽和隔离槽技术，以实现输出端口的高隔离特性和优良的输出驻波特性。
2.根据权利要求1所述的采用高隔离技术的宽带多路基片集成波导(SIW)功分器，所述功分器是基于金属化通孔技术构成基片集成波导(SIW)(5)，通过金属化通孔技术，功分器可设计成径向腔、圆形腔或者矩形腔结构。
3.根据权利要求1所述的采用高隔离技术的宽带多路基片集成波导(SIW)功分器，所述功分器采用混合多过孔电流探针(1)实现输入/输出标准的同轴端口到功分器/合成器基片集成波导(SIW)(5)的宽带阻抗匹配，混合多过孔电流探针(1)由金属化通孔构成，中间的金属化过孔可用于与标准同轴接头的内导体相连接，中间过孔周围的金属化通孔可实现宽带阻抗匹配功能，使输入/输出端口与功分器基片集成波导(SIW)(5)之间实现良好的宽带阻抗匹配，从而实现功分器宽带特性。
4.根据权利要求1所述的采用高隔离技术的宽带多路基片集成波导(SIW)功分器，所述功分器表面设计有引流槽(2)和隔离槽(3)，引流槽(2)和隔离槽(3)分布于基片集成波导(SIW)(5)的上表面，其分布具有中心旋转轴对称性。
5.根据权利要求4所述的采用高隔离技术的宽带多路基片集成波导(SIW)功分器，引流槽(2)具有引导表面电流的作用，隔离槽(3)上安装了多个隔离电阻(4)，隔离电阻(4)的个数和阻值由电路设计确定。
6.根据权利要求1所述的采用高隔离技术的宽带多路基片集成波导(SIW)功分器，所述功分器的输入端口位于基片集成波导(SIW)(5)的中心，输出端口在以输入端口为中心的圆上等间距分布，相邻输出端口间夹角为360°/N，其中N为功分器的功分单元数目，当设计成同相功分器时，所有输出端口位于基片集成波导(SIW)(5)的同一面；当设计成差分功分器或反相功分器时，输出端口位于基片集成波导(SIW)(5)的两面。
7.根据权利要求4或5所述的采用高隔离技术的宽带多路基片集成波导(SIW)功分器，基片集成波导(SIW)(5)有N个隔离槽(3)，相邻隔离槽(3)之间有引流槽(2)，所有引流槽(2)尺寸相同，以基片集成波导(SIW)(5)中心为轴旋转对称分布；所有隔离槽(3)尺寸相同，以基片集成波导(SIW)(5)中心为轴旋转对称分布，各隔离槽(3)上安装的隔离电阻(4)的位置也呈轴旋转对称分布。
8.根据权利要求1所述的采用高隔离技术的宽带多路基片集成波导(SIW)功分器，所述功分器具有并行功率分配作用，能够将输入信号一次性分配至N个输出端口，减少信号的传输路径，以降低功率分配的损耗，同时，这种功分器将输入/输出端口进行交换，变成功率合成器，采用高隔离技术的宽带多路基片集成波导(SIW)功率合成器的结构和设计与上述功分器完全一样。
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