CN102856617A

CN102856617A - 一种宽带基片集成波导环行器

Info

Publication number: CN102856617A
Application number: CN2012103515852A
Authority: CN
Inventors: 陈良; 熊林; 汪晓光; 邓龙江; 何璐; 谢建良
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2013-01-02

Abstract

一种宽带基片集成波导环行器，属于微波器件技术领域。包括矩形介质基片5、背面的金属地板和正面金属图形。正面金属图形中间位置的一个正三角形金属图形1，正三角形金属图形1、介质基片5和背面金属地板形成一个120度旋转对称的三端口基片集成波导结构。基片集成波导结构的中心圆形窗口；圆形窗口内置中心结旋磁铁氧体3。基片集成波导结构的三个端口分别采用三段四分之一中心波长的梯形微带过渡线2连接至位于介质基片5边上的作为T型端口三段50Ω标准微带线6。本发明在全X波段（8.2GHz～12.4GHz）内具有高隔离性能，低插入损耗和低端口驻波，且具有小型化、大功率、可集成化、低成本的特点。

Description

一种宽带基片集成波导环行器

技术领域

本发明属于微波器件技术领域，具体涉及宽带基片集成波导环行器。

背景技术

微波铁氧体器件自二十世纪登上历史舞台后，特别是经历近三十年飞速发展，微波铁氧体器件的应用迅速扩展到民用通讯、工农医等领域。近些年来，民用电子工业（特别是电子通信）和单片集成技术（MMIC）的飞速发展，加之军用器件在尺寸、性能、带宽、可靠性及环境生存能力等方面的要求比过去更加苛刻，微波通讯等设备要求整机朝着集成化方向发展，微波铁氧体器件，如环行器、隔离器等也必须顺应整机发展方向发展。例如，相控阵雷达在其雷达阵列中所需的移相器、环行器至少要有几百上千的数量，甚至多达万计，因此其整机的体积大小将受铁氧体器件的大小限制，传统波导环行器受到新兴平面结构器件的挑战，平面结构器件依靠其体积小、重量轻、易集成、造价低等诸多优势越来越受到欢迎，并成为器件发展的一大趋势。

铁氧体微波器件是利用微波在铁氧体媒质中的非互易传播效应设计制成的。环行器是最常用的微波铁氧体器件之一，是一种具有定向传输特点的非互易性器件。环行器的种类很多，常用的有矩形波导结环形器，随着微带线的发展，也产生了微带结环行器。传统的矩形波导结环行器具有高品质因数、超宽带、低损耗、温度特性好、高功率容量等优点，现有技术在X波段内，传统矩形波导环行器的带宽能做到满带，即整个X波段内都有良好的传输和隔离，但它们体积大、加工工艺和调试过程复杂、系统造价昂贵、维护困难。例如，合肥的范宇等人研制的波导结式环行器在X波段能达到满带，带宽为40%，但其体积大，调试困难。

基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide简称SIW）是一种新型的波导结构，它源于矩形波导和微带线，具有低成本、低损耗、高Q值和可高密度集成于微波毫米波电路及其子系统的优点，基片集成波导已逐渐成为微波传输线及器件的一个重要发展方向。近年来，吴柯教授和洪伟教授分别带领的团队在SIW研究做了巨大的贡献。基片集成波导技术发展迅猛，其产品有基片集成波导滤波器、基片集成波导定向耦合器、窄带基片集成波导环行器、基片集成波导多工器基片集成波导微带线转接器等无源器件。例如，南京金国庆等人研制的X波段环行器体积为

但其带宽仅为10%，加拿大的William D’Orazio研制的毫米波SIW环行器20dB的带宽也仅为12%。

平面结构的环行器有SIW环行器、微带环行器，这类平面器件体积小、重量轻、易集成、造价低，但普片存在带宽不够，带宽很窄，很难做到满频带。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型化、大功率、可集成化、低成本超宽带的基片集成波导环行器，该环行器在全X波段（8.2GHz～12.4GHz）内具有高隔离性能，低插入损耗和低端口驻波。

本发明提供的宽带基片集成波导环行器，其结构如图1所示，包括矩形介质基片5、覆盖于矩形介质基片5背面的金属地板和覆盖于矩形介质基片5正面金属图形。所述正面金属图形包括位于矩形介质基片5正面中间位置的一个正三角形金属图形1，正三角形金属图形1的一个边平行于矩形介质基片5的长边；正三角形金属图形1的三个内角处具有三排弧形过渡的金属化通孔4，使得正三角形金属图形1、介质基片5和背面金属地板形成一个120度旋转对称的三端口基片集成波导结构。所述120度旋转对称的三端口基片集成波导结构的中心开有一个贯穿介质基片5以及介质基片5两面的金属层的圆形窗口；所述圆形窗口与正三角形金属图形1的内切圆同心、但其直径小于内切圆的直径；所述圆形窗口中放置圆柱形中心结旋磁铁氧体3，中心结旋磁铁氧体3的直径与圆形窗口的直径相匹配、其高度不超过介质基片5的厚度。所述120度旋转对称的三端口基片集成波导结构的三个端口分别采用三段长度为四分之一中心波长的梯形微带过渡线2连接至位于介质基片5其中三个边的三段50Ω标准微带线6，所述三段50Ω标准微带线6构成整个宽带基片集成波导环行器的T型端口。

为了使得梯形微带过渡线2与50Ω标准微带线6之间的阻抗匹配，在所述三段长度为四分之一中心波长的梯形微带过渡线2对应的区域分别具有一个金属阻抗匹配调节柱，所述金属阻抗匹配调节柱从背面金属地板插入介质基板中，三个金属阻抗匹配调节柱与所述圆形窗口之间的距离相等，并呈120度旋转对称。

本发明提供的宽带基片集成波导环行器的端口利用金属阻抗匹配调节柱7和四分之一中心波长的梯形微带过渡线2将中心Y结转换成T型接头，便于器件和系统的集成。为拓展环行器的带宽，在SIW到微带线的过度段采用金属阻抗匹配调节柱7进行阻抗匹配，即在SIW的背面打入金属阻抗匹配调节柱（直径d₂，深度h₂小于介质基片5的厚度）。采用梯形微带过渡线2将中心结的阻抗过渡到50Ω的标准微带6一方面可以减小器件的体积，另一方面可以增加基片集成波导与微带传输线间的耦合，降低插损。由于SIW对频率变化的敏感度要强于微带对频率的变化，所以，此处Y型接头转变成T型接头采用微带线而不采用基片集成波导。

本发明基片集成波导环行器中的基片集成波导的宽度，即两排金属化通孔间距为S，S满足：

f_{cTE 10} = \frac{c_{0}}{2 S \sqrt{ϵ_{r}}} &GreaterEqual; 8.0 GHz,

f_{cTE 10} = \frac{c_{0}}{2 S \sqrt{ϵ_{r}}} \leq 12.5 GHz;

ε_r为介质基片5的相对介电常数，C₀为真空中光速，金属化通孔直径为d，d<<λ，λ为中心波长，相邻金属化通孔的孔间距为p，为拓展环行器的带宽，在金属化通孔走向改变的地方金属化通孔间距略小于p，p<<λ，p/d≤2。

本发明基片集成波导环行器的三个端口的内嵌微带匹配线五的过度长度为1/4λ，内嵌微带匹配线宽的一端内嵌进入基片集成波导，窄的一端接50Ω标准微带线五，内嵌微带匹配线五的中心对称线位于两排金属化通孔间中心位置如图2所示。金属调配柱四离中心铁氧体的距离为L₁。

本发明基片集成波导环行器，与现有X波段结环行器相比，其优点如下：

（1）具有超宽频带特性，回波损耗在整个X波段内都优于17dB，20dB的带宽超过3.8GHz。

（2）比传统波导结环行器体积小很多，易加工调试，生产维护成本低，可实现器件和系统的集成。

（3）比现有微带结环行器功率容量大，插如损耗低。

附图说明

图1为本发明提供的宽带基片集成波导环行器结构示意图。其中1表示正三角形金属图形，2表示梯形微带过渡线，3表示中心结旋磁铁氧体，4表示金属化通孔，5表示介质基板，6表示50Ω标准微带线。

图2为本发明提供的宽带基片集成波导环行器正面结构尺寸标注图。

图3为本发明提供的宽带基片集成波导环行器背面结构尺寸标注图。

图4为本发明提供的宽带基片集成波导环行器的具体实施例1的端口一的反射和隔离曲线。

图5为本发明提供的宽带基片集成波导环行器的具体实施例1的端口二的反射和隔离曲线。

图6为本发明提供的宽带基片集成波导环行器的具体实施例1的端口三的反射和隔离曲线。

图7为本发明提供的宽带基片集成波导环行器的具体实施例1的三个端口的传输性能曲线。

图8为本发明提供的宽带基片集成波导环行器的具体实施例1的三个端口的驻波曲线。

具体实施方式

具体实施例1

结合图1和图4，介质基板为1mm厚，介质的相对介电常数ε_r=10，构成基片集成波导的金属化通孔4的直径d为0.35mm，相邻金属化通孔4间距p为0.6mm，两排金属化通孔间距S为7.4mm。金属阻抗匹配调节柱7的直径d₂=0.4mm，插入介质基板的深度h₂=0.5mm，距离中心结旋磁铁氧体3的几何中心L₁=4.3mm。基片集成波导环行器的中心结旋磁铁氧体3的直径D为5.25mm，高度为介质基板的厚度1mm，如图4所示。梯形微带过渡线2的长度L为1/4λ，λ为中心波长，梯形微带过渡线2内接SIW的宽边W尺寸为2.8mm，外接50Ω标准微带线的窄边W₁尺寸为0.9mm，整个环行器的尺寸为12.4mm×12.6mm×1mm，如图2所示。通过Ansoft/HFSS12仿真软件，对本发明基片集成波导环行器进行3D电磁仿真，仿真结果如图4至图8所示。

由图4至图8可以看出，本发明提供的宽带基片集成波导环行器三个端口在X波段内的回波损耗和隔离度都优于17dB，20dB的带宽超过3.8GHz。插入损耗在整个X波段内都优于0.6dB，实现了高性能的超宽频带。

Claims

1.一种宽带基片集成波导环行器，其结构包括矩形介质基片（5）、覆盖于矩形介质基片（5）背面的金属地板和覆盖于矩形介质基片（5）正面金属图形；所述正面金属图形包括位于矩形介质基片（5）正面中间位置的一个正三角形金属图形（1），正三角形金属图形（1）的一个边平行于矩形介质基片（5）的长边；正三角形金属图形（1）的三个内角处具有三排弧形过渡的金属化通孔（4），使得正三角形金属图形（1）、介质基片（5）和背面金属地板形成一个120度旋转对称的三端口基片集成波导结构；所述120度旋转对称的三端口基片集成波导结构的中心开有一个贯穿介质基片（5）以及介质基片（5）两面的金属层的圆形窗口；所述圆形窗口与正三角形金属图形（1）的内切圆同心、但其直径小于内切圆的直径；所述圆形窗口中放置圆柱形中心结旋磁铁氧体（3），中心结旋磁铁氧体（3）的直径与圆形窗口的直径相匹配、其高度不超过介质基片（5）的厚度；所述120度旋转对称的三端口基片集成波导结构的三个端口分别采用三段长度为四分之一中心波长的梯形微带过渡线（2）连接至位于介质基片（5）其中三个边的三段50Ω标准微带线（6），所述三段50Ω标准微带线（6）构成整个宽带基片集成波导环行器的T型端口。

2.根据权利要求1所述的宽带基片集成波导环行器，其特征在于，所述三段长度为四分之一中心波长的梯形微带过渡线（2）对应的区域分别具有一个金属阻抗匹配调节柱（7），所述金属阻抗匹配调节柱（7）从背面金属地板插入介质基板中，三个金属阻抗匹配调节柱（7）与所述圆形窗口之间的距离相等，并呈120度旋转对称。