CN104241791B - 一种微带间隙设计在基片集成波导环行器上的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波器件技术领域，尤其涉及一种微带间隙设计在基片集成波导环行器上的应用。在基片集成波导环行器端口匹配末端微带线上引入微带间隙，改变微带线等效电路电容电感值，使环形器中心结基片集成波导与外部50欧姆微带电路达到良好匹配，同时达到隔离直流的目的。该间隙的引入，作为基片集成波导与微带间隙匹配的补充，通过等效电路的分析，使得匹配更加良好，达到展宽带宽的目的。隔离了系统中的直流部分，具有了避雷的效果。

Description

一种微带间隙设计在基片集成波导环行器上的应用

技术领域

本发明涉及微波器件技术领域，尤其涉及一种微带间隙设计在基片集成波导环行器上的应用。

背景技术

高频率环行器在军事上的雷达及微波多路通信系统中应有非常广泛。随着现代技术的发展，军用器件对于小型化、轻型化、高功率、集成化、高性能的要求越来越高。传统的环形器技术如带状线环行器和微带环行器已经不能满足这些要求。基片集成波导(SIW)作为一种新兴的传输线，它既具有矩形波导高品质因数、低损耗、以及相对较高的功率容量，又具有微带线体积小、易于集成化的优点，因而SIW传输线可以在微波、毫米波环行器中得到广泛应用。

为了方便SIW与其它电路的集成，通常要采用50欧姆微带线与SIW连接。连接方式各有不同，目前为止，所有的设计，都不能同时达到良好反射系数与宽的带宽的要求。

发明内容

针对上述存在问题或不足，本发明提供了一种微带间隙设计在基片集成波导环行器上的应用。其适用于基片集成波导环行器中心结SIW结构与50欧姆微带线匹配的补充，增强了匹配，展宽了带宽，同时能够达到隔离直流的目的，可以使得器件达到避雷的要求。

本发明所采用的技术方案是：

步骤一、设计一种Ka波段环行器，包括中心结，三个外接50欧姆微带端口，50欧姆微带与SIW过渡段，还包括一个微带间隙，该微带间隙位于T型环行器两对称直端口50欧姆微带线末端处，距离端口边缘距离为0<W1≤0.1mm，微带间隙宽度为0<S≤0.01mm，微带介质层厚度为0.4≤h≤1mm，间隙处微带的导带宽度W为50欧姆微带宽度；

步骤二、依据公式

优化上述参数，其中ε_r为介质板介电常数；

步骤三、确定微带间隙等效电路各集总参数元件值C₁₁，C₁₂，L₁₂，L₁₁，R₁，R₂，C₂，L₂其值由以下公式确定：

步骤四、将环行器SIW部分与中心结部分抽出电原理图，将间隙电原理图与其余部分电原理图代入ADS软件优化，可以获得最优匹配电路，使环行器达到最佳性能；由此等效电路，推导出环行器最佳性能时微带间隙的S与W值，最后将此时的微带间隙模型代入HFSS软件中，继续优化得到最好微带间隙模型数值S，W,W1，h。

如图1所示，微带间隙位于T型环行器两直端口50欧姆微带线末端处。如图2所示，间隙宽度为S，间隙处的导带宽度为W，间隙距离环行器边缘距离为W1，介质层厚度为h。微带间隙等效电路如图3所示。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、使得外接50欧姆微带与基片集成波导中心结匹配同时达到良好反射系数与更宽的带宽的要求；

2、隔离了系统中的直流部分，达到避雷的效果。

附图说明

图1基片集成波导环行器中微带间隙结构图

图2为微带间隙结构；

图3为微带间隙结构等效电路；

图4为环行器性能。

附图标记：S为间隙宽度。

具体实施方式

8mm基片集成波导环行器，中心工作频率为36GHz。

8mm环行器中微带间隙设计步骤为：

经过优化后的参数，可以得带如下结果

1、确定微带间隙位置。微带间隙位于T型环行器两对称直端口50欧姆微带线末端处，距离端口边缘距离为W1＝0.05mm.

2、确定微带间隙宽度，将微带间隙宽度设计为S＝0.004mm。

3、间隙处微带的导带宽度为W＝1.36mm，微带介质层厚度为h＝0.508mm.8mm基片集成波导环行器中，环行器工作在36GHz。

微带间隙宽度S＝0.004mm。微带间隙距离边缘距离W1＝0.05mm。间隙处微带导带宽度W＝1.36mm。介质厚度为h＝0.508mm。

通过以上设计，可以得到环行器的性能如图4所示。环行器回波损耗在20dB以下，带宽可以达到5.5GHz，插入损耗在0.45dB以内，带宽可以达到5.2GHz，隔离在20dB以下，带宽可以达到6GHz，比现有同频段环行器带宽大大展宽。

Claims (2)

1.一种微带间隙设计在基片集成波导环行器上的应用，其技术方案是：

步骤一、设计一种Ka波段环行器，包括中心结，三个外接50欧姆微带端口，50欧姆微带与SIW过渡段，还包括一个微带间隙，该微带间隙位于T型环行器两对称直端口50欧姆微带线末端处，距离端口边缘距离为0<W1≤0.1mm，微带间隙宽度为0<S≤0.01mm，微带介质层厚度为0.4≤h≤1mm，间隙处微带的导带宽度W为50欧姆微带宽度；

步骤二、依据公式

$\frac{W}{h}=\frac{2}{\mathrm{\&pi;}}\&lsqb;B-1-Ln(2B-1)+\{Ln(B-1)+0.39-\frac{0.61}{{\mathrm{\&epsiv;}}_r}\}\&rsqb;$

$A=\frac{Z_0}{60}\sqrt{\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_r+1}{2}}+\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_r-1}{{\mathrm{\&epsiv;}}_r+1}(0.23+\frac{0.11}{{\mathrm{\&epsiv;}}_r}),B=\frac{377\mathrm{\&pi;}}{2Z_0\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_r}}$

优化上述参数，其中ε_r为介质板介电常数；

步骤三、确定微带间隙等效电路各集总参数元件值C₁₁，C₁₂，L₁₂，L₁₁，R₁，R₂，C₂，L₂其值由以下公式确定：

$c_{11}\&CenterDot;\frac{25Z_0}{h}=\&lsqb;1.125\tanh \left(1.358\frac{W}{h}\right)-0.315\&rsqb;\&CenterDot;\tanh \&lsqb;(0.0262+0.184\frac{h}{W})+(0.217+0.0619ln\frac{W}{h})\frac{S}{h}\&rsqb;$

$c_{12}\&CenterDot;\frac{25Z_0}{h}=\&lsqb;6.832\tanh \left(0.0109\frac{W}{h}\right)+0.910\&rsqb;\&CenterDot;\tanh \&lsqb;(1.411+0.314\frac{h}{W})+{\left(\frac{S}{h}\right)}^{1.248+0.360{\tan }^{-1}\frac{W}{h}}\&rsqb;$

$\begin{array}{c}{L}_{12}\&CenterDot;\frac{25}{{\mathrm{hZ}}_0}=\&lsqb;0.008285\tanh \left(0.5665\frac{W}{h}\right)+0.0103\&rsqb;+\&lsqb;0.1827+0.00715ln\frac{W}{h}\&rsqb;\\ \&CenterDot;\exp \&lsqb;-1\&CenterDot;(5.207+1.283\tanh (1.656\frac{h}{W}\left)\right)\&CenterDot;{\left(\frac{S}{h}\right)}^{0.542+0.873{\tan }^{-1}\frac{W}{h}}\&rsqb;\end{array}$

$L_{11}\&CenterDot;\frac{25}{{\mathrm{hZ}}_0}=\&lsqb;0.134+0.0436ln\frac{h}{W}\&rsqb;\&CenterDot;\exp \&lsqb;-1\&CenterDot;(3.656+0.246\frac{h}{W})\&CenterDot;{\left(\frac{S}{h}\right)}^{1.739+0.390\ln \frac{W}{h}}\&rsqb;$

$\frac{R_1}{Z_0}=1.024\tanh \left(2.025\frac{W}{h}\right)\&CenterDot;\tanh \&lsqb;(0.01584+0.0187\frac{h}{W})\frac{S}{h}+(0.1246+0.0394\&CenterDot;\sinh (\frac{W}{h}\left)\right)\&rsqb;$

$c_2\&CenterDot;\frac{25Z_0}{h}=\&lsqb;0.1776+0.05104ln\left(\frac{W}{h}\right)\&rsqb;\frac{h}{S}+\&lsqb;0.574+0.3615\frac{h}{W}+1.156ln\left(\frac{W}{h}\right)\&rsqb;\&CenterDot;\sec h\left(2.3345\frac{S}{h}\right)$

$L_2\&CenterDot;\frac{25}{{\mathrm{hZ}}_0}=\&lsqb;0.00228+\frac{0.0873}{7.52W/h+\cosh (W/h)}\&rsqb;\&CenterDot;\sinh \left(2.3345\frac{S}{h}\right)$

$\frac{R_2}{Z_0}=\&lsqb;-1.78+0.749\frac{W}{h}\&rsqb;\frac{S}{h}+\&lsqb;1.196-0.971ln\left(\frac{W}{h}\right)\&rsqb;\&CenterDot;\sinh \left(2.3345\frac{S}{h}\right);$

步骤四、将环行器SIW部分与中心结部分抽出电原理图，将间隙电原理图与其余部分电原理图代入ADS软件优化，可以获得最优匹配电路，使环行器达到最佳性能；由此等效电路，推导出环行器最佳性能时微带间隙的S与W值，最后将此时的微带间隙模型代入HFSS软件中，继续优化得到最好微带间隙模型数值S，W,W1，h。

2.如权利要求1所述微带间隙设计在基片集成波导环行器上的应用,其特征在于：应用于中心工作频率为36GHz的8mm基片集成波导环行器，所述微带间隙宽度S＝0.004mm，微带间隙距离边缘距离W1＝0.05mm，间隙处微带导带宽度W＝1.36mm，介质厚度为h＝0.508mm。