CN104505567A - 一种基片集成波导环行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基片集成波导环行器，属于微波、毫米波器件技术领域。它包括基片集成波导和微带线，基片集成波导和微带线之间采用共面波导嵌入式连接，共面波导的缝隙宽度为g，长度分别为L_g1和L_g2，λ_g为环行器的工作波长，其中0.05mm≤g≤0.15mm，0.25≤L_g1/λ_g≤0.375，0.125≤L_g2/λ_g≤0.15。本发明通过采用共面波导嵌入式连接的匹配技术，实现了阻抗的良好匹配的同时实现了环行器的小型化。

Description

一种基片集成波导环行器

技术领域

本发明涉及微波、毫米波器件技术领域，尤其涉及一种基片集成波导环行器。

背景技术

电磁波频谱是有限的，随着现代技术的不断发展，可利用的频谱资源日益紧张，因而逐渐向微波、毫米波波段发展，相关的器件和设备也更加小型化。传统的传输线如微带线和波导由于各自的缺点，在应用中有一定的局限性。基片集成波导(SIW)作为一种新兴的传输线，它既具有波导较高的品质因数、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能在微波、毫米波设备中得到广泛应用。

环行器作为一种非可逆器件在现代通信、雷达、电子对抗中都起着重要作用。SIW目前已经被用于环行器的设计，这种结构的环行器仍然具有SIW传输线较高的功率容量、容易集成等优点。为了便于与外接电路相连接，以及展宽工作带宽，通常要采用微带线对环行器中的SIW传输线进行转接。由于外接电路的阻抗和SIW传输线阻抗往往不一样，为了减小电磁波信号的反射，因而在它们之间需要进行阻抗匹配。常用的阻抗匹配方法有线性渐变微带线、指数律渐变微带线以及切比雪夫渐变微带线匹配。对于线性渐变微带线匹配，它的加工简单，但是匹配效果不如后面两种方法。而后两种匹配方法由于微带线宽度的变化比较复杂，加工难度会大大增加。此外，这些方法的另一个缺点在于获得低回波损耗时，微带渐变线会普遍偏长，与实现器件的小型化相矛盾。

发明内容

针对上述存在问题或不足，本发明提供了一种基片集成波导环行器，包括基片集成波导和微带线，基片集成波导和微带线之间采用共面波导嵌入式连接，共面波导的缝隙宽度为g，长度分别为L_g1和L_g2，λ_g为环行器的工作波长，上述各参数同时满足下面的关系式：0.05mm≤g≤0.15mm,0.25≤L_g1/λ_g≤0.375,0.125≤L_g2/λ_g≤0.15.

本发明的环行器铜表面还镀有一层防氧化的金属，如镀金可以增强铜导体的导电能力，同时可以防止铜表面被氧化。

其设计步骤为：

步骤一、环行器设计材料的选择，选择介质基板和铁氧体的材料；

步骤二、确定SIW传输线的参数，在介质基板上打上周期性排列的金属化通孔制得SIW传输线，SIW的结构由通孔直径d、孔间距s、基片厚度h和SIW的宽度a来确定，其中孔间距以圆心距离计，宽度a以圆心距离计；它们满足关系式：s/d<2，d/a<0.2，以及公式

$a_{\mathrm{eff}}=a-1.08\frac{d^2}{s}+0.1\frac{d^2}{a}---\left(1\right)$

其中a_eff为填充同种介质的矩形波导的宽度，a_eff初值取0.8λ_g；

步骤三、根据步骤一中所选择的铁氧体材料，进行铁氧体尺寸的计算，铁氧体高度与介质基板等高，铁氧体半径R_f根据下述公式得到

$R_f=\frac{1.84\mathrm{\&lambda;}}{2\mathrm{\&pi;}\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_f{\mathrm{\&mu;}}_e}}---\left(2\right)$

其中λ为该频率下真空中的波长，ε_f为铁氧体的相对介电常数，μ_e为铁氧体有效磁导率；

步骤四、在SIW传输线上进行共面波导的设计，共面波导两端分别与SIW传输线和微带线连接；并对环行器中的主要参数进行优化，包括铁氧体半径R_f、SIW传输线的宽度a，以及共面波导缝隙宽度g和缝隙长度L_g1和L_g2，得到g、L_g1和L_g2的取值范围；

步骤五、依据上述各步骤确定的参数值制作SIW环行器。

本发明是基于共面波导可以采取嵌入式的连接方法，即从SIW传输线内部开始匹配，而微带线的连接是从SIW传输线的终端开始，因此本发明的匹配方法可实现环行器体积的小型化。共面波导作为一种性能优越、加工方便的微波平面传输线，容易实现无源、有源器件在微波电路中的串联和并联，提高电路密度等优点。共面波导被广泛应用于微波、毫米波、光学与高温超导等集成电路中,如毫米波放大器,合成器,混频器,高温超导滤波器以及贴片天线当中。

综上所述本发明的有益效果是，由于采用了共面波导的设计，实现了阻抗的良好匹配，缩短了阻抗匹配段的长度，从而实现了环行器的小型化。

附图说明

图1是SIW平面结构图；

图2是微带线—共面波导—基片集成波导环行器平面结构图；

图3是环行器S参数曲线图；

图4是3个端口的输出阻抗曲线图；

附图标记：g为共面波导的缝隙宽度，L_g1和L_g2分别为共面波导的缝隙长度，d为SIW圆形通孔的直径，s为SIW同行相邻两个圆形通孔的孔间距，a为SIW两行圆形通孔的行间距，R_f为中心铁氧体的半径，L_t为50Ω微带线的长度，w_{_50Ω}为微带线的宽度，w_{_sub}为介质基板的宽度。

具体实施方式

以一个工作于Ka波段的Y型三端口环行器设计为例，本实施方式满足以下指标要求：在34.3～37.3GHz范围内回波损耗和隔离都小于-25dB，插入损耗优于0.7dB,三个端口的输出阻抗为50Ω。

设计步骤为：

步骤一、选择一种双面覆铜的相对介电常数ε_r为3，基片高度h为0.508mm的印制电路板(PCB)作为介质基板。铁氧体的饱和磁化强度4πMs＝5200Gauss，有效线宽ΔH＝100Oe，相对介电常数ε_f为13。

步骤二、在PCB板上打上周期性排列的金属化通孔形成SIW传输线，通孔的直径d为0.40mm，孔间距s为0.70mm，SIW的宽度a根据公式计算为4.25mm,图1为SIW平面结构图。

步骤三、铁氧体的高度为0.508mm，半径R_f根据公式得到为0.78mm。

步骤四、采用SIW进行环行器的设计，环行器的三个臂由三段SIW传输线组成，并使用特性阻抗为50Ω的标准微带线作为与外电路的连接线，在微带线与SIW传输线之间采用共面波导进行阻抗匹配，共面波导的中心导体宽度与50Ω的标准微带线等宽，缝隙的设计值满足下面的关系式：

0.05mm≤g≤0.15mm

0.25≤L_g1/λ_g≤0.375

0.125≤L_g2/λ_g≤0.15

此时环行器的结构如图2所示。

步骤五、在获得参数的初始值后，仍需进一步的优化，优化的结构参数有a、R_f、g、L_g1和L_g2。

更进一步的，经过证明s＝0.70mm,d＝0.40mm,a＝4.05mm，R_f＝0.80mm，g＝0.10mm,L_g1＝1.50mm,L_g2＝0.71mm,50Ω微带线宽度w_{_50Ω}＝1.28mm,长度L_t＝1.50mm，基片宽度w_{_sub}＝6.00mm时，具有极佳的性能。

如图3所示，在34.3～37.3GHz带宽内回波损耗和隔离都小于-25dB，插入损耗优于0.7dB。图4给出了三个端口的输出阻抗，均在50Ω左右。在Ka波段，相比于从SIW传输线终端开始匹配的环行器，本设计的插入损耗增加了0.4dB，但微带线部分的长度减小了40％～70％。

Claims (3)

1.一种基片集成波导环行器，包括基片集成波导和微带线，其特征在于：基片集成波导和微带线之间采用共面波导嵌入式连接，共面波导的缝隙宽度为g，长度分别为L_g1和L_g2，λ_g为环行器的工作波长；

0.05mm≤g≤0.15mm,0.25≤L_g1/λ_g≤0.375,0.125≤L_g2/λ_g≤0.15。

2.如权利要求1所述基片集成波导环行器，其特征在于：s＝0.70mm,d＝0.40mm,a＝4.05mm，R_f＝0.80mm，g＝0.10mm,L_g1＝1.50mm,L_g2＝0.71mm,w_{_sub}＝6.00mm,h＝0.508mm，w_{_50Ω}＝1.28mm，L_t＝1.50mm；其中s为SIW同行相邻两个圆形通孔的孔间距，d为SIW圆形通孔的直径，a为SIW两行圆形通孔的行间距，R_f为中心铁氧体的半径，g为共面波导的缝隙宽度，L_g1和L_g2分别为共面波导的缝隙长度，w_{_50Ω}和L_t分别为50Ω微带线的宽度和长度，w_{_sub}和h分别为介质基板的宽度和高度。

3.如权利要求1所述基片集成波导环行器的设计步骤为：

步骤一、环行器设计材料的选择，选择介质基板和铁氧体的材料；

步骤二、确定SIW传输线的参数，在介质基板上打上周期性排列的金属化通孔制得SIW传输线，SIW的结构由通孔直径d、孔间距s、基片厚度h和SIW的宽度a来确定，其中孔间距以圆心距离计，宽度a以圆心距离计；它们满足关系式：s/d<2，d/a<0.2，以及公式

$a_{\mathrm{eff}}=a-1.08\frac{d^2}{s}+0.1\frac{d^2}{a}---\left(1\right)$

其中a_eff为填充同种介质的矩形波导的宽度，a_eff初值取0.8λ_g；

步骤三、根据步骤一中所选择的铁氧体材料，进行铁氧体尺寸的计算，铁氧体高度与介质基板等高，铁氧体半径R_f根据下述公式得到

$R_f=\frac{1.84\mathrm{\&lambda;}}{2\mathrm{\&pi;}\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_f{\mathrm{\&mu;}}_e}}---\left(2\right)$

其中λ为该频率下真空中的波长，ε_f为铁氧体的相对介电常数，μ_e为铁氧体有效磁导率；

步骤四、在SIW传输线上进行共面波导的设计，共面波导两端分别与SIW传输线和微带线连接；并对环行器中的主要参数进行优化，包括铁氧体半径R_f、SIW两排通孔的行距a，以及共面波导缝隙宽度g和缝隙长度L_g1和L_g2，得到g、L_g1和L_g2的取值范围；

步骤五、依据上述各步骤确定的参数值制作SIW环行器。