CN105826643B - 基于半模基片集成波导的紧凑型六端口电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于半模基片集成波导的紧凑型六端口电路，利用半模基片集成波导磁壁耦合的3dB定向耦合器，实现了抗干扰性更强且结构紧凑的六端口电路。传统基于HMSIW电壁孔径耦合的耦合器结构，等效磁壁裸露在外侧，高度集成时易被干扰。并且在强耦合时，孔径相对很大，电路的尺寸也变得很大。本发明在HMSIW磁壁间实现耦合，具有更强的抗干扰能力。功率分配器模块，在微带渐变线与SIW连接处添加感性金属化通孔，进一步扩大了功分器的带宽。相位变换器则采用八分之一波长的HMSIW传输线实现。将这三者连接起来，实现了本发明提出的紧凑型六端口电路。

Description

基于半模基片集成波导的紧凑型六端口电路

技术领域

本发明涉及一种基于半模基片集成波导的紧凑型六端口电路，属于微波技术领域。

背景技术

随着集成电路技术的出现和不断地发展完善，微带线、带状线、槽线等传输线在微波技术领域被广泛地应用。它们具有质量轻、成本低且易于平面化集成的优点。但是无法满足大功率容量电路的设计要求，并且高频辐射严重。基片集成波导的提出不仅解决了这些问题，还具有平面化集成的优点。半模基片集成波导是在基片集成波导的基础上提出的，减小了电路的尺寸，引起了广大研究者的兴趣。在许多基于基片集成波导的微波毫米波无源电路中，可以用半模基片集成波导代替，使得电路的尺寸进一步降低。但是半模基片集成波导是半封闭的结构，高度集成时易被干扰。

不同的波导结构所支持的电磁波模式也是不同的，它们之间的连接离不开过渡。过渡起着模式转换和调节阻抗匹配的作用。对集成电路中的其他模块而言，就像同一种传输线一样，几乎没有反射。六端口网络在反射计、矢量网络分析仪和无线通信系统的收发信机中担任着非常重要的角色，降低了相应系统的成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于半模基片集成波导的紧凑型六端口电路，实现了结构更加紧凑、抗干扰能力更强且带宽更大的六端口电路。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种基于半模基片集成波导的紧凑型六端口电路，包括介质基板、上层金属层、下层金属层、第一至第八金属通孔列，其中，上层金属层设置在介质基板的上表面，下层金属层设置在介质基板的下表面；

上层金属层上设置有第一至第四匹配结构、第一至第六微带线、第一至第六过渡结构、第一和第二金属条带对；

第一、第二金属通孔列平行，且与上层金属层、下层金属层构成第一SIW；第三、第四金属通孔列在一条直线上且均垂直于第一金属通孔列，第三金属通孔列与上层金属层、下层金属层构成第一HMSIW，第四金属通孔列与上层金属层、下层金属层构成第二HMSIW；第一SIW通过第一、第二匹配结构分别与第一HMSIW、第二HMSIW相连；第一SIW、第一HMSIW、第二HMSIW、第一和第二匹配结构构成第一功率分配器；

第五、第六金属通孔列平行，且与上层金属层、下层金属层构成第二SIW；第七、第八金属通孔列在一条直线上且均垂直于第五金属通孔列，第七金属通孔列与上层金属层、下层金属层构成第三HMSIW，第八金属通孔列与上层金属层、下层金属层构成第四HMSIW；第二SIW通过第三、第四匹配结构分别与第三HMSIW、第四HMSIW相连；第二SIW、第三HMSIW、第四HMSIW、第三和第四匹配结构构成第二功率分配器；

第一HMSIW和第三HMSIW的磁壁之间通过第一金属条带对连接，以实现磁壁间的耦合，形成定向耦合器；第二HMSIW和第四HMSIW的磁壁之间通过第二金属条带对连接，以实现磁壁间的耦合，形成定向耦合器；

第一微带线与第一SIW之间通过第一过渡结构连接，作为第一输入端口；第二微带线与第一HMSIW之间通过第二过渡结构连接，作为第一输出端口；第三微带线与第二HMSIW之间通过第三过渡结构连接，作为第二输出端口；第四微带线与第二SIW之间通过第四过渡结构连接，作为第二输入端口；第五微带线与第三HMSIW之间通过第五过渡结构连接，作为第三输出端口；第六微带线与第四HMSIW之间通过第六过渡结构连接，作为第四输出端口；

第一HMSIW的长度比第三HMSIW的长度短八分之一导波波长，形成45°相位变换器；第二HMSIW的长度比第四HMSIW的长度长八分之一导波波长，形成-45°相位变换器。

作为本发明的进一步优化方案，第一过渡结构与第一SIW的连接处、第四过渡结构域第二SIW的连接处还分别设置有一对感性金属化通孔，以实现阻抗匹配；每对感性金属化通孔分别设置在过渡结构的两侧。

作为本发明的进一步优化方案，第一至第四匹配结构的边缘均为折线形，以调节功率分配器T型结处的匹配。

作为本发明的进一步优化方案，利用金属条带对连接主、副HMSIW传输线的等效磁壁，实现耦合结构。

作为本发明的进一步优化方案，第一至第六过渡结构均为锥形过渡结构。

作为本发明的进一步优化方案，第一至第六微带线均为特性阻抗为50Ω的微带线。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明实现了结构更加紧凑、抗干扰能力更强且带宽更大的六端口电路，通过设计宽带微带线到基片集成波导的过渡和T型结出的金属边缘，有效地扩展了功率分配器的带宽；另一方面，该类结构继承了传统矩形波导的辐射损耗低，功率容量大的特点，并且避免了基片集成波导在低频尺寸太大的缺点；本发明具有平面化、小型化、宽频带的特点。

附图说明

图1是本发明的三维结构图。

图2是本发明的俯视图。

其中，1-上层金属层；2-介质基板；3-过渡结构；4-感性金属通孔；5-第一金属通孔列；6-第二金属通孔列；7-第一HMSIW；8-第二HMSIW；9-匹配结构的边缘；10-第五金属通孔列；11-第六金属通孔列；12-第三HMSIW；13-第四HMSIW；14-过渡结构；15-第一金属条带对；16-第二金属条带对；17-输入端口；18-输出端口。

图3是本发明的散射参量幅度仿真结果图，其中，（a）是信号由第一微带线激励时的仿真结果，（b）是信号由第四微带线激励时的仿真结果。

图4是本发明的散射参量相位仿真结果图，其中，（a）是第二与第四输出端口信号的相位差，（b）是第一与第三输出端口信号的相位差。

图5是本发明的散射参量测量结果图，其中，（a）是信号由第一微带线激励时的测量结果，（b）是信号由第四微带线激励时的测量结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明提供一种基于半模基片集成波导的紧凑型六端口电路，如图1和2所示，包括一层介质基板、两个输入端口、四个输出端口、调节微带线到基片集成波导SIW过渡匹配的金属化通孔、基片集成波导转变成半模基片集成波导的功率分配器、基于半模基片集成波导HMSIW的3dB定向耦合器、±45°的相位变换器。其中，功率分配器和基于HMSIW的3dB定向耦合器的设计是重点，它们性能的优劣直接影响六端口电路。基片集成波导转变成半模基片集成波导的功率分配器是由微带线先转接到SIW，再分配至两路HMSIW分支后转换为微带线输出的；并且合理设计SIW和HMSIW之间的过渡结构以调节功率分配器的T型结处的匹配，过渡结构的边缘可以设计为圆弧形或者折线形。基于半模基片集成波导HMSIW的3dB定向耦合器是利用一对金属条带连接两个HMSIW的磁壁来实现的，具有更强的抗干扰能力和更加紧凑的结构；±45°的相位变换器通过调节HMSIW传输线的长度差实现的。本发明还在微带线到SIW之间的过渡结构与SIW的连接处添加感性金属化通孔对，以在更宽的频带内实现阻抗匹配。

六端口电路包含功率分配器、耦合器、相位变换器，每个模块的性能对六端口电路都有影响。在本发明中，利用半模基片集成波导的磁壁耦合的3dB定向耦合器，实现了抗干扰性更强且结构紧凑的六端口电路。半模基片集成波导尺寸是基片集成波导（SIW）的一半，更加适应微波毫米波电路小型化的发展方向。传统基于HMSIW电壁孔径耦合的耦合器结构，等效磁壁裸露在外侧，高度集成时易被干扰。并且在强耦合时，孔径相对很大，电路的尺寸也变得很大。本发明在HMSIW磁壁间实现耦合，具有更强的抗干扰能力。功率分配器模块，在微带线到SIW的过渡结构与SIW连接处添加感性金属化通孔，进一步扩大了功分器的带宽。相位变换器则采用八分之一波长的HMSIW传输线实现。将这三者连接起来，实现了本发明提出的紧凑型六端口电路。六端口电路在矢量网络分析仪和无线通信系统的收发机中具有非常广泛的应用，值得学者们深入地研究。

本发明的实施例中，介质基板采用Rogers 4003介质板，介电常数为3.55，厚度为0.8毫米，上、下层金属层分别涂覆在该介质基板的上下表面，金属通孔通过打空气孔再金属涂覆来实现。两个输入端口、四个输出端口的微带线均为特性阻抗为50Ω的微带线，微带线的宽度为1.9mm；金属条带对中金属条带的宽度为0.2mm，长度为0.8mm，每对金属条带的间距为4.1mm；感性金属通孔向SIW的金属通孔列内侧偏离1.25mm，金属通孔的直径均为1mm；每个SIW中的金属通孔列的间距均为15mm；第一HMSIW传输线的长度比第三HMSIW传输线的长度短1.6mm，形成45°相位变换器；第二HMSIW传输线的长度比第四HMSIW传输线的长度长1.6mm，形成-45°相位变换器。给加工好的焊接SMA接头，使用矢量网络分析仪进行测试。

本发明实施例的仿真结果如图3和4所示，测量结果如图5所示，由图可知，测量结果与仿真结果基本吻合，验证了该发明的正确性。本发明实例中，基于半模基片集成波导的紧凑型六端口电路工作在频带12至 15GHz范围内（相对带宽为22.2%），回波损耗低于-19dB，两个输入端口的隔离度大于22dB。对于每个输入端口，四个输出端口均在-6至-8dB之间浮动，插入损耗相对而言非常小。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.基于半模基片集成波导的紧凑型六端口电路，其特征在于，包括介质基板、上层金属层、下层金属层、第一至第八金属通孔列，其中，上层金属层设置在介质基板的上表面，下层金属层设置在介质基板的下表面；

上层金属层上设置有第一至第四匹配结构、第一至第六微带线、第一至第六过渡结构、第一和第二金属条带对；

第一、第二金属通孔列平行，且与上层金属层、下层金属层构成第一SIW；第三、第四金属通孔列在一条直线上且均垂直于第一金属通孔列，第三金属通孔列与上层金属层、下层金属层构成第一HMSIW，第四金属通孔列与上层金属层、下层金属层构成第二HMSIW；第一SIW通过第一、第二匹配结构分别与第一HMSIW、第二HMSIW相连；第一SIW、第一HMSIW、第二HMSIW、第一和第二匹配结构构成第一功率分配器；第一至第四匹配结构的边缘均为圆弧形或者折线形；

第五、第六金属通孔列平行，且与上层金属层、下层金属层构成第二SIW；第七、第八金属通孔列在一条直线上且均垂直于第五金属通孔列，第七金属通孔列与上层金属层、下层金属层构成第三HMSIW，第八金属通孔列与上层金属层、下层金属层构成第四HMSIW；第二SIW通过第三、第四匹配结构分别与第三HMSIW、第四HMSIW相连；第二SIW、第三HMSIW、第四HMSIW、第三和第四匹配结构构成第二功率分配器；

第一HMSIW和第三HMSIW的磁壁之间通过第一金属条带对连接，以实现磁壁间的耦合，形成定向耦合器；第二HMSIW和第四HMSIW的磁壁之间通过第二金属条带对连接，以实现磁壁间的耦合，形成定向耦合器；

第一微带线与第一SIW之间通过第一过渡结构连接，作为第一输入端口；第二微带线与第一HMSIW之间通过第二过渡结构连接，作为第一输出端口；第三微带线与第二HMSIW之间通过第三过渡结构连接，作为第二输出端口；第四微带线与第二SIW之间通过第四过渡结构连接，作为第二输入端口；第五微带线与第三HMSIW之间通过第五过渡结构连接，作为第三输出端口；第六微带线与第四HMSIW之间通过第六过渡结构连接，作为第四输出端口；

第一HMSIW的长度比第三HMSIW的长度短八分之一导波波长，形成45°相位变换器；第二HMSIW的长度比第四HMSIW的长度长八分之一导波波长，形成-45°相位变换器。

2.根据权利要求1所述的基于半模基片集成波导的紧凑型六端口电路，其特征在于，第一过渡结构与第一SIW的连接处、第四过渡结构与第二SIW的连接处还分别设置有一对感性金属化通孔，以实现阻抗匹配；每对感性金属化通孔分别设置在过渡结构的两侧。

3.根据权利要求1所述的基于半模基片集成波导的紧凑型六端口电路，其特征在于，第一至第六过渡结构均为锥形过渡结构。

4.根据权利要求1所述的基于半模基片集成波导的紧凑型六端口电路，其特征在于，第一至第六微带线的特性阻抗为50Ω。