CN106953152B - 基片集成非辐射介质波导阶梯型功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基片集成非辐射介质波导阶梯型功分器，是一种由一层共面波导到槽线的过渡结构和三层基片集成非辐射介质波导构成的等分功分器。基片集成非辐射介质波导通过在三层介质板上设计对称阵列式空气通孔实现；共面波导到槽线的过渡结构集成在中间层介质板上，通过三角形渐变结构接入基片集成非辐射介质波导；设计两个对称空气通孔，和三角形渐变结构一起实现阻抗匹配；设计一排空气通孔，实现等分功分器。本发明能顺利实现由共面波导到槽线的过渡结构接入基片集成非辐射介质波导，激励起辐射性能更优良的高阶模，从而形成了等分功分器，同时实现了微波毫米波混合集成多层电路，有利于毫米波频段电路的发展，制作工艺简单，成本低廉。

Description

基片集成非辐射介质波导阶梯型功分器

技术领域

本发明涉及一种基片集成非辐射介质波导阶梯型功分器，特别涉及一种共面波导到槽线的过渡结构激励的基片集成非辐射介质波导等分功分器，属于微波技术领域。

背景技术

随着电磁兼容无线通信的飞速发展，微波领域中对微波毫米波频资源的需求越来越高，对毫米波频段的研究已成为该领域的热点，非辐射介质波导在弯曲和不连续处的无辐射损耗特性使其成为一种极具发展潜力的波导结构，极大的推动了整个微波毫米波领域的研究与发展。

为了使得非辐射介质波导平面化，即利用基片集成技术作用于非辐射介质波导构成基片集成非辐射介质波导，其本质为在裸露的介质基板上打空气通孔实现非辐射介质波导，相应的，平面电路和非平面电路的混合集成可以在多层平面电路上实现，推动了非辐射介质波导的混合集成电路和无源器件的研究，是极具发展潜力的微波毫米波传输线。为了保留非辐射介质波导的优势之余降低成本、简化加工工艺，因此直接在印刷版电路上实现基片集成非辐射介质波导的研究被提出，该研究被验证具有和基片集成非辐射介质波导一样的传输性能，进一步的推动了微波毫米波频段混合集成电路和系统的发展，具有极大的发展潜力和应用时效。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基片集成非辐射介质波导阶梯型功分器，是一种共面波导到槽线的过渡结构激励的基片集成非辐射介质波导功分器，是将共面波导到槽线的过渡结构集成到基片集成非辐射介质波导，形成了一个三层的微波毫米波电路结构，通过非辐射介质波导通孔的设计实现功分器。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种基片集成非辐射介质波导阶梯型功分器，包括顶层介质板、中间层介质板、底层介质板、顶层金属层、底层金属层，其中，顶层介质板、中间层介质板、底层介质板同轴堆叠放置；

顶层金属层设置在顶层介质板的上表面，底层金属层设置在底层介质板的下表面，顶层金属层在底层介质板下表面上的投影与底层金属层重合；

顶层介质板、中间层介质板、底层介质板的重叠区域，沿长边方向对折线预留一条介质条带，该介质条带由宽度不同的第一、第二介质条带连接而成；在第一第二介质条带的两侧分别对称设置阵列式空气通孔，从而构成基片集成非辐射介质波导；在第二介质条带远离第一介质条带的一端，沿长边方向对折线设置一排空气通孔，且该排空气通孔将第二介质条带远离第一介质条带的一端分为与第一介质条带等宽的第三、第四介质条带；在第二介质条带靠近第一介质条带的一端，设置有两个关于沿长边方向对折线对称的空气通孔；

中间层介质板与顶层介质板的未重叠区域，从中间层介质板的两端分别从短边向内设置三个共面波导到槽线的过渡结构，其中，靠近第一介质条带的一端设置第一共面波导到槽线的过渡结构，远离第一介质条带的一端设置关于中间层介质板长边方向对折线对称的第二、第三共面波导到槽线的过渡结构；第一共面波导到槽线的过渡结构中，共面波导的中心导带由中间层介质板的短边开始、沿长边方向对折线向内延伸设置，共面波导的金属接地板中靠近中间层介质板短边方向对折线的边沿与顶层金属层在中间层介质板上的投影的边沿重合；第二、第三共面波导到槽线的过渡结构中，共面波导的中心导带由中间层介质板的短边开始、分别沿第三、第四介质条带长边方向对折线向内延伸设置，共面波导的金属接地板中靠近中间层介质板短边方向对折线的边沿与顶层金属层在中间层介质板上的投影的边沿重合；

中间层介质板的上表面，分别在第一至第三共面波导到槽线的过渡结构中的槽线靠近基片集成非辐射介质波导的一端设置第一三角形渐变结构，以调整槽线宽度、实现阻抗匹配；分别在第一、第三和第四介质条带靠近第一共面波导到槽线的过渡结构的一端向第一、第三和第四介质条带内设置第二三角形渐变结构，以将共面波导到槽线的过渡结构接入基片集成非辐射介质波导；

底层介质板的下表面，从底层金属层的一对短边开始，向内分别沿第一、第三和第四介质条带在底层介质板下表面上的投影开梯形槽，以与中间层介质板上的第二三角形渐变结构相匹配，其中，沿第三和第四介质条带在底层介质板下表面上的投影所开的两个梯形槽关于底层介质板沿长边方向的对折线对称。

作为本发明的进一步优化方案，顶层介质板和底层介质板的长度均小于中间层介质板、宽度均等于中间层介质板。

作为本发明的进一步优化方案，共面波导到槽线的过渡结构由中心导带、第一和第二金属接地板、开路支节、槽线、第一和第二金属条带、金属通孔构成，其中，中心导带、第一和第二金属接地板、开路支节、槽线均设置在中间层介质板的上表面，中心导带的末端处设置与其垂直相交的金属支节，中心导带的两侧分别设置第一、第二金属接地板，金属支节位于第二金属接地板的缝隙内，第一、第二金属接地板之间存在间隙，第一金属接地板与中心导带之间存在间隙，第二金属接地板与中心导带、金属支节之间均存在间隙，金属支节及其与第二金属接地板之间的间隙构成共面波导的开路支节，开路支节中远离相应中间层介质板的短边的边沿与前述中间层介质板的短边之间的距离小于中心导带的长度，第一、第二金属接地板之间的间隙构成槽线；第一、第二金属条带均设置在中间层介质板的下表面，且第一、第二金属条带均垂直于中心导带且位于开路支节与前述中间层 介质板的短边之间，每条金属条带的两端均设置有连通金属条带与第一和第二金属接地板的金属通孔，其中，紧靠开路支节的金属通孔与开路支节相切。

作为本发明的进一步优化方案，阵列式空气通孔中通孔的尺寸和通孔之间的间距根据电路的工作频率确定。

作为本发明的进一步优化方案，顶层金属层的一对短边与顶层介质板的一对短边之间分别保留相同宽度不设置金属层。

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：本发明简化了非辐射介质波导的加工工艺，抑制了电磁波在基片集成非辐射介质波导空气通孔处的泄露损耗，实现了多层电路的混合集成，且降低了集成电路的加工成本；同时，本发明采用三层电路结构，充分利用空间，将共面波导到槽线的过渡结构从基片集成非辐射介质波导的中间接入，设置两个对称的空气通孔，和三角形渐变结构一起实现阻抗匹配性能，并设置一排空气通孔达到等分功率的效果，制作工艺灵活简单，可以实现共面波导到槽线的过渡结构接入到基片集成非辐射介质波导三层电路，形成功率等分的功分器，为微波毫米波混合集成多层电路其他类型电路的设计提供依据。

附图说明

图1是本发明的三维结构图。

图2是本发明的俯视图和侧视图，其中，（a）是俯视图，（b）是侧视图。

其中，1-中心导带与金属接地板之间的间隙；2-中心导带；3-金属通孔；4-金属条带；5-第一三角形渐变结构；6-第二三角形渐变结构；7-金属接地板；8-空气通孔的尺寸；9-空气通孔的间距；10-梯形槽；11-中间层介质板；12-底层介质板；13-顶层介质板。

图3是顶层介质板的俯视图。

图4是中间层介质板的俯视图。

图5是中间层介质板的仰视图。

图6是底层介质板的仰视图。

图7是本发明实施例的仿真S参数图。

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：

本发明设计一种基片集成非辐射介质波导阶梯型功分器，是一种由共面波导到槽线的过渡结构接入到三层基片集成非辐射介质波导构成的三层电路结构实现等分功分器，如图1至图6所示。

其中，基片集成非辐射介质波导是通过在三层介质板上设计对称阵列式空气通孔实现的，将三层介质板及其上下表面的金属层作为传统非辐射介质波导的金属板，介质板的中间区域留出一条“阶梯”型介质条带，在介质条带两侧设计一系列阵列式空气通孔，构成基片集成非辐射介质波导。再在介质板长边方向上的介质条带的末端处设置一排空气通孔，以高效的实现功率的等分。其中，阵列式空气通孔是关于介质板沿长边方向的对折线对称，空气通孔数量由介质板的尺寸决定；空气通孔的直径和间距与电路工作频率相关，影响等分功分器的设计。

如图1和图2所示，顶层介质板、中间层介质板、底层介质板同轴堆叠放置，顶层介质板和底层介质板的长度小于中间层介质板、宽度等于中间层介质板；顶层金属层设置在顶层介质板的上表面，底层金属层设置在底层介质板的下表面。如图3所示，顶层金属层的一对短边与顶层介质板的一对短边之间分别保留相同宽度不设置金属层，以方便打孔，且顶层金属层在底层介质板下表面上的投影与底层金属层重合。在顶层介质板、中间层介质板、底层介质板的重叠区域，沿长边方向对折线预留一条介质条带，在该介质条带的两侧对称设置阵列式空气通孔，从而构成基片集成非辐射介质波导。

其中，共面波导到槽线的过渡结构集成在整个功分器的中间层（即中间层介质板），将通过三角形渐变结构接入基片集成非辐射介质波导，同时，设计两个关于介质板长边方向对折线对称的空气通孔，与三角形渐变结构一起实现共面波导到槽线的过渡结构和基片集成非辐射介质波导之间的阻抗匹配。如图4至图5所示。

其中，如图6所示，从底层金属层靠近共面波导到槽线的过渡结构中槽线的一对短边开始同时向内开梯形槽，与中间层介质板的三角形渐变结构相匹配，更好的实现过渡处的阻抗匹配。

本发明的实施例中，共面波导所在的中间层介质板厚为0.635mm、相对介电常数为6.15；三层介质基板的总厚度为6.35mm（底层介质板厚度为2.54mm、中间层介质板厚度为0.635mm、顶层介质板厚度为3.175mm），相对介电常数为6.15；第一三角形渐变结构的长度为2.4198mm，向内的宽度是0.60725mm，第二三角形渐变结构的长度为4.725mm，利用三维电磁仿真软件仿真的基片集成非辐射介质波导内的S参数图（工作频率16GHz），如图7所示，回波损耗降到-15dB以下，插入损耗为-8dB左右，频率带宽为1GHz，说明了该结构的设计实现了较好的传输性能，验证介质板的基片集成非辐射介质波导能够应用于毫米波段电路，并且可以混合集成多层电路。

进一步，本发明提出将共面波导到槽线的过渡结构集成到基片集成非辐射介质波导，可以有效实现电路的平面化和微波毫米波多层电路的混合集成，共面波导到槽线的过渡结构集成到基片集成非辐射介质波导的电路充分利用空间，较少电磁干扰，利用性能较好的三角形渐变结构和两个对称的空气通孔设计实现阻抗的匹配性。基片集成非辐射介质波导中沿长边方向对称线对称的阵列式空气通孔能够有效抑制电磁波在基片集成非辐射介质波导中传播的泄露损耗，因此，本发明为微波毫米波频段混合集成多层电路其他类型的电路设计提供依据。

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 (5)

1.基片集成非辐射介质波导阶梯型功分器，其特征在于，包括顶层介质板、中间层介质板、底层介质板、顶层金属层、底层金属层，其中，顶层介质板、中间层介质板、底层介质板同轴堆叠放置；

顶层金属层设置在顶层介质板的上表面，底层金属层设置在底层介质板的下表面，顶层金属层在底层介质板下表面上的投影与底层金属层重合；

顶层介质板、中间层介质板、底层介质板的重叠区域，沿长边方向对折线预留一条介质条带，该介质条带由宽度不同的第一、第二介质条带连接而成；在第一第二介质条带的两侧分别对称设置阵列式空气通孔，从而构成基片集成非辐射介质波导；在第二介质条带远离第一介质条带的一端，沿长边方向对折线设置一排空气通孔，且该排空气通孔将第二介质条带远离第一介质条带的一端分为与第一介质条带等宽的第三、第四介质条带；在第二介质条带靠近第一介质条带的一端，设置有两个关于沿长边方向对折线对称的空气通孔；

中间层介质板与顶层介质板的未重叠区域，从中间层介质板的两端分别从短边向内设置三个共面波导到槽线的过渡结构，其中，靠近第一介质条带的一端设置第一共面波导到槽线的过渡结构，远离第一介质条带的一端设置关于中间层介质板长边方向对折线对称的第二、第三共面波导到槽线的过渡结构；第一共面波导到槽线的过渡结构中，共面波导的中心导带由中间层介质板的短边开始、沿长边方向对折线向内延伸设置，共面波导的金属接地板中靠近中间层介质板短边方向对折线的边沿与顶层金属层在中间层介质板上的投影的边沿重合；第二、第三共面波导到槽线的过渡结构中，共面波导的中心导带由中间层介质板的短边开始、分别沿第三、第四介质条带长边方向对折线向内延伸设置，共面波导的金属接地板中靠近中间层介质板短边方向对折线的边沿与顶层金属层在中间层介质板上的投影的边沿重合；

中间层介质板的上表面，分别在第一至第三共面波导到槽线的过渡结构中的槽线靠近基片集成非辐射介质波导的一端设置第一三角形渐变结构，以调整槽线宽度、实现阻抗匹配；分别在第一、第三和第四介质条带靠近第一至第三共面波导到槽线的过渡结构的一端向第一、第三和第四介质条带内设置第二三角形渐变结构，以将共面波导到槽线的过渡结构接入基片集成非辐射介质波导；

底层介质板的下表面，从底层金属层的一对短边开始，向内分别沿第一、第三和第四介质条带在底层介质板下表面上的投影开梯形槽，以与中间层介质板上的第二三角形渐变结构相匹配，其中，沿第三和第四介质条带在底层介质板下表面上的投影所开的两个梯形槽关于底层介质板沿长边方向的对折线对称。

2.根据权利要求1所述的基片集成非辐射介质波导阶梯型功分器，其特征在于，顶层介质板和底层介质板的长度均小于中间层介质板、宽度均等于中间层介质板。

3.根据权利要求1所述的基片集成非辐射介质波导阶梯型功分器，其特征在于，共面波导到槽线的过渡结构由中心导带、第一和第二金属接地板、开路支节、槽线、第一和第二金属条带、金属通孔构成，其中，中心导带、第一和第二金属接地板、开路支节、槽线均设置在中间层介质板的上表面，中心导带的末端处设置与其垂直相交的金属支节，中心导带两侧分别设置第一、第二金属接地板，金属支节位于第二金属接地板的缝隙内，第一、第二金属接地板之间存在间隙，第一金属接地板与中心导带之间存在间隙，第二金属接地板与中心导带、金属支节之间均存在间隙，金属支节及其与第二金属接地板之间的间隙构成共面波导的开路支节，开路支节中远离相应中间层介质板的短边的边沿与前述中间层介质板的短边之间的距离小于中心导带的长度，第一、第二金属接地板之间的间隙构成槽线；第一、第二金属条带均设置在中间层介质板的下表面，且第一、第二金属条带均垂直于中心导带且位于开路支节与前述中间层 介质板的短边之间，每条金属条带的两端均设置有连通金属条带与第一和第二金属接地板的金属通孔，其中，紧靠开路支节的金属通孔与开路支节相切。

4.根据权利要求1所述的基片集成非辐射介质波导阶梯型功分器，其特征在于，阵列式空气通孔中通孔的尺寸和通孔之间的间距根据电路的工作频率确定。

5.根据权利要求1所述的基片集成非辐射介质波导阶梯型功分器，其特征在于，顶层金属层的一对短边与顶层介质板的一对短边之间分别保留相同宽度不设置金属层。

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