CN106953153A - 基片集成非辐射介质波导人字型功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基片集成非辐射介质波导人字型功分器，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结构，其中，基片集成非辐射介质波导是通过在介质板上设计一系列空气通孔实现的，共面波导到槽线的过渡结构集成在整个电路的中间层，并将其通过三角形渐变结构接入人字型基片集成非辐射介质波导，同时调整三角形渐变结构来实现阻抗匹配。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人字型功分器

技术领域

本发明涉及一种基片集成非辐射介质波导人字型功分器，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

随着科学技术的迅猛发展，在微波领域中频段资源出现匮乏现象，然而微波频段不断向毫米波频段发展的趋势逐渐解决此问题的困扰，非辐射介质波导以其特有的高频率低损耗特性和不连续弯曲处无辐射特性而成为备受青睐的毫米波元器件之一，促进了微波毫米波集成电路系统的发展。

由于非辐射介质波导难以与传统平面电路混合集成，提出将基片集成技术应用于非辐射介质波导从而实现平面化的非辐射介质波导结构，即形成基片集成非辐射介质波导，其不仅保留了非辐射介质波导优势还克服了难集成的缺陷，实现了平面化的非辐射介质波导，进而提出在印刷版电路上基片集成非辐射介质波导结构，这种介质波导不仅充分利用其特有的特性，并且高效的避免了加工精度、成本、损耗性问题，在此结构基础上设计等分功分器实现微波毫米波混合集成多层电路，为该领域新的毫米波元器件的设计研究做出铺垫，使其在微波毫米波领域有着较大的应用前景。

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人字型功分器，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人字型功分器，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，底层金属层与顶层金属层在底层介质板的下表面的投影重合；

顶层介质板、中间层介质板、底层介质板的重叠区域，设置阵列式空气通孔，且阵列式空气通孔之间预留一个人字型的介质条带，阵列式空气通孔与顶层介质板、中间层介质板、底层介质板、底层金属层、顶层金属层构成一个人字型的基片集成非辐射介质波导，其中，阵列式空气通孔关于人字型的介质条带对称分布；

中间层介质板与顶层介质板的未重叠区域，从人字型基片集成非辐射介质波导的三端分别向外设置一个共面波导到槽线的过渡结构，其中，每个共面波导到槽线的过渡结构中共面波导的金属接地板中与槽线垂直相交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，分别在每个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；分别在人字型介质条带靠近共面波导到槽线的过渡结构的一端向介质条带内设置第二三角形渐变结构，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，从人字型介质条带在底层金属层上的投影的三端分别向内开梯形槽，以与中间层介质板上的第二三角形渐变结构相匹配。

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，中心导带与金属支节的两侧分别设置第一、第二金属接地板，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，开路支节中远离中心导带起始端的边沿与中心导带起始端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中心导带起始端之间，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，顶层介质板的上表面，人字型基片集成非辐射介质波导的三个端口处分别保留相同宽度不设置金属层。

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，梯形槽关于人字型基片集成非辐射介质波导对称。

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，三角形渐变结构可以实现较好的结构阻抗匹配性能，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；2-中心导带与金属接地板之间的间隙；3-金属通孔；4-金属条带；5-金属接地板；6-第一三角形渐变结构；7-第二三角形渐变结构；8-梯形槽；9-空气通孔直径；10-空气通孔间距；11-顶层介质板；12-中间层介质板；13-底层介质板。

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人字型功分器，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，将三层的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人字型介质条带，在介质条带两侧设计一系列阵列式空气通孔，从而构成基片集成非辐射介质波导。其中，阵列式空气通孔是关于人字型介质条带对称，空气通孔的数量由介质板尺寸决定；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，底层金属层与顶层金属层在底层介质板的下表面的投影重合。如图3所示，顶层介质板的上表面，人字型基片集成非辐射介质波导的三个端口处可以分别保留相同宽度不设置金属层，以方便打孔。顶层介质板、中间层介质板、底层介质板的重叠区域，设置阵列式空气通孔，且阵列式空气通孔之间预留一个人字型的介质条带，阵列式空气通孔与顶层介质板、中间层介质板、底层介质板、底层金属层、顶层金属层构成一个人字型的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），通过第一、第二三角形渐变结构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，并实现阻抗匹配；如图4和图5所示。

其中，如图6所示，底层介质板的下表面，从人字型介质条带在底层金属层上的投影的三端分别向内开梯形槽，以与中间层介质板上的第二三角形渐变结构相匹配，更好的实现过渡处的阻抗匹配，且梯形槽关于人字型基片集成非辐射介质波导对称。

本发明的实施例中，共面波导所在的中间层介质基板厚为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、中间层介质板为0.635mm、顶层介质板为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5.16mm，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-20dB以下，插入损耗为-5dB左右，频率带宽为4GHz，说明了该过渡电路有较好的传输，其表明基于印刷电路板的基片集成非辐射介质波导能够应用到毫米波段电路设计，并且可以混合集成到多层电路中。

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实现从中间接入到基片集成非辐射介质波导。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人字型功分器，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，底层金属层与顶层金属层在底层介质板的下表面的投影重合；

顶层介质板、中间层介质板、底层介质板的重叠区域，设置阵列式空气通孔，且阵列式空气通孔之间预留一个人字型的介质条带，阵列式空气通孔与顶层介质板、中间层介质板、底层介质板、底层金属层、顶层金属层构成一个人字型的基片集成非辐射介质波导，其中，阵列式空气通孔关于人字型的介质条带对称分布；

中间层介质板与顶层介质板的未重叠区域，从人字型基片集成非辐射介质波导的三端分别向外设置一个共面波导到槽线的过渡结构，其中，每个共面波导到槽线的过渡结构中共面波导的金属接地板中与槽线垂直相交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，分别在每个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；分别在人字型介质条带靠近共面波导到槽线的过渡结构的一端向介质条带内设置第二三角形渐变结构，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，从人字型介质条带在底层金属层上的投影的三端分别向内开梯形槽，以与中间层介质板上的第二三角形渐变结构相匹配。

2.根据权利要求1所述的基片集成非辐射介质波导人字型功分器，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，中心导带与金属支节的两侧分别设置第一、第二金属接地板，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，开路支节中远离中心导带起始端的边沿与中心导带起始端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中心导带起始端之间，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。

3.根据权利要求1所述的基片集成非辐射介质波导人字型功分器，其特征在于，顶层介质板的上表面，人字型基片集成非辐射介质波导的三个端口处分别保留相同宽度不设置金属层。

4.根据权利要求1所述的基片集成非辐射介质波导人字型功分器，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人字型功分器，其特征在于，梯形槽关于人字型基片集成非辐射介质波导对称。