CN107134624A - 一种基于微带脊型间隙波导不等功率分配器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微带脊型间隙波导结构的不等功率分配器，由过孔层介质板和空气间隙层上的金属盖板构成，具体包括位于介质基板上表面的印刷微带线、周期性金属贴片、周期性金属化通孔和金属接地板，过孔层介质板下表面为金属接地板，过孔层介质板与上层金属盖板间留有一定高度的空气间隙；微带线通过一排周期性排布的金属化通孔短接到接地平面，构成微带脊结构；印刷微带线结构的周围设有周期性排布的金属化孔，每个金属化孔与对应位置的金属贴片构成EBG结构。本发明解决了微带脊型间隙波导的不等功率分配比调节及相位调节问题，同时具有结构简单，易集成，加工简单，尺寸小，带宽宽，插入损耗小，结构性能稳定的优点。

Description

一种基于微带脊型间隙波导不等功率分配器
技术领域
本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种基于微带脊型间隙波导不等功率分配器。
背景技术
对于毫米波段，特别是60GHz以上的频段，传统微带线及共面波导线等平面传输线由于色散和介电材料的损耗，将产生较高的插入损耗，并且由于尺寸的限制，对其加工精度的要求极高；另一方面，矩形波导和同轴传输线由于高频下的低损耗而被使用，但在毫米波段仍存在机加工技术复杂、成本高昂、与有源微波电子电路集成困难的问题。
2009年，瑞典的P.-S.Kildal教授发表在IEEE天线及无线传播快报(AWPL)2009年第8卷84-87页上的“平行金属板之间的间隙中的基于局部超材料的波导(Localmetamaterial-based waveguides in gaps between parallel metal plates)”中提出脊间隙波导GWG(Gap waveguide)传输线技术，作为传统金属波导的演进，鉴于其具有低传输损耗、低加工成本以及高集成度等特性，被广泛适用于毫米波系统。
P.S.Kildal教授在2009年的文章“Three metamaterial-based gap waveguidesbetween parallel metal plates for mm/submm waves”中将间隙波导的实现归纳为以下三种形式：微带型间隙波导、脊型间隙波导和槽型间隙波导。其中微带型间隙波导由于其集成性好，此类结构运用最为广泛，可以组合微带线或者基片集成波导进行天线馈电网络设计，也可用于器件设计以及系统中的电路连接。
2014年，Seyed Ali Razavi和Per-Simon Kildal在IEEE transactions onantennas and propagation期刊(vol.62,no.9,september 2014)上发表了“2×2-Slotelement for 60-GHz planar array antenna realized on two doubled-sided PCBsusing SIW cavity and EBG-type soft surface fed by microstrip-ridge gapwaveguide”，文中将多个一分四微带间隙波导级联为馈电网络，作为2*2天线子阵的馈电结构，但文中并未提出微带间隙波导功率分配比调节及相位匹配的方法。
2015年，操宝林、王昊等在IEEE transactions on antennas and propagation期刊(vol.63,no.12,december 2015)上发表了“High-Gain L-Probe Excited SubstrateIntegrated Cavity Antenna Array with LTCC-Based Gap Waveguide Feeding Networkfor W-Band Application”，用LTCC技术实现了间隙波导的等功率分配结构，实现了较宽的带宽和相位匹配，但同样未提出间隙波导的不等功率分配及相位调节方法。
由上可知，现有技术虽然实现了微带脊型间隙波导作为馈电网络的等功率分配设计，但上述文章及现有公开的文章专利中均未提及微带脊型间隙波导的不等功率分配及相位匹配方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于微带脊型间隙波导不等功率分配器。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于微带脊型间隙波导不等功率分配器，包括金属接地平面、介质板、间隙层、金属盖板、微带、金属贴片、金属化通孔；
所述介质板的下表面设置金属层，该金属层为金属接地平面，介质板的上表面设置微带和金属贴片，介质板的上方设置金属盖板，介质板与金属盖板之间通过间隙层隔离，介质板上设置若干金属化通孔；所述微带包括输入端口和输出端口，微带上设置若干金属化通孔，微带上相邻两个金属化通孔的间距相同，微带的两侧均设置周期性排列的金属化通孔，位于微带两侧的每个金属化通孔上均设置对应的金属贴片。
本发明与现有技术相比，具显著优点为：1)本发明的基于微带脊型间隙波导不等功率分配及相位调节结构解决了微带脊型间隙波导不等分功率分配问题，同时解决了微带脊型间隙波导不等功分时的相位匹配和调节问题；2)本发明的基于微带脊型间隙波导不等功率分配及相位调节结构适用于低频和高频电路，特别是毫米波段的不等功率分配解决方案；3)本发明的基于微带脊型间隙波导不等功率分配及相位调节结构的传输性能优秀，具有较宽的工作带宽和较低的插入损耗，同时具有剖面低、易加工集成、制造成本低的特点。
附图说明
图1为本发明微带脊型间隙波导不等功率分配器的结构示意图。
图2为本发明微带脊型间隙波导不等功率分配器的剖面图。
图3为本发明介质板2的一个实施例的上表面图。
图4为本发明微带脊型间隙波导不等功率分配器的一个实施例的功率分配和相位调节部分的结构尺寸示意图。
图5为本发明一个实施例的S参数幅值仿真图。
图6为本发明一个实施例的输入输出端口功率值仿真图。
图7为本发明一个实施例的S参数相位仿真图。
具体实施方式
结合附图，本发明的一种基于微带脊型间隙波导不等功率分配器，包括金属接地平面1、介质板2、间隙层3、金属盖板4、微带5、金属贴片6、金属化通孔7；
所述介质板2的下表面设置金属层，该金属层为金属接地平面1，介质板2的上表面设置微带5和金属贴片6，介质板2的上方设置金属盖板4，介质板2与金属盖板4之间通过间隙层3隔离，介质板2上设置若干金属化通孔7；所述微带5包括输入端口和输出端口，微带5上设置若干金属化通孔7，微带5上相邻两个金属化通孔的间距相同，微带5的两侧均设置周期性排列的金属化通孔7，位于微带5两侧的每个金属化通孔7上均设置对应的金属贴片6。
所述间隙层3由介电常数小于2的介质材料填充，间隙层3的高度小于0.25波长。
所述间隙层3由空气填充。
所述微带5包括一个输入端口、两个输出端口以及相位调节结构，所述相位调节结构位于输入端口与输出端口之间，该相位调节结构包括相位匹配块8、相位匹配切口9和两个相位补偿圆角10，相位匹配块8的一端设置相位匹配切口9，相位匹配块8的另一端与输入端口相连，相位匹配切口9的切口两端各设置一个相位补偿圆角10，每个相位补偿圆角10均与对应的输出端口相连，相位匹配块8的宽度大于输入端口的宽度。
所述相位匹配切口9的形状为倒梯形。
所述微带5通过周期性排布的金属化通孔7短接到金属接地平面1，微带5和其上方的金属化通孔7共同组成微带脊结构，微带脊两侧被周期性排布的电磁带隙EBG结构包围，该电磁带隙EBG结构由金属化通孔7和与其对应的金属贴片6构成。
所述相位匹配块8长为L，宽为W，改变相位匹配块8和相位匹配切口9的大小和相对位置可以调节w2/w1的值，进而改变输出端口的功率分配比值，其中w1为连接输出端口P2的微带宽度，w2为连接输出端口P3的微带宽度，w2/w1的比值越大，输出端口的输出功率比越大；改变相位补偿圆角10的半径r1、r2，可以将不等功分器输出端口输出的相位调节至同相输出，其中r1为靠近输出端P2的相位补偿圆角半径，r2为靠近输出端P3的相位补偿圆角半径。
所述相位调节结构长L＝1.1mm，宽W＝0.8mm，连接输出端口P2的微带线宽度w1＝0.25mm，连接输出端口P3的微带线宽度w2＝0.5mm，靠近输出端P2的相位补偿圆角半径r1＝0.2mm，靠近输出端P3的相位补偿圆角半径r2＝0.75mm。
本发明的基于微带脊型间隙波导不等功率分配及相位调节结构解决了微带脊型间隙波导不等分功率分配问题，同时解决了微带脊型间隙波导不等功分时的相位匹配和调节问题。
下面进行更详细的描述。
图1为微带脊型间隙波导不等功率分配器的一个实施例的结构图，该器件包括金属接地平面、介质板、间隙层、金属盖板、微带、金属贴片、金属化通孔；
所述介质板的下表面设置金属层，该金属层为金属接地平面，介质板的上表面设置微带和金属贴片，介质板的上方设置金属盖板，介质板与金属盖板之间通过间隙层隔离，介质板上设置若干金属化通孔；所述间隙层由介电常数小于2的介质材料填充，优选材料为空气，根据间隙波导的工作原理，间隔层的高度小于0.25波长。
结合图2～图3所示，所述微带上设置若干金属化通孔，相邻两个金属化通孔的间距相同，微带由金属化通孔短接到金属接地平面，微带和其上方的金属化通孔共同组成微带脊结构；微带脊的两侧均设置周期性排列的金属化通孔，每个金属化通孔上均设置对应的金属贴片，金属贴片优选为圆形贴片；金属化通孔和与其对应的金属贴片构成电磁带隙EBG结构，使微带脊以脊间隙波导类似的原理工作，金属化通孔使得EBG结构工作在更宽的带宽上，微带上的金属化通孔的周期略小于EBG结构的周期。
所述微带包括一个输入端口P1，两个不等功率输出端口P2、P3以及相位调节结构，所述相位调节结构位于输入端口与输出端口之间，该相位调节结构包括相位匹配块、相位匹配切口和两个相位补偿圆角，相位匹配块的一端设置相位匹配切口，相位匹配块的另一端与输入端口相连，相位匹配切口的切口两端各设置一个相位补偿圆角，每个相位补偿圆角均与对应的输出端口相连，相位匹配块的宽度大于输入端口的宽度。
图4示出了功率分配和相位调节结构尺寸示意图，所述相位调节结构包括长为L宽为W的相位匹配块、相位匹配切口和两个相位补偿圆角。改变相位匹配块和相位匹配切口的大小和位置可以调节w2/w1的值，进而改变输出端口的功率分配比值，其中w2为连接输出端口P3的微带线宽度，w1为连接输出端口P2的微带线宽度，w2/w1的值越大，输出端口的输出功率比越大；改变相位补偿圆角的半径r1、r2，可以将不等功分器输出端口输出的相位调节至同相输出，其中r1为靠近输出端P2的相位补偿圆角半径，r2为靠近输出端P3的相位补偿圆角半径；调节切角和匹配块的尺寸位置将对功率分配器的工作带宽产生一定影响。
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。
实施例1
基于微带脊型间隙波导不等功率分配器立体结构如图1所示，剖面图如图2所示，俯视图如图3所示，有关尺寸规格如图4所示。所采用的介质板2采用相对介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027的RogersRO4003介质材料，尺寸为5.6mm×6.8mm×0.406mm。间隙层3填充空气，厚度为0.2mm，微带脊型间隙波导不等功率分配器各尺寸参数如下：W＝0.8mm，L＝1.1mm，l1＝0.45mm，w1＝0.25mm，w2＝0.5mm，R＝0.45mm，r1＝0.2mm，r2＝0.75mm，a＝0.125mm，b＝0.2mm。
本实例基于微带脊型间隙波导不等功率分配器是在电磁仿真软件HFSS.13中建模仿真的。图5是本实例中基于微带脊型间隙波导不等功率分配器的S参数仿真图，从图中可以看出，在毫米波频段88GHz-102GHz内，本发明的微带脊型间隙波导不等功率分配具有反射系数S11小于-15dB，大部分小于-20dB的阻抗特性，S21约为-4.65dB，S31约为-1.92dB的传输特性。
图6为不等功分器端口功率分配比值仿真图，由图中可以看出，两输出端口的能量配比约为1:1.9。图7为不等功分器输出端口S参数的相位仿真图，由图中可以看出，两输出端口输出相位同相。
综上所述，本发明基于微带脊型间隙波导不等功率分配器，实现了一种不等功率分配、同相位、适用于低频和高频电路(特别是毫米波段)、结构性能稳定、尺寸小、剖面低、易加工集成、制造成本低、宽带、低损耗的微带脊型间隙波导不等功率分配器。

Claims (8)

1.一种基于微带脊型间隙波导不等功率分配器，其特征在于，包括金属接地平面[1]、介质板[2]、间隙层[3]、金属盖板[4]、微带[5]、金属贴片[6]、金属化通孔[7]；
所述介质板[2]的下表面设置金属层，该金属层为金属接地平面[1]，介质板[2]的上表面设置微带[5]和金属贴片[6]，介质板[2]的上方设置金属盖板[4]，介质板[2]与金属盖板[4]之间通过间隙层[3]隔离，介质板[2]上设置若干金属化通孔[7]；所述微带[5]包括输入端口和输出端口，微带[5]上设置若干金属化通孔[7]，微带[5]上相邻两个金属化通孔的间距相同，微带[5]的两侧均设置周期性排列的金属化通孔[7]，位于微带[5]两侧的每个金属化通孔[7]上均设置对应的金属贴片[6]。
2.根据权利要求1所述的基于微带脊型间隙波导不等功率分配器，其特征在于，间隙层[3]由介电常数小于2的介质材料填充，间隙层[3]的高度小于0.25波长。
3.根据权利要求2所述的基于微带脊型间隙波导不等功率分配器，其特征在于，间隙层[3]由空气填充。
4.根据权利要求1所述的基于微带脊型间隙波导不等功率分配器，其特征在于，所述微带[5]包括一个输入端口、两个输出端口以及相位调节结构，所述相位调节结构位于输入端口与输出端口之间，该相位调节结构包括相位匹配块[8]、相位匹配切口[9]和两个相位补偿圆角[10]，相位匹配块[8]的一端设置相位匹配切口[9]，相位匹配块[8]的另一端与输入端口相连，相位匹配切口[9]的切口两端各设置一个相位补偿圆角[10]，每个相位补偿圆角[10]均与对应的输出端口相连，相位匹配块[8]的宽度大于输入端口的宽度。
5.根据权利要求4所述的基于微带脊型间隙波导不等功率分配器，其特征在于，所述相位匹配切口[9]的形状为倒梯形。
6.根据权利要求1所述的基于微带脊型间隙波导不等功率分配器，其特征在于，微带[5]通过周期性排布的金属化通孔[7]短接到金属接地平面[1]，微带[5]和其上方的金属化通孔[7]共同组成微带脊结构，微带脊两侧被周期性排布的电磁带隙EBG结构包围，该电磁带隙EBG结构由金属化通孔[7]和与其对应的金属贴片[6]构成。
7.根据权利要求4所述的基于微带脊型间隙波导不等功率分配器，其特征在于，所述相位匹配块[8]长为L，宽为W，改变相位匹配块[8]和相位匹配切口[9]的大小和相对位置可以调节w2/w1的值，进而改变输出端口的功率分配比值，其中w1为连接输出端口P2的微带宽度，w2为连接输出端口P3的微带宽度，w2/w1的比值越大，输出端口的输出功率比越大；改变相位补偿圆角[10]的半径r1、r2，可以将不等功分器输出端口输出的相位调节至同相输出，其中r1为靠近输出端P2的相位补偿圆角半径，r2为靠近输出端P3的相位补偿圆角半径。
8.根据权利要求7所述的基于微带脊型间隙波导不等功率分配器，其特征在于，所述相位调节结构长L＝1.1mm，宽W＝0.8mm，连接输出端口P2的微带线宽度w1＝0.25mm，连接输出端口P3的微带线宽度w2＝0.5mm，靠近输出端P2的相位补偿圆角半径r1＝0.2mm，靠近输出端P3的相位补偿圆角半径r2＝0.75mm。
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