CN108767409A - 一种新型基片集成波导功率分配/合成器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型基片集成波导功率分配/合成器，属于微波器件领域；其包括单层基片、设置在单层基片的梯形微带‑基片集成波导过渡结构和输入输出端口，单层基片还设置有五端口窄壁短缝耦合单元和集总电阻加载型匹配负载，五端口窄壁短缝耦合单元两端均依次连接梯形微带‑基片集成波导过渡结构和输入输出端口，五端口窄壁短缝耦合单元一端连接集总电阻加载型匹配负载；通过增加两个隔离端口，实现五个端口的全匹配和两个分端口的高隔离度，通过隔离端口处接入集总电阻加载型匹配负载，实现宽带化，解决了现有传统波导型功分器和基片集成波导功分器不能同时兼顾宽带化和高隔离度的问题，达到了在保证隔离度的同时扩展带宽的效果。

Description

一种新型基片集成波导功率分配/合成器

技术领域

本发明属于微波器件领域，尤其是一种新型基片集成波导功率分配/合成器。

背景技术

随着信息与通信行业的迅猛发展，第五代移动通信系统5G、工业物联网等新型无线应用快速兴起；当前，学者们正在积极探索并深入研究与5G和工业物联网等相关的各类共性关键技术，如空间分集与复用、波束赋形、精准功率控制与能量投射等；为了使这些技术得到实际应用，其相关的微波器件就成了亟待解决的核心，比如功分器。

实现空间分集与复用、波束赋形技术需要高性能窄波束定向阵列天线，实现精准功率控制与能量投射需要高性能频率综合器和功率放大器，这两类器件的核心无源组成部分均需要低损耗、宽带、高隔离功分器。

理想的无耗三端口功分器的三个端口同时匹配，其输出端口的损耗特性较差，其理论隔离度亦仅有6dB。通过威尔金森原理，在两个输出端口之间引入电阻性损耗元素，提高输出端口间的隔离度的同时实现三个端口匹配。此时的功分器即可功率分配，也可功率合成，成为功率分配/合成器。在文献中，基于微带线结构、共面波导结构以及威尔金森原理，已经实现了大量的尺寸紧凑、性能良好的功率分配/合成器。但是，由于微带线和共面波导的半开放结构，二者的功率容量有限，常用于中低功率应用；而基于矩形波导实现的功分器能够支持大功率应用，但是由于矩形波导的固有导波特性局限和不易添加损耗型结构，其单模工作带宽有限，导致常规矩形波导功分器的工作带宽较窄，输出隔离度较低，隔离度提升难度大；现有的小型化基片集成波导功分器能够同时兼容功率容量和平面化的需求，但不能同时兼顾带宽和高隔离度，因此，面向未来的5G、工业物联网等无线应用，对宽带、高隔离度、平面化的高性能功分器有迫切需求。

发明内容

本发明的目的在于：本发明提供了一种新型基片集成波导功率分配/合成器，解决现有传统波导型功分器和基片集成波导功分器不能同时兼顾宽带化和高隔离度的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种新型基片集成波导功率分配/合成器，包括单层基片、设置在单层基片的梯形微带-基片集成波导过渡结构和输入输出端口，所述单层基片还设置有五端口窄壁短缝耦合单元和集总电阻加载型匹配负载，所述五端口窄壁短缝耦合单元两端均依次连接梯形微带-基片集成波导过渡结构和输入输出端口，所述五端口窄壁短缝耦合单元一端连接集总电阻加载型匹配负载。

优选地，所述输入输出端口采用微带线。

优选地，所述五端口窄壁短缝耦合单元包括短缝耦合区、梯形阻抗匹配区和基片集成波导端口组，所述短缝耦合区一端连接基片集成波导端口组，其另一端连接梯形阻抗匹配区一端，梯形阻抗匹配区另一端连接基片集成波导端口组。

优选地，所述基片集成波导端口组包括从左至右设置在短缝耦合区端的基片集成波导端口B和基片集成波导端口C、从左至右设置在梯形阻抗匹配区的基片集成波导端口D、基片集成波导端口A和基片集成波导端口E，所述短缝耦合区一端连接基片集成波导端口B和基片集成波导端口C，其另一端连接梯形阻抗匹配区窄边，所述梯形阻抗匹配区宽边分别与基片集成波导端口A、基片集成波导端口D和基片集成波导端口E连接。

优选地，所述五端口窄壁短缝耦合单元的理想单位散射矩阵如下公式所示：

其中，j为虚数单位。

优选地，所述五端口窄壁短缝耦合单元的长度L_COUP和窄边宽度W_COUP取值范围分别为：

L_COUP＝(2n-1)π/(β₁₀-β₃₀)

1.5λ_g＜W_COUP＜2.5λ_g，W_COUP→1.5λ_g

其中，n为正整数，β₁₀和β₃₀分别为TE10和TE30模式电磁波在基片集成波导中的相移常数，λ_g为电磁波在基片集成波导中的工作波长。

优选地，所述梯形微带-基片集成波导过渡结构包括依次连接的微带线段、梯形微带过渡节和基片集成波导段，所述微带线段与微带线连接，所述基片集成波导段均与基片集成波导端口A、基片集成波导端口B、基片集成波导端口C、基片集成波导端口D和基片集成波导端口E连接。

优选地，所述集总电阻加载型匹配负载包括依次连接的金属化接地通孔阵列、集总电阻和输入微带线，所述输入微带线与微带线段连接。

优选地，所述单层基片采用总厚度h、相对介电常数为ε_r、损耗角的正切tanD均大于0的基片。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明通过在传统三端口波导型功率分配器中增加两个隔离端口，实现五个端口的全匹配和两个分端口的高隔离度，通过隔离端口处接入集总电阻加载型匹配负载，实现两个新增加的隔离端口的宽带化吸收匹配，解决了现有传统波导型功分器和基片集成波导功分器不能同时兼顾宽带化和高隔离度的问题，达到了在保证隔离度的同时扩展带宽的效果；

2.本发明五端口窄壁短缝耦合单元中采用了梯形平面化耦合窗，能够更好地实现阻抗匹配，扩展工作带宽；

3.本发明集总电阻加载型匹配负载采用集总电阻实现能量吸收和阻抗匹配，采用并联型的金属化接地通孔阵列，降低集总电阻接地端的寄生电感效应，提高能量吸收效果和阻抗匹配带宽；

4.本发明通过设置五端口窄壁短缝耦合单元和集总电阻加载型匹配负载，增设具有蜂窝孔的两个端口，实现阻抗匹配，扩展带宽；两个端口上设置匹配负载，帮助其他三个端口同时实现阻抗匹配，匹配负载带宽越宽，阻抗匹配带宽越宽，隔离度和带宽兼容更宽；

5.本发明采用基片集成波导结构，功率分配/合成器平面封装，实现了整个系统的小型化与集成化，提高微波毫米波电路的集成度和电磁性能，制作工艺简单，方便大规模生产，保证基片集成波导功率分配/合成器具有较高的功率容量和较低的传输损耗。

6.本发明以基片集成波导端口A为公共端口，基片集成波导端口B和基片集成波导端口C为分端口，基片集成波导端口D和基片集成波导端口E为隔离端口，通过五端口窄壁短缝耦合单元的理想单位散射矩阵得出：理想状态下，基片集成波导端口B和基片集成波导端口C能够得到来自基片集成波导端口A功率的一半，而基片集成波导端口D和基片集成波导端口E无功率输出，基片集成波导端口B和基片集成波导端口C之间的散射量为0，二者之间完美隔离，没有任何功率交互，且无频率范围限制，在任何频率均成立，实现宽带化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的结构原理图；

图2为本发明在不同端口激励条件下电场强度的模拟分布图；

图3为本发明的实施例实物图；

图4为本发明的实施例实物测试图；

附图标记：1-单层基片，2-五端口窄壁短缝耦合单元，3-梯形微带-基片集成波导过渡结构，4-集总电阻加载型匹配负载，5-微带线，F-短缝耦合区，G-梯形阻抗匹配区，L-金属化接地通孔阵列，K-集总电阻，J-输入微带线，Q-微带线段，N-梯形微带过渡节，M-基片集成波导段，X-端口1，Y-端口2，Z-端口3。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

技术问题：解决现有传统波导型功分器和基片集成波导功分器不能同时兼顾宽带化和高隔离度的问题。

技术手段：一种新型基片集成波导功率分配/合成器，包括单层基片1、设置在单层基片1的梯形微带-基片集成波导过渡结构3和输入输出端口，单层基片1还设置有五端口窄壁短缝耦合单元2和集总电阻加载型匹配负载4，五端口窄壁短缝耦合单元2两端均依次连接梯形微带-基片集成波导过渡结构3和输入输出端口，五端口窄壁短缝耦合单元2一端连接集总电阻加载型匹配负载4。

输入输出端口采用微带线5。

五端口窄壁短缝耦合单元2包括短缝耦合区F、梯形阻抗匹配区G和基片集成波导端口组，短缝耦合区F一端连接基片集成波导端口组，其另一端连接梯形阻抗匹配区G一端，梯形阻抗匹配区G另一端连接基片集成波导端口组。

基片集成波导端口组包括从左至右设置在短缝耦合区F端的基片集成波导端口B和基片集成波导端口C、从左至右设置在梯形阻抗匹配区G的基片集成波导端口D、基片集成波导端口A和基片集成波导端口E，短缝耦合区F一端连接基片集成波导端口B和基片集成波导端口C，其另一端连接梯形阻抗匹配区G窄边，梯形阻抗匹配区G宽边分别与基片集成波导端口A、基片集成波导端口D和基片集成波导端口E连接。

五端口窄壁短缝耦合单元2的理想单位散射矩阵如下公式所示：

其中，j为虚数单位。

五端口窄壁短缝耦合单元2的长度L_COUP和窄边宽度W_COUP取值范围分别为：

L_COUP＝(2n-1)π/(β₁₀-β₃₀)

1.5λ_g<W_COUP<2.5λ_g，W_COUP→1.5λ_g

其中，n为正整数，β₁₀和β₃₀分别为TE10和TE30模式电磁波在基片集成波导中的相移常数，λ_g为电磁波在基片集成波导中的工作波长。

梯形微带-基片集成波导过渡结构3包括依次连接的微带线段Q、梯形微带过渡节N和基片集成波导段M，微带线段Q与微带线5连接，基片集成波导段M均与基片集成波导端口A、基片集成波导端口B、基片集成波导端口C、基片集成波导端口D和基片集成波导端口E连接。

集总电阻加载型匹配负载4包括依次连接的金属化接地通孔阵列L、集总电阻K和输入微带线J，输入微带线J与微带线段Q连接。

单层基片1采用总厚度h、相对介电常数为ε_r、损耗角的正切tanD均大于0的基片。

技术效果：通过在传统三端口波导型功率分配器中增加两个隔离端口，实现五个端口的全匹配和两个分端口的高隔离度，通过隔离端口处接入集总电阻加载型匹配负载，实现两个新增加的隔离端口的宽带化吸收匹配，解决了现有传统波导型功分器和基片集成波导功分器不能同时兼顾宽带化和高隔离度的问题，达到了在保证隔离度的同时扩展带宽的效果；以基片集成波导端口A为公共端口，基片集成波导端口B和基片集成波导端口C为分端口，基片集成波导端口D和基片集成波导端口E为隔离端口，通过五端口窄壁短缝耦合单元的理想单位散射矩阵得出：理想状态下，基片集成波导端口B和基片集成波导端口C能够得到来自基片集成波导端口A功率的一半，而基片集成波导端口D和基片集成波导端口E无功率输出，基片集成波导端口B和基片集成波导端口C之间的散射量为0，二者之间完美隔离，没有任何功率交互，且无频率范围限制，在任何频率均成立，实现宽带化。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

如图1-4所示，本发明中单层基片1选用总厚度h＝0.508mm，相对介电常数为ε_r＝2.94，损耗角正切为tanD＝0.001的介质基片作为制作基片集成波导的基片材料，其具有介质损耗低，导带金属与基板介质黏附力好等特点，非常适合作为微波毫米波段基片集成波导板材；通过三维3D全波有限元方法软件即ANSYS高频结构模拟器HFSS对图1所示结构进行建模仿真和优化，通过仿真不同端口激励条件下的电场分布情况来分析功率分配/合成器性能；基片集成波导功率分配/合成器的电场强度模拟分布图如图2所示，在图2(a)中，当仅从端口1即X激励时，端口2即Y和端口3即Z得到均分的电磁能量，而有极少能量被集总电阻加载型匹配负载；在图2(b)中，当仅从端口2即Y激励时，端口1即X和两个集总电阻加载型匹配负载都能得到电磁能量，且端口1即X的能量更强，而端口3即Z仅能观测到很微弱的能量泄露，说明端口2即Y和端口3即Z具有良好隔离度；图2(c)中，当从端口2即Y和端口3即Z同时同相激励时，端口1即X收到汇聚的电磁能量，同时有微弱的电磁能量被两个集总电阻加载型匹配负载吸收。图2(d)中，当从端口2即Y和端口3即Z同时反相激励时，端口1即X几乎观测不到电磁能量，绝大多数电磁能量均被两个集总电阻加载型匹配负载吸收。

从图4中可知，本发明实施例的工作频率为13.5～19GHz，相对带宽为33.8％。其中，从图4(a)可知，端口1即X的带内回波损耗在12dB以下，端口2即Y和端口3即Z的带内回波损耗在10dB以下；从图4(b)可知，端口2即Y和端口3即Z的带内传输损耗在4.8±0.5dB，端口2即Y和端口3即Z的带内隔离度为15dB以上；从图4(c)可知，端口2即Y和端口3即Z的传输幅度差异小于±0.5dB，相位差异小于±5°；现有技术在满足所有端口反射系数强度低于-10dB、隔离度高于15dB的情况下，基片集成波导功率分配/合成器的相对带宽未超过25％；因此，本发明实施例在满足隔离度高于15dB的条件下，实现了更大的工作带宽即33.8％，从而实现同时兼顾量高隔离度和宽带化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种新型基片集成波导功率分配/合成器，包括单层基片(1)、设置在单层基片(1)的梯形微带-基片集成波导过渡结构(3)和输入输出端口，其特征在于：所述单层基片(1)还设置有五端口窄壁短缝耦合单元(2)和集总电阻加载型匹配负载(4)，所述五端口窄壁短缝耦合单元(2)两端均依次连接梯形微带-基片集成波导过渡结构(3)和输入输出端口，所述五端口窄壁短缝耦合单元(2)一端连接集总电阻加载型匹配负载(4)。

2.根据权利要求1所述的一种新型基片集成波导功率分配/合成器，其特征在于：所述输入输出端口采用微带线(5)。

3.根据权利要求1或者2所述的一种新型基片集成波导功率分配/合成器，其特征在于：所述五端口窄壁短缝耦合单元(2)包括短缝耦合区(F)、梯形阻抗匹配区(G)和基片集成波导端口组，所述短缝耦合区(F)一端连接基片集成波导端口组，其另一端连接梯形阻抗匹配区(G)一端，梯形阻抗匹配区(G)另一端连接基片集成波导端口组。

4.根据权利要求3所述的一种新型基片集成波导功率分配/合成器，其特征在于：所述基片集成波导端口组包括从左至右设置在短缝耦合区(F)端的基片集成波导端口B和基片集成波导端口C、从左至右设置在梯形阻抗匹配区(G)的基片集成波导端口D、基片集成波导端口A和基片集成波导端口E，所述短缝耦合区(F)一端连接基片集成波导端口B和基片集成波导端口C，其另一端连接梯形阻抗匹配区(G)窄边，所述梯形阻抗匹配区(G)宽边分别与基片集成波导端口A、基片集成波导端口D和基片集成波导端口E连接。

5.根据权利要求3所述的一种新型基片集成波导功率分配/合成器，其特征在于：所述五端口窄壁短缝耦合单元(2)的理想单位散射矩阵如下公式所示：

其中，j为虚数单位。

6.根据权利要求3所述的一种新型基片集成波导功率分配/合成器，其特征在于：所述五端口窄壁短缝耦合单元(2)的长度L_COUP和窄边宽度W_COUP取值范围分别为：

L_COUP＝(2n-1)π/(β₁₀-β₃₀)

1.5λ_g<WCOUP<2.5λ_g，W_COUP→1.5λ_g

其中，n为正整数，β₁₀和β₃₀分别为TE10和TE30模式电磁波在基片集成波导中的相移常数，λ_g为电磁波在基片集成波导中的工作波长。

7.根据权利要求4所述的一种新型基片集成波导功率分配/合成器，其特征在于：所述梯形微带-基片集成波导过渡结构(3)包括依次连接的微带线段(Q)、梯形微带过渡节(N)和基片集成波导段(M)，所述微带线段(Q)与微带线(5)连接，所述基片集成波导段(M)均与基片集成波导端口A、基片集成波导端口B、基片集成波导端口C、基片集成波导端口D和基片集成波导端口E连接。

8.根据权利要求7所述的一种新型基片集成波导功率分配/合成器，其特征在于：所述集总电阻加载型匹配负载(4)包括依次连接的金属化接地通孔阵列(L)、集总电阻(K)和输入微带线(J)，所述输入微带线(J)与微带线段(Q)连接。

9.根据权利要求1或者8所述的一种新型基片集成波导功率分配/合成器，其特征在于：所述单层基片(1)采用总厚度h、相对介电常数为ε_r、损耗角的正切tanD均大于0的基片。