CN108832244B - 一种用于毫米波的基片集成波导匹配负载 - Google Patents

Abstract

本发明一种用于毫米波的基片集成波导匹配负载，介质基板层中设有金属化通孔，金属化通孔包括两排纵向金属化通孔以及横向金属化通孔，横向金属化通孔封闭两排纵向金属化通孔的一端以形成封闭面，上金属覆铜层上设有匹配缝隙，匹配缝隙包括若干缝隙单元和一个横向单缝，每个缝隙单元包括两个关于该缝隙单元中点180度旋转对称的纵向双缝，每个纵向双缝包括两个分布在匹配负载中心线上下两侧的不同长度的纵向缝隙，且上下两侧的纵向缝隙偏移匹配负载中心线的距离相同，横向单缝垂直于匹配负载中心线；本发明为多端口基片集成波导器件提供了一种新颖的可工作在高频的一体化集成匹配负载，该高频匹配负载设计结构简单，集成度高且加工成本低。

Description

一种用于毫米波的基片集成波导匹配负载

技术领域

本发明属于毫米波器件领域，具体涉及毫米波基片集成波导匹配负载。

背景技术

匹配负载是一种单端口的微波器件，在理想情况下的能对输入的微波能量进行无反射吸收，广泛应用在无线通信系统、电磁测量和雷达等系统中。多端口系统中的无用端口需要采用匹配负载对其进行匹配，以降低对其他有用端口的反射，并且保证最大能量传输。商用的匹配负载有同轴和波导形式的，但是在电磁场高频频段，这两种形式的匹配负载难以加工，其价格昂贵并且笨重，无法适应系统高集成度的要求。

基片集成波导作为一种受到广泛应用的高频传输线，不仅具有波导结构的低插损和低泄漏辐射特性，还具有微带线的高集成度特性，为新兴的高集成度高频器件设计提供了良好的设计平台。随着基片集成的多端口器件，比如：耦合器、透镜、多端口天线阵、功分器的发展，为了满足无用端口的匹配需求，急需开展对一体化集成的基片集成匹配负载的研究。目前为止，关于基片集成波导匹配负载的国内外文献较少。方案一是一种在四分之一SIW短路结构中加载不同形状的薄膜电阻来设计匹配负载(详见：Uchida H,Nakayama M,Inoue A,et al.A post-wall waveguide(SIW)matched load with thin-film resistor[C]Microwave Conference Proceedings.IEEE,2011:1579-1585.)，但是此种方案需要很高的工艺精度并且需要昂贵的加工成本，同时难以工作在毫米波等更高频段。

方案二是通过破坏基片集成波导介质层结构，在其中放置吸波材料来设计匹配负载(详见：H.Chen,W.Che,Q.Li,C.Gu,and K.Wu,“Substrate-integrated waveguidematching terminations with microwave absorbing material,”Electron.Lett.,vol.50,no.17,pp.1216-1218,Aug.2014.),但是此方案需要通过机械方式破坏基片集成波导的传输结构，其加工装配复杂精度难以控制，同时无法工作毫米波等更高频段。

因此基于基片集成波导结构的便于加工的可工作在毫米波等更高频段的一体化集成匹配负载很有研究价值。

发明内容

本发明目的在于研究一体化集成的基片集成波导匹配负载，因商用的高频同轴和矩形波导匹配负载成本昂贵并且不利于集成，而目前研究的基片集成波导匹配负载都需要破坏基片集成波导结构并且需要较高的加工精度，为了解决以上问题，本发明提出了一种基片集成波导匹配负载，该匹配负载为平面结构，只需通过简单的PCB加工工艺，制作方便并且成本较低。

为实现上述发明目的，本发明具体技术方案如下：

一种用于毫米波的基片集成波导匹配负载，匹配负载整体形状为平面，匹配负载包括上、下两个金属覆铜层、以及两个金属覆铜层之间的介质基板层；介质基板层中设有金属化通孔，所述金属化通孔包括匹配负载中心线上下两侧对称排布的两排纵向金属化通孔以及位于匹配负载一端的一列横向金属化通孔，两排纵向金属化通孔用以形成基片集成波导，横向金属化通孔封闭两排纵向金属化通孔的一端以形成封闭面，上金属覆铜层上设有垂直贯穿上金属覆铜层的匹配缝隙，所述匹配缝隙包括若干缝隙单元和一个横向单缝，每个缝隙单元包括两个关于该缝隙单元中点180度旋转对称的纵向双缝，每个纵向双缝包括两个分布在匹配负载中心线上下两侧的不同长度的纵向缝隙，且上下两侧的纵向缝隙偏移匹配负载中心线的距离相同，所述横向单缝垂直于匹配负载中心线。

通过调整缝隙的长度和偏移量可以拓宽匹配负载的工作带宽。所述横向单缝位于纵向双缝和封闭面之间，用于增强匹配负载的性能。

作为优选方式，所述匹配负载包括2个缝隙单元，即一共有4组纵向双缝。

作为优选方式，所述匹配缝隙宽度均相同，任意相邻的两组纵向双缝之间的间距相同，其间距小于半个波导波长。

在上述一种用于毫米波的基片集成波导匹配负载中，所述匹配负载的缝隙辐射能量可以辐射到空间中或者利用吸波材料吸收。

本发明的有益效果在于：

(1)：本发明为多端口基片集成波导器件提供了一种新颖的可工作在高频段一体化集成的基片集成波导匹配负载，该匹配负载不需要通过机械方式破坏基片集成波导结构，设计结构简单，集成度高且加工成本低。

(2)：本发明提出一种基片集成波导结构的匹配负载，该匹配负载主要包括两个缝隙单元和一个横缝，每个缝隙单元包含两组的双缝，每个双缝包含的两个缝隙长度不同，具有同样的偏移量。通过调整缝隙单元的个数、双缝的缝隙长度和偏移量可以拓宽匹配负载的工作带宽。缝隙单元的两组双缝关于其中点旋转对称，避免反相抵消，保证缝隙的宽带匹配能力。

附图说明

图1为基片集成波导匹配负载结构图。

图2为实施例中基片集成波导尺寸图。

图3为实施例中基片集成波导仿真结果图。

图4为实施例中加载基片集成波导匹配负载的罗特曼透镜结构图。

图5为加载和不加载匹配负载的罗特曼透镜端口隔离度对比结果图。

图6为实施例中加载基片集成波导匹配负载的罗特曼透镜的输出相位理论和仿真结果对比图。

图7为实施例中加载基片集成波导匹配负载的罗特曼透镜的输入端口回波系数仿真结果。

表1为实施例中基片集成波导匹配负载的具体尺寸。

其中，1为宽度渐变的阻抗匹配结构，2为横向金属化通孔，3为纵向双缝，4为缝隙单元，5为横向单缝，6为横向金属化通孔，7为透镜输入端口，8为阵列端口，9为匹配负载中心线，10为透镜内轮廓，11为透镜外轮廓，12为虚端口，13为中心轴，14为聚焦圆弧。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

本实施例中首先提供一个工作于毫米波波段的基片集成波导匹配负载。

图1给出了基片集成波导匹配负载结构示意图。匹配负载整体形状为平面，匹配负载包括上、下两个金属覆铜层、以及两个金属覆铜层之间的介质基板层；介质基板层中设有金属化通孔，所述金属化通孔包括匹配负载中心线9上下两侧对称排布的两排纵向金属化通孔2以及位于匹配负载一端的一列横向金属化通孔6，两排纵向金属化通孔2用以形成基片集成波导，所述两排纵向金属化通孔的间距需要满足基片集成波导主模工作的条件，即需要保证形成的基片集成波导结构的截止频率小于需要满足的最小工作频率；横向金属化通孔6封闭两排纵向金属化通孔2的一端以形成封闭面，上金属覆铜层上设有垂直贯穿上金属覆铜层的匹配缝隙，所述匹配缝隙包括2个缝隙单元4和一个横向单缝5，一共有4组纵向双缝。

每个缝隙单元4包括两个关于该缝隙单元4中点180度旋转对称的纵向双缝3，每个纵向双缝3包括两个分布在匹配负载中心线9上下两侧的不同长度的纵向缝隙，且上下两侧的纵向缝隙偏移匹配负载中心线9的距离相同，所述横向单缝垂直于匹配负载中心线9。

通过调整缝隙的长度和偏移量可以拓宽匹配负载的工作带宽。所述横向单缝位于纵向双缝和封闭面之间，用于增强匹配负载的性能。

所述匹配缝隙宽度均相同，任意相邻的两组纵向双缝之间的间距相同，其间距小于半个波导波长。

在上述一种用于毫米波的基片集成波导匹配负载中，所述匹配负载的缝隙辐射能量可以辐射到空间中或者利用吸波材料吸收。

图2给出了一种具体的基片集成波导匹配负载的尺寸图。实施例中选用的基板型号为TL Y-5，介电常数为2.2，厚度为1.575mm，各匹配缝隙宽度相同为0.212mm。表1为设计的一款工作在Ka波段的基片集成波导匹配负载的具体尺寸，单位均为mm。图3为该基片集成波导匹配负载的仿真结果，可以看出在33GHz-37GHz内有良好的匹配性能。

表1工作在Ka波段的基片集成波导匹配负载的具体尺寸

l<sub>m1</sub>	l<sub>m2</sub>	l<sub>m3</sub>	l<sub>m4</sub>	l<sub>m5</sub>	S<sub>d</sub>	offset1	offset2	w1	w2
										4.14	2.984	3.473	3.079	2.9	3.981	0.374	0.452	4.12	3.56

为了验证该匹配负载的性能，本实施例中将设计的基片集成波导匹配负载用于罗特曼透镜中以改善透镜性能。

罗特曼透镜是一种多波束网络，它是跟据光学路程差利用数学方法确定的。只有波束输入口在三个理想焦点上时，由波束输入口输入的信号通过各个单元天线辐射后，对应的光学路径是相等或等差的。三个焦点分别为正轴焦点和两个关于X轴对称的偏轴焦点。而当在基于三个理想焦点确定的输入曲线上均匀分布输入端口时，各端口到达各个辐射单元曲线路径也可以视为是近似等差的，即各辐射单元的相位相等获呈等差数列。基片集成波导结构的罗特曼透镜是一种在多波束天线中常用的多端口结构，存在大量的虚端口，因传统同轴波导体积大且价格昂贵，一般无法对虚端口进行匹配处理，这会导致透镜端口隔离度下降，性能恶化，本实施例将上述基片集成波导匹配负载用于匹配近场罗特曼透镜的虚端口，从而验证匹配负载的有效性。

图4为实施例中加载基片集成波导匹配负载的罗特曼透镜结构图，包括：透镜输入端口7、聚焦圆弧14、透镜内轮廓10、透镜外轮廓11、加载匹配负载的虚端口12、阵列端口8，整个结构关于中心轴13对称，透镜输入端口7包括罗特曼透镜的15个输入端口，它们关于中心端口和中心轴13对称。聚焦圆弧14为由正轴焦点和两个关于中心轴13对称的偏轴焦点确定的聚焦圆弧。所述虚端口12共有24个，图中已经连接基片集成波导匹配负载。所述阵列端口8共17个，关于中心端口和中心轴13对称，各端口相位应该相等或者依次呈等差数列，可将各端口与后续天线单元连接从而实现波束扫描性能。

图5给出了加载和不加载匹配负载的基片集成波导透镜的仿真结果对比图，从图中可以看出，加载匹配负载之后，各透镜端口的隔离度变得更好，说明匹配负载可以改善透镜的性能。图6为加载匹配负载的罗特曼透镜的各阵列输出端口的相位仿真结果，可以看出，仿真结果跟理论计算结果基本一致，证明了匹配负载有助于透镜的设计。图7给出了加载基片集成波导匹配负载的罗特曼透镜各输入端口的回波系数，在33GHz-37GHz的范围内，各输入端口的回波系数均在-10dB以下，满足设计要求。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.一种用于毫米波的基片集成波导匹配负载，其特征在于：匹配负载整体形状为平面，匹配负载包括上、下两个金属覆铜层、以及两个金属覆铜层之间的介质基板层；介质基板层中设有金属化通孔，所述金属化通孔包括匹配负载中心线(9)上下两侧对称排布的两排纵向金属化通孔(2)以及位于匹配负载一端的一列横向金属化通孔(6)，两排纵向金属化通孔(2)用以形成基片集成波导，横向金属化通孔(6)封闭两排纵向金属化通孔(2)的一端以形成封闭面，上金属覆铜层上设有垂直贯穿上金属覆铜层的匹配缝隙，所述匹配缝隙包括若干缝隙单元(4)和一个横向单缝(5)，每个缝隙单元(4)包括两个关于该缝隙单元(4)中点180度旋转对称的纵向双缝(3)，每个纵向双缝(3)包括两个分布在匹配负载中心线(9)上下两侧的不同长度的纵向缝隙，且上下两侧的纵向缝隙偏移匹配负载中心线(9)的距离相同，所述横向单缝垂直于匹配负载中心线(9)。

2.根据权利要求1所述的一种用于毫米波的基片集成波导匹配负载，其特征在于：所述匹配负载包括2个缝隙单元(4)，一共有4组纵向双缝。

3.根据权利要求1所述的一种用于毫米波的基片集成波导匹配负载，其特征在于：所述匹配缝隙宽度相同，任意相邻的两组纵向双缝之间的间距相同，其间距小于半个波导波长。

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