CN108963406A - 基于多层电路工艺的基片集成波导的Gysel型功分器 - Google Patents

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陈海东
车文荃
王晓青
周华
周一华
冯文杰
杨琬琛
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    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port

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Abstract

本发明公开了一种基于多层电路工艺的基片集成波导的Gysel型功分器，功分器由基片集成波导作为载体，基片集成波导包括上层金属面、中间介质板和下层金属面，中间介质板位于上层金属面和下层金属面之间，上层金属面和下层金属面之间设置两排金属柱线列；每排金属柱线列均包括若干金属柱，每个金属柱均与上层金属面和下层金属面相接触；所述功分器包括五个端口，每个端口均采用多层基片集成波导层叠设置，层层之间通过耦合缝隙进行耦合。本发明通过采用基片集成波导在高度方向层叠的形式，在高功率下实现分口间的隔离，且体积小巧，可以用于微波毫米波频段。

Description

基于多层电路工艺的基片集成波导的Gysel型功分器
技术领域
本发明涉及一种微波功率分配器，尤其涉及一种基于多层电路工艺的基片集成波导的Gysel型功分器。
背景技术
微波功率分配器(功分器)是现代通信系统中的重要组件，广泛应用于微波通信、电子对抗、频率综合和微波测量等系统中。功分器主要用于能量的分配、合成，一般有一个总口，两个以上的分口，按照分口的数量可以分为一分二、一分三、一分四以及一分多；按照分口功率是否完全一样，可以分为等分和不等分两种；按照分口相位是否一样，可以分为等相和不等相两种；按照功率容量可以分为小功率、中功率和高功率等；按照传输线形式可以分为微带型、同轴型、波导型等；按照分口是否隔离可以分为隔离型和不隔离型；按照结构形式可以分为Welkinson(威尔金森)、Gysel(杰塞尔)、分支线、定向耦合器等。
最早的Gysel功分器是由Gysel发明的，如文献1(“A new N-way power divider/combiner suitable for high-power application,”IEEE MTT-SInt.Microw.Symp.Dig.,1975,75,pp.116-118)所述。此后，在很长一段时间内，传统的Gysel功分器被广泛地运用到工程实际中去。而近几年，人们又发明了各种各样的Gysel功分器，以期达到任意分配比，如文献2(“A novel Gysel power divider with arbitrarypower ratio for high-power application”，Wireless Symposium(IWS),2013IEEEInternational，2013,pp.1-4)；为实现双频使用，采用如文献3(“Modified Gysel PowerDivider for Dual-Band Applications”，IEEE Microwwave and Wireless Componentsletters，Vol.21,No.1,Jan.2011，pp16-18)所述的设计；或者为增强带宽，如文献4(“Optimum Design of a Wideband Two-Way Gysel Power Divider With Source toLoad Impedance Matching”，IEEE Transactions on Microwave Technology andTechniques,Vol.57,No.9,Sep.2009，pp.2238-2248)所述。
应用基片集成波导即SIW(Substrate Integrated Waveguide)这类成熟的设计平台来实现的平面结构，融合了矩形波导和微带线的优点，具有体积小、重量轻、相对带宽较宽的优点，同时可承受较高的功率门限，Q值也比较高，理论和实验均表明这类平面结构具有非常突出的优点，因此可在微波毫米波电路、混合集成电路(HMIC)以及毫米波单片集成电路(MMIC)中得到很好的应用。如文献5(“Integrated microstrip and rectangularwaveguide in planar form”,IEEE Microwave and Wireless Comp.Lett.,Vol.11,No.2,2001,pp.68-70),文献6(“A Planar Magic-T Using Substrate Integrated CircuitsConcept,”IEEE Microwave and Wireless Comp.Lett.,Vol.18,No.6,2008,pp386-388)，以及文献7(“基片集成波导混合功率分配器馈电对数周期天线,”电波科学学报,2011,26(3),pp.437-442)中，都比较详细地介绍了采用基片集成波导(SIW)这类新技术来设计的新型微波毫米波平面无源电路。
同时，针对基片集成波导功分器，也有越来越多有关功分器的文章被发表，例如文献8(“Y-junction power divider based on substrate integrated waveguide”，Electronics Letters 8th Dec.2011Vol.47No.25)或者文献9(“Multilayer SubstrateIntegrated Waveguide Four-Way Out-of-Phase Power Divider”，IEEE Transactionson Microwave Technology and Techniques,Vol.57,No.12,Dec 2009，pp3469-3476)。但是，这类功分器的主要缺点在于参照传统的威尔金森功分器，隔离电阻位于分臂的中心，从而无法承受高功率，以及由于隔离电阻的寄生效应，无法工作到很高频率；或者基于传统的波导形式，无法隔离，或需要多层电路来隔离。这些缺点的存在直接影响了此类功分器在高功率下的应用。基于基片集成波导的Gysel功分器，最初在文献10(“A Novel Gysel PowerDivider Based on Substrate-Integrated-Waveguide(SIW)Technology”,EuropeanMicrowave Conference,7-10 Sept 2015,Paris,France,Sep.2015,pp470-473)中提了出来，然而，这样的电路占用面积较大，不适合小型化的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多层电路工艺的基片集成波导的Gysel型功分器，解决在高频电路中基片集成波导功分器无法隔离、功率隔离小以及体积较大等问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于多层电路工艺的基片集成波导的Gysel型功分器，功分器由基片集成波导作为载体，基片集成波导包括上层金属面、中间介质板和下层金属面，中间介质板位于上层金属面和下层金属面之间，上层金属面和下层金属面之间设置两排金属柱线列；每排金属柱线列均包括若干金属柱，每个金属柱均与上层金属面和下层金属面相接触；
所述功分器包括五个端口，其中端口1为公共口，用于合成或分配信号；端口2和端口3为分口，端口4和端口5为负载口；
每个端口均采用多层基片集成波导层叠设置，层层之间通过耦合缝隙进行耦合。
本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：(1)本发明的基片集成波导Gysel功分器，带宽可以从5％到10％，满足工程需求；(2)本发明可以解决基片集成波导功分器的隔离问题；(3)本发明可以实现小型化需求；(4)本发明可以解决基片集成波导功分器的功率容量问题；(5)本发明电路指标相对稳定，同时也可以在生产后进行必要的调试，满足特定条件下的需求；(6)结构设计简单易行，可以采用常规的PCB多层印制板制作工艺，或者LTCC工艺，成本低，具有广泛的通用性。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为集成波导匹配结构示意图。
图2为现有基片集成波导Gysel功分器的原理图。
图3为本发明基于多层工艺的基片集成波导Gysel功分器的原理图。
图4为本发明基于多层工艺的基片集成波导Gysel功分器的仿真原理图。
图5为本发明基于多层工艺的基片集成波导Gysel功分器的内置负载原理图。
图6为本发明负载口水平输出集成波导Gysel功分器的回波损耗仿真和测试比较示意图。
图7为本发明负载口水平输出集成波导Gysel功分器的幅度分配仿真和测试比较示意图。
图8为本发明负载口水平输出集成波导Gysel功分器的相位和隔离仿真和测试比较示意图。
具体实施方式
结合图1-图4，本发明的一种基于多层电路工艺的基片集成波导的Gysel型功分器，其特征在于，功分器由基片集成波导作为载体，基片集成波导包括上层金属面1、中间介质板2和下层金属面3，中间介质板2位于上层金属面1和下层金属面3之间，上层金属面1和下层金属面3之间设置两排金属柱线列4；每排金属柱线列均包括若干金属柱，每个金属柱均与上层金属面1和下层金属面3相接触；
所述功分器包括五个端口，其中端口1为公共口，用于合成或分配信号；端口2和端口3为分口；端口4和端口5为负载口，接负载、内置电阻，或其它微波吸收体.
每个端口均采用多层基片集成波导层叠设置，层层之间通过耦合缝隙进行耦合。
进一步的，每个端口位置的多层基片集成波导的金属柱线列在垂直方向重合。
进一步的，多层基片集成波导之间通过PCB多层工艺或者LTCC、LCP进行层叠。
进一步的，单层基片集成波导的厚度为0.05mm到2.032mm；
优选的，单层基片集成波导的厚度为0.05mm、0.1mm、0.125mm、0.254mm、0.508mm、0.762mm、1.016mm、或1.524mm。
中间介质板的介电常数为2-20。
基片集成波导的宽度和金属柱的半径可以根据已有公式(1)-(2)计算：
R＜0.1λg,W＜4R,R＜0.2a (2)
其中a'是SIW的宽度，R是金属柱半径，W是相邻金属柱的间距，a是传输特性等效的矩形波导RW(Rectangular Waveguide)的宽度，λg为矩形波导RW的波长；选取金属柱半径小于基片集成波导截止波长的1/10，两金属柱之间的间距小于金属柱直径,并作适当调节。上层金属面的宽度对应为基片集成波导结构截止频率波长的二分之一以上。
金属柱线列4中每个金属柱的半径为0.05～1mm，每两个金属柱之间的距离为0.1～4mm，实际参数和工作频率相关，需要进行仔细的设计。
本发明的基片集成波导Gysel功率功分器，是以基片集成波导为传输线而进行的Gysel型的功分器设计。其基本原理可参照图2和图3，两者原理相同，主要是结构和实现方式不同。由原来的H臂T形节，改为E臂T形节，从而在垂直方向拓展，使得电路的面积最小化。通过优化模型，形成由五个端口组成的Gysel功分器，每个端口均采用多层基片集成波导层叠设置，层层之间通过耦合缝隙进行耦合。其中端口1为公共口，由于合成或分配信号；端口2和端口3为分口，端口4和端口5为负载口，一般接匹配负载或者电阻。
为当电磁波从端口1进入时，端口2和端口3有能量输出，且输出的幅度相等，为输入的一半(无损耗)或略小(有损耗)；当电磁波从端口2和端口3同时输入时，端口1输出能量，为输入之和；而当端口2或端口3单独输入能量时，端口1输出能量的一半，剩余的能量由端口4和5分别承担，而另一个分端口无能量输出，其主要原因是，经过不同路径汇集在另一分端口的能量反相抵消的缘故。端口4和端口5可以水平输出或垂直输出。
本发明的基片集成波导Gysel功分器，上层金属面1和下层金属面3的宽度与中间介质板2的宽度相同，或者小于中间介质板2宽度。
本发明的基于多层电路工艺的基片集成波导Gysel型功分器，以传统的微带型Gysel功分器为设计出发点，通过采用基片集成波导的在高度方向层叠的形式，实现了具有小型化特点的功率等幅同相输出的功分器。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例
一种基片集成波导Gysel功分器，采用基片集成波导作为载体，主体为基片集成波导Gysel功分器。中间介质板的高度都是0.094mm，总面积22.6mm×5.5mm，整体电路厚度为1.5mm。电路的介电常数εr为5.9，金属化孔9直径为0.1mm，孔中心间距为0.25mm。设计的工作频率为17GHz～19GHz，相对带宽为11％。电路通过采用不同层数的通道以及调整耦合缝隙等方式，来进行整体匹配，图3中的A和B区域的层数分别是3层和2层；为了便于测试和终端接负载，统一采用基片集成波导-微带-同轴变换8的方式进行测试。此外本次电路采用内置的隔离电阻网络，如图5所示。该电阻网络把基片集成波导先转成微带电路10，然后通过薄膜电阻13连接开路金属层11和接地金属层12。从而在一定范围内达到较好的反射系数。
仿真结果和测试结果的对比如图6-图8。从测试结果可以看出，在频段17.0-19.0GHz范围内，实测总口的回波损耗约为-10dB，而两个分口的回波损耗约为-12dB，相对于仿真结果具有相同的趋势，但是也有一定的差距；而实测的分配损耗比仿真的分配损耗大了约4-6dB，同样是在仿真过程中未考虑金属损耗的缘故；仿真的隔离度优于15dB，而实测隔离度优于10dB，在工作频带内的相位差平均在15°左右，并有±7°左右的带内起伏。仿真和测试的差距主要还是由于仿真误差、加工工艺精度以及隔离电阻的非理想性等原因。对设计和工艺进行优化，电路的性能会稳定下来，从而为性能的进一步提升打下基础。
上述结果表明，本发明基片集成波导Gysel功分器可以满足高功率、高隔离的实际需求，体积小，重量轻，适合应用于各种SIW系统的功率合成和分配。

Claims (7)

1.一种基于多层电路工艺的基片集成波导的Gysel型功分器，其特征在于，功分器由基片集成波导作为载体，基片集成波导包括上层金属面(1)、中间介质板(2)和下层金属面(3)，中间介质板(2)位于上层金属面(1)和下层金属面(3)之间，上层金属面(1)和下层金属面(3)之间设置两排金属柱线列(4)；每排金属柱线列均包括若干金属柱，每个金属柱均与上层金属面(1)和下层金属面(3)相接触；
所述功分器包括五个端口，其中端口1为公共口，用于合成或分配信号；端口2和端口3为分口，端口4和端口5为负载口；
每个端口均采用多层基片集成波导层叠设置，层层之间通过耦合缝隙进行耦合。
2.根据权利要求1所述的基于多层电路工艺的基片集成波导的Gysel型功分器，其特征在于，每个端口位置的多层基片集成波导的金属柱线列在垂直方向重合。
3.根据权利要求1所述的基于多层电路工艺的基片集成波导的Gysel型功分器，其特征在于，多层基片集成波导之间通过PCB多层工艺或者LTCC、LCP进行层叠。
4.根据权利要求1所述的基于多层电路工艺的基片集成波导的Gysel型功分器，其特征在于，单层基片集成波导的厚度为0.05mm到2.032mm。
5.根据权利要求4所述的基于多层电路工艺的基片集成波导的Gysel型功分器，其特征在于，单层基片集成波导的厚度为0.05mm、0.1mm、0.125mm、0.254mm、0.508mm、0.762mm、1.016mm或1.524mm。
6.根据权利要求1所述的基于多层电路工艺的基片集成波导的Gysel型功分器，其特征在于，中间介质板的介电常数为2-20。
7.根据权利要求1所述的基于多层电路工艺的基片集成波导的Gysel型功分器，其特征在于，金属柱线列4中每个金属柱的半径为0.05～1mm，每两个金属柱之间的距离为0.1～4mm。
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