CN109244620A - 一种新型宽带硅基siw环行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型宽带硅基SIW环行器，包括水平设置的腔体、位于腔体中心的旋磁铁氧体基片、永磁体、表面电路、数个金属化通孔形成的三个电磁波信号传输通道，三个输出端口，所述腔体采用硅基材料制成；所述腔体下表面设有三组盲孔，且三组盲孔分别位于三个电磁波信号传输通道中，所述盲孔从腔体下表面向上延伸，盲孔内填充有金属柱体，所述金属柱体、旋磁铁氧体基片和表面电路整体与电磁波阻抗匹配。本发明解决了传统SIW器件表面电路匹配效果有限的问题，硅基材料的引入，使各种先进工艺可在SIW器件腔体及电路的制造中灵活运用。通过金属柱体的调节，对微波信号在腔体中的传播进行了有效匹配，从而大大提升了器件性能。

Description

一种新型宽带硅基SIW环行器

技术领域

本发明涉及一种SIW环行器，尤其涉及一种新型宽带硅基SIW环行器。

背景技术

SIW环行器是微波工程中一类重要的基础性器件，是T/R组件的必备元件，其广泛应用于民用通讯、微波测量、雷达、通信、电子对抗、航空航天等各种民用、军用设备中，在设备中主要起到信号定向传输、收发双工、隔离信号、保护前级系统的作用。

传统的SIW环行器中心节与微带线间的连接，都是采用各种圆弧、抛物线或其他图形作为过渡线过渡，起到匹配电路的作用，也就是表面电路。金属化通孔主要起到模拟波导壁的作用，将电磁波约束在波导壁内，在介质内进行传播，金属化通孔的大小和间距在一定程度上对器件电性能有影响。

由于普通环行器的电磁波在表面电路中传播，因此对器件性能的调节主要在表面电路的形状与整体结构的匹配上，是一个二维层面的调节。

所以传统的SIW环行器技术问题及缺陷主要体现在以下两个方面：

1.传统的SIW器件多采用PCB工艺，因工艺能力及精度有限，限制了SIW器件的表面电路图形精度及器件腔体的结构设计，图形精度不够对高频器件影响明显。

2.现有SIW器件主要通过表面电路来匹配，可操作空间小，器件在实现高性能、宽带、小型化上有困难。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，能有效改善腔体结构，实现高性能、宽带、小型化的一种新型宽带硅基SIW环行器。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种新型宽带硅基SIW环行器，包括水平设置的腔体、位于腔体中心的旋磁铁氧体基片、位于腔体上表面中心的永磁体、位于腔体正反两面由金属图形构成的表面电路以及贯穿腔体用以形成信号传输通道金属壁的数个金属化通孔，所述金属化通孔形成三个电磁波信号传输通道，腔体三个边沿处各设有一输出端口，所述输出端口分别位于三个电磁波信号传输通道中，所述腔体采用硅基材料制成；

所述腔体下表面设有三组经MEMS工艺加工制成的盲孔，且三组盲孔分别位于三个电磁波信号传输通道中，所述盲孔从腔体下表面向上延伸，盲孔内填充有金属柱体，所述金属柱体、旋磁铁氧体基片和表面电路整体与电磁波阻抗匹配。

作为优选：所述盲孔竖直设置，横截面为圆形或方形。

实际上，盲孔多采用圆柱形式，盲孔的高度和大小与电磁波波长和电磁波模式有关，根据电磁场与电磁波的特性设计盲孔的位置及形式，使金属盲孔与电磁波信号实现较好的阻抗匹配，最终达到调节器件性能的目的。

本发明和现有技术相比，具有以下明显区别。

（1）由于传统的SIW结构环行器基材多采用PCB板制成，其材料无法满足在腔体表面设计盲孔的需求，所以也无法通过设置金属柱体的方式来进行调节。

（2）传统的SIW环形器调节主要在表面电路的形状与整体结构的匹配上，是一个二维层面的调节，但本发明中，由于设置了金属柱体，且金属柱体需要与旋磁铁氧体基片和表面电路阻抗匹配，实际上改变了电磁波的传播形式，考虑到金属柱体对电磁波信号的干扰，本发明在硅基腔体内实现立体金属柱体的嵌入，从而在电磁波的传播路径上直接对电磁波进行阻抗匹配，实现拓展器件带宽，优化性能的目标。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明所提出的SIW环行器，采用硅基材料制作腔体，从而能与先进MEMS工艺及薄膜、厚膜工艺结合，工艺灵活性更高，能够实现复杂的器件结构，解决了传统环行器制作工艺精度不高，结构形式单一，功率容量有限等问题，使SIW器件能够实现小型化，同时满足宽带及更高的电性能指标。此外，本发明中还巧妙地在SIW腔体结构中引入了匹配金属柱体，通过金属柱体的调节，对微波在腔体中的传播模式进行了有效匹配，从而大大提升了器件性能。本发明在微波、毫米波系统中运用，对整机系统的小型化、高功率发展有重要意义。

因此，可改变SIW器件结构，实现多种复杂结构共同改善匹配，从而实现SIW器件性能的大幅提升，或同性能水平器件的小型化。

综上：本发明提出了一种新的匹配思路，选用一种可以通过MEMS工艺精密加工的材料，结合MEMS工艺加工盲孔并引入金属柱体，通过金属柱体对SIW环行器内的信号进行干扰匹配，从而改变了传统微带器件或其他SIW结构器件仅仅在表面电路上进行调节的单一手段，提高了器件带宽和性能指标。

附图说明

图1为现有技术结构示意图。

图2为本发明腔体的仰视图。

图3为本发明实施例2中SIW结构环行器回波损耗仿真曲线图。

图4为本发明实施例2中SIW结构环行器隔离仿真曲线图。

图中：1、腔体；2、环形器底板；3、旋磁铁氧体基片；4、永磁体；5、表面电路；6、金属化通孔；7、输出端口；8、金属柱体。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：参见图1和图2，一种新型宽带硅基SIW环行器，包括水平设置的腔体1、位于腔体1中心的旋磁铁氧体基片3、位于腔体1上表面中心的永磁体4、位于腔体1正反两面由金属图形构成的表面电路5以及贯穿腔体1用以形成信号传输通道金属壁的数个金属化通孔6，所述金属化通孔6形成三个电磁波信号传输通道，腔体1三个边沿处各设有一输出端口7，所述输出端口7分别位于三个电磁波信号传输通道中，所述腔体1采用硅基材料制成，腔体1下表面还设有一环形器底板2，所述腔体1下表面设有三组经MEMS工艺加工制成的盲孔，且三组盲孔分别位于三个电磁波信号传输通道中，所述盲孔从腔体1下表面向上延伸，盲孔内填充有金属柱体8，所述金属柱体8、旋磁铁氧体基片3和表面电路5整体与电磁波阻抗匹配。

本实施例中：所述盲孔竖直设置，横截面为圆形或方形。

可见，本发明中，环行器端口采用共面波导形式，表面电路5是三端口对称的Y型电路，本发明采用硅基材料作为腔体1的主体，可结合MEMS工艺对环行器腔体1进行复杂立体加工，在环行器设计中，引入了金属柱体8，大大改善了基片集成波导的性能和带宽，拓展了该类器件设计的思路。立体的金属柱体8从环行器腔体1底面向上生长，其形状、个数、尺寸可根据频段及表面电路5进行灵活改动，以达到最佳匹配结果。

实施例2：参见图1到图4。

结构设计与实施例1相同。本专利针对一款频率在24.5—31GHz的环行器进行了验证，该环行器采用传统的手段进行设计，回波损耗和隔离要达到-15dB以下，带宽就只能做到26~29.5GHz左右，不能实现宽带。若要做到24.5—31GHz的带宽，则回波损耗只能达到-12dB以下，隔离只能达到-11dB以下。这样的性能是不满足微波系统使用需求的。

在上述仿真模型的基础上，引入本专利的匹配金属柱体8，即在三通道中设置三个自下而上生长的金属盲孔，对盲孔进行调整，并在配合盲孔的基础上，对表面电路5进行微调，就可以明细看到器件的带宽和性能得到了明显改善。本专利技术应用后的技术效果参见图3和图4。

图3和图4中，横坐标为频率，单位为GHz，纵坐标为分贝，单位为dB，图3中两个点m1（24.37000,-15.1179），m2（31.0000，-15.7836）。

在24.5—31GHz频段内，器件回波损耗及隔离满足-15dB以下的性能指标。显然，本专利的技术，突破了传统电路设计在拓展器件带宽上的瓶颈。本专利技术应用后的技术效果参见图3和图4。

Claims (2)

1.一种新型宽带硅基SIW环行器，包括水平设置的腔体、位于腔体中心的旋磁铁氧体基片、位于腔体上表面中心的永磁体、位于腔体正反两面由金属图形构成的表面电路、以及贯穿腔体用以形成信号传输通道金属壁的数个金属化通孔，所述金属化通孔形成三个电磁波信号传输通道，腔体三个边沿处各设有一输出端口，所述输出端口分别位于三个电磁波信号传输通道中，其特征在于：

所述腔体采用硅基材料制成；

所述腔体下表面设有三组经MEMS工艺加工制成的盲孔，且三组盲孔分别位于三个电磁波信号传输通道中，所述盲孔从腔体下表面向上延伸，盲孔内填充有金属柱体，所述金属柱体、旋磁铁氧体基片和表面电路整体与电磁波阻抗匹配。

2.根据权利要求1所述的一种新型宽带硅基SIW环行器，其特征在于：所述盲孔竖直设置，横截面为圆形或方形。