CN109390650B - 小型化双层基片集成波导六端口器件 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了小型化双层基片集成波导六端口器件，包括叠合放置且相互贴合的顶层介质基片、底层介质基片及中间层金属层，顶层介质基片的上表面设置有顶层金属层，底层介质基片的下表面设置有底层金属层；顶层介质基片与底层介质基片上均设置有两组相互对称的金属化通孔，金属化通孔与顶层金属层、顶层介质基片及中间层金属层构成第一基片集成波导；金属化通孔与底层金属层、底层介质基片及中间层金属层构成第二基片集成波导；顶层金属层上设置有三个端口并设置有多个互补的开口谐振环；中间层金属层上开设有两排相互对称的圆孔；底层金属层上设置有三个端口。本发明设计结构简单，六端口稳定输出工作带宽大，结构紧凑，降低了加工难度与加工成本且体积减小。

Description

小型化双层基片集成波导六端口器件

技术领域

本发明涉及一种小型化基片集成波导器件，尤其涉及一种小型化双层基片集成波导六端口器件，属于微波技术领域。

背景技术

六端口技术最早被应用于测量微波电路的复反射系数，随着科学技术的进一步的发展，六端口器件在功率测量系统和接收机系统中得到了更为广泛的运用。六端口的性能直接影响到整个测量系统的精度，尤其在一些例如宇宙微波背景辐射等精密测量系统中，器件中任何一点性能的提升都会对整个系统的精度有着极大的提高。作为通信系统里的收发机，六端口同样被广泛运用于各式各样的调制与解调系统之中，但是传统的波导六端口器件是立体结构、体积大、不易于集成，且传统基片集成波导六端口器件也主要是单层电路板，这样的结构有着上述同样的缺点，而这些缺点极大地限制了六端口的适用范围。

由于基片集成波导技术具有体积小、重量轻、高品质因数、低插入损耗、高集成度、大功率容量等特点，因此，基片集成波导技术使得微波器件有了更广阔的发展，并且在基片集成波导的基础上，双层基片集成波导技术在保留基片集成波导优点的同时进一步缩小了电路面积，更利于小型化电路的设计。

综上所述，如何发挥基片集成波导技术与六端口技术的优势，并提供一种小型化双层基片集成波导六端口器件，就成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种小型化双层基片集成波导六端口器件，结合微带结构的SIW(基片集成波导)平面六端口器件结构，克服了传统波导六端口器件立体结构大，难于集成的特点，克服了一般单层基片集成波导六端口器件面积大的特点，在微波集成化、小型化电路中具有重要的应用价值。本发明通过研究平面化双层六端口器件，扩大该平面化双层六端口器件在现代微波毫米波通信系统中的应用。

本发明的技术解决方案是：

小型化双层基片集成波导六端口器件，其特征在于：包括叠合放置且相互贴合的顶层介质基片、底层介质基片及设置在二者之间的中间层金属层，顶层介质基片的上表面设置有顶层金属层，底层介质基片的下表面设置有底层金属层；

所述顶层介质基片与底层介质基片上均设置有多组金属化通孔，顶层介质基片上的金属化通孔与顶层金属层、顶层介质基片及中间层金属层构成第一基片集成波导；底层介质基片上的金属化通孔与底层金属层、底层介质基片及中间层金属层构成第二基片集成波导，第一基片集成波导与第二基片集成波导构成双层基片集成波导；

顶层金属层上设置有与第一基片集成波导相连接的上微带线组件，底层金属层上设置有与第二基片集成波导相连接的下微带线组件，上微带线组件与下微带线组件构成该双层基片集成波导六端口器件的六个端口；所述中间金属层上开设有两组关于中间金属层的中轴线相互对称的圆孔，所述顶层金属层上还开设有多个互补开口谐振环；

所述六个端口包括两个输入端口与四个输出端口；所述上微带线组件包括第一微带线、第二微带线、第三微带线，所述下微带线组件包括第四微带线、第五微带线及第六微带线，其中，第一微带线与第四微带线均为输入端口，第二微带线、第三微带线、及第五微带线及第六微带线均为输出端口。

优选地，所述顶层介质基片与底层介质基片上均设置有三组金属化通孔，每组所述金属化通孔均包括两排金属化通孔。

优选地，三组所述金属化通孔包括第一组金属化通孔、第二组金属化通孔及第三组金属化通孔，其中，第一组金属化通孔的横排与第一组金属化通孔的竖排呈“L”型，第二组金属化通孔的横排与第二组金属化通孔的竖排呈“L”型；第一组金属化通孔的竖排平行于第二组金属化通孔的竖排，且二者均通过梯形渐变与输入端口相连接；第一组金属化通孔的横排所在直线与第二组金属化通孔的横排所在直线相重合，且二者均通过梯形渐变与输出端口相连接；第一组金属化通孔与第二组金属化通孔关于顶层介质基片的中轴线对称；第三组金属化通孔的横排与第三组金属化通孔的竖排呈“T”型，且第三组金属化通孔的横排的两端均与输出端口相连接，第三组金属化通孔位于第一组金属化通孔与第二组金属化通孔的一侧。

优选地，两组所述圆孔的数量不少于10个，每组所述圆孔包括两排平行设置的圆孔，每排圆孔的数量不少于5个，且每排中每相邻两个圆孔圆心之间的距离相等并为四分之一导波波长。

优选地，一组所述圆孔的每排圆孔圆心连线均与第一组金属化通孔的横排圆心连线相平行，另一组所述圆孔的每排圆孔圆心连线均与第二组金属化通孔的横排圆心连线相平行，且每个所述圆孔的圆心到第一基片集成波导的中心线或第二基片集成波导的中心线的距离均为波导宽度的四分之一。

优选地，多个所述互补开口谐振环包括两排平行设置的互补开口谐振环，每排互补开口谐振环均包括三个呈直线排列的互补开口谐振环，且相邻两个互补开口谐振环中心之间的间距相等且为四分之一导波波长。

优选地，所述互补开口谐振环位于所述第一基片集成波导中第二组金属化通孔与第三组金属化通孔之间，且每排互补开口谐振环中靠近所述金属化通孔的一边与金属化通孔的距离均为0.7mm。

优选地，所述第一基片集成波导与第二基片集成波导均呈“T”型。

优选地，所述顶层介质基片与所述底层介质基片在水平面上的投影相重合，且所述顶层介质基片与底层介质基片均为Rogers 5880介质板，其中，介电常数为2.2，厚度为0.5mm。

本发明提供了一种基片集成波导半圆腔小型化天线，具有以下技术效果：

本发明设计结构简单，六端口稳定输出工作带宽大，其双层结构与传统立体六端口器件相比更适合应用于现代微波毫米波电路集成中。同时，本发明采用双层基片集成波导技术，结构紧凑，降低了加工难度与加工成本。相对于目前的单层基片集成波导六端口器件在器件面积上有显著的减小。

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

附图说明

图1是本发明的三维结构示意图；

图2是本发明的三维剖分图；

图3是本发明的俯视结构示意图；

图4a是本发明中顶层金属层的第一微带线作为输入端口时第一基片集成波导内部的电场分布俯视图；

图4b是本发明中顶层金属层的第一微带线作为输入端口时第二基片集成波导内部的电场分布俯视图；

图5a是本发明以底层金属层的第四微带线作为输入端口时第一基片集成波导内部的电场分布俯视图；

图5b是本发明以底层金属层的第四微带线作为输入端口时第二基片集成波导内部的电场分布俯视图；

图6a-图6b是本发明的S参数幅度的仿真与实测结果对比；

图7a-图7b是本发明的S参数相位的仿真与实测结果对比。

其中，1－顶层金属层，11－第一微带线，12－第二微带线，13－第三微带线，14－互补开口谐振环，2－顶层介质基片，3－中间层金属层，31－第一组圆孔，32－第二组圆孔，4－底层介质基片，5－底层金属层，51－第四微带线，52－第五微带线，53－第六微带线，61－第一组金属化通孔，62－第二组金属化通孔，63－第三组金属化通孔。

具体实施方式

小型化双层基片集成波导六端口器件，图1-图3所示，包括叠合放置且相互贴合的顶层介质基片2、底层介质基片4及设置在二者之间的中间层金属层3，顶层介质基片2的上表面设置有顶层金属层1，底层介质基片4的下表面设置有底层金属层5；

其中，顶层介质基片2与底层介质基片4上均设置有多组金属化通孔，顶层介质基片2上的金属化通孔与顶层金属层1、顶层介质基片2及中间层金属层3构成第一基片集成波导；底层介质基片4上的金属化通孔与底层金属层5、底层介质基片4及中间层金属层3构成第二基片集成波导，第一基片集成波导与第二基片集成波导构成双层基片集成波导。

在本实施例中，顶层介质基片2与底层介质基片4上均设置有三组金属化通孔，每组金属化通孔均包括两排金属化通孔。三组所述金属化通孔包括第一组金属化通孔61、第二组金属化通孔62及第三组金属化通孔63，其中，第一组金属化通孔61的横排与第一组金属化通孔61的竖排呈“L”型，第二组金属化通孔62的横排与第二组金属化通孔62的竖排呈“L”型；第一组金属化通孔61的竖排平行于第二组金属化通孔62的竖排，且二者均通过梯形渐变与输入端口相连接；第一组金属化通孔61的横排所在直线与第二组金属化通孔62的横排所在直线相重合，且二者均通过梯形渐变与输出端口相连接；第一组金属化通孔61与第二组金属化通孔62关于顶层介质基片的中轴线对称；第三组金属化通孔63的横排与第三组金属化通孔63的竖排呈“T”型，且第三组金属化通孔63的横排的两端均与输出端口相连接，第三组金属化通孔63位于第一组金属化通孔61与第二组金属化通孔62的一侧。另外，第一基片集成波导与第二基片集成波导均呈“T”型，可对该双层基片集成波导的输入能量进行分配，并通过第三组金属化通孔63中的一排金属化通孔实现第一基片集成波导或第二基片集成波导传输方向改变的目的，最终达到等幅同相的功率分配目的。顶层介质基片2与底层介质基片4在水平面上的投影相重合，且顶层介质基片2与底层介质基片4均为Rogers 5880介质板，其中，介电常数为2.2，厚度为0.5mm。

进一步地，顶层金属层1上设置有与第一基片集成波导相连接的上微带线组件，底层金属层5上设置有与第二基片集成波导相连接的下微带线组件，上微带线组件与下微带线组件构成该双层基片集成波导六端口器件的六个端口，六个端口包括两个输入端口与四个输出端口，六个端口通过功分器、定向耦合器及移相器的组合，达到了一个双输入、四输出的效果，四个输出端的输出信号等幅且相位差恒定；上微带线组件与下微带线组件均包括三条微带线，上微带线组件中的每条微带线均通过梯形渐变接入第一基片集成波导，下微带线组件中的每条微带线均通过梯形渐变接入第二基片集成波导其中，以实现阻抗匹配。上微带线组件中的一条微带线与下微带线组件中的一条微带线均为输入端口，上微带线组件中的另外两条微带线与下微带线组件中的另外两条微带线均为输出端口。在本实施例中，设置在顶层金属层1上的上微带线组件包括第一微带线11、第二微带线12、第三微带线13，设置在底层金属层5上的下微带线组件包括第四微带线51、第五微带线52及第六微带线53，其中，第一微带线11与第四微带线51均为输入端口，第二微带线12、第三微带线13、及第五微带线52及第六微带线53均为输出端口，上微带线组件中的每条微带线的阻抗与下微带线组件中的每条微带线的阻抗均为50欧姆，且双层基片集成波导的输出端关于基片集成波导的中线180°旋转对称。

更进一步地，中间层金属层3上开设有两组关于中间金属层的中轴线相互对称的圆孔，两组圆孔的数量不少于10个，每组圆孔包括两排平行设置的圆孔，每排圆孔的数量不少于5个，且每排中每相邻两个圆孔圆心之间的距离相等并为四分之一导波波长。一组所述圆孔的每排圆孔圆心连线均与第一组金属化通孔61的横排圆心连线相平行，另一组所述圆孔的每排圆孔圆心连线均与第二组金属化通孔62的横排圆心连线相平行，且每个所述圆孔的圆心到第一基片集成波导的中心线或第二基片集成波导的中心线的距离均为波导宽度的四分之一，以达到最强的耦合效果。

在本发明的技术方案中，中间层金属层3上开设有关于中间金属层的中轴线相互对称的第一组圆孔31与第二组圆孔32，第一组圆孔31与第二组圆孔32均包括两排平行设置的圆孔，每排圆孔的数量为5个，且每排中每相邻两个圆孔圆心之间的距离相等并为四分之一导波波长。第一组圆孔31与第二组圆孔32的数量均与同等相对带宽下的最小值相同，即均为10，第一基片集成波导与第二集成波导中的能量通过两组各10个圆孔进行耦合，达到3-dB耦合的目的。第一组中一排圆孔圆心的连线与第一组金属化通孔61中一排金属化通孔中心的连线相平行，第一组中另一排圆孔圆心的连线与第三组金属化通孔63中一排金属化通孔中心的连线相平行；第二组中一排圆孔圆心的连线与第二组金属化通孔62中一排金属化通孔中心的连线相平行，第二组中另一排圆孔圆心的连线与第三组金属化通孔63中一排金属化通孔中心的连线相平行。在双层基片集成波导中，第一组圆孔31位于第一组金属化通孔61与第三组金属化通孔63之间，第二组圆孔32位于第二组金属化圆孔与第三组金属化通孔63之间。

如图1-图3所示，顶层金属层1上还开设有多个互补开口谐振环14，互补开口谐振环14的蚀刻在产生极少的辐射损耗的前提下引入了额外的负载效应，从而改变基片集成波导的传播常数β，最终达到宽带90°移相的目的。多个互补开口谐振环14包括两排平行设置的互补开口谐振环14，每排互补开口谐振环14均包括三个呈直线排列的互补开口谐振环14，且相邻两个互补开口谐振环14中心之间的间距相等且为四分之一导波波长。互补开口谐振环14位于第一基片集成波导内，且互补开口谐振环14位于所述第一基片集成波导中第二组金属化通孔62与第三组金属化通孔63之间，且每排互补开口谐振环14中靠近金属化通孔的一边与金属化通孔的距离均为0.7mm，以控制互补开口谐振环14带来的负载效应，达到最理想的宽带移相效果。

图4a～图4b分别是本发明以顶层金属层1的第一微带线11作为输入端口时第一基片集成波导与第二基片集成波导内部的电场分布俯视图，图5a～图5b分别是本发明以底层金属层5的第四微带线51作为输入端口时第一基片集成波导与第二基片集成波导内部的电场分布俯视图，图6a～图6b为本发明中的S参数幅度的仿真结果。由此可知，本发明耦合器的6-dB工作带宽为7GHz～10.3GHz，中心频率为8.65GHz，相对带宽为38％。两个输入端口的回波损耗均大于15dB。图7a～图7b为本发明中S参数相位的仿真结果。由此可知，当顶层金属层1第一微带线11作为输入端口时，四个输出端口得到的输出信号依次正交，当底层金属层5的第四微带线51作为输入端口时，四个输出端口得到的输出信号同层之间同相，不同层之间正交，满足六端口器件的要求。

本发明可实现在双层基片集成波导通过在印刷电路板上设计一系列金属化通孔实现的，且可在一个较宽的频带上顺利实现输入信号功率的平均分配，同时，从不同输入端输入信号可以分别得到稳定的相位输出，相对于同等技术的单层基片集成波导电路下的六端口器件，本发明在减小六端口电路面积的同时提高了电路的性能，制作工艺简单，成本低廉。

应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。

Claims (9)

1.小型化双层基片集成波导六端口器件，其特征在于：包括叠合放置且相互贴合的顶层介质基片（2）、底层介质基片（4）及设置在二者之间的中间层金属层（3），顶层介质基片的上表面设置有顶层金属层（1），底层介质基片（4）的下表面设置有底层金属层（5）；

所述顶层介质基片（2）与底层介质基片（4）上均设置有多组金属化通孔，顶层介质基片（2）上的金属化通孔与顶层金属层（1）、顶层介质基片（2）及中间层金属层（3）构成第一基片集成波导；底层介质基片（4）上的金属化通孔与底层金属层（5）、底层介质基片（4）及中间层金属层（3）构成第二基片集成波导，第一基片集成波导与第二基片集成波导构成双层基片集成波导；

顶层金属层（1）上设置有与第一基片集成波导相连接的上微带线组件，底层金属层（5）上设置有与第二基片集成波导相连接的下微带线组件，上微带线组件与下微带线组件构成该双层基片集成波导六端口器件的六个端口；所述中间层 金属层（3）上开设有两组关于中间层 金属层的中轴线相互对称的圆孔，所述顶层金属层（1）上还开设有多个互补开口谐振环（14）;

所述六个端口包括两个输入端口与四个输出端口；所述上微带线组件包括第一微带线（11）、第二微带线（12）、第三微带线（13），所述下微带线组件包括第四微带线（51）、第五微带线（52）及第六微带线（53），其中，第一微带线（11）与第四微带线（51）均为输入端口，第二微带线（12）、第三微带线（13）、及第五微带线（52）及第六微带线（53）均为输出端口。

2.根据权利要求1所述的小型化双层基片集成波导六端口器件，其特征在于：所述顶层介质基片（2）与底层介质基片（4）上均设置有三组金属化通孔，每组所述金属化通孔均包括两排金属化通孔。

3.根据权利要求2所述的小型化双层基片集成波导六端口器件，其特征在于：三组所述金属化通孔包括第一组金属化通孔（61）、第二组金属化通孔（62）及第三组金属化通孔（63），其中，第一组金属化通孔（61）的横排与第一组金属化通孔（61）的竖排呈“L”型，第二组金属化通孔（62）的横排与第二组金属化通孔（62）的竖排呈“L”型；第一组金属化通孔（61）的竖排平行于第二组金属化通孔（62）的竖排，且二者均通过梯形渐变与输入端口相连接；第一组金属化通孔（61）的横排所在直线与第二组金属化通孔（62）的横排所在直线相重合；第一组金属化通孔（61）与第二组金属化通孔（62）关于顶层介质基片的中轴线对称；第三组金属化通孔（63）的横排与第三组金属化通孔（63）的竖排呈“T”型，且第三组金属化通孔（63）的横排的两端均与输出端口相连接，第三组金属化通孔（63）的横排的一端与第一组金属化通孔（61）的横排均通过梯形渐变与输出端口相连接，且第三组金属化通孔（63）的横排的另一端与第二组金属化通孔（61）的横排均通过梯形渐变与输出端口相连接，第三组金属化通孔（63）位于第一组金属化通孔（61）与第二组金属化通孔（62）的一侧。

4.根据权利要求3所述的小型化双层基片集成波导六端口器件，其特征在于：两组所述圆孔的数量不少于10个，每组所述圆孔包括两排平行设置的圆孔，每排圆孔的数量不少于5个，且每排中每相邻两个圆孔圆心之间的距离相等并为四分之一导波波长。

5.根据权利要求4所述的小型化双层基片集成波导六端口器件，其特征在于：一组所述圆孔的每排圆孔圆心连线均与第一组金属化通孔（61）的横排圆心连线相平行，另一组所述圆孔的每排圆孔圆心连线均与第二组金属化通孔（62）的横排圆心连线相平行。

6.根据权利要求1所述的小型化双层基片集成波导六端口器件，其特征在于：多个所述互补开口谐振环（14）包括两排平行设置的互补开口谐振环（14），每排互补开口谐振环（14）均包括三个呈直线排列的互补开口谐振环（14），且相邻两个互补开口谐振环（14）中心之间的间距相等且为四分之一导波波长。

7.根据权利要求3所述的小型化双层基片集成波导六端口器件，其特征在于：所述互补开口谐振环（14）位于所述第一基片集成波导中第二组金属化通孔（62）与第三组金属化通孔（63）之间，且每排互补开口谐振环（14）中靠近所述金属化通孔的一边与金属化通孔的距离均为0.7mm。

8.根据权利要求1所述的小型化双层基片集成波导六端口器件，其特征在于：所述第一基片集成波导与第二基片集成波导均呈“T”型。

9.根据权利要求1所述的小型化双层基片集成波导六端口器件，其特征在于：所述顶层介质基片（2）与所述底层介质基片（4）在水平面上的投影相重合，且所述顶层介质基片（2）与底层介质基片（4）均为Rogers 5880介质板，其中，介电常数为2.2，厚度为0.5mm。

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