CN109710972B - 一种半模基片集成波导放大模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微波电路技术，具体涉及一种半模基片集成波导(HMSIW)放大模块。本发明实现在半模基片集成波导本体中，在与电磁场传播的垂直方向的HMSIW本体中线处开一条槽线，并在虚拟磁壁一侧安装放大器，通过金丝跳线输入放大器，经过放大器放大后，再通过金丝跳线输出到另一边的HMSIW传输线。本发明在一定频段内，可以使HMSIW特性阻抗与放大器输入输出阻抗匹配，从而可以省去HMSIW与放大器之间的匹配网络，进而简化电路的结构，减小电路的尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及微波放大器，具体涉及一种半模基片集成波导(Half Mode SubstrateIntegrated Waveguide,HMSIW)放大模块。
背景技术
微波放大器常用来将输入小功率信号放大到预定的功率值，其输入输出传输线一般为微带线、共面波导或接地共面波导等。
基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)作为一种新型的传输线结构已经被广泛地用于微波与毫米波电路，其具有损耗低、微波性能优良、易于集成等优点。另一方面，为了进一步减少电路的面积，半模基片集成波导(HMSIW)传输结构被提出。与基片集成波导相比，半模基片集成波导传输TE0.5,0模，其在保留基片集成波导优点的同时，电路尺寸上缩小近一半。与SIW的性能类似，HMSIW同时也具备了传统金属波导和微带线的优点，能够在平面电路中很方便的实现高性能微波毫米波电路结构。
根据工程实践经验和现有的文献报道，已有对小信号功率的放大实现在SIW/HMSIW中。另一方面，如果传输信号的结构形式是SIW/HMSIW，常规方法需要引入两个SIW/HMSIW到微带线的过渡结构来实现阻抗匹配，这会增加电路的面积。现有技术中，主要有四种结构：
1：研究者Dong-Sik Eom等使用集总元件匹配HMSIW和均匀微带线，在一定程度上减小了整个HMSIW放大器的电路面积，参见文献Dong-Sik Eom,Hai-Young Lee,“Half-ModeSubstrate Integrated Waveguide Amplifier Using Lumped-Element Transition,”Journal of Electromagnetic Engineering and Science,2017,17(1):29-33。
2：研究者Zhebin Wang等使用渐变线对SIW和均匀微带线进行过渡，并在SIW中引入金属化通孔对输入输出阻抗进行调节，用来实现SIW中高功率信号传输，参见文献ZhebinWang and Chan-Wang Park,“Novel substrate integrated waveguide(SIW)type highpower amplifier using microstrip-to-SIW transition,”2013 Asia-PacificMicrowave Conference Proceedings，2013:101-103。
3：研究者Zhebin Wang等通过在SIW内部引入一段渐变结构，完成了SIW和共面波导的缓变过渡，一定程度上减小了SIW放大电路的结构，参见文献Zhebin Wang,SulavAdhikari,David Dousset,Chan-Wang Park,and Ke Wu，“Substrate IntegratedWaveguide(SIW)Power Amplifier Using CBCPW-to-SIW Transition for MatchingNetwork，”Microwave Symposium Digest,2012:1-3。
4：研究者Mostafa Abdolhamidi等通过一种隔直结构和SIW波导过渡结构，完成了对放大器输入输出端和SIW的匹配和过渡，一定程度上减小了SIW放大电路的尺寸，参见文献Mostafa Abdolhamidi and Mahmoud Shahabadi，“X-Band Substrate IntegratedWaveguide Amplifier，”IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2008：815-817。
在以上四种结构中，各有优缺点：第一种结构使用集总元件匹配HMSIW和均匀微带线，一定程度上减小了原先微带渐变线过渡结构的面积；第二种结构和第三种结构类似，在SIW本体中引入金属化通孔，完成了从放大器到微带线或共面微带线的过渡和匹配，在一定程度上减小了电路的面积；第四种结构使用一种隔直结构和SIW波导过渡结构，完成了对放大器输入输出端和SIW的匹配和过渡，一定程度上减小了电路的尺寸。在以上可见的相关文献中，虽然电路尺寸均有不同程度的减小，但由于都存在SIW/HMSIW与放大器之间的过渡结构，依然有进一步缩小的电路面积的可能性。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为进一步减小HMSIW放大器的电路尺寸，本发明提供了一种半模基片集成波导(HMSIW)放大模块。
该HMSIW放大模块基于常规的半模基片集成波导电路结构，包括微带线、渐变线、HMSIW本体和放大器，放大器输入输出端通过金丝跳线与HMSIW本体相连，HMSIW本体的两条宽边分别通过两条渐变线与两条微带线相连。HMSIW放大模块的底部，还有一个金属腔体用于印制板和放大器的安装。
HMSIW本体宽边长度为Ws，即金属化通孔行与HMSIW本体虚拟磁壁面的距离；HMSIW本体长边的长度为Ls，渐变线与HMSIW本体宽边的衔接边长度为Wt；在渐变线与HMSIW本体的两条衔接边的金属化通孔一侧，各自引入一个匹配用的共计2个金属化通孔，且2个匹配用金属化通孔关于HMSIW中的中间槽线成轴对称。
所述中间槽线设置于HMSIW本体两长边的中垂线上，其垂直于电磁波传播方向，中间槽线长度Lc有Ws-Dvp/2≤Lc≤Ws，宽度Gap有Gap≥0.5mm，Dvp为金属化通孔的直径。
在印制电路板上距离HMSIW本体虚拟磁壁距离为D1的地方，设有一个长宽分别为Amp_L、Amp_W的矩形方孔，Amp_L和Amp_W大于等于放大器的外围尺寸，矩形方孔的中心线与中间槽线的中心线对齐，在金属腔体上与矩形方孔处对应设置有一个凸台，凸台用于支撑安装在矩形方孔内的放大器。
放大器的输入输出端通过金丝跳线与中间槽线两侧的HMSIW本体相连接，连接处为离放大器最近的HMSIW本体与中间槽线构成的两方角，方角的长和宽均为0.3mm。
Lm为微带线的长度，Wm为微带线的线宽，Lt为渐变线长度，Svp为相邻金属化通孔的孔心距，Lx为匹配用金属化通孔的圆心距离对应侧的HMSIW本体宽边横向距离，0mm＜Lx＜3mm，Ly为匹配用金属化通孔与金属化通孔行的孔心纵向距离，0mm＜Ly＜(Ws-Wt)/2。
本发明中的放大器工作原理是：电磁波在HMSIW本体中以TE0.5,0模式进行传播，传输结构中的正反面需要金属层覆盖以约束电磁波的传播边界。常规的HMSIW结构中，损耗大部分来自于介质基板本身的介质损耗角正切。在所需的放大器频段内，我们需要设计出与放大器输入输出阻抗相匹配的HMSIW，得到HMSIW的设计尺寸。
我们参考由功率电压定义的矩形波导特性阻抗公式，来计算与所需HMSIW等效的矩形波导的尺寸。
矩形波导的特性阻抗公式为：
其中，
在这个公式中，总共有Ws，h，f三个未知量，Z0一般为已知量，例如50欧，在实际中，通过确定其中一个未知量，再解式(1)和(2)得到另外两个未知量的关系。
得到式(1)和(2)中未知量之间的关系式后，还必须使得工作频率点f＞fc,即需满足
通过式(1)～(3)得到两组未知量的关系，当同时满足式(1)～(3)的关系的未知量Ws，h，f存在，我们就得到了满足我们设计要求、并与HMSIW等效的矩形波导的尺寸，即宽边Ws，窄边h。最后通过HFSS仿真软件的优化，得到最优的尺寸。
当电磁波在HMSIW本体中传播的时候，信号在中间槽线附近由TE0.5,0场分布模式转为集总参数电路模式，并通过金丝跳线输入放大器，经过放大器放大后，再通过金丝跳线由集总参数电路模式转为TE0.5,0场分布模式，并输出到另一边的HMSIW传输线。由于放大器的输入输出阻抗是50欧，将HMSIW由功率电压定义的特性阻抗设计为50欧，在一定频段内，可以使HMSIW特性阻抗与放大器输入输出阻抗匹配，从而可以省去HMSIW与放大器之间的匹配网络，进而简化电路的结构，减小电路的尺寸。
综上所述，本发明提供了一种新的HMSIW放大模块，不需要HMSIW本体与放大器之间的过渡结构，从而减小了电路尺寸。
附图说明
图1是实施例的HMSIW正视图；
图2为实施例放大器安装后的局部实物图；
图3为实施例PCB板未安装放大器的实物图；
图4为实施例的测试结果；
附图标记：金属化通孔-1，微带线-2，渐变线-3，中间槽线-4，匹配用金属化通孔-5，HMSIW本体-6，矩形方孔-7。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
依据前述提及的HMSIW放大器模块，实现在两面覆铜的RT/Duroid 5880介质基片上，其相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度h为0.508mm。所用放大器的带宽为1～12GHZ，增益为14～14.5dB，增益平坦度±0.5dB，输入输出阻抗50欧，芯片尺寸为1.7mm×1.3mm。
由于h＝0.508mm，Z0＝50欧，解式(1)和(2)得到Ws和f的关系为：
再解式(3)得到
设计频率f＝7.5GHZ，带入式(4)和式(5)，解得Ws≈8.5mm，同时满足式(4)和式(5)，于是得到与HMSIW等效的矩形波导的尺寸Ws＝8.5mm，h＝0.508mm。
经过电磁仿真软件Ansoft HFSS进行仿真并优化，在中间槽线靠近虚拟磁壁处局部短路，然后查看S11，当S11在7.5GHz左右最好时，此时的HMSIW的尺寸即为最佳的参数尺寸，最终尺寸如下表所示：
根据上述所得最终的尺寸，制得HMSIW放大器模块，其实物图如图2、3所示，并进行测试。
测试结果如图4所示：实施例所得HMSIW放大器模块在7.15-8.45GHz的工作频段内(相对带宽16.7％)，其放大器增益为14.1±0.4dB，而在此频段内，输入输出端的反射系数优于-10dB，在6.25-10GHz的频段内，从输出到输入的反向增益在-20dB以下，说明输出到输入的隔离度比较好。
以上测试说明，本发明提供的HMSIW放大模块，不需要HMSIW本体与放大器之间的过渡结构即可实现其功能，可见本发明减小了HMSIW放大器的电路尺寸。
Claims (2)
1.一种半模基片集成波导放大模块，包括微带线、渐变线、HMSIW本体和放大器，其特征在于：
放大器输入输出端通过金丝跳线与HMSIW本体相连，HMSIW本体的两条宽边分别通过两条渐变线与两条微带线相连；HMSIW放大模块的底部，还有一个金属腔体用于印制板和放大器的安装；
HMSIW本体宽边长度为Ws，即金属化通孔行与HMSIW本体虚拟磁壁面的距离；HMSIW本体长边的长度为Ls，渐变线与HMSIW本体宽边的衔接边长度为Wt；在渐变线与HMSIW本体的两条衔接边的金属化通孔一侧，各自引入一个匹配用的共计2个金属化通孔，且2个匹配用金属化通孔关于HMSIW中的中间槽线成轴对称；
所述中间槽线设置于HMSIW本体两长边的中垂线上，其垂直于电磁波传播方向，中间槽线长度Lc有Ws-Dvp/2≤Lc≤Ws，宽度Gap有Gap≥0.5mm，Dvp为金属化通孔的直径；
在印制电路板上距离HMSIW本体虚拟磁壁距离为D1的地方，设有一个长宽分别为Amp_L、Amp_W的矩形方孔，Amp_L和Amp_W大于等于放大器的外围尺寸，矩形方孔的中心线与中间槽线的中心线对齐，在金属腔体上与矩形方孔处对应设置有一个凸台，凸台用于支撑安装在矩形方孔内的放大器；
放大器的输入输出端通过金丝跳线与中间槽线两侧的HMSIW本体相连接，连接处为离放大器最近的HMSIW本体与中间槽线构成的两方角，方角的长和宽均为0.3mm；
Lm为微带线的长度，Wm为微带线的线宽，Lt为渐变线长度，Svp为相邻金属化通孔的孔心距，Lx为匹配用金属化通孔的圆心距离对应侧的HMSIW本体宽边横向距离，0mm＜Lx＜3mm，Ly为匹配用金属化通孔与金属化通孔行的孔心纵向距离，0mm＜Ly＜(Ws-Wt)/2。
2.如权利要求1所述半模基片集成波导放大模块，其特征在于：
介质基片为RT/Duroid 5880，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.508mm；所用放大器的带宽为1～12GHZ，增益为14～14.5dB，增益平坦度±0.5dB，输入输出阻抗50欧，芯片尺寸为1.7mm×1.3mm；
参数尺寸为：Wm＝1.56mm,Lm＝5mm,Lt＝6.8mm,Wt＝5.6mm,Ws＝8.78mm,Ls＝29mm,Lx＝0.6mm,Ly＝2.2mm,Svp＝2.4mm,Dvp＝1.4mm,Gap＝1.5mm,Amp_L＝2mm,Amp_W＝1.5mm,D1＝0.2mm；
在7.15-8.45GHz的工作频段内，相对带宽16.7％，其增益为14.1±0.4dB，而在此频段内，输入输出端的反射系数优于-10dB；在6.25-10GHz的频段内，从输出到输入的反向增益在-20dB以下。
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