CN110350278B - 一种具有三阶带通响应的基片集成波导功分器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基片集成波导功分器，隔离电阻位于共用谐振腔内的对称面上。基片集成波导功分器可以对输入信号进行等分或合成，同时具有三阶带通频率响应，可对输入信号进行滤波。仿真和测试结果表明：该基片集成波导功分器具有良好的频率选择性、较高的带外抑制、输出端口之间的隔离度高、尺寸较小、设计过程简单等优点。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种具有三阶带通响应的基片集成波导功分器。
背景技术
在射频/微波/光频等较高频段内，微带线具有体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等优点，是应用广泛的一类传输线。微带线具有分布参数效应，其电气特性与结构尺寸紧密相关。功分器全称功率分配器，是通信或雷达系统中的重要器件。它是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时可也称为合路器。由于功分器可以逆向使用作为合路器，所以下面的讨论皆以功分器为例。功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。此外，滤波器作为另外一种微波器件，其功能在于允许某一部分频率的信号顺利的通过，而让另外一部分频率的信号受到较大的抑制。传统的滤波器和功分器是两个分立的元件，承担不同的功能。
发明内容
为了克服传统的功分器和滤波器分属两个元件，导致尺寸较大的缺点，本发明提供了一种新型的基片集成波导功分器，能够同时实现滤波和功分的功能，具有良好的频率选择性、小尺寸和容易设计等优点。
典型微带的结构如图1所示，主要包括三层。第I层是金属上覆层，第II层是介质基片，第III层是金属下覆层。本发明所述的基片集成波导功分器如图2所示，其特征在于：第一端口(Port#1)连接到第一谐振腔(Cav1)，第一谐振腔(Cav1)连接第二谐振腔(Cav2)，第二谐振腔(Cav2)连接第三谐振腔(Cav3)，第三谐振腔(Cav3)连接第二端口(Port#2)；同时，第一谐振腔(Cav1)连接第四谐振腔(Cav4)，第四谐振腔(Cav4)连接第五谐振腔(Cav5)，第五谐振腔(Cav5)连接第三端口(Port#3)；在第一谐振腔(Cav1)的金属上覆层(I)内，在对称面上刻蚀矩形槽(Mr)，跨接第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和第三电阻(R3)；第一谐振腔(Cav1)、第二谐振腔(Cav2)、第三谐振腔(Cav3)、第四谐振腔(Cav4)和第五谐振腔(Cav5)由金属化通孔(Hole)围列而成。
为深入分析所述基片集成波导功分器的物理机制，下面采用电磁仿真揭示其场分布。图3(a)为偶模激励下的基片集成波导功分器的电场幅度分布图，第一谐振腔(Cav1)中激励起
(102,201)混合模式。图3(b)为奇模激励下的基片集成波导功分器的电场幅度分布图，第一谐振腔(Cav1)中激励起
(102,201)混合模式。此外，第二谐振腔(Cav2)和第四谐振腔(Cav4)中激励起TE101谐振模式，第三谐振腔(Cav3)和第五谐振腔(Cav5)中激励起TE102谐振模式。
本发明所述的基片集成波导功分器将第一谐振腔(Cav1)作为功分两路的共用谐振腔。在第一谐振腔(Cav1)金属上覆层(I)所刻蚀的矩形槽(Mr)位于对称面上，三个电阻即第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和第三电阻(R3)作为隔离电阻跨接矩形槽(Mr)之上。在偶模激励时，这些隔离电阻不会产生影响；在奇模激励时，这些隔离电阻跨接在奇模激励时存在反相相位差的两点上，从而能够起到调节奇模激励下输出端口匹配以及两输出端口间隔离度的作用。
本发明所述的基片集成波导功分器的有益效果是：能够将一路输入信号分成两路输出，反之能将两路输入信号合成一路输出；功分器具有两个传输极点耦合而成的带通频率响应，有一个传输零点；输出端口之间的隔离度高；尺寸较小，设计过程简单，容易调试等显著优点。
附图说明
图1：微带线结构示意图；
图2：基片集成波导功分器示意图；
图3(a)：偶模激励时基片集成波导功分器的场分布示意图；
图3(b)：奇模激励时基片集成波导功分器的场分布示意图；
图4：基片集成波导功分器的结构参数示意图；
图5(a)：实施例的|S21|和|S11|仿真和测试结果图；
图5(b)：实施例的|S32|仿真和测试结果图。
具体实施方式
为了体现本发明的创造性和新颖性，下面将结合附图和具体实施例进行阐述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例选用一款常用微带基片，相对介电常数为2.2，厚度为0.508mm。
实施例的结构参数标注如图4所示，其中d表示金属化通孔的直径，s表示相邻两个金属化通孔的间距，w0表示线宽，li和lo分别表示开槽的深度，wi和wo分别表示馈线开槽的宽度，l1、l2和l3表示谐振腔的长度，w1、w2和w3表示谐振腔的宽度，w12和w23表示谐振腔之间的耦合宽度，lc、wa、wc、wr和ws分别表示矩形槽(Mr)的相应结构参数。实施例的中心频率位于8.98GHz，3dB相对带宽为2.78％。结构参数选为：d＝0.6mm，s＝0.8mm，w0＝1.54mm，wi＝0.73mm，li＝5.88mm，wo＝0.83mm，lo＝6.12mm，l1＝25.19mm，l2＝19mm，l3＝29.6mm，w1＝25.19mm，w2＝13.60mm，w3＝17.22mm，w12＝5.32mm，w23＝5.70mm，lc＝6.6mm，wa＝1mm，wc＝1.4mm，wr＝0.8mm，ws＝1.2mm。电阻为：R1＝R3＝47Ω，R2＝68Ω。
实施例的测试结果如图5(a)和图5(b)所示。实施例对第一端口(Port#1)输入的信号进行等分，等分信号分别从第二端口(Port#2)和第三端口(Port#3)输出。实施例具有带通频率响应，通带有三个传输极点，在通带右侧9.6GHz处有一个传输零点。通带内最小插损为2.79dB，带内回波损耗大于15dB。从直流到通带左侧的阻带抑制度大于50dB，从9.44GHz到12.00GHz内的阻带抑制度大于48dB。从6GHz到12GHz内的隔离度至少为17.1dB，说明输出端口之间具有良好的隔离。
以上所列举的实施例，充分说明了本发明所述的基片集成波导功分器具有优异的频率响应、尺寸较小、设计过程简单等优点，具有显著的技术进步。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种基片集成波导功分器，其特征在于：第一端口(Port#1)通过输入馈线连接到第一谐振腔(Cav1)，第一谐振腔(Cav1)连接第二谐振腔(Cav2)，第二谐振腔(Cav2)连接第三谐振腔(Cav3)，第三谐振腔(Cav3)通过输出馈线连接第二端口(Port#2)；同时，第一谐振腔(Cav1)连接第四谐振腔(Cav4)，第四谐振腔(Cav4)连接第五谐振腔(Cav5)，第五谐振腔(Cav5)通过输出馈线连接第三端口(Port#3)；在第一谐振腔(Cav1)的金属上覆层(I)内，在对称面上刻蚀矩形槽(Mr)，跨接第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3；第一谐振腔(Cav1)、第二谐振腔(Cav2)、第三谐振腔(Cav3)、第四谐振腔(Cav4)和第五谐振腔(Cav5)由金属化通孔(Hole)围列而成；基片集成波导功分器具有三阶带通频率响应；偶模激励时，第一谐振腔(Cav1)中激励起
(102,201)混合模式；奇模激励时，第一谐振腔(Cav1)中激励起
混合模式；此外，第二谐振腔(Cav2)和第四谐振腔(Cav4)中激励起TE101谐振模式，第三谐振腔(Cav3)和第五谐振腔(Cav5)中激励起TE102谐振模式。
2.根据权利要求1所述的基片集成波导功分器，隔离电阻位于第一谐振腔(Cav1)的对称面上。
3.根据权利要求1所述的基片集成波导功分器，d表示金属化通孔的直径，s表示相邻两个金属化通孔的间距；w0表示输入/输出馈线的宽度，li和lo分别表示输入/输出馈线开槽的深度，wi和wo分别表示输入/输出馈线开槽的宽度；l1和w1表示第一谐振腔(Cav1)的长度和宽度，l2和w2表示第二谐振腔(Cav2)以及第四谐振腔(Cav4)的长度和宽度，l3和w3表示第三谐振腔(Cav3)和第五谐振腔(Cav5)的长度和宽度，w12和w23表示谐振腔之间的耦合宽度；对于矩形槽(Mr)，lc表示其总体长度，wa表示窄边宽度，wc表示宽边宽度，ws表示宽边长度，wr表示中间两个宽边的间距；第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3；中心频率位于8.98GHz，3dB相对带宽为2.78％；基于相对介电常数为2.2和0.508mm厚度的微带基片，基片集成波导功分器参数为：d＝0.6mm，s＝0.8mm，w0＝1.54mm，wi＝0.73mm，li＝5.88mm，wo＝0.83mm，lo＝6.12mm，l1＝25.19mm，l2＝19mm，l3＝29.6mm，w1＝25.19mm，w2＝13.60mm，w3＝17.22mm，w12＝5.32mm，w23＝5.70mm，lc＝6.6mm，wa＝1mm，wc＝1.4mm，wr＝0.8mm，ws＝1.2mm，R1＝R3＝47Ω，R2＝68Ω；从6GHz到12GHz内的隔离度大于17dB。
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| 《Design and Experiment of Filtering Power Divider Based on Shielded HMSIW/QMSIW Technology for 5G Wireless Applications》;XIANG WANG et-al;《IEEE ACCESS》;20190531;第7卷;表4，正文IV段 * |
| 《Ring-Shaped Substrate Integrated Waveguide Wilkinson Power Dividers/Combiners》;Tarek Djerafi et-al;《IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS, PACKAGING AND MANUFACTURING TECHNOLOGY》;20140815;第4卷(第9期);正文第3段，附图12、15 * |
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