CN110350279B - 一种具有滤波功能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，同时具有二阶带通频率响应。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、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

一种具有滤波功能的基片集成波导功分器
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种具有滤波功能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)连接第二端口(Port#2)；同时，第一谐振腔(Cav1)连接第三谐振腔(Cav3)，第三谐振腔(Cav3)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)和第三谐振腔(Cav3)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，首先分析基片集成波导谐振腔的谐振特性。典型的基片集成波导谐振腔如图3所示，其中W和L分别表示宽度与长度，d和s分别表示金属化过孔(Hole)的直径和相邻两金属化过孔(Hole)圆心间的间距。基片集成波导与矩形波导具有相似的导波特性，因此基片集成波导谐振腔等效为介质填充金属波导谐振腔。用Weff和Leff分别表示等效的介质填充金属波导谐振腔的宽度与长度，且满足以下等效关系：
Figure BDA0002130320240000011
Figure BDA0002130320240000012
基片集成波导谐振腔的谐振模式可以通过解析方式或者数值方式来分析。基片集成波导谐振腔内可以激励起的谐振模式包括如图4(a)所示的TE101模式，如图4(b)所示的TE102模式，如图4(c)所示的TE201模式，等等。当W≈L时，即Weff≈Leff，令
Figure BDA0002130320240000016
此时基片集成波导谐振腔简称为方形谐振腔。则TE102模式电场矢量
Figure BDA0002130320240000013
和TE201模式的电场矢量
Figure BDA0002130320240000014
分别为：
Figure BDA0002130320240000015
Figure BDA0002130320240000021
其中，
Figure BDA0002130320240000022
表示y方向上单位矢量，E0为电场矢量的幅度，x表示x方向空间变量，z表示z方向空间变量。此时，TE102模式与TE201模式相简并，且可以叠加。当同幅反相激励起这两个简并谐振模式时，将叠加形成新的混合场模式，用
Figure BDA0002130320240000026
来表示，其电场矢量表示为：
Figure BDA0002130320240000023
当同幅同相激励起这两个简并谐振模式时，将叠加形成新的混合场模式，用
Figure BDA0002130320240000024
来表示，其电场矢量表示为：
Figure BDA0002130320240000025
为了验证上述理论的正确性，利用电磁仿真分析。在仿真模型中建立两个相对称的馈线，馈线与方形谐振腔的耦合采用弱耦合的方式，以减小输入馈线对TE102与TE201两个简并谐振模式的影响。并将输入端口设置为差分对，从而分别得到单端口激励、同幅反相激励以及同幅同相激励下的电场矢量分布图。同幅反相激励叠加形成
Figure BDA0002130320240000027
混合模式的电场矢量分布图及示意图如图5(a)所示；同幅同相激励叠加形成
Figure BDA0002130320240000028
混合模式的电场矢量分布图及示意图如图5(b)所示。由此可见，电磁仿真结果验证了方形谐振腔的TE102模式与TE201模式可同时激励起来，且叠加形成混合模式的可行性。
本发明所述的基片集成波导功分器将利用方形谐振腔作为功分两路的共用谐振腔，在奇模激励与偶模激励时分别激励起
Figure BDA0002130320240000029
与
Figure BDA00021303202400000210
混合模式，从而实现功率分配与隔离的功能。偶模激励时的电磁仿真结果如图6(a)所示，第一谐振腔(Cav1)内激励起
Figure BDA00021303202400000211
Figure BDA00021303202400000212
混合模式，
Figure BDA00021303202400000213
混合模式与其它谐振腔耦合实现同相功率分配，第二谐振腔(Cav2)和第三谐振腔(Cav3)内激励起TE101模式。奇模激励时的电磁仿真结果如图6(b)所示，第一谐振腔(Cav1)激励起
Figure BDA00021303202400000214
混合模式，第二谐振腔(Cav2)和第三谐振腔(Cav3)内激励起TE101模式。
Figure BDA00021303202400000215
混合模式的电场相对于功分器对称面呈现180°的相位差，三个电阻即第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和第三电阻(R3)，将作为隔离电阻需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：基片集成波导谐振腔示意图；
图4(a)：基片集成波导谐振腔的TE101模式示意图；
图4(b)：基片集成波导谐振腔的TE102模式示意图；
图4(c)：基片集成波导谐振腔的TE201模式示意图；
图5(a)：
Figure BDA0002130320240000031
混合模式示意图；
图5(b)：
Figure BDA0002130320240000032
混合模式示意图；
图6(a)：偶模激励时基片集成波导功分器的场分布示意图；
图6(b)：奇模激励时基片集成波导功分器的场分布示意图；
图7：基片集成波导功分器的结构参数示意图；
图8(a)：实施例的|S21|和|S11|仿真和测试结果图；
图8(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7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，di和do分别表示开槽的深度，wi和wo分别表示馈线开槽的宽度，l1和l2表示谐振腔的长度，w2表示谐振腔的宽度，w12表示谐振腔之间的耦合宽度，wc、lc、wr、ws和wa表示矩形槽(Mr)的相应结构参数。实施例的中心频率位于7GHz，3dB相对带宽为3.44％。结构参数选为：d＝0.6mm，s＝0.8mm，w0＝1.54mm，wi＝0.88mm，di＝7.53mm，wo＝0.43mm，do＝2.9mm，l1＝32.3mm，l2＝32mm，w12＝6.2mm，wc＝1.4mm，wa＝1mm，wr＝0.8mm，ws＝1.2mm，lc＝8mm。电阻为：R1＝R3＝47Ω，R2＝30Ω。
实施例的测试结果如图8(a)和图8(b)所示。实施例对从第一端口(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，通带有两个传输极点，在通带右侧9.0GHz处有一个传输零点。通带内最小插损为1.67dB，从直流到通带左侧的阻带抑制度大于29dB，从7.54GHz到9.97GHz内的阻带抑制度大于30dB。从4GHz到10GHz内的隔离度至少为17.3dB，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 (2)

1.一种基片集成波导功分器，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)连接第二端口(Port#2)；同时，第一谐振腔(Cav1)连接第三谐振腔(Cav3)，第三谐振腔(Cav3)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)和第三谐振腔(Cav3)由金属化通孔(Hole)围列而成；所述的基片集成波导功分器，具有二阶带通频率响应；在偶模激励时，第一谐振腔(Cav1)内激励起
Figure FDA0003039799710000017
混合模式，其电场矢量
Figure FDA0003039799710000011
表达式为：
Figure FDA0003039799710000012
其中，
Figure FDA0003039799710000013
表示y方向上单位矢量，E0为电场矢量的幅度，x表示x方向空间变量，z表示z方向空间变量，
Figure FDA0003039799710000014
表示等效的介质填充金属波导谐振腔的宽度；在奇模激励时，第一谐振腔(Cav1)激励起
Figure FDA0003039799710000018
混合模式，其电场矢量
Figure FDA0003039799710000015
表达式为：
Figure FDA0003039799710000016
此外，第二谐振腔(Cav2)和第三谐振腔(Cav3)内激励起TE101模式；第一谐振腔(Cav1)为方形谐振腔。
2.根据权利要求1所述的基片集成波导功分器，第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和第三电阻(R3)作为隔离电阻位于第一谐振腔(Cav1)的对称面。
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