CN110994110A - 一种基于半模基片集成波导的双面输出宽频带巴伦功分器 - Google Patents

一种基于半模基片集成波导的双面输出宽频带巴伦功分器 Download PDF

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CN110994110A CN201911411549.9A CN201911411549A CN110994110A CN 110994110 A CN110994110 A CN 110994110A CN 201911411549 A CN201911411549 A CN 201911411549A CN 110994110 A CN110994110 A CN 110994110A
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陈海东
郑诗敏
薛泉
车文荃
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Abstract

本发明公开一种基于半模基片集成波导的双面输出宽频带巴伦功分器。所述双面输出宽频带巴伦功分器包括正面金属层、中间介质基板和反面金属层，正面金属层、中间介质基板和反面金属层由上至下依次分布；所述正面金属层包括输入匹配线结构、正面全模基片集成波导传输结构、正面半模基片集成波导传输结构、正面输出匹配线结构以及正面输出翻转金属导电地结构，反面金属层包括输入匹配线结构反面、反面全模基片集成波导传输结构、反面半模基片集成波导传输结构、反面输出匹配线结构以及反面输出翻转金属导电地结构。本发明结构紧凑、空间利用率高、输出反向、在较宽的带宽上可获得良好的回波损耗和隔离性能。

Description

一种基于半模基片集成波导的双面输出宽频带巴伦功分器
技术领域
本发明涉及微波功率分配器技术领域，特别是一种基于半模基片集成波导的双面输出宽频带巴伦功分器。
背景技术
新兴的毫米波频率应用需要高性能，低成本和紧凑的设备和电路。这就是近年来将平面电路和金属波导的某些优点相结合的基板集成波导(SIW)技术备受关注的原因，SIW具有例如低损耗，高品质因数和易于与平面结构连接等优点。但SIW的尺寸有时与器件的实际限制相冲突，并影响相关平面电路的集成。将基片集成波导沿场分布对称面将其截成两半，利用等效磁壁限制场型变化，提出半模基片集成波导结构。
功分器是微波通信系统中的重要组成部分，吴柯教授首次提出基于半模基片集成波导(HMSIW)多路功分器，如文献1“B.Liu,Wei Hong,Lin Tian,Hong-Bing Zhu,Wei Jiangand Ke Wu,"Half mode substrate integrated waveguide(HMSIW)multi-way powerdivider,"2006 Asia-Pacific Microwave Conference,Yokohama,2006”中提出了一种HMSIW T型结设计和两种SIW和HWSIW模块混合的线性混合功率分配器设计，此后，研究人员广泛提出应用于半模基片集成波导结构的功分器。在文献2“N.A.Smith and R.Abhari,"Compact substrate integrated waveguide Wilkinson power dividers,"in 2009IEEEAntennas and Propagation Society International Symposium,1-5June 2009”中，介绍一种将一个矩形SIW分为两个HMSIW，两个HMSIW在分割部分的末端使用片式电阻器连接的功率分配器，虽改善了隔离特性，但其回波损耗还有待提高。在文献3“D.Eom,J.Byun andH.Lee,"Multilayer Substrate Integrated Waveguide Four-Way Out-of-Phase PowerDivider,"in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol.57,no.12,pp.3469-3476,Dec.2009.”中，输入SIW通过横向Y结横向分成两个HMSIW，每个HMSIW模式通过垂直Y结垂直耦合到两个输出HMSIW，并且电阻耦合槽分别通过隔离电阻在横向和垂直Y结中实现，实现了好的隔离，但是隔离电阻位于分臂中间，不利于高功率应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明在于提出一种基于半模基片集成波导的双面输出宽频带巴伦功分器，结构紧凑、空间利用率高、在较宽的带宽上可获得良好的回波损耗和隔离性能。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种基于半模基片集成波导的双面输出宽频带巴伦功分器，所述双面输出宽频带巴伦功分器包括正面金属层、中间介质基板和反面金属层，正面金属层、中间介质基板和反面金属层由上至下依次分布；
所述正面金属层包括输入匹配线结构、正面全模基片集成波导传输结构、正面半模基片集成波导传输结构、正面输出匹配线结构以及正面输出翻转金属导电地结构，反面金属层包括输入匹配线结构反面、反面全模基片集成波导传输结构、反面半模基片集成波导传输结构、反面输出匹配线结构以及反面输出翻转金属导电地结构；
输入匹配线结构的反面为输入匹配线结构反面，正面全模基片集成波导传输结构、正面半模基片集成波导传输结构、正面输出匹配线结构、正面输出翻转金属导电地结构分别与反面全模基片集成波导传输结构、反面半模基片集成波导传输结构、反面输出匹配线结构、反面输出翻转金属导电地结构镜像对称；
所述输入匹配线结构顺次连接正面全模基片集成波导传输结构和正面半模基片集成波导传输结构，正面半模基片集成波导传输结构分别连接正面输出匹配线结构和正面输出翻转金属导电地结构；
所述输入匹配线结构反面顺次连接反面全模基片集成波导传输结构和反面半模基片集成波导传输结构，反面半模基片集成波导传输结构分别连接反面输出匹配线结构和反面输出翻转金属导电地结构；
输入匹配线结构上设置有输入端口，正面输出匹配线结构上设置有正面输出端口，反面输出匹配线结构上设置有反面输出端口，构成一个输入端口，一个正面输出端口和一个反面输出端口的双面输出宽频带巴伦功分器结构。
进一步地，正面金属层和反面金属层通过正面全模基片集成波导传输结构和正面半模基片集成波导传输结构边缘设置的金属开槽或金属化通孔连接。
进一步地，所述输入传输线结构包括第一端口传输线，第一端口过渡线；所述正面输出匹配线结构包括第二端口传输线、第二端口过渡线；所述反面输出匹配线结构第三端口传输线、第三端口过渡线；所述正面输出翻转金属导电地结构包括第一翻转金属导电地；所述反面输出翻转金属导电地结构包括第二翻转金属导电地。
进一步地，输入传输线结构上的输入端口通过第一端口传输线连接第一端口过渡线连接至正面全模基片集成波导传输结构，正面全模基片集成波导传输结构的另一端连接正面半模基片集成波导传输结构；
正面半模基片集成波导传输结构通过第二端口过渡线和第二端口传输线逆时针90度连接至正面输出匹配线结构上的正面输出端口，正面半模基片集成波导传输结构顺时针90度连接至正面输出翻转金属导电地结构的第一翻转金属导电地；
反面半模基片集成波导传输结构通过第三端口过渡线和第三端口传输线逆时针90度连接至反面输出匹配线结构上的反面输出端口，反面半模基片集成波导传输结构顺时针90度连接至正面输出翻转金属导电地结构第二翻转金属导电地。
进一步地，正面全模基片集成波导传输结构以及反面全模基片集成波导传输结构上沿边缘分布有若干金属化通孔，包括两个延中间介质基板中心线对称的过渡通孔即第一过渡通孔、第二过渡通孔和第一金属化通孔阵列；
所述正面半模基片集成波导传输结构和反面半模基片集成波导传输结构上沿边缘有若干金属化通孔，包括两个延中间介质基板中心线对称的过渡通孔即第三过渡通孔、第四过渡通孔和第二金属化通孔阵列。
进一步地，所述正面半模基片集成波导传输结构上设置有正面金属开口以及第一隔离电阻，所述正面金属开口可跨接第一隔离电阻；反面半模基片集成波导传输结构上设置有反面金属开口以及第二隔离电阻，所述反面金属开口可跨接第二隔离电阻。
进一步地，所述第一端口传输线，第二端口传输线和第三端口传输线的阻值在40-60Ω之间。
进一步地，所述正面全模基片集成波导传输结构和反面全模基片集成波导传输结构的宽度和金属化通孔的半径根据已有公式计算如下：
Figure BDA0002350092550000031
Figure BDA0002350092550000032
其中a′为正面全模基片集成波导传输结构和反面全模基片集成波导传输结构的宽度，W是相邻金属化通孔的间距，a为传输特性等效的矩形波导的宽度，λg为矩形波导的波长；一般选取相邻金属化通孔的间距小于正面全模基片集成波导传输结构和反面全模基片集成波导传输结构截止波长的1/20，金属柱子半径小于相邻金属柱的间距的0.5倍，并作适当的调节；正面半模基片集成波导传输结构和反面半模基片集成波导传输结构的宽度为正面全模基片集成波导传输结构和反面全模基片集成波导传输结构的一半。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)本发明的一种基于半模基片集成波导的双面输出宽频带巴伦功分器，输入回波损耗以20dB为基准的最大带宽达到29-30％,满足宽带的工程需求。
(2)本发明采用巴伦结构，双面输出，输出反向，满足反向功分器需求。
(3)本发明在半模基片集成波导金属开口处跨接电阻以及通过翻转金属层连接地的方式，提高功分器的隔离特性。
(4)本发明采用半模波导及双面设计，结构简单，模型紧凑、空间利用率高。
附图说明
图1是本发明中一种基于半模基片集成波导的双面输出宽频带巴伦功分器的原理图，其中，图1a为正面金属层视图，图1b为反面金属层视图。
图2为本发明一种基于半模基片集成波导的双面输出宽频带巴伦功分器的双面印刷电路板结构3D图，
图3a为本发明中实施例中一种基于半模基片集成波导的双面输出宽频带巴伦功分器的反射系数和隔离系数仿真结果图，图3b本发明中实施例中一种基于半模基片集成波导的双面输出宽频带巴伦功分器的幅度分配和相位差仿真结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图并举实施例，对本发明的具体实施进行详细说明。
实施例：
一种基于半模基片集成波导的双面输出宽频带巴伦功分器，如图2所示，所述双面输出宽频带巴伦功分器包括正面金属层6、中间介质基板7和反面金属层8，正面金属层6、中间介质基板7和反面金属层8由上至下依次分布；
本实施例中，中间介质基板7分为两块矩形，分别为第一中间介质基板7_1和第二中间介质基板7_2；第一中间介质基板7_1的尺寸为22.1mm*30mm*0.787mm，第二中间介质基板7_2的尺寸为35mm*26.39mm*0.787mm；中间介质基板7的介电常数为2.2。
如图1a所示，所述正面金属层包括输入匹配线结构1、正面全模基片集成波导传输结构2、正面半模基片集成波导传输结构3、正面输出匹配线结构4以及正面输出翻转金属导电地结构5；如图1b所示，反面金属层包括输入匹配线结构反面21、反面全模基片集成波导传输结构22、反面半模基片集成波导传输结构23、反面输出匹配线结构24以及反面输出翻转金属导电地结构25；
输入匹配线结构1的反面为输入匹配线结构反面21，正面全模基片集成波导传输结构2、正面半模基片集成波导传输结构3、正面输出匹配线结构4、正面输出翻转金属导电地结构5分别与反面全模基片集成波导传输结构22、反面半模基片集成波导传输结构23、反面输出匹配线结构24、反面输出翻转金属导电地结构25镜像对称；
所述输入匹配线结构1顺次连接正面全模基片集成波导传输结构2和正面半模基片集成波导传输结构3，正面半模基片集成波导传输结构3分别连接正面输出匹配线结构4和正面输出翻转金属导电地结构5；
所述输入匹配线结构反面21顺次连接反面全模基片集成波导传输结构22和反面半模基片集成波导传输结构23，反面半模基片集成波导传输结构23分别连接反面输出匹配线结构24和反面输出翻转金属导电地结构25；
输入匹配线结构1上设置有输入端口，正面输出匹配线结构4上设置有正面输出端口，反面输出匹配线结构24上设置有反面输出端口，构成一个输入端口，一个正面输出端口和一个反面输出端口的双面输出宽频带巴伦功分器结构。
本实施例中，正面金属层6和反面金属层8通过正面全模基片集成波导传输结构2和正面半模基片集成波导传输结构3两边的金属化通孔连接。
如图1a、图1b所示，所述输入传输线结构1包括第一端口传输线9_1，第一端口过渡线10_1；所述正面输出匹配线结构4包括第二端口传输线9_2、第二端口过渡线10_2；所述反面输出匹配线结构24第三端口传输线9_3、第三端口过渡线10_3；所述正面输出翻转金属导电地结构5包括第一翻转金属导电地12_1；所述反面输出翻转金属导电地结构25包括第二翻转金属导电地12_2。
如图1a所示，输入传输线结构1上的输入端口通过第一端口传输线9_1连接第一端口过渡线10_1连接至正面全模基片集成波导传输结构2，正面全模基片集成波导传输结构2的另一端连接正面半模基片集成波导传输结构3；
正面半模基片集成波导传输结构3通过第二端口过渡线10_2和第二端口传输线9_2逆时针90度连接至正面输出匹配线结构4上的正面输出端口，正面半模基片集成波导传输结构3顺时针90度连接至正面输出翻转金属导电地结构5的第一翻转金属导电地12_1；
如图1b所示，反面半模基片集成波导传输结构23通过第三端口过渡线10_3和第三端口传输线9_3逆时针90度连接至反面输出匹配线结构24上的反面输出端口，反面半模基片集成波导传输结构3顺时针90度连接至正面输出翻转金属导电地结构25第二翻转金属导电地12_2。
本实施例中，所述第一端口传输线9_1，第二端口传输线9_2和第三端口传输线9_3的阻值均为50Ω。第一端口传输线9_1宽度为2.37mm、长度为11.77mm，第二端口传输线9_2和第三端口传输线9_3包括一个外径为8.27mm、内径为5.9mm的四分之一圆弧和宽度为2.37mm、长度为9.03mm的线段，第一翻转金属导电地12_1和第二翻转金属导电地12_2的宽度为21.39mm，拐角四分之一圆弧半径为9.98mm。
如图1a、图1b所示，正面全模基片集成波导传输结构2以及反面全模基片集成波导传输结构22上沿边缘分布有若干金属化通孔，包括两个延中间介质基板7中心线对称的过渡通孔即第一过渡通孔11_1、第二过渡通孔11_2和第一金属化通孔阵列11_3；
如图1a、图1b所示，所述正面半模基片集成波导传输结构3和反面半模基片集成波导传输结构23上沿边缘有若干金属化通孔，包括两个延中间介质基板7中心线对称的过渡通孔即第三过渡通孔11_4、第四过渡通孔11_5和第二金属化通孔阵列11_6。
如图1a、图1b所示，所述正面半模基片集成波导传输结构3上设置有正面金属开口13_1以及第一隔离电阻14_1，本实施例中，所述正面金属开口13_1跨接第一隔离电阻14_1；反面半模基片集成波导传输结构23上设置有反面金属开口13_2以及第二隔离电阻14_2，本实施例中，所述反面金属开口13_2跨接第二隔离电阻14_2。
所述正面全模基片集成波导传输结构2和反面全模基片集成波导传输结构22的宽度和金属化通孔根据已有公式计算如下：
Figure BDA0002350092550000061
Figure BDA0002350092550000062
其中a′为正面全模基片集成波导传输结构2和反面全模基片集成波导传输结构22的宽度，W是相邻金属化通孔的间距，a为传输特性等效的矩形波导的宽度，λg为矩形波导的波长；一般选取相邻金属化通孔的间距小于正面全模基片集成波导传输结构2和反面全模基片集成波导传输结构22截止波长的1/20，金属柱子半径小于相邻金属柱的间距的0.5倍，并作适当的调节；正面半模基片集成波导传输结构3和反面半模基片集成波导传输结构23的宽度为正面全模基片集成波导传输结构2和反面全模基片集成波导传输结构22的一半。
本实施例中，正面全模基片集成波导传输结构2和反面全模基片集成波导传输结构22上金属化通孔的直径为1mm，两个通孔之间的间距为2mm；第一过渡通孔11_1、第二过渡通孔11_2沿中间介质基板7中心线对称，距离边缘1.63mm；第一金属化通孔阵列11_3距离边缘2.05mm，沿中间介质基板7中间线对称，一排四个。正面半模基片集成波导传输结构3和反面半模基片集成波导传输结构23上金属化通孔的直径为1mm，两个通孔之间的间距为1mm；第三过渡通孔11_4、第四过渡通孔11_5沿中间介质基板7中心线对称，距离边缘3.54mm；第二金属化通孔阵列11_6距离边缘2mm，沿中间介质基板7中间线对称，一排十个。
正面半模基片集成波导传输结构3上的正面金属开口13_1的间距为0.7mm，第一隔离电阻14_1的阻值为50Ω；反面半模基片集成波导传输结构23上的反面金属开口13_2的间距为0.7mm，第二隔离电阻14_2的阻值为50Ω。
本实施例中，通过HFSS2018.2仿真结果，如图3a、图3b所示，在X频段上产生了相等的输出功率分配，同时表现出输入回波损耗以20dB为基准的最大带宽达到29.1％,隔离度在中心频率达到20dB以下，插入损耗在-3.8—4.4dB区间内，输出端口相位差在181°-179.5°左右即反相输出。

Claims (8)

1.一种基于半模基片集成波导的双面输出宽频带巴伦功分器，其特征在于，所述双面输出宽频带巴伦功分器包括正面金属层(6)、中间介质基板(7)和反面金属层(8)，正面金属层(6)、中间介质基板(7)和反面金属层(8)由上至下依次分布；
所述正面金属层包括输入匹配线结构(1)、正面全模基片集成波导传输结构(2)、正面半模基片集成波导传输结构(3)、正面输出匹配线结构(4)以及正面输出翻转金属导电地结构(5)，反面金属层包括输入匹配线结构反面(21)、反面全模基片集成波导传输结构(22)、反面半模基片集成波导传输结构(23)、反面输出匹配线结构(24)以及反面输出翻转金属导电地结构(25)；
输入匹配线结构(1)的反面为输入匹配线结构反面(21)，正面全模基片集成波导传输结构(2)、正面半模基片集成波导传输结构(3)、正面输出匹配线结构(4)、正面输出翻转金属导电地结构(5)分别与反面全模基片集成波导传输结构(22)、反面半模基片集成波导传输结构(23)、反面输出匹配线结构(24)、反面输出翻转金属导电地结构(25)镜像对称；
所述输入匹配线结构(1)顺次连接正面全模基片集成波导传输结构(2)和正面半模基片集成波导传输结构(3)，正面半模基片集成波导传输结构(3)分别连接正面输出匹配线结构(4)和正面输出翻转金属导电地结构(5)；
所述输入匹配线结构反面(21)顺次连接反面全模基片集成波导传输结构(22)和反面半模基片集成波导传输结构(23)，反面半模基片集成波导传输结构(23)分别连接反面输出匹配线结构(24)和反面输出翻转金属导电地结构(25)；
输入匹配线结构(1)上设置有输入端口，正面输出匹配线结构(4)上设置有正面输出端口，反面输出匹配线结构(24)上设置有反面输出端口，构成一个输入端口，一个正面输出端口和一个反面输出端口的双面输出宽频带巴伦功分器结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于半模基片集成波导的双面输出宽频带巴伦功分器，其特征在于，正面金属层(6)和反面金属层(8)通过正面全模基片集成波导传输结构(2)和正面半模基片集成波导传输结构(3)边缘设置的金属开槽或金属化通孔连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于半模基片集成波导的双面输出宽频带巴伦功分器，其特征在于，所述输入传输线结构(1)包括第一端口传输线(9_1)，第一端口过渡线(10_1)；所述正面输出匹配线结构(4)包括第二端口传输线(9_2)、第二端口过渡线(10_2)；所述反面输出匹配线结构(24)第三端口传输线(9_3)、第三端口过渡线(10_3)；所述正面输出翻转金属导电地结构(5)包括第一翻转金属导电地(12_1)；所述反面输出翻转金属导电地结构(25)包括第二翻转金属导电地(12_2)。
4.根据权利要求3所述的一种基于半模基片集成波导的双面输出宽频带巴伦功分器，其特征在于，输入传输线结构(1)上的输入端口通过第一端口传输线(9_1)连接第一端口过渡线(10_1)连接至正面全模基片集成波导传输结构(2)，正面全模基片集成波导传输结构(2)的另一端连接正面半模基片集成波导传输结构(3)；
正面半模基片集成波导传输结构(3)通过第二端口过渡线(10_2)和第二端口传输线(9_2)逆时针90度连接至正面输出匹配线结构(4)上的正面输出端口，正面半模基片集成波导传输结构(3)顺时针90度连接至正面输出翻转金属导电地结构(5)的第一翻转金属导电地(12_1)；
反面半模基片集成波导传输结构(23)通过第三端口过渡线(10_3)和第三端口传输线(9_3)逆时针90度连接至反面输出匹配线结构(24)上的反面输出端口，反面半模基片集成波导传输结构(3)顺时针90度连接至正面输出翻转金属导电地结构(25)第二翻转金属导电地(12_2)。
5.根据权利要求1所述的一种基于半模基片集成波导的双面输出宽频带巴伦功分器，其特征在于，正面全模基片集成波导传输结构(2)以及反面全模基片集成波导传输结构(22)上沿边缘分布有若干金属化通孔，包括两个延中间介质基板(7)中心线对称的过渡通孔即第一过渡通孔(11_1)、第二过渡通孔(11_2)和第一金属化通孔阵列(11_3)；
所述正面半模基片集成波导传输结构(3)和反面半模基片集成波导传输结构(23)上沿边缘有若干金属化通孔，包括两个延中间介质基板(7)中心线对称的过渡通孔即第三过渡通孔(11_4)、第四过渡通孔(11_5)和第二金属化通孔阵列(11_6)。
6.根据权利要求1所述的一种基于半模基片集成波导的双面输出宽频带巴伦功分器，其特征在于，所述正面半模基片集成波导传输结构(3)上设置有正面金属开口(13_1)以及第一隔离电阻(14_1)，所述正面金属开口(13_1)跨接第一隔离电阻(14_1)；反面半模基片集成波导传输结构(23)上设置有反面金属开口(13_2)以及第二隔离电阻(14_2)，所述反面金属开口(13_2)跨接第二隔离电阻(14_2)。
7.根据权利要求3所述的一种基于半模基片集成波导的双面输出宽频带巴伦功分器，其特征在于，所述第一端口传输线(9_1)，第二端口传输线(9_2)和第三端口传输线(9_3)的阻值在40-60Ω之间。
8.根据权利要求1所述的一种基于半模基片集成波导的双面输出宽频带巴伦功分器，其特征在于，所述正面全模基片集成波导传输结构(2)和反面全模基片集成波导传输结构(22)的宽度和金属化通孔的半径根据已有公式计算如下：
Figure FDA0002350092540000031
Figure FDA0002350092540000032
0.05W<R<0.5W
其中a′为正面全模基片集成波导传输结构(2)和反面全模基片集成波导传输结构(22)的宽度，W是相邻金属化通孔的间距，a为传输特性等效的矩形波导的宽度，λg为矩形波导的波长；选取相邻金属化通孔的间距小于正面全模基片集成波导传输结构(2)和反面全模基片集成波导传输结构(22)截止波长的1/20，金属柱子半径小于相邻金属柱的间距的0.5倍；正面半模基片集成波导传输结构(3)和反面半模基片集成波导传输结构(23)的宽度为正面全模基片集成波导传输结构(2)和反面全模基片集成波导传输结构(22)的一半。
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CN201911411549.9A Pending CN110994110A (zh) 2019-12-31 2019-12-31 一种基于半模基片集成波导的双面输出宽频带巴伦功分器

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US8022887B1 (en) * 2006-10-26 2011-09-20 Sibeam, Inc. Planar antenna
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