CN111063975B - 基于脊间隙波导的Ka波段GYSEL功分器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于脊间隙波导的Ka波段GYSEL功分器，该功分器包括基于脊间隙波导的功分结构以及位于1个输入端口和2个输出端口处的脊间隙波导‑微带过渡结构。脊间隙波导中采用销钉‑凹槽的周期性电磁带隙结构，拓宽了脊间隙波导的带宽。微带过渡结构中矩形槽与置于矩形槽一侧上方的喇叭形微带探针用于实现脊间隙波导与微带线之间电磁波的耦合。对脊间隙波导中的脊进行3阶四分之一波长的切比雪夫阻抗变换实现了从脊间隙波导到矩形腔的宽频带范围的阻抗匹配。该功分器具有结构简单、低损耗、特性良好等优点，易于实现电路集成与系统封装。

Description

基于脊间隙波导的Ka波段GYSEL功分器
技术领域
本发明属于无线通信领域，特别涉及一种基于脊间隙波导的Ka波段GYSEL功分器。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展与应用，各种新型无线通信系统信息传输效率和质量越来越高，结构也越来越复杂。尤其在Ka波段及以上频段，在各种微波系统中，信号的传输和无源、有源电路的实现都离不开低损耗传输媒介。为了满足低损耗、高集成系统的需求，2009年瑞典的P.-S.Kildal教授提出间隙波导(Gap waveguide：GWG)传输线技术。间隙波导分为三种类型：脊间隙波导(RGWG)，槽间隙波导(GGWG)和微带间隙波导。这三种GWG结构可由全金属构成，也可由金属与PCB混合构成。其结构是通过在平行班表面上的金属脊/微带/槽周围布局电磁带隙构成。当上层金属板距离电磁带隙表面小于四分之一波长的时候，由于电磁带隙结构存在带隙特性，电磁波不能在其中传播，而只在金属脊/微带/槽的方向传播，且在很宽的频带内将其他模式截止，由此而得名间隙波导。作为传统金属波导的演进，GWG具有低传输损耗、低加工成本以及高集成度等特性，被广泛适用于毫米波系统。
功率分配器是现代无线通信系统中极其重要的一部分。随着工作频率升高到Ka波段，各种无线通信系统中相邻传输线之间的串扰、耦合形成的干扰以及外部设备所带来的辐射，很大程度上影响了电路的整体性能。因此，对功分器各方面的性能也提出了越来越高的要求。传统基于的微带线及共面波导线等平面传输线的功分器由于色散和介电材料的损耗，将产生较高的插入损耗，而现阶段基于RGWG传输线技术的功分器的研究还未有过，对于RGWG到微带线过渡设计的研究也较少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有结构简单、低损耗、特性良好等优点，易于实现电路集成与系统封装的Ka波段GYSEL功分器。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于脊间隙波导的Ka波段GYSEL功分器，包括具有金属脊、以及周期性排布的销钉的金属盖板，配合销钉一侧挖槽的金属地板，以及置于金属地板上的介质基板，介质基板上设置金属微带线和金属探针；
所述金属盖板上设有椭圆环型金属脊，该椭圆环型金属脊包括顺时针方向顺次连接的第一金属脊、第二金属脊、第三金属脊、第四金属脊、第五金属脊、第六金属脊、第七金属脊、第八金属脊、第九金属脊，其中第五金属脊的长度为中心频率处波长的二分之一，其余金属脊的长度相同，均为中心频率处波长的四分之一；第三金属脊与第七金属脊平行且平行于功分器结构的对称轴，第五金属脊呈90度弧形弯曲，其余金属脊呈45度弧形弯曲，且第一金属脊、第九金属脊的连接点与第五金属脊中点的连线位于功分器结构的对称轴上；第十金属脊的一端与第一金属脊、第九金属脊相连处连接，且方向与功分器结构对称轴的轴线重合；第十一金属脊的一端与第三金属脊、第四金属脊相连处连接，且方向与第三金属脊垂直；第十四金属脊的一端与第七金属脊、第六金属脊相连处连接，方向与第七金属脊垂直；第十二金属脊的一端与第五金属脊、第四金属脊相连处连接，第十三金属脊的一端与第六金属脊、第五金属脊相连处连接；第十金属脊、第十一金属脊、第十四金属脊的另一端分别连接一个高度呈3阶阶梯状依次降低的过渡金属脊；所述第十金属脊至第十四金属脊的两边均分布有销钉-凹槽型周期单元，所述椭圆环型金属脊中间沿对称轴分布有m个销钉-凹槽型周期单元；所述过渡金属脊的第3阶阶梯下方的金属地板上沿过渡金属脊的轴向方向设有一个第一矩形槽，沿过渡金属脊的轴向方向的金属地板上还设置与第一矩形槽同轴且相连的第二矩形槽，所述矩形槽周围均分布有销钉-凹槽型周期单元；所述介质基板分别位于第一输入端口、第二输出端口、第三输出端口处，且介质基板的一侧与端口对其，另一侧延伸到第二矩形槽的上方，介质基板两边均分布有销钉-凹槽型周期单元，第二矩形槽上方的介质基板上设置喇叭状金属探针，其与金属地板上方的介质基板表面的金属微带线相连；介质基板上方的金属盖板上设有n个销钉，均平行置于金属微带线两侧。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)基于RGWG设计了功分器，实现了宽带上的功分特性；2)设计了RGWG到微带线过渡的输入输出端口，有利于系统的集成；3)采用销钉-凹槽结构的GWG单元结构，能有效提高GWG电磁带隙的带宽。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明基于脊间隙波导的Ka波段GYSEL功分器的整体结构示意图。
图2为本发明基于脊间隙波导的Ka波段GYSEL功分器的整体结构的俯视图。
图3为本发明的传输特性曲线图，其中图(a)为回波损耗|S11|与插入损耗|S21|结果曲线图，图(b)为插入损耗|S31|与端口隔离|S23|结果曲线图。
具体实施方式
结合图1和图2，本发明提出了一种基于脊间隙波导的Ka波段GYSEL功分器，包括具有金属脊、以及周期性排布的销钉的金属盖板，配合销钉一侧挖槽的金属地板，以及置于金属地板上的介质基板，介质基板上设置金属微带线和金属探针；
金属盖板上设有椭圆环型金属脊，该椭圆环型金属脊包括顺时针方向顺次连接的第一金属脊1、第二金属脊2、第三金属脊3、第四金属脊4、第五金属脊5、第六金属脊6、第七金属脊7、第八金属脊8、第九金属脊9，其中第五金属脊5的长度为中心频率处波长的二分之一，其余金属脊的长度相同，均为中心频率处波长的四分之一；第三金属脊3与第七金属脊7平行且平行于功分器结构的对称轴，第五金属脊5呈90度弧形弯曲，其余金属脊呈45度弧形弯曲，且第一金属脊1、第九金属脊9的连接点与第五金属脊5中点的连线位于功分器结构的对称轴上；第十金属脊10的一端与第一金属脊1、第九金属脊9相连处连接，且方向与功分器结构对称轴的轴线重合；第十一金属脊11的一端与第三金属脊3、第四金属脊4相连处连接，且方向与第三金属脊3垂直；第十四金属脊14的一端与第七金属脊7、第六金属脊6相连处连接，方向与第七金属脊7垂直；第十二金属脊12的一端与第五金属脊5、第四金属脊4相连处连接，第十三金属脊13的一端与第六金属脊6、第五金属脊5相连处连接；第十金属脊10、第十一金属脊11、第十四金属脊14的另一端分别连接一个高度呈3阶阶梯状依次降低的过渡金属脊T；第十金属脊10至第十四金属脊14的两边均分布有销钉-凹槽型周期单元，椭圆环型金属脊中间沿对称轴分布有m个销钉-凹槽型周期单元；过渡金属脊T的第3阶阶梯下方的金属地板上沿过渡金属脊T的轴向方向设有一个第一矩形槽C1，沿过渡金属脊T的轴向方向的金属地板上还设置与第一矩形槽C1同轴且相连的第二矩形槽C2，矩形槽周围均分布有销钉-凹槽型周期单元；介质基板分别位于第一输入端口P1、第二输出端口P2、第三输出端口P3处，且介质基板的一侧与端口对其，另一侧延伸到第二矩形槽C2的上方，介质基板两边均分布有销钉-凹槽型周期单元，第二矩形槽C2上方的介质基板上设置喇叭状金属探针，其与金属地板上方的介质基板表面的金属微带线相连；介质基板上方的金属盖板上设有n个销钉，均平行置于金属微带线两侧。
进一步地，在其中一个实施例中，第十二金属脊12与第十三金属脊13关于功分器结构的对称轴对称。
进一步优选地，在其中一个实施例中，m＝2，n＝4。
进一步优选地，在其中一个实施例中，位于椭圆环型金属脊中间的销钉-凹槽型周期单元的尺寸小于位于椭圆环型金属脊外部的销钉-凹槽型周期单元的尺寸。
进一步优选地，在其中一个实施例中，金属盖板与金属地板之间的距离为1.6mm；销钉-凹槽型周期单元的金属地板上凹槽深度均为0.5mm，销钉高度均为1.9mm，周期单元之间间距为1.1mm，销钉均置于凹槽正中间；
位于椭圆环型金属脊外部的销钉-凹槽型周期单元的凹槽边长尺寸为1.1mm*1.1mm，销钉边长尺寸为0.8mm*0.8mm，周期单元与金属脊之间间距约为2.15mm；
位于椭圆环型金属脊中间的销钉-凹槽型周期单元的凹槽边长尺寸为0.8mm*0.8mm，销钉边长尺寸为0.5mm*0.5mm；
设置于介质基板上方的金属盖板上的销钉边长尺寸为1.3mm*1.3mm，高度为1.196mm，销钉-凹槽型周期单元之间间距为1.9mm。
进一步优选地，在其中一个实施例中，第一金属脊1与第九金属脊9具有相同的宽度，第二金属脊2与第八金属脊8具有相同的宽度，第三金属脊3与第七金属脊7具有相同的宽度，第四金属脊4与第六金属脊6具有相同的宽度；第十金属脊10、第十一金属脊11、第十四金属脊14具有相同的长度和宽度，第十三金属脊13和第十二金属脊12具有相同的长度和宽度；椭圆环型金属脊与第十金属脊10、第十一金属脊11、第十二金属脊12、第十三金属脊13、第十四金属脊14具有相同的高度；第十二金属脊12、第十三金属脊13末端外接吸波材料。
进一步优选地，在其中一个实施例中，过渡金属脊T的3阶阶梯具有相同的长度和宽度，其中长度为中心频率处波长的四分之一，阶梯高度依次为1.2mm、0.5mm、0.2mm。
进一步优选地，在其中一个实施例中，第一矩形槽C1与第二矩形槽C2深度均为中心频率处的四分之一波长。
进一步地，在其中一个实施例中，介质基板的介电常数为2～16，厚度为0.254mm。
进一步优选地，在其中一个实施例中，介质基板上设置的喇叭状金属探针宽边小于介质基板的宽度，窄边尺寸与介质基板表面金属微带线的宽度相同。
对本发明进行仿真的结果如图3所示，由图可以看出，在30.1～40.9GHz范围内，回波损耗|S11|与输出端口之间的隔离|S23|均优于10dB，相对带宽为30.4％，且在相同频带上的插入损耗|S21|与|S31|均优于0.5dB。
本发明基于RGWG设计功分器，实现了宽带上的功分特性，同时设计了RGWG到微带线过渡的输入输出端口，有利于系统的集成，此外，采用销钉-凹槽结构的GWG单元结构，有效地提高了GWG电磁带隙的带宽。综上，本发明提出的功分器具有结构简单、低损耗、特性良好等优点，易于实现电路集成与系统封装。

Claims (9)

1.一种基于脊间隙波导的Ka波段GYSEL功分器，其特征在于，包括具有金属脊、以及周期性排布的销钉的金属盖板，配合销钉一侧挖槽的金属地板，以及置于金属地板上的介质基板，介质基板上设置金属微带线和金属探针；
所述金属盖板上设有椭圆环型金属脊，该椭圆环型金属脊包括顺时针方向顺次连接的第一金属脊（1）、第二金属脊（2）、第三金属脊（3）、第四金属脊（4）、第五金属脊（5）、第六金属脊（6）、第七金属脊（7）、第八金属脊（8）、第九金属脊（9），其中第五金属脊（5）的长度为中心频率处波长的二分之一，其余金属脊的长度相同，均为中心频率处波长的四分之一；第三金属脊（3）与第七金属脊（7）平行且平行于功分器结构的对称轴，第五金属脊（5）呈90度弧形弯曲，其余金属脊呈 45度弧形弯曲，且第一金属脊（1）、第九金属脊（9）的连接点与第五金属脊（5）中点的连线位于功分器结构的对称轴上；第十金属脊（10）的一端与第一金属脊（1）、第九金属脊（9）相连处连接，且方向与功分器结构对称轴的轴线重合；第十一金属脊（11）的一端与第三金属脊（3）、第四金属脊（4）相连处连接，且方向与第三金属脊（3）垂直；第十四金属脊（14）的一端与第七金属脊（7）、第六金属脊（6）相连处连接，方向与第七金属脊（7）垂直；第十二金属脊（12）的一端与第五金属脊（5）、第四金属脊（4）相连处连接，第十三金属脊（13）的一端与第六金属脊（6）、第五金属脊（5）相连处连接；第十金属脊（10）、第十一金属脊（11）、第十四金属脊（14）的另一端分别连接一个高度呈3阶阶梯状依次降低的过渡金属脊（T）；所述第十金属脊（10）至第十四金属脊（14）的两边均分布有销钉-凹槽型周期单元，所述椭圆环型金属脊中间沿对称轴分布有m个销钉-凹槽型周期单元；所述过渡金属脊（T）的第3阶阶梯下方的金属地板上沿过渡金属脊（T）的轴向方向设有一个第一矩形槽（C1），沿过渡金属脊（T）的轴向方向的金属地板上还设置与第一矩形槽（C1）同轴且相连的第二矩形槽（C2），所述第一矩形槽（C1）和第二矩形槽（C2）周围均分布有销钉-凹槽型周期单元；所述介质基板分别位于第一输入端口（P1）、第二输出端口（P2）、第三输出端口（P3）处，且介质基板的一侧与端口对齐，另一侧延伸到第二矩形槽（C2）的上方，介质基板两边均分布有销钉-凹槽型周期单元，第二矩形槽（C2）上方的介质基板上设置喇叭状金属探针，其与金属地板上方的介质基板表面的金属微带线相连；介质基板上方的金属盖板上设有n个销钉，均平行置于金属微带线两侧；所述 m=2，n=4。
2.根据权利要求1所述的基于脊间隙波导的Ka波段GYSEL功分器，其特征在于，所述第十二金属脊（12）与第十三金属脊（13）关于功分器结构的对称轴对称。
3.根据权利要求1所述的基于脊间隙波导的Ka波段GYSEL功分器，其特征在于，位于所述椭圆环型金属脊中间的销钉-凹槽型周期单元的尺寸小于位于椭圆环型金属脊外部的销钉-凹槽型周期单元的尺寸。
4.根据权利要求1或3所述的基于脊间隙波导的Ka波段GYSEL功分器，其特征在于，所述金属盖板与金属地板之间的距离为1.6mm；所述金属盖板与金属地板之间所有销钉-凹槽型周期单元的金属地板上凹槽深度均为0.5mm，位于椭圆环型金属脊外部以及位于椭圆环型金属脊中间的销钉-凹槽型周期单元的销钉高度均为1.9mm，周期单元之间间距为1.1mm；所有销钉-凹槽型周期单元的销钉均置于凹槽正中间；
位于椭圆环型金属脊外部的销钉-凹槽型周期单元的凹槽边长尺寸为1.1mm*1.1mm，销钉边长尺寸为0.8mm*0.8mm，周期单元与金属脊之间间距为2.15mm；
位于椭圆环型金属脊中间的销钉-凹槽型周期单元的凹槽边长尺寸为0.8mm*0.8mm，销钉边长尺寸为0.5mm*0.5mm；
设置于介质基板上方的金属盖板上的销钉边长尺寸为1.3mm*1.3mm，高度为1.196mm，介质基板两边的销钉-凹槽型周期单元之间间距为1.9mm。
5.根据权利要求1所述的基于脊间隙波导的Ka波段GYSEL功分器，其特征在于，所述第一金属脊（1）与第九金属脊（9）具有相同的宽度，第二金属脊（2）与第八金属脊（8）具有相同的宽度，第三金属脊（3）与第七金属脊（7）具有相同的宽度，第四金属脊（4）与第六金属脊（6）具有相同的宽度；所述第十金属脊（10）、第十一金属脊（11）、第十四金属脊（14） 具有相同的长度和宽度，第十三金属脊（13）和第十二金属脊（12）具有相同的长度和宽度；所述椭圆环型金属脊与第十金属脊（10）、第十一金属脊（11）、第十二金属脊（12）、第十三金属脊（13）、第十四金属脊（14）具有相同的高度；第十二金属脊（12）、第十三金属脊（13）末端外接吸波材料。
6.根据权利要求1所述的基于脊间隙波导的Ka波段GYSEL功分器，其特征在于，所述过渡金属脊（T）的3阶阶梯具有相同的长度和宽度，其中长度为中心频率处波长的四分之一，阶梯高度依次为1.2mm、0.5mm、0.2mm。
7.根据权利要求1所述的基于脊间隙波导的Ka波段GYSEL功分器，其特征在于，所述第一矩形槽（C1）与第二矩形槽（C2）的深度均为中心频率处的四分之一波长。
8.根据权利要求1所述的基于脊间隙波导的Ka波段GYSEL功分器，其特征在于，所述介质基板的介电常数为2 ~16，厚度为0.254mm。
9.根据权利要求1所述的基于脊间隙波导的Ka波段GYSEL功分器，其特征在于，所述介质基板上设置的喇叭状金属探针宽边小于介质基板的宽度，窄边尺寸与介质基板表面金属微带线的宽度相同。
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