CN112002976A - 一种具有相同输出相位的砖式功分器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有相同输出相位的砖式功分器，包括同轴馈电结构，层叠设置的第一金属层、第一介质基板、第一半固化片层、第二金属层、第二介质基板、第三金属层、第二半固化片层、第四金属层、第三介质基板、第五金属层、第三半固化片层、第四介质基板和第六金属层；所述第二及第五金属层上设置对称的一对共面集成波导，其后依次连接一对中心金属段下方有地的接地共面集成波导、一对中心金属段上下表面均有地的屏蔽共面集成波导，最终过渡到一对带状线输出，位于第二金属层上的中心金属段与同轴馈电结构内芯相连。本发明将能量由同轴馈电结构分配至一对带状线，功率分配过程中的传输损耗小，分配后两路带状线之间的功率幅度及相位均相同。

Description

一种具有相同输出相位的砖式功分器
技术领域
本发明涉及微波技术领域，特别涉及一种具有相同输出相位的砖式功分器。
背景技术
微波功分器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。功率分配器的技术指标包括频率范围、承受功率、主路到支路的分配损耗、输入输出间的插入损耗、支路端口间的隔离度、每个端口的电压驻波比等。
常见的传输线功分器都设计成平面的瓦片样式，即整个功分器在同一平面上。该种功分器，无法对由砖式辐射单元组成的、极其紧密排列的阵列馈电。
若将功分器也设计成窄瘦的砖块样式，则可以改善以上不足，使得馈电成为可能，从而使得阵列间的间距相比传统使用瓦片式功分器馈电的阵列大为缩小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有相同输出相位的砖式功分器，使得对紧密排列的、砖块式排列的辐射器阵列馈电成为可能。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有相同输出相位的砖式功分器，所述功分器包括同轴馈电结构，从上至下层叠设置的第一金属层、第一介质基板第二金属层、第二介质基板、第三金属层、第四金属层、第三介质基板、第五金属层、第四介质基板和第六金属层；
所述第二金属层、第五金属层上设置完全对称的、上下层叠的一对共面集成波导，该波导两侧与地之间留有缝隙；所述共面集成波导的末端连接完全对称的一对接地共面集成波导，该波导两侧与地之间留有缝隙，且下方设有所述第三金属层、第四金属层；所述接地共面集成波导的末端连接完全对称的一对屏蔽共面集成波导，该波导上方设有第一金属层，下方设有第三、四金属层和第六金属层，两侧留有缝隙，且沿伸展方向缝隙逐渐增大，两侧的地呈扇形展开直至消失；所述屏蔽共面集成波导的末端连接一对带状线输出；其中，两个共面集成波导分别占据第二介质基板、第三介质基板，两个接地共面集成波导分别占据第二介质基板、第三介质基板，一个屏蔽共面集成波导、一个带状线均同时占据第一介质基板和第二介质基板，另一个屏蔽共面集成波导、另一个带状线均同时占据第三介质基板和第四介质基板；所述一对共面集成波导中的两个波导之间通过一排第一金属化通孔相连，所述波导两侧的所有地通过一排第二金属化通孔连接；所述同轴馈电结构与位于第二金属层上的共面集成波导相连。
进一步地，所述介质基板之间通过半固化片层粘结，所述第一介质基板与第二金属层之间设置第一半固化片层，第三金属层与第四金属层之间设置第二半固化片层，第五金属层与第四介质基板之间设置第三半固化片层。
进一步地，所述共面集成波导包括由沿其所在金属层中心轴线的金属形成的第一中心金属段，该金属段的两侧留有缝隙，缝隙的宽度为w1；
所述接地共面集成波导包括由沿其所在金属层中心轴线的金属形成的第二中心金属段，该金属段下方设有所述第三金属层、第四金属层，且金属段两侧留有缝隙，缝隙的宽度为w2；
所述屏蔽共面集成波导包括由沿其所在金属层中心轴线的金属形成的第三中心金属段，该金属段上方设有所述第一金属层，下方设有所述第三、四金属层和第六金属层，同时两侧留有缝隙，该缝隙的初始宽度为w3，且沿第三中心金属段的伸展方向缝隙逐渐增大，两侧地面呈扇形展开直至消失；
所述第一中心金属段、第二中心金属段和第三中心金属段依次相连。
进一步地，所述同轴馈电结构、共面集成波导、接地共面集成波导、屏蔽共面集成波导和带状线的特征阻抗相同。
本发明与现有技术相比，其显著优点：通过设计由同轴馈电→一对共面集成波导(CPW)→一对接地共面集成波导(GCPW)→一对屏蔽共面集成波导(SCPW)→一对带状线(stripline)的砖式功分器，成功的将常用的单端口同轴馈电转换为适合为工作在较高频率且紧密设置的砖式天线阵列馈电的一对层叠排列的带状线，功率分配过程中的传输损耗小，分配后两路带状线之间的功率幅度及相位均相同。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为一个实施例中具有相同输出相位的砖式功分器的俯视图和侧视图，左、右侧分别为俯视图和侧视图。
图2为一个实施例中具有相同输出相位的砖式功分器的三维结构示意图(省略半固化片)。
图3为一个实施例中不同传输线的场分布示意图，其中图(a)至图(d)分别为共面集成波导、接地共面集成波导、屏蔽集成波导和带状线的场分布示意图。
图4为一个实施例中相位和幅度仿真结果图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示诸如上、下、左、右、前、后……，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态如附图所示下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
需要说明，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
结合图1和图2，提供了一种具有相同输出相位的砖式功分器，所述功分器包括同轴馈电结构1，从上至下层叠设置的第一金属层9、第一介质基板15第二金属层10、第二介质基板16、第三金属层11、第四金属层12、第三介质基板17、第五金属层13、第四介质基板18和第六金属层14；
所述第二金属层10、第五金属层13上设置完全对称的、上下层叠的一对共面集成波导3，该波导两侧与地之间留有缝隙；所述共面集成波导3的末端连接完全对称的一对接地共面集成波导4，该波导两侧与地之间留有缝隙，且下方设有所述第三金属层11、第四金属层12；所述接地共面集成波导4的末端连接完全对称的一对屏蔽共面集成波导5，该波导上方设有第一金属层9，下方设有第三、四金属层和第六金属层14，两侧留有缝隙，且沿伸展方向缝隙逐渐增大，两侧的地呈扇形展开直至消失；所述屏蔽共面集成波导5的末端连接一对带状线7输出；其中，两个共面集成波导分别占据第二介质基板16、第三介质基板17，两个接地共面集成波导4分别占据第二介质基板16、第三介质基板17，一个屏蔽共面集成波导5、一个带状线7均同时占据第一介质基板15和第二介质基板16，另一个屏蔽共面集成波导5、另一个带状线7均同时占据第三介质基板17和第四介质基板18；所述一对共面集成波导3中的两个波导之间通过一排第一金属化通孔22相连，所述波导两侧的所有地通过一排第二金属化通孔8连接；所述同轴馈电结构1与位于第二金属层10上的共面集成波导相连。
这里优选地，各介质基板层均采用Rogers RO5880材料。
进一步优选地，各介质基板层的厚度为0.508mm。
进一步地，在其中一个实施例中，所述介质基板之间通过半固化片层粘结，所述第一介质基板15与第二金属层10之间设置第一半固化片层19，第三金属层11与第四金属层12之间设置第二半固化片层20，第五金属层13与第四介质基板18之间设置第三半固化片层21。
这里优选地，各半固化片层均采用Rogers RO440F材料。
进一步优选地，各半固化片层的厚度为0.18mm。
进一步地，在其中一个实施例中，所述共面集成波导3包括由沿其所在金属层中心轴线的金属形成的第一中心金属段，该金属段的两侧留有缝隙，缝隙的宽度为w1；
所述接地共面集成波导4包括由沿其所在金属层中心轴线的金属形成的第二中心金属段，该金属段下方设有所述第三金属层11、第四金属层12，且金属段两侧留有缝隙，缝隙的宽度为w2；
所述屏蔽共面集成波导5包括由沿其所在金属层中心轴线的金属形成的第三中心金属段，该金属段上方设有所述第一金属层9，下方设有所述第三、四金属层和第六金属层14，同时两侧留有缝隙，该缝隙的初始宽度为w3，且沿第三中心金属段的伸展方向缝隙逐渐增大，两侧地面呈扇形展开直至消失；
所述第一中心金属段、第二中心金属段和第三中心金属段依次相连。
这里优选地，所述缝隙的宽度w2＞w3＞w1。
示例性优选地，第一中心金属段、第二中心金属段和第三中心金属段的宽度分别为1.15mm、0.85mm、0.95mm，w1、w2和w3分别为0.2mm、0.35mm、0.30mm。带状线的宽度为0.95mm。
进一步地，在其中一个实施例中，所述同轴馈电结构1、共面集成波导3、接地共面集成波导4、屏蔽共面集成波导5和带状线7的特征阻抗相同。
这里优选地，所述特征阻抗均为50欧姆。
可以理解地，上述各个尺寸参数只是在实施例中的一种优化设置，其不能作为限制本发明范围的理由，该各个尺寸参数可以根据实际情况进行优化配置。
图3为基于上述实施例的不同传输线的场分布示意图，该图中可以看到相邻传输间的场分布都具有相似性，正是因为这种相似性，才使得信号在不同传输线间平稳传输成为可能。
图4为基于上述实施例的输出相位和幅度仿真结果图，可以看到，该结构不但工作带宽极宽，达到5-13GHz88.8％，且在整个带宽内，两个输出端口间的最大幅度不平衡只有0.07dB，最大相位不平衡只有0.73°，性能优异。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有相同输出相位的砖式功分器，其特征在于，所述功分器包括同轴馈电结构(1)，从上至下层叠设置的第一金属层(9)、第一介质基板(15)第二金属层(10)、第二介质基板(16)、第三金属层(11)、第四金属层(12)、第三介质基板(17)、第五金属层(13)、第四介质基板(18)和第六金属层(14)；
所述第二金属层(10)、第五金属层(13)上设置完全对称的、上下层叠的一对共面集成波导(3)，该波导两侧与地之间留有缝隙；所述共面集成波导(3)的末端连接完全对称的一对接地共面集成波导(4)，该波导两侧与地之间留有缝隙，且下方设有所述第三金属层(11)、第四金属层(12)；所述接地共面集成波导(4)的末端连接完全对称的一对屏蔽共面集成波导(5)，该波导上方设有第一金属层(9)，下方设有第三、四金属层和第六金属层(14)，两侧留有缝隙，且沿伸展方向缝隙逐渐增大，两侧的地呈扇形展开直至消失；所述屏蔽共面集成波导(5)的末端连接一对带状线(7)输出；其中，两个共面集成波导分别占据第二介质基板(16)、第三介质基板(17)，两个接地共面集成波导(4)分别占据第二介质基板(16)、第三介质基板(17)，一个屏蔽共面集成波导(5)、一个带状线(7)均同时占据第一介质基板(15)和第二介质基板(16)，另一个屏蔽共面集成波导(5)、另一个带状线(7)均同时占据第三介质基板(17)和第四介质基板(18)；所述一对共面集成波导(3)中的两个波导之间通过一排第一金属化通孔(22)相连，所述波导两侧的所有地通过一排第二金属化通孔(8)连接；所述同轴馈电结构(1)与位于第二金属层(10)上的共面集成波导相连。
2.根据权利要求1所述的具有相同输出相位的砖式功分器，其特征在于，所述介质基板之间通过半固化片层粘结，所述第一介质基板(15)与第二金属层(10)之间设置第一半固化片层(19)，第三金属层(11)与第四金属层(12)之间设置第二半固化片层(20)，第五金属层(13)与第四介质基板(18)之间设置第三半固化片层(21)。
3.根据权利要求1所述的具有相同输出相位的砖式功分器，其特征在于，所述共面集成波导(3)包括由沿其所在金属层中心轴线的金属形成的第一中心金属段，该金属段的两侧留有缝隙，缝隙的宽度为w1；
所述接地共面集成波导(4)包括由沿其所在金属层中心轴线的金属形成的第二中心金属段，该金属段下方设有所述第三金属层(11)、第四金属层(12)，且金属段两侧留有缝隙，缝隙的宽度为w2；
所述屏蔽共面集成波导(5)包括由沿其所在金属层中心轴线的金属形成的第三中心金属段，该金属段上方设有所述第一金属层(9)，下方设有所述第三、四金属层和第六金属层(14)，同时两侧留有缝隙，该缝隙的初始宽度为w3，且沿第三中心金属段的伸展方向缝隙逐渐增大，两侧地面呈扇形展开直至消失；
所述第一中心金属段、第二中心金属段和第三中心金属段依次相连。
4.根据权利要求3所述的具有相同输出相位的砖式功分器，其特征在于，所述缝隙的宽度w2＞w3＞w1。
5.根据权利要求1所述的具有相同输出相位的砖式功分器，其特征在于，所述介质基板均采用Rogers RO5880材料。
6.根据权利要求1所述的具有相同输出相位的砖式功分器，其特征在于，所述半固化片层均采用Rogers RO440F材料。
7.根据权利要求1所述的具有相同输出相位的砖式功分器，其特征在于，所述同轴馈电结构(1)、共面集成波导(3)、接地共面集成波导(4)、屏蔽共面集成波导(5)和带状线(7)的特征阻抗相同。
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