CN112768863A - 基于hmsiw的k波段新型功率分配器及其设计方法 - Google Patents

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孟繁双
肖泽龙
薛文
吴礼
张晋宇
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Abstract

本发明公开了一种基于HMSIW的K波段新型功率分配器及其设计方法，该功率分配器包括介质基片、基片集成波导结构、微带梯形过渡结构、微带过渡结构、信号输入端和信号输出端，介质基片上依次为微带梯形过渡结构、基片集成波导结构、微带过渡结构，基片集成波导结构的中心线处开有角型缝隙，将其分成两个HMSIW结构，其信号输入端和信号输出端均用于与有源器件端口连接；在基片集成波导结构的两侧各嵌入一排上下贯穿的金属通孔，金属通孔与基片集成波导的上下两侧表面构成传输腔体，传输腔体与所述信号输入端连通，传输腔体内设置若干功分比调节通孔。本发明利用HMSIW功分器在不影响性能的前提下，具有尺寸小、成本低的优点。

Description

基于HMSIW的K波段新型功率分配器及其设计方法
技术领域
本发明涉及电子通信元件技术领域，特别是涉及一种基于HMSIW的K 波段新型功率分配器。
背景技术
随着无线通信系统的发展，对小型化、低成本、多功能设备的需求越来越高。微波滤波器作为通信系统射频前端的重要器件之一，其设计的结构、材料和方法也逐渐增多。基片集成波导(SIW)这种新的导波结构，由于其品质因数高、功率容量大、尺寸小、易加工等优点得到了广泛的应用，基片集成波导SIW (Substrate Integrated Waveguide)功分器是一种新型结构的微波传输线，它是一种兼顾传统金属波导和微带型优点的传输结构，它体积小，易于与平面电路集成，损耗小，品质因数高，功率容量高，有“波导的性能，微带的体积”之称。目前的 SIW功分器的结构是在输出端口处往横向方向设计输出结构，该结构的尺寸会向横向延伸，导致横向尺寸变大，在某些空间条件下不易实现集成。
传统的功率分配器在K波段主要有E面、H面波导型功率分配器或者微带形式：如威尔金森功率分配器和T型结功率分配器，对于毫米波段，波导型功率分配器品质因数高、插损小，但其体积庞大，不适合与平面电路做一体化设计；微带形式的功率分配器具有结构简单、易于集成的特点，但在毫米波段附近，其存在传输损耗较高的缺陷。而半模基片集成波导(HMSIW)在保留SIW特性的同时尺寸比SIW减小了一半，使其在功分器、滤波器、双工器、天线、振荡器等有源及无源器件中也越来越多。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于HMSIW的K波段新型功率分配器及其设计方法，本发明利用HMSIW功分器在不影响性能的前提下，具有尺寸小、成本低的优点。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于HMSIW的K波段新型功率分配器，包括介质基片、基片集成波导、信号输入端和信号输出端，所述基片集成波导包括基片集成波导—微带矩形结构、基片集成波导结构、基片集成波导—微带过渡结构，所述介质基片一端依次为基片集成波导—微带梯形过渡结构、基片集成波导结构、基片集成波导—微带过渡结构，所述基片集成波导结构的中心线处开有角型缝隙，将基片集成波导分成两个HMSIW结构，其信号输入端和信号输出端均实现微带过渡用于与有源器件端口连接；在基片集成波导结构的两侧各嵌入一排上下贯穿的金属通孔，所述两排金属通孔与所述基片集成波导的上下两侧表面构成传输腔体，所述传输腔体与所述信号输入端连通；
在所述传输腔体内设置至少一个功分比调节通孔，以将在所述传输腔体内传输的电磁波信号按照预设比例功分为多路信号。
优选地，所述基片集成波导结构的角型缝隙上跨接50Ω电阻，用于增加端口隔离度。
优选地，所述功分比调节通孔与最近距离的金属通孔之间的间距为预设距离。
优选地，所述信号输入端设置在所述介质基片的中心位置。
优选地，所述介质基片的上下两侧表面分别完全覆铜。
优选地，所述两排金属通孔的半径一致，且相邻金属通孔之间的间距一致。
优选地，所述金属通孔的半径为0.13-0.17毫米。
优选地，相邻的所述金属通孔之间的间距为0.4-0.8毫米。
一种基于HMSIW的K波段新型功率分配器的设计方法，包括以下步骤：
步骤1，确定介质基片材质和厚度，所述介质基片的上下两侧表面分别完全覆铜；
步骤2，确定HMSIW结构的基本参量，包括HMSIW宽度、孔径和孔间距；
步骤3，确定角型缝隙的开口角度θslo大小，θslo在5.25°到5.35°之间；
步骤4，确定微带过渡结构，包括基片集成波导—微带梯形过渡结构的长度 ltran、宽度wtran以及半模基片集成波导—微带过渡结构的切角半径r。
进一步的，所述步骤1的厚度和步骤2的宽度、孔径和孔间距根据K波段矩形波导与基片集成波导的尺寸等效经验公式确定；所述θslot＝5.3°；步骤4的长度ltran、宽度wtran以及切角半径r通过对功率分配器模型的仿真确定。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明在实现了功率分配需求的同时，在角型缝隙上跨接50Ω电阻，可以进一步提高隔离度；在介质基片的两侧各嵌入一排上下贯穿的金属通孔，使上下金属面相接触，当金属化通孔满足设计原则时，可以忽略孔阵列之间的能量泄露；在SIW的中心线处开合适的角型缝隙将其分成两个HMSIW，其输入输出端口均实现微带过渡以便在应用中与有源器件端口连接，而且可以进一步压缩器件尺寸，减小损耗，在不影响性能的前提下克服SIW功率分配器尺寸较大的问题，且成本低。
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
通过以下参照附图而提供的具体实施方式部分，本发明的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：
图1为本发明实施例的提供的一种K波段HMSIW的结构图。
图2为本发明实施例的提供的一种K波段HMSIW功分器的结构图正视图。
图3为本发明实施例的提供的一种K波段HMSIW功分器插入损耗的仿真结图。
图4为本发明实施例的提供的一种K波段HMSIW功分器回波损耗及端口隔离度的仿真图。
具体实施方式
结合图2，一种基于HMSIW的K波段新型功率分配器，包括介质基片、基片集成波导、信号输入端和信号输出端，所述基片集成波导包括基片集成波导—微带矩形结构、基片集成波导结构、基片集成波导—微带过渡结构，所述介质基片一端依次为基片集成波导—微带梯形过渡结构、基片集成波导结构、基片集成波导—微带过渡结构，所述基片集成波导结构的中心线处开有角型缝隙，将基片集成波导分成两个HMSIW结构，其信号输入端和信号输出端均实现微带过渡用于与有源器件端口连接；在基片集成波导结构的两侧各嵌入一排上下贯穿的金属通孔，所述两排金属通孔与所述基片集成波导的上下两侧表面构成传输腔体，所述传输腔体与所述信号输入端连通；在所述传输腔体内设置至少一个功分比调节通孔，以将在所述传输腔体内传输的电磁波信号按照预设比例功分为多路信号。
为了增加端口隔离度，在角型缝隙上跨接50Ω电阻3。
所述功分比调节通孔与最近距离的金属通孔之间的间距为预设距离。
所述信号输入端设置在所述介质基片的中心位置。
所述介质基片的上下两侧表面分别完全覆铜。
所述两排金属通孔的半径一致，且相邻金属通孔之间的间距一致。
所述金属通孔的半径为0.13-0.17毫米。
相邻的所述金属通孔之间的间距为0.4-0.8毫米。
基于所述的K波段新型功率分配器，确定基板材质和厚度；其次确定HMSIW 功分器的基本参量，确定HMSIW宽度、孔径和孔间距等基本参量，HMSIW的长度lhmsiw设为四分之一波导波长；然后需要确定角型缝隙的开口角度θslot大小；最后确定微带过渡结构，包括基片集成波导—微带梯形过渡结构的长度ltran、宽度wtran以及半模基片集成波导—微带过渡结构的切角半径r。
一种基于HMSIW的K波段新型功率分配器的设计方法，包括以下步骤：
步骤1，确定介质基片材质和厚度，所述介质基片的上下两侧表面分别完全覆铜；
步骤2，确定HMSIW结构的基本参量，主要是HMSIW宽度、孔径和孔间距；
步骤3，确定角型缝隙的开口角度θslot大小；
步骤4，确定微带过渡结构，包括基片集成波导—微带梯形过渡结构的长度 ltran、宽度wtran以及半模基片集成波导—微带过渡结构的切角半径r。
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种基于HMSIW的K波段新型功率分配器，包括介质基片、基片集成波导结构、基片集成波导—微带梯形过渡结构、基片集成波导—微带过渡结构、信号输入端和信号输出端，所述介质基片上依次为基片集成波导—微带梯形过渡结构、基片集成波导结构、基片集成波导—微带过渡结构，所述基片集成波导结构的中心线处开有角型缝隙，将其分成两个HMSIW结构，其信号输入端和信号输出端均实现微带过渡用于与有源器件端口连接；在基片集成波导结构的两侧各嵌入一排上下贯穿的金属通孔，所述两排金属通孔与所述基片集成波导的上下两侧表面构成传输腔体，所述传输腔体与所述信号输入端连通。
首先确定基板材质和厚度，基板选择Rogers4350B，厚度为0.254mm，介质基片的上下两侧表面分别完全覆铜；HMSIW结构的K波段新型功率分配器特点是通过在SIW的中心线处开合适的角型缝隙将其分成两个HMSIW，其输入输出端口均实现微带过渡以便在应用中与有源器件端口连接，为了增加端口隔离度，在角型缝隙上跨接50Ω电阻。其中在上下两面金属层附着在介质层上构成介质基片，在介质基片的两侧各嵌入一排上下贯穿的金属通孔，使上下金属面相接触，当金属化通孔满足设计原则时，可以忽略孔阵列之间的能量泄露，信号从一端输入，另一端输出，传输方式与传统金属波导一致。两排金属通孔，设置在所述介质基片上，所述两排金属通孔与所述介质基片的上下两侧表面构成传输腔体，所述传输腔体与所述信号输入端连通，所述信号输入端设置在所述介质基片的中心位置。根据HMSIW结构来确定基本参量，确定HMSIW宽度、孔径和孔间距等基本参量，根据K波段矩形波导与圆孔SIW的尺寸等效经验公式，得出K波段 SIW传输线的各个参数：中心频率为22.5GHz，金属通孔直径d，相邻金属通孔孔间距s，两排金属通孔之间宽度w，介质层厚度h。选定d和s的尺寸，根据理论计算结果在HFSS中建模，优化w，得到传输线尺寸的值。根据微波技术理论，阻抗为50欧姆的微带线，确定微带线的尺寸：微带线宽度w1，微带线厚度 h1。在SIW模型基础上建立整个功率分配器模型，并优化参数，其中两排金属通孔的半径一致，且相邻金属通孔之间的间距一致，HMSIW的长度lhmsiw即如图 1所示为横向首尾通孔圆心的距离设为四分之一波导波长；然后确定角型缝隙的开口角度θslot范围大小在5.25°到5.35°之间满足，其中在5.3°时结果更为合适；然后确定微带过渡结构，经过仿真，得到包括基片集成波导—微带梯形过渡结构的长度ltran、宽度wtran为1.9mm，其中另一较窄处的宽度为0.5wtran，最后确定半模基片集成波导—微带过渡结构的切角半径r为0.5mm。
通过在SIW的中心线处开合适的角型缝隙将其分成两个HMSIW，其输入输出端口均实现微带过渡以便在应用中与有源器件端口连接，为了增加端口隔离度，在角型缝隙上跨接50Ω电阻，其中电阻距离角型缝隙4mm。其中在上下两面金属层附着在介质层上构成介质基片，在介质基片的两侧各嵌入一排上下贯穿的金属通孔，使上下金属面相接触，当金属化通孔满足设计原则时，可以忽略孔阵列之间的能量泄露，信号从一端输入，另一端输出，传输方式与传统金属波导一致。两排金属通孔的半径一致，且相邻金属通孔之间的间距一致，设置在所述介质基片上，功分比调节通孔与最近距离的金属通孔之间的间距为预设距离，预设距离与所述预设比例对应，两排金属通孔与所述介质基片的上下两侧表面构成传输腔体，所述传输腔体与所述信号输入端连通，所述信号输入端设置在所述介质基片的中心位置。
根据K波段矩形波导与圆孔SIW的尺寸的尺寸等效经验公式，得出K波段 SIW传输线的各个参数：中心频率为22.5GHz，金属通孔直径d，相邻金属通孔孔间距s，两排金属通孔之间宽度w，介质层厚度h。选定d和s的尺寸，根据理论计算结果在HFSS中建模，优化w，得到传输线尺寸的值。根据微波技术理论，阻抗为50欧姆的微带线，确定微带线的尺寸：微带线宽度w1，微带线厚度 h1。在SIW模型基础上建立整个功率分配器模型，并优化参数。
在CST软件中建立功率分配器的仿真模型，利用CST的Lumped Element 集总元件功能在角形缝隙上设置50Ω电阻。最终的仿真结果如图3和图4所示，结果表明，在频点24.1GHz处插入损耗S12＝-3.12dB，S13＝-3.125dB，两端口隔离度S23≤-18dB。
表1HMSIW功率分配器关键设计参数
Figure BDA0002880724080000061
本发明在实现了功率分配需求的同时，可以进一步压缩器件尺寸，减小损耗，在不影响性能的前提下克服SIW功率分配器尺寸较大的问题。

Claims (10)

1.一种基于HMSIW的K波段新型功率分配器，其特征在于，包括介质基片、基片集成波导、信号输入端和信号输出端，所述基片集成波导包括基片集成波导—微带矩形结构、基片集成波导结构、基片集成波导—微带过渡结构，所述介质基片一端依次为基片集成波导—微带梯形过渡结构、基片集成波导结构、基片集成波导—微带过渡结构，所述基片集成波导结构的中心线处开有角型缝隙，将基片集成波导分成两个HMSIW结构，其信号输入端和信号输出端均实现微带过渡用于与有源器件端口连接；在基片集成波导结构的两侧各嵌入一排上下贯穿的金属通孔，所述两排金属通孔与所述基片集成波导的上下两侧表面构成传输腔体，所述传输腔体与所述信号输入端连通；
在所述传输腔体内设置至少一个功分比调节通孔，以将在所述传输腔体内传输的电磁波信号按照预设比例功分为多路信号。
2.如权利要求1所述的基于HMSIW的K波段新型功率分配器，其特征在于，所述基片集成波导结构的角型缝隙上跨接50Ω电阻，用于增加端口隔离度。
3.如权利要求1所述的基于HMSIW的K波段新型功率分配器，其特征在于，所述功分比调节通孔与最近距离的金属通孔之间的间距为预设距离。
4.如权利要求1所述的基于HMSIW的K波段新型功率分配器，其特征在于，所述信号输入端设置在所述介质基片的中心位置。
5.如权利要求1所述的基于HMSIW的K波段新型功率分配器，其特征在于，所述介质基片的上下两侧表面分别完全覆铜。
6.如权利要求1所述的基于HMSIW的K波段新型功率分配器，其特征在于，所述两排金属通孔的半径一致，且相邻金属通孔之间的间距一致。
7.如权利要求6要求所述的基于HMSIW的K波段新型功率分配器，其特征在于，所述金属通孔的半径为0.13-0.17毫米。
8.如权利要求7所述的基于HMSIW的K波段新型功率分配器，其特征在于，相邻的所述金属通孔之间的间距为0.4-0.8毫米。
9.一种如权利要求1所述的基于HMSIW的K波段新型功率分配器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，确定介质基片材质和厚度，所述介质基片的上下两侧表面分别完全覆铜；
步骤2，确定HMSIW结构的基本参量，包括HMSIW宽度、孔径和孔间距；
步骤3，确定角型缝隙的开口角度θslot大小，θslot在5.25°到5.35°之间；
步骤4，确定微带过渡结构，包括基片集成波导—微带梯形过渡结构的长度ltran、宽度wtran以及半模基片集成波导—微带过渡结构的切角半径r。
10.如权利要求9所述基于HMSIW的K波段新型功率分配器的设计方法，其特征在于，所述步骤1的厚度和步骤2的宽度、孔径和孔间距根据K波段矩形波导与圆孔SIW的尺寸等效经验公式确定；所述θslot＝5.3°；步骤4的长度ltran、宽度wtran以及切角半径r通过对功率分配器模型的仿真确定。
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