CN113193323B - 一种基于半模基片集成波导的四路不等功分滤波功分器 - Google Patents

Abstract

一种基于半模基片集成波导的四路不等功分滤波功分器，包括底金属层、介质基板和顶金属层，介质基板设有若干连接两金属层的金属化通孔使得形成互相耦合的第一半模基片集成波导腔和第二半模基片集成波导腔，顶金属层开有两个平行且相错设置的刻蚀槽，两个刻蚀槽分别位于第一半模基片集成波导腔和第二半模基片集成波导腔的开路面，顶金属层还设置有一根位于第一半模基片集成波导腔开路面对侧的输入馈线和两两地分布在第二半模基片集成波导腔相邻侧边的四根输出馈线。本发明将四个输出端口加载到同一个半模谐振腔上实现了功分器的小型化，四个输出端口的功率分配比通过控制每个端口的外部品质因数来实现。同时，带通响应和功率分配两个功能可以独立设计。

Description

一种基于半模基片集成波导的四路不等功分滤波功分器

技术领域

本发明属于射频通信技术领域，涉及一种半模基片集成波导四路不等功分滤波功分器。

背景技术

随着第五代(5G)移动通信的快速发展，对紧凑型、低成本、高性能射频器件的需求日益增长。滤波器和功率分配器是天线阵列馈电网络中不可或缺的组成部分。当它们采用传统级联方法设计时通常占据很大的面积。因此滤波器和功率分配器的融合设计是非常必要的，这样既能减小电路的整体尺寸，又能避免级联损耗。近年来，基于微带线，金属波导，介质谐振器和基片集成波导的滤波功分器得到了广泛的研究。

大多数基于微带设计的滤波功分器通常采用的是威尔金森或吉塞尔拓扑结构。这种滤波功分器一般是通过耦合线或枝节加载的传输线代替四分之一波长变换器来实现滤波响应。这种设计方法对于等功分比的滤波功分器是有效的，但实现不等功分比的滤波功分器是比较困难的，特别是对于多路输出来说。最近，一种采用蒲公英拓扑结构设计的多端口任意功率分配比的滤波功分器展现出了良好的性能。然而，三维结构并不易于与平面电路集成。基片集成波导就空载品质因数和体积而言可以作为微带线和介质谐振器之间的桥梁。因此，基于基片集成波导的滤波功分器引起了广泛的研究兴趣。

另一方面，多路功率分配器是天线阵馈电网络的基本元件之一。其特定的不等功率分配比在波束形成系统中可以使阵列获得更好的定向性能。为了减小系统尺寸，近年来多路滤波功分器的融合设计被广泛研究。为了降低旁瓣，通常需要多路不等功分比的滤波功分器。然而,目前很少有基于基片集成波导的滤波功分器能同时提供多路输出和不等功分比。

发明内容

本发明的目的在于，解决上述现有技术中的不足，提出一种结构简单的采用半模基片集成波导技术设计的四路不等功分滤波功分器。

为了实现本发明目的，本发明提供的基于半模基片集成波导的四路不等功分滤波功分器，包含叠置的底金属层、介质基板和顶金属层，其特征在于：所述介质基板设置有若干连接顶金属层和底金属层的金属化通孔使得形成互相耦合的第一半模基片集成波导腔和第二半模基片集成波导腔，顶金属层开有两个平行且相错设置的刻蚀槽，所述两个刻蚀槽分别位于第一半模基片集成波导腔和第二半模基片集成波导腔的开路面，所述顶金属层还设置有一根位于第一半模基片集成波导腔开路面对侧的输入馈线和两两地分布在第二半模基片集成波导腔相邻侧边的四根输出馈线，所述第二半模基片集成波导腔相邻侧边分别位于第二半模基片集成波导腔开路面的对侧和远离第一半模基片集成波导腔的一侧。

此外，本发明还提出了半模基片集成波导四路不等功分滤波功分器的设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、根据滤波功分器通带所需的性能指标计算低通原型集总参数，并据此计算输入端外部品质因数以及耦合系数；

步骤2、建立如权利要求1所述半模基片集成波导四路不等功分滤波功分器的模型，调节第一半模基片集成波导腔和第二半模基片集成波导腔之间的耦合窗，使得第一半模基片集成波导腔和第二半模基片集成波导腔之间的耦合度满足步骤1中计算得到的耦合系数；

步骤3、在第一半模基片集成波导腔开路面的对侧加载输入馈线，调整输入馈线两侧开槽的宽度和深度，使其满足步骤1中计算得到的输入端外部品质因数；

步骤4、在第二半模基片集成波导腔相邻侧边两两地加载四根输出馈线，根据输出端口的输出功率分配比计算各输出端口的外部品质因数，其中总输出外部品质因数等于步骤1计算得到的输入端外部品质因数；

步骤5、分别调整四根输出馈线两侧的槽宽和槽深，使其满足对应的输出端口的外部品质因数。

本发明半模基片集成波导四路不等功分滤波功分器中，四个输出端口需要的功率分配比只取决于它们的外部品质因数比，其中外部品质因数比可以通过适当改变输出端口的馈线参数来控制。在不增加电路尺寸的情况下适当增加在半模基片集成波导腔上加载的馈线数量可以实现多路输出的滤波功分器。

本发明在此基础上，通过在一个半模基片集成波导谐振腔上加载四个输出端口成功地设计并实现了一个四路的滤波功分器。它的带通响应和功率分配是相互独立的，以便该设计方法的实现。为了验证这一方法，设计、制作了一个不等功率分配比为1:3:3:1的滤波功分器并进行了测量。仿真与实测结果吻合较好。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明基于半模基片集成波导的四路不等功分滤波功分器的立体图。

图2是本发明基于半模基片集成波导的四路不等功分滤波功分器的俯视图。

图3是滤波功分器S-参数仿真图。

图4是滤波功分器相位差仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1、图2所示，半模基片集成波导四路不等功分滤波功分器，包含叠置的底金属层3、介质基板2和顶金属层1，介质基板2设置有若干连接顶金属层1和底金属层3的金属化通孔4，使得形成互相耦合的第一半模基片集成波导腔和第二半模基片集成波导腔，两个半模基片集成波导腔通过中间的耦合窗实现耦合。

顶金属层1开有两个平行且相错设置的刻蚀槽，所述两个刻蚀槽分别位于第一半模基片集成波导腔和第二半模基片集成波导腔的开路面。

顶金属层1还设置有一根位于第一半模基片集成波导腔开路面对侧的输入馈线和两两地分布在第二半模基片集成波导腔相邻侧边的四根输出馈线，第二半模基片集成波导腔相邻侧边分别位于第二半模基片集成波导腔开路面的对侧和远离第一半模基片集成波导腔的一侧。

端口S和端口 i(i=1,2,3或4)分别代表输入和输出端口，输入馈线和四根输出馈线均采用50Ω微带馈线。当信号从输入端口 S 输入时，通过控制输出端口1,2,3,4的外部品质因数比可以在端口 1,2,3,4之间实现同相输出和不等功分比。

如图2所示，输入馈线和输出馈线的两侧开设有耦合槽。通过调节槽的宽度和深度，可以实现馈线与谐振器之间的耦合。

半模基片集成波导腔通常是由基片集成波导腔沿磁壁二等分得到的。为了减少辐射损耗，在靠近开路面的一侧放置了一排金属化通孔。半模基片集成波导实际上是对基片集成波导结构的改进，它在不影响基片集成波导结构性能的前提下，可以实现基片集成波导近一半的尺寸缩减。

本实施例半模基片集成波导四路不等功分滤波功分器中，金属化通孔的直径 d =0.3 mm，相邻通孔的间距p = 0.6 mm，刻蚀槽的长L _g = 23 mm和刻蚀槽的宽W _g = 0.5 mm。介质基板选用Rogers RT/Duroid 5880，其介电常数ε _r = 2.2,损耗角正切tan δ= 0.0009,介质基板的厚度 h = 0.508 mm。

参数	<i>L</i>	<i>W</i>	<i>W</i><sub>50</sub>	<i>W</i><sub><i>k</i></sub>	<i>W</i><sub>1</sub>	<i>W</i><sub>2</sub>	<i>W</i><sub>3</sub>	<i>W</i><sub>4</sub>	<i>W</i><sub>5</sub>
										值(mm)	49.6	16.2	1.54	11.7	1.16	0.53	0.53	0.53	0.53
参数	<i>L</i><sub>1</sub>	<i>L</i><sub>2</sub>	<i>L</i><sub>3</sub>	<i>L</i><sub>4</sub>	<i>L</i><sub>5</sub>	<i>S</i><sub>1</sub>	<i>S</i><sub>2</sub>	<i>S</i><sub>3</sub>	<i>-</i>
										值(mm)	0.53	11	8.6	2.5	24	2	6.47	4	-

所采用的半模基片集成波导腔谐振在TE₁₀₁模式下。

上述半模基片集成波导四路不等功分滤波功分器的设计方法，步骤如下：

步骤1、根据滤波功分器通带所需的性能指标计算低通原型集总参数，并据此计算输入端外部品质因数以及耦合系数；

步骤2、建立如权利要求1所述半模基片集成波导四路不等功分滤波功分器的模型，调节第一半模基片集成波导腔和第二半模基片集成波导腔之间的耦合窗，使得第一半模基片集成波导腔和第二半模基片集成波导腔之间的耦合度满足步骤1中计算得到的耦合系数；

步骤3、在第一半模基片集成波导腔开路面的对侧加载输入馈线，调整输入馈线两侧开槽的宽度和深度，使其满足步骤1中计算得到的输入端外部品质因数；

步骤4、在第二半模基片集成波导腔相邻侧边两两地加载四根输出馈线，根据输出端口的输出功率分配比计算各输出端口的外部品质因数，其中输出总外部品质因数等于步骤1计算得到的输入端外部品质因数；

步骤5、分别调整四根输出馈线两侧的槽宽和槽深，使其满足对应的输出端口的外部品质因数。

基于上述需要的值，利用ANSYS HFSS仿真软件对一些重要参数进行了研究。本实施例给出了所提出的滤波功分器在不同耦合窗宽度W _k 下仿真的耦合系数。随着W _k 的增加，耦合变强。为了满足所需的耦合系数，W _k 的合适值为11.7 mm。

一般来说，外部品质因数是通过谐振器和馈线之间的耦合强度来反映的。当馈线位于谐振器电场较强的位置时，耦合会更强(即外部品质因数会更小)。与此同时，馈入槽深和槽宽较小时耦合会变弱(即外部品质因数更大)。

为了验证所提出的设计方法，我们制作并测量了一个中心频率f ₀=4.88 GHz的滤波功分器原型。滤波功分器的电路尺寸为52.4 mm × 18 mm (1.26λ _g × 0.43λ _g )，其中λ _g 为介质基板在f ₀处的波导波长。S-参数和相位差的测量结果可以通过使用四端口的Agilent N5230C PNA-L 网络分析仪得到。图3展示了所提出的滤波功分器的仿真结果，与实测结果显示出良好的一致性。

按照需要的1:3:3:1的功率分配比，S _1S ， S _2S ， S _3S 和 S _4S 应该分别为−9.03 dB， −4.26 dB， −4.26 dB 和 −9.03 dB，正如图3所示。通带内的回波损耗实测优于17 dB，并且四路的插入损耗实测大约为1.4 dB(不包括1:3:3:1的功率分配损耗)。在f ₀处测量的3-dB分数带宽为11.3%，可以覆盖我国5G频段(4.8 GHz-5.0 GHz)。本文提出的滤波功分器的功率分配比为1:3:3:1 ，它的相位差仿真结果在图4中给出，通带内的相位差均在5°以内，仿真和实测结果表现出良好的一致性。实测与仿真结果之间存在一些细微的差异，这主要是由于滤波功分器的实验误差造成的。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于半模基片集成波导的四路不等功分滤波功分器，包含叠置的底金属层（3）、介质基板（2）和顶金属层（1），其特征在于：所述介质基板（2）设置有若干连接顶金属层（1）和底金属层（3）的金属化通孔（4）使得形成互相耦合的第一半模基片集成波导腔和第二半模基片集成波导腔，顶金属层（1）开有两个平行且相错设置的刻蚀槽，所述两个刻蚀槽分别位于第一半模基片集成波导腔和第二半模基片集成波导腔的开路面，所述顶金属层（1）还设置有一根位于第一半模基片集成波导腔开路面对侧的输入馈线和两两地分布在第二半模基片集成波导腔相邻侧边的四根输出馈线，所述第二半模基片集成波导腔相邻侧边分别位于第二半模基片集成波导腔开路面的对侧和远离第一半模基片集成波导腔的一侧。

2.根据权利要求1所述的基于半模基片集成波导的四路不等功分滤波功分器，其特征在于：所述两个半模基片集成波导腔通过中间的耦合窗实现耦合。

3.根据权利要求1所述的基于半模基片集成波导的四路不等功分滤波功分器，其特征在于：所述输入馈线和输出馈线的两侧开设有耦合槽。

4.根据权利要求1所述的基于半模基片集成波导的四路不等功分滤波功分器，其特征在于：金属化通孔的直径d = 0.3 mm，相邻通孔的间距p = 0.6 mm，刻蚀槽的长L _g = 23 mm和刻蚀槽的宽W _g = 0.5 mm。

5.基于半模基片集成波导的四路不等功分滤波功分器的设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、根据滤波功分器通带所需的性能指标计算低通原型集总参数，并据此计算输入端外部品质因数以及耦合系数；

步骤2、建立如权利要求1所述半模基片集成波导四路不等功分滤波功分器的模型，调节第一半模基片集成波导腔和第二半模基片集成波导腔之间的耦合窗，使得第一半模基片集成波导腔和第二半模基片集成波导腔之间的耦合度满足步骤1中计算得到的耦合系数；

步骤3、在第一半模基片集成波导腔开路面的对侧加载输入馈线，调整输入馈线两侧开槽的宽度和深度，使其满足步骤1中计算得到的输入端外部品质因数；

步骤4、在第二半模基片集成波导腔相邻侧边两两地加载四根输出馈线，根据输出端口的输出功率分配比计算各输出端口的外部品质因数，其中总输出外部品质因数等于步骤1计算得到的输入端外部品质因数；

步骤5、分别调整四根输出馈线两侧的槽宽和槽深，使其满足对应的输出端口的外部品质因数。

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