CN115458892A - 基于圆形siw谐振腔的四路同相不等功分器 - Google Patents

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    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports

Abstract

本发明公开了一种基于圆形SIW谐振腔的四路同相不等功分器，包括矩形的介质板和金属地板；介质板的上表面设有50欧姆输入端口馈线，四个50欧姆输出端口馈线，四段四分之波长传输线一端与50欧姆输出端口馈线相连，另一端与挖掉矩形槽的圆形微带贴片相连；在圆形微带贴片的边缘有一排金属柱将地板和贴片连接起来。本发明具有能够实现任意功率比且保持相位相等的优点，可以进一步扩展到雷达和卫星等无线通信领域。

Description

基于圆形SIW谐振腔的四路同相不等功分器
技术领域
本发明涉及微波无源器件技术领域，特别是一种能够实现任意功率比同时保持相位相等的基于圆形SIW谐振腔的四路同相不等功分器。
背景技术
多路功分器是一种重要的微波无源器件，在无线通信和雷达系统中起着至关重要的作用，例如，在阵列天线的设计中，通常采用幅度加权的方法来降低天线的旁瓣电平，这表明对一个灵活的不等多路功分馈电网络的需求很高。
文献1(H.Chen,T.Zhang,W.Che and W.Feng,"Compact unequal Wilkinsonpower divider with large power dividing ratio,"2014 9th European MicrowaveIntegrated Circuit Conference,Rome,Italy,2014,pp.608-611.)中提出了通过改变四分之一波长阻抗变换器的特性阻抗来实现功率分配，但是微带馈线不仅传输损耗大，而且随着频率的增加，微带馈线也会产生不必要的辐射，因此不适合毫米波。
文献2(G.Huang,S.Zhou,T.Chio and T.Yeo,"Design of a symmetricrectangular waveguide T-junction with in-phase and unequal power splitcharacteristics,"2013 IEEE Antennas and Propagation Society InternationalSymposium(APSURSI),Orlando,FL,USA,2013,pp.2119-2120.)在T型矩形波导中间加入一块隔板，通过控制隔板偏移量来实现不等功率分配，但是波导体积庞大，难以与其它毫米波平面电路集成，更难实现小型化。
文献3(S.-J.Park,D.-H.Shin and S.-O.Park,"Low Side-Lobe Substrate-Integrated-Waveguide Antenna Array Using Broadband Unequal Feeding Networkfor Millimeter-Wave Handset Device,"in IEEE Transactions on Antennas andPropagation,vol.64,no.3,pp.923-932,March 2016.)提出了一种基于SIW结构的Y型不等功分器，用一个金属柱代替了隔膜，通过偏移金属柱的位置来实现不等功分，然而这种方法但是此结构没有具体的理论支撑，而是通过仿真软件调出结果，且需额外加入金属柱等结构来进行相位补偿。
总之，现有技术存在的问题是：在高频不等功分器的设计中，在不引入额外结构的前提下，无法兼顾相位平衡。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于圆形SIW谐振腔的四路同相不等功分器，该不等功分器在保持相位平衡的情况下，能够实现任意功率比。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于圆形SIW谐振腔的四路同相不等功分器，包括矩形的介质基板以及设置在介质基板下表面的金属地板；
在所述介质基板的上表面设有输入端口馈线、第一输出端口馈线、第二输出端口馈线、第三输出端口馈线、第四输出端口馈线以及圆形微带贴片；所述圆形微带贴片上沿圆周向圆心分别开有五个矩形槽，所述输入端口馈线、第一输出端口馈线、第二输出端口馈线、第三输出端口馈线、第四输出端口馈线的一端分别伸入一个矩形槽内与所述圆形微带贴片相连；所述输入端口馈线的另一端延伸至介质基板的一条宽边，所述第一输出端口馈线、第二输出端口馈线、第三输出端口馈线、第四输出端口馈线(7)的另一端分别延伸至介质基板的另一条宽边；
在所述介质基板上设有若干金属通孔，所述金属通孔的上端与所述圆形微带贴片的圆周相连，所述金属通孔的下端与所述金属地板相连。
进一步地：所述输入端口馈线包括50欧姆微带线导带，所述50欧姆微带线导带与所述介质基板的宽边垂直。
进一步地：所述第一输出端口馈线包括第一输出端口50欧姆微带线导带、第一四分之一波长传输线，所述第一输出端口50欧姆微带线导带呈L型，且L型的直角弯折部分进行了切角处理；所述第一输出端口50欧姆微带线导带的输出端位于所述介质基板的一宽边上，且该输出端口所在的所述第一输出端口50欧姆微带线导带的一臂与所述介质基板的宽边垂直，其另一臂与所述介质基板的宽边以及所述第一四分之一波长传输线平行；所述50欧姆微带线导带的输入端与所述第一四分之一波长传输线的输出端相连；所述四分之一波长传输线的输入端与圆形微带贴片相连。
进一步地：所述第二输出端口馈线包括第二输出端口50欧姆微带线导带、第二四分之一波长传输线，所述第二输出端口50欧姆微带线导带呈“几”字型，且“几”字型的弯折部分进行了切角处理；所述第二输出端口50欧姆微带线导带的输出端位于所述介质基板的一宽边上，且该输出端所在的所述第二输出端口50欧姆微带线导带的一臂与所述介质基板的宽边垂直；所述第二输出端口50欧姆微带线导带的输入端所在的一臂与所述介质基板的宽边呈45度，且与所述第二四分之一波长传输线平行；所述第二输出端口50欧姆微带线导带的输入端与所述第二四分之一波长传输线的输出端相连，所述第二四分之一波长传输线的输入端与所述圆形微带贴片相连。
进一步地：所述第三输出端口馈线包括第三输出端口50欧姆微带线导带、第三四分之一波长传输线，所述第三输出端口50欧姆微带线导带呈“几”字型，且“几”字型的弯折部分进行了切角处理；所述第三输出端口50欧姆微带线导带的输出端位于所述介质基板的一宽边上，且该输出端所在的所述第三输出端口50欧姆微带线导带的一臂与所述介质基板的宽边垂直；所述第三输出端口50欧姆微带线导带的输入端所在的一臂与所述介质基板宽边呈45度，且与所述第三四分之一波长传输线平行；所述第三输出端口50欧姆微带线导带的输入端与所述第三四分之一波长传输线的输出端相连，所述第三四分之一波长传输线的输入端与所述圆形微带贴片相连。
进一步地：所述第四输出端口馈线包括第四输出端口50欧姆微带线导带、第四四分之一波长传输线，所述第四输出端口50欧姆微带线导带呈L型，且L型的直角弯折部分进行了切角处理；所述第四输出端口50欧姆微带线导带的输出端位于介质基板的一宽边上，且该输出端口所在的所述第四输出端口50欧姆微带线导带的一臂与所述介质基板的宽边垂直，其另一臂与所述介质基板的宽边以及所述第四四分之一波长传输线平行；所述第四输出端口50欧姆微带线导带的输入端与第四四分之一波长传输线的输出端相连，所述四分之一波长传输线的输入端与所述圆形微带贴片相连。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)本发明结构使用基片集成波导结构，既具有金属波导传输损耗小、Q值高等优点，又易于与平面电路集成；
(2)本发明采用嵌入式输出的方式，通过改变微带伸入长度实现不等功分，容易得到任意功率比；
(3)本发明不像一般SIW不等功分器需加入额外金属柱来平衡相位。
附图说明
图1是本发明基于圆形SIW谐振腔的四路同相不等功分器的立体结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是实施例1的结构尺寸示意图；
图4是实施例1的S参数仿真曲线图；
图5是实施例1的四个输出端口相位仿真曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本发明基于圆形SIW谐振腔的四路同相不等功分器，包括矩形的介质基板1、金属地板2，所述金属地板2位于介质基板1的下方。
如图2所示，在所述介质基板1的上表面设有输入端口馈线3，所述输入端口馈线输入端位于矩形介质基板的宽边，第一输出端口馈线4、第二输出端口馈线5、第三输出端口馈线6、第四输出端口馈线7并排位于矩形介质基板的另一宽边。
所述输入端口馈线3、第一输出端口馈线4、第二输出端口馈线5、第三输出端口馈线6、第四输出端口馈线7一端与挖槽的圆形微带贴片8相连，所述圆形微带贴片8与金属通孔9的上端相连，所述圆形微带贴片8与金属通孔9的连接点位于圆形微带贴片8边沿，所述金属通孔9的下端与金属地板2相连。
所述第一输出端口馈线4包括第一输出端口50欧姆微带线导带41、第一四分之一波长传输线42，所述第一输出端口50欧姆微带线导带41呈L型直角弯折，弯折部分进行了切角处理，其输出端位于介质基板)的一宽边上，且该输出端口所在的50欧姆微带线导带41的一臂与介质基板1宽边垂直，其另一臂与介质基板1宽边平行，50欧姆微带线导带41的输入端口与第一四分之一波长传输线42的输出端相连，所述四分之一波长传输线42的输入端与圆形微带贴片8相连。
所述第二输出端口馈线5包括第二输出端口50欧姆微带线导带51、第二四分之一波长传输线52，所述第二输出端口50欧姆微带线导带51呈“几”型弯折，弯折部分进行了切角处理，其输出端位于介质基板1的一宽边上，且该输出端口所在的50欧姆微带线导带51的一臂与介质基板1宽边垂直，输入端口所在的一臂与介质基板1宽边呈45度，且与第二四分之一波长传输线52的输出端平行相连，所述四分之一波长传输线52的输入端与圆形微带贴片8相连。
所述第三输出端口馈线6包括第三输出端口50欧姆微带线导带61、第三四分之一波长传输线62，所述第三输出端口50欧姆微带线导带61呈“几”型弯折，弯折部分进行了切角处理，其输出端位于介质基板1的一宽边上，且该输出端口所在的50欧姆微带线导带61的一臂与介质基板1宽边垂直，输入端口所在的一臂与介质基板1宽边呈45度，且与第三四分之一波长传输线62的输出端平行相连，所述四分之一波长传输线62的输入端与圆形微带贴片8相连。
所述第四输出端口馈线7包括第四输出端口50欧姆微带线导带71、第四四分之一波长传输线72，所述第四输出端口50欧姆微带线导带71呈L型直角弯折，弯折部分进行了切角处理，其输出端位于介质基板1的一宽边上，且该输出端口所在的50欧姆微带线导带71的一臂与介质基板1宽边垂直，其另一臂与介质基板1宽边平行，50欧姆微带线导带71的输入端口与第四四分之一波长传输线72的输出端平行相连，所述四分之一波长传输线72的输入端与圆形微带贴片8相连。
如图3所示，本发明基于圆形SIW谐振腔的四路同相不等功分器中，利用的是基模TE101模，圆形贴片的半径R决定了中心频率，由于TE101模电场强度遵循从边沿到中心逐渐增强的规律，因此使用嵌入式馈电从场强不同的位置输出能量，挖去的槽的宽度都相同为WP,通过改变四个输出馈线的伸入长度L2、L3、L4、L5可以实现任意功率比，改变四个四分之一波长阻抗变换器的宽度W2、W3、W4、W5实现匹配。
本发明基于圆形SIW谐振腔的四路同相不等功分器，在制造上通过印制电路板制造工艺对电路基板正面及背面的金属面进行加工腐蚀。
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
基于圆形SIW谐振腔的四路同相不等功分器的立体结构如图1所示，俯视图如图2所示，图3为俯视尺寸规格。所采用的介质基板的相对介电常数为2.2，厚度为0.787mm，损耗角正切为0.0009，介质板总面积为100×95mm2。结合图3，功分器的各尺寸参数如下：W0＝2.5mm，W1＝4mm，W2＝1.8mm，W3＝1.6mm，W4＝1.4mm，W5＝1.2mm，Wp＝3.2mm，L1＝11mm，L2＝1mm，L21＝22.86mm，L22＝38.75mm，L3＝2mm，L31＝5mm，L32＝16.62mm，L33＝4mm，L34＝12.3mm，L35＝21.56mm，L4＝3.28mm，L41＝5mm，L42＝14.6mm，L43＝6mm，L44＝13.37mm，L45＝20.46mm，L5＝5mm，L51＝22.86mm，L52＝38.75mm，L51＝1mm，R＝7.64mm，d＝0.4mm，α＝5°。
本实例基于圆形SIW谐振腔的四路同相不等功分器是在电磁仿真软件HFSS.15.0中建模仿真的。图4是本实例四路同相不等功分器的S参数仿真图，图5是本实例四路同相不等功分器的输出端口相位仿真图。从图4中可以看出，本实例实现了。从图5中可以看出，该功分器中心频率为10GHz，阻抗带宽为9.71GHz～10.3GHz，相对带宽为5.9％，四个输出端口功率比为1∶3∶7∶12，相位误差小于5°。
综上所述，本发明基于圆形SIW谐振腔的四路同相不等功分器，从TE101基模的电场分布出发，通过选择不同场强的输出馈电位置，最终实现了一种四路同相不等功分器。该实例具有低旁瓣阵列天线应用的潜力。

Claims (6)

1.一种基于圆形SIW谐振腔的四路同相不等功分器，其特征在于：
包括矩形的介质基板(1)以及设置在介质基板(1)下表面的金属地板(2)；
在所述介质基板(1)的上表面设有输入端口馈线(3)、第一输出端口馈线(4)、第二输出端口馈线(5)、第三输出端口馈线(6)、第四输出端口馈线(7)以及圆形微带贴片(8)；所述圆形微带贴片(8)上沿圆周向圆心分别开有五个矩形槽，所述输入端口馈线(3)、第一输出端口馈线(4)、第二输出端口馈线(5)、第三输出端口馈线(6)、第四输出端口馈线(7)的一端分别伸入一个矩形槽内与所述圆形微带贴片(8)相连；所述输入端口馈线(3)的另一端延伸至介质基板(1)的一条宽边，所述第一输出端口馈线(4)、第二输出端口馈线(5)、第三输出端口馈线(6)、第四输出端口馈线(7)的另一端分别延伸至介质基板(1)的另一条宽边；
在所述介质基板(1)上设有若干金属通孔(9)，所述金属通孔(9)的上端与所述圆形微带贴片(8)的圆周相连，所述金属通孔(9)的下端与所述金属地板(2)相连。
2.根据权利要求1所述的基于圆形SIW谐振腔的四路同相不等功分器，其特征在于：
所述输入端口馈线(3)包括50欧姆微带线导带(3)，所述50欧姆微带线导带(3)与所述介质基板(1)的宽边垂直。
3.根据权利要求1所述的基于圆形SIW谐振腔的四路同相不等功分器，其特征在于：
所述第一输出端口馈线(4)包括第一输出端口50欧姆微带线导带(41)、第一四分之一波长传输线(42)，所述第一输出端口50欧姆微带线导带(41)呈L型，且L型的直角弯折部分进行了切角处理；所述第一输出端口50欧姆微带线导带(41)的输出端位于所述介质基板(1)的一宽边上，且该输出端口所在的所述第一输出端口50欧姆微带线导带(41)的一臂与所述介质基板(1)的宽边垂直，其另一臂与所述介质基板(1)的宽边以及所述第一四分之一波长传输线(42)平行；所述50欧姆微带线导带(41)的输入端与所述第一四分之一波长传输线(42)的输出端相连；所述四分之一波长传输线(42)的输入端与圆形微带贴片(8)相连。
4.根据权利要求1所述的基于圆形SIW谐振腔的四路同相不等功分器，其特征在于：
所述第二输出端口馈线(5)包括第二输出端口50欧姆微带线导带(51)、第二四分之一波长传输线(52)，所述第二输出端口50欧姆微带线导带(51)呈“几”字型，且“几”字型的弯折部分进行了切角处理；所述第二输出端口50欧姆微带线导带(51)的输出端位于所述介质基板(1)的一宽边上，且该输出端所在的所述第二输出端口50欧姆微带线导带(51)的一臂与所述介质基板(1)的宽边垂直；所述第二输出端口50欧姆微带线导带(51)的输入端所在的一臂与所述介质基板(1)的宽边呈45度，且与所述第二四分之一波长传输线(52)平行；所述第二输出端口50欧姆微带线导带(51)的输入端与所述第二四分之一波长传输线(52)的输出端相连，所述第二四分之一波长传输线(52)的输入端与所述圆形微带贴片(8)相连。
5.根据权利要求1所述的基于圆形SIW谐振腔的四路同相不等功分器，其特征在于：
所述第三输出端口馈线(6)包括第三输出端口50欧姆微带线导带(61)、第三四分之一波长传输线(62)，所述第三输出端口50欧姆微带线导带(61)呈“几”字型，且“几”字型的弯折部分进行了切角处理；所述第三输出端口50欧姆微带线导带(61)的输出端位于所述介质基板(1)的一宽边上，且该输出端所在的所述第三输出端口50欧姆微带线导带(61)的一臂与所述介质基板(1)的宽边垂直；所述第三输出端口50欧姆微带线导带(61)的输入端所在的一臂与所述介质基板(1)宽边呈45度，且与所述第三四分之一波长传输线(62)平行；所述第三输出端口50欧姆微带线导带(61)的输入端与所述第三四分之一波长传输线(62)的输出端相连，所述第三四分之一波长传输线(62)的输入端与所述圆形微带贴片(8)相连。
6.根据权利要求1所述的基于圆形SIW谐振腔的四路同相不等功分器，其特征在于：
所述第四输出端口馈线(7)包括第四输出端口50欧姆微带线导带(71)、第四四分之一波长传输线(72)，所述第四输出端口50欧姆微带线导带(71)呈L型，且L型的直角弯折部分进行了切角处理；所述第四输出端口50欧姆微带线导带(71)的输出端位于介质基板(1)的一宽边上，且该输出端口所在的所述第四输出端口50欧姆微带线导带(71)的一臂与所述介质基板(1)的宽边垂直，其另一臂与所述介质基板(1)的宽边以及所述第四四分之一波长传输线(72)平行；所述第四输出端口50欧姆微带线导带(71)的输入端与第四四分之一波长传输线(72)的输出端相连，所述四分之一波长传输线(72)的输入端与所述圆形微带贴片(8)相连。
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