CN115513632B - 基于慢波基片集成波导的小型化移相功分器 - Google Patents

基于慢波基片集成波导的小型化移相功分器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于慢波基片集成波导的小型化移相功分器，属于射频微波领域。该小型化移相功分器相移量为30°，其两输出分支的长度、宽度完全相同。其中一个输出分支采用普通的基片集成波导实现，而在另一个输出分支中将开口谐振环加载于上层金属表面，代替传统基片集成波导连续的金属表面，使其产生慢波效应，实现慢波基片集成波导，能够降低基片集成波导的截止频率和相速度，从而达到增大此输出分支输出端口与输入端口间相移的效果。两个输出分支的输出相移产生了一定的相位差，达到两输出端口的输出信号间具有相移的效果。同时在开口谐振环的内部加入大金属化通孔以此降低开口谐振环的加载带来的相位不稳定影响，使其在较宽频带范围内具有稳定的30°相移性能。通过调节开口谐振环和大金属化通孔的尺寸和位置，实现两输出信号移相稳定和幅度相等的小型化移相功分器。

Description

基于慢波基片集成波导的小型化移相功分器
技术领域
本发明属于射频微波领域，涉及基于慢波基片集成波导的小型化移相功分器。
背景技术
目前研究功率分配网络时，一般只根据输出端口之间的相位关系分为同相、正交、反相三种情况，没有对不同相位差特点进行研究。在功能融合型基片集成波导功率分配网络的研究中，也多是功率分配功能与滤波功能的融合，基本没有聚焦相位特性。即便是在阵列天线的馈电网络中，也多是先分别设计功率分配网络和移相器，再进行结合。目前随着现代通信的快速发展，在无线通信技术中大多采用了复杂的调制技术，所以必须同时关注信号的幅度和相位的特点，这就要求无线通信系统中需要同时考虑无源器件的相位和幅度特性。因此，对功分器和移相器进行一体化设计，可以满足当前快速发展的无线通信对于器件高集成度的需求。
基片集成波导作为一种特殊的平面结构传输线，既具有矩形波导的高品质因素和良好的电磁屏蔽性能，又具有微带线易于与其它平面电路相集成的优点，已经被广泛应用在现代微波及毫米波电路的设计中。当前基片集成波导移相器的设计研究人员已经提出了许多方法，其中使用最广泛的方法就是将金属柱嵌入到基片集成波导中，实现了结构简单的基片集成波导移相器。另一种实现宽带移相器的经典方法是结合延迟线和不等宽结构的自补偿移相器。即使移相器中参考节与移相节长度相同宽度不同(即等长不等宽结构)，同时在参考节上加载延迟线，从而实现了基片集成波导移相器色散自补偿，使相移稳定性良好且频带较宽。
随着移动通信技术的不断发展，对射频电路集成化的要求也越来越高，特别是工作频段较低时，级联移相器和功分器的电路所占据的尺寸往往较大，不利于射频通信系统的小型化。移相功分器实现了移相器和功分器的结合，具有功率分配和移相的作用。但是传统的移相功分器是基于两个不等长输出分支来实现移相功能的，不等长结构必然会带来尺寸的增加，不利于移相功分器的集成。因此，采用两个等长的输出分支实现同时具有性能良好的移相和等幅功率分配性能的小型化慢波基片集成波导移相功分器具有重要的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于慢波基片集成波导的小型化移相功分器。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于慢波基片集成波导的小型化移相功分器，该小型化移相功分器包括介质基板9，介质基板9的一个表面设有金属部分，另一个表面设有金属地；介质基板9的金属部分包括三段端口微带线1、三段锥形过渡传输线2、输入分支金属表面3、上输出分支金属表面4和下输出分支金属表面5；
三段端口微带线1分别设置在信号输入端口一、信号输入端口二和信号输入端口三，上输出分支金属表面4设置在信号输出端口二，下输出分支金属表面5设置在信号输出端口三；
在输入分支金属表面3、上输出分支金属表面4、下输出分支金属表面5均加载有小金属化通孔8；
下输出分支金属表面5蚀刻有两个互补开口谐振环6和两个大金属化通孔7；使下输出分支产生慢波效应，形成慢波基片集成波导，从而使下输出分支输出端口与输入端口间相移大于上输出分支，进而在两个输出端口间产生相移；
其中，上输出分支金属表面4与下输出分支金属表面5的长度及宽度相同；
大金属化通孔7通孔位于互补开口谐振环6内；
小金属化通孔8及大金属化通孔7内壁均覆有金属，均用于介质基板9正面金属和背面金属地间的连接；
所述信号输入端口一用于射频信号输入，信号输出端口二和信号输出端口三分别用于射频信号输出；
移相功分器产生的相移为信号输出端口二和信号输出端口三输出信号相移之差，表示为Ang(S21)-Ang(S31)，为30°。
可选的，所述小型化移相功分器，对于使用介电常数为ε和磁导率为μ的介质材料的基片集成波导，在TE10工作模式时导波相速度表示为：
其中，f表示频率，weff表示基片集成波导等效为矩形波导的等效宽度，w表示两列金属过孔的间距，D表示金属过孔直径，p表示相邻金属过孔间距；传输线产生慢波效应，需要增加传输线的等效介电常数或者等效磁导率，降低其传播相速度；
在平面二维传输线等效电路中，当传输线长度d远小于电磁波波长时，等效介电常数和等效磁导率与电路参数的关系表示为：
设z方向为电磁波的传播方向，通过提高x方向的电感Lx，z方向的电感Lz或y方向的电容Cy，进而增加z方向的磁导率μz，x方向的磁导率μx或y方向的介电常数εy，产生慢波效应。
可选的，所述三段端口微带线1的特性阻抗为50Ω。
本发明的有益效果在于：本发明所提出的基于慢波基片集成波导的小型化移相功分器的有益效果在于，实现等幅功率分配的前提下具有30°相移量，相较于功分器和移相器单独设计，所设计的移相功分器具有良好的移相和功分性能。并且通过开口谐振环和环内大金属化通孔的共同加载，使得具有平稳的相移特性，且两输出端口的幅度差较小，通过灵活调节开口谐振环和金属化通孔的尺寸和位置，从而在较宽的频率范围内达到良好的移相和功分性能。并且由于其一体化的设计和采用慢波基片集成波导，大大降低了电路尺寸，利于实际工程应用。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明基于慢波基片集成波导的小型化移相功分器结构示意图。
图2为平面二维传输线等效电路模型。
图3为加载两个开口谐振环的慢波基片集成波导移相功分器结构示意图。
图4为加载两个开口谐振环的慢波基片集成波导和无开口谐振环的基片集成波导的色散曲线图。
图5为加载两个开口谐振环的慢波基片集成波导移相功分器的S参数曲线图。
图6为加载两个开口谐振环的慢波基片集成波导移相功分器的输出信号幅度差图。
图7为加载两个开口谐振环的慢波基片集成波导移相功分器的相移曲线图。
图8为开口谐振环和大金属化通孔结构在慢波基片集成波导中的等效电路模型。
图9为开口谐振环内未加载大金属化通孔和加载大金属化通孔的下输出分支的特征阻抗曲线图。
图10为开口谐振环内未加载大金属化通孔和加载大金属化通孔的下输出分支的色散曲线图。
图11为本发明基于慢波基片集成波导的小型化移相功分器的S参数曲线图。
图12为本发明基于慢波基片集成波导的小型化移相功分器的输出信号幅度差图。
图13为本发明基于慢波基片集成波导的小型化移相功分器的相移曲线图。
图14为本发明基于慢波基片集成波导的小型化移相功分器的尺寸标注图。
附图标记：三段端口微带线1，三段锥形过渡传输线2，输入分支金属表面3，上输出分支金属表面4，下输出分支金属表面5，互补开口谐振环6，大金属化通孔7，小金属化通孔8，介质基板9。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明针对基片集成波导移相器和功分器的一体化设计，提出一种相移量为30°的基于慢波基片集成波导的小型化移相功分器，两输出分支的长度、宽度完全相同。其中一个输出分支采用普通的基片集成波导实现，而在另一个输出分支中将开口谐振环加载于上层金属表面，代替传统基片集成波导连续的金属表面，使其产生慢波效应，实现慢波基片集成波导，能够降低基片集成波导的截止频率和相速度，从而达到增大此输出分支输出端口与输入端口间相移的效果。因此，两个输出分支的输出相移产生了一定的相位差，达到两输出端口的输出信号间具有相移的效果。同时在开口谐振环的内部加入大金属化通孔以此降低开口谐振环的加载带来的相位不稳定影响，使其在较宽频带范围内具有稳定的30°相移性能。通过调节开口谐振环和金属化通孔的尺寸和位置，实现两输出信号移相稳定和幅度相等的小型化移相功分器。
本发明基于慢波基片集成波导的小型化移相功分器，其结构如图1所示。包括介质基板9，介质基板9的一个表面设有金属部分，另一个表面设有金属地。介质基板9的金属部分包括三段端口微带线1，三段锥形过渡传输线2，输入分支金属表面3，上输出分支金属表面4，下输出分支金属表面5。在输入分支金属表面3、上输出分支金属表面4、下输出分支金属表面5均加载有小金属化通孔8。下输出分支金属表面5蚀刻有两个互补开口谐振环6和两个大金属化通孔7。其中上输出分支金属表面4与下输出分支金属表面5的长度及宽度完全相同。大金属化通孔7通孔位于互补开口谐振环6内。小金属化通孔8及大金属化通孔7内壁均覆有金属，均用于介质基板9正面金属和背面金属地间的连接。其中，三段端口微带线1的特性阻抗为50Ω。
信号输入端口一用于射频信号输入，信号输出端口二和信号输出端口三分别用于射频信号输出。移相功分器产生的相移为信号输出端口二和信号输出端口三输出信号相移之差，表示为Ang(S21)-Ang(S31)。
本发明基于慢波基片集成波导的小型化移相功分器，通过在下输出分支加载两个互补开口谐振环6和两个大金属化通孔7，使下输出分支产生慢波效应，形成慢波基片集成波导，从而使下输出分支输出端口与输入端口间相移大于上输出分支，进而在两个输出端口间产生相移。
对于使用介电常数为ε和磁导率为μ的介质材料的基片集成波导，在TE10工作模式时导波相速度可以表示为：
其中，f表示频率，weff表示基片集成波导等效为矩形波导的等效宽度，w表示两列金属过孔的间距，D表示金属过孔直径，p表示相邻金属过孔间距。因此传输线想要产生慢波效应，需要增加传输线的介电常数或者磁导率，降低其传播相速度。根据图2所示的平面二维传输线等效电路模型，当传输线长度d远小于电磁波波长时，等效介电常数和等效磁导率与电路参数的关系可以表示为：
由上式可以看出，对于平面二维传输线等效电路模型，假设z方向为电磁波的传播方向，则可以通过提高x方向的电感Lx，z方向的电感Lz或y方向的电容Cy，进而增加z方向的磁导率μz，x方向的磁导率μx或y方向的介电常数εy，从而产生慢波效应。
本发明基于慢波基片集成波导的小型化移相功分器，首先设计了在下输出分支金属表面5上仅加载互补开口谐振环6，而没有加载大金属化通孔7的移相功分器，如图3所示。上输出分支和下输出分支长度相同，避免了由于移相而延长下输出分支长度，因此实现了小型化的效果。
图4给出了加载两个开口谐振环的慢波基片集成波导和无开口谐振环的基片集成波导的色散曲线对比图，其中基片集成波导长度p＝14.7mm，β表示相位常数。对比两者的截止频率(βp＝0)可以看出，加载开口谐振环的慢波基片集成波导的截止频率为5.9GHz，相较于同尺寸的基片集成波导的截止频率6.9GHz，下降了大约1GHz。并且可以看出在相同频率下加载开口谐振环的慢波基片集成波导的相位常数β明显更大。由于相速度与相位常数的关系为vp＝2πf/β，因此加载开口谐振环的慢波基片集成波导的相速度更低，证实了加载开口谐振环的慢波基片集成波导产生了慢波效应。
由图5可见，加载互补开口谐振环的慢波基片集成波导移相功分器在9.2GHz-12.9GHz频带范围内，|S11|小于-10dB，-10dB相对带宽为33％，|S21|和|S31|在9.2GHz-12.9GHz内大于-3.9dB。由图6可见，输出信号幅度差在9.2GHz-12.9GHz范围内小于0.65dB。两个输出端口间的相移差如图7所示，可见在8.6GHz-9.7GHz内的相移量为30°±3°，相移量为30°±3°的相对带宽仅为12％，30°相移带宽较窄。移相功分器在9.2GHz-12.7GHz频率范围内实现的相移量为26.5°±4.5°，相移稳定性较差，相移量也低于30°。因此该结构虽然实现了较好的功率等分效果，但没有达到良好的移相效果。
而继续调整互补开口谐振环的尺寸，虽然可以进一步调整相移特性，但是会影响下输出分支的特征阻抗，难以同时满足相位差稳定和两个输出端口输出功率等分的要求，因此需要添加额外结构调整下输出分支的相位特性，同时该结构需要对下输出分支的特征阻抗影响较小。
于是，在互补开口谐振环6内加载大金属化通孔7，得到所提出的慢波基片集成波导移相功分器，如图1所示。图8开口谐振环和大金属化通孔结构的等效电路中，L1表示谐振环加载引入的串联电感，L2表示大金属化通孔加载引入的寄生电感，C2表示谐振环内部金属贴片与外部金属之间的增强电容，C3表示谐振环内部金属贴片与接地板间的寄生电容。可见，大金属化通孔7的加载，能够增加下输出分支y方向的等效电容Cy，使得该段传输线的等效介电常数增加，从而增强慢波效应，使得相移量得到增加。
开口谐振环内未加载大金属化通孔和加载大金属化通孔的下输出分支的特性阻抗和色散曲线如图9和图10所示。由图9可见，加载大金属化通孔7后，下输出分支特性阻抗的虚部有一定的下降，实部基本没有变化，说明y方向的等效电容Cy得到了增加，并且特征阻抗变化小。由图10可见，加载的大金属化通孔7提升了相移常数，慢波效应得到增强。加载了大金属化通孔的慢波基片集成波导移相功分器，两个输出端口间的相移差如图13所示，可见在移相功分器的9.2GHz-12.7GHz频带内，两个输出端口实现了30°±3°的稳定相位偏移，相较开口谐振环内未加载大金属化通孔的慢波基片集成波导移相功分器，相移量明显增加，相移稳定度也得到明显改善。
由前面的分析可知，所提出的移相功分器既可以实现等功率分配，又可以在较宽的频率范围内实现稳定的30度相移。可以通过调节开口谐振环和金属化通孔的尺寸和位置，来灵活调节该移相功分器的工作频段，从而在较宽的频率范围内实现良好的移相和功分性能。
实施例样品为工作频率10.95GHz的基于慢波基片集成波导的小型化移相功分器。整个移相功分器结构制作在一块Rogers 5880介质基板上，基板相对介电常数2.2，介质基板损耗角正切为0.0012，基片厚度0.508mm，整个移相器尺寸为54.5mm×30.5mm，即2.0λg×1.1λg，λg表示中心频率对应的导波波长。
本发明基于慢波基片集成波导的小型化移相功分器的实施例样品的具体尺寸标注如图14中所示，具体电路各部分尺寸如表1所示。
表1基于慢波基片集成波导的小型化移相功分器样品各部分尺寸(单位：mm)
结构名称 符号 数值
信号输入端口宽度 W50 1.5
锥形过渡结构宽度 Wt 3.5
锥形过渡结构长度 Lt 5.8
输入基片集成波导长度 L1 12.0
谐振环距输入基片集成波导距离 L2 16.3
开口谐振环内环高度 L3 3.2
开口谐振环外环高度 L4 4.0
开口谐振环内环距基片集成波导输出端口距离 L5 8.0
开口谐振环外环宽度 L6 6.2
输出基片集成波导长度 L7 24.5
谐振环内部金属过孔直径 D 1.4
金属过孔直径 d 0.5
相邻金属过孔之间的距离 P 0.9
介质基板宽度 W1 30.5
介质基板长度 W2 54.5
两列金属过孔间距 W 15
使用仿真软件HFSS进行仿真，本发明基于慢波基片集成波导的小型化移相功分器的实施例样品仿真所得S参数曲线图如图11所示。图中|S11|表示为移相功分器输入端口反射系数的模值，|S21|、|S31|表示为移相功分器两个输出端口传输系数的模值。
由图11可知，本发明实施例样品移相功分器在9.2GHz-12.7GHz的频率范围内，|S11|小于-10dB，-10dB相对带宽为32％，证实该移相功分器端口的阻抗匹配情况良好，|S21|和|S31|在9.2GHz-12.7GHz内大于-3.95dB，说明该移相功分器的插入损耗较小。由图12可知，移相功分器两个输出信号的幅度差在工作频带内不超过0.3dB，具有良好的功率等分性能。由图13可知，移相器在9.2GHz-12.7GHz内实现了30°±3°的相移量，具有良好的移相性能，相移量30°±3°的相对带宽为32％。
作为对比，谐振环内未加载大金属通孔的慢波基片集成波导移相功分器样品结构尺寸如图3所示，在与实施例样品采用同样的介质基板，尺寸与实施例样品相同且具有同样的工作频率情况下。S参数仿真结果如图5所示，在9.2GHz-12.9GHz的频带范围内，|S11|小于-10dB，-10dB相对带宽为33％，|S21|和|S31|在9.2GHz-12.9GHz内大于-3.9dB。由图6可知，两输出端口输出信号幅度差在9.2GHz-12.9GHz范围内小于0.65dB。由图7可知，谐振环内未加载大金属通孔的慢波基片集成波导移相功分器的在8.6GHz-9.7GHz内的相移量为30°±3°，相移量为30°±3°的相对带宽仅为12％。可见，本发明实施样品的移相功分器尺寸相比于谐振环内未加载大金属通孔的慢波基片集成波导移相功分器的30°±3°相移带宽更宽，且功分器两个输出端口幅度差更小。
结合图和以上分析表明，本发明基于慢波基片集成波导的小型化移相功分器的实施例样品在较宽的频带内，实现了良好的功分性能，并且使两个输出端口间具有30°±3°的稳定相移，实现了移相和功分的功能融合与两个输出分支等长的设计，更利于减小电路尺寸和实际工程应用。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.基于慢波基片集成波导的小型化移相功分器，其特征在于：该小型化移相功分器包括介质基板(9)，介质基板(9)的一个表面设有金属部分，另一个表面设有金属地；介质基板(9)的金属部分包括三段端口微带线(1)、三段锥形过渡传输线(2)、输入分支金属表面(3)、上输出分支金属表面(4)和下输出分支金属表面(5)；
三段端口微带线(1)分别设置在信号输入端口一、信号输入端口二和信号输入端口三，上输出分支金属表面(4)设置在信号输出端口二，下输出分支金属表面(5)设置在信号输出端口三；
在输入分支金属表面(3)、上输出分支金属表面(4)、下输出分支金属表面(5)均加载有小金属化通孔(8)；
下输出分支金属表面(5)蚀刻有两个互补开口谐振环(6)和两个大金属化通孔(7)；使下输出分支产生慢波效应，形成慢波基片集成波导，从而使下输出分支输出端口与输入端口间相移大于上输出分支，进而在两个输出端口间产生相移；
其中，上输出分支金属表面(4)与下输出分支金属表面(5)的长度及宽度相同；
大金属化通孔(7)通孔位于互补开口谐振环(6)内；
小金属化通孔(8)及大金属化通孔(7)内壁均覆有金属，均用于介质基板(9)正面金属和背面金属地间的连接；
所述信号输入端口一用于射频信号输入，信号输出端口二和信号输出端口三分别用于射频信号输出；
移相功分器产生的相移为信号输出端口二和信号输出端口三输出信号相移之差，表示为Ang(S21)-Ang(S31)，为30°。
2.根据权利要求1所述的基于慢波基片集成波导的小型化移相功分器，其特征在于：所述小型化移相功分器，对于使用介电常数为ε和磁导率为μ的介质材料的基片集成波导，在TE10工作模式时导波相速度表示为：
其中，f表示频率，weff表示基片集成波导等效为矩形波导的等效宽度，w表示两列金属过孔的间距，D表示金属过孔直径，p表示相邻金属过孔间距；传输线产生慢波效应，需要增加传输线的等效介电常数或者等效磁导率，降低其传播相速度；
在平面二维传输线等效电路中，当传输线长度d远小于电磁波波长时，等效介电常数和等效磁导率与电路参数的关系表示为：
设z方向为电磁波的传播方向，通过提高x方向的电感Lx，z方向的电感Lz或y方向的电容Cy，进而增加z方向的磁导率μz，x方向的磁导率μx或y方向的介电常数εy，产生慢波效应。
3.根据权利要求1所述的基于慢波基片集成波导的小型化移相功分器，其特征在于：所述三段端口微带线(1)的特性阻抗为50Ω。
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