CN202633488U - 一种谐振型基片集成波导功率合成器 - Google Patents

Abstract

一种谐振型基片集成波导功率合成器，包括第一金属层、第二金属层、介质基片、四个输入微带线、微带-共面波导过渡、同轴探针和输出波导组成。微波功率通过输入微带馈入谐振腔，在SIW圆柱谐振腔内形成为TM₀₁₀模振荡，然后将合成的功率耦合到金属波导并输出。该合成器采用SIW圆柱谐振腔实现了谐振型平面结构功率合成，不仅有利于提高合成效率，而且实现了小型化和轻量化；而且易于与微带等平面电路结构集成，插入损耗低，还可根据需求增加合成路数，并具有幅相均衡特性。

Description

一种谐振型基片集成波导功率合成器

技术领域

本实用新型属于微波技术领域，涉及一种谐振型基片集成波导功率合成器。

背景技术

基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)是一种采用PCB或LTCC工艺在介质基板上实现的新型微波毫米波导波结构，由两排金属化通孔、上下两层金属面以及中间的填充介质构成，其实质是一种介质填充波导结构，具有与传统金属波导相似的传播特性，传输损耗小、Q值高等同时又易于平面集成，可以用来设计各种高Q值的无源和有源器件，如利用SIW谐振腔设计滤波器等。

本领域中已经用基片集成波导设计了多种微波功率合成器，都是将SIW视为一种传输线，都属于非谐振型功率合成器。从工作原理上讲，非谐振型功率合成器合成效率不如谐振型功率合成器的效率高，同时随着合成路数的增加，非谐振型基片集成波导功率合成器的插入损耗也会增大，也限制了功率合成效率。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：克服现有技术的不足，提供了一种谐振型基片集成波导功率合成器，该功率合成器采用圆柱形SIW谐振腔形成谐振结构，大大减小了谐振腔尺寸并提高了合成效率；同时利用n条均匀分布在谐振腔周围的微带将n路输入信号馈入谐振腔，保证了各路信号的幅相均匀特性；利用同轴探针结构将合成信号耦合到输出波导。

本实用新型的技术方案：

一种谐振型基片集成波导功率合成器，包括第一金属层、第二金属层、介质基片、四个输入微带线、微带-共面波导过渡、同轴探针和输出波导；

第一金属层为一圆盘状金属薄板，四个输入微带线均各自通过微带-共面波导过渡与第一金属层连接在一起，且四个输入微带线沿圆周均匀分布；第二金属层也为一金属薄板且中心留有圆孔；

介质基片的中心留有探针安装孔，且以探针安装孔为圆心，在同一圆周上均匀分布多个通孔，每个通孔的侧壁均覆盖有金属层，将介质基板夹在第一金属层和第二金属层之间，通孔形成的圆周以内的部分即形成谐振腔；

同轴探针包括外导体和内导体，内外导体之间填充有非导电介质来稳定内导体的位置，同轴探针通过第二金属层中心的圆孔伸入介质基片中心的探针安装孔中，同轴探针的头部抵住第一金属层，同轴探针的尾部通过输出波导上的预留孔伸入到输出波导的腔体内部，通过调节伸入部分的长度而调整耦合量的大小，同轴探针的外导体与输出波导的预留孔之间通过导电胶粘接固定。

第一金属层和第二金属层采用高导电率金属。

微波功率信号通过微带-共面波导过渡引入谐振腔，谐振腔的振荡模式为TM₀₁₀模。

本实用新型与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本实用新型功率合成器由于采用SIW谐振腔合成原理，一方面比起金属谐振腔可以大大减小体积和重量，另一方面比起非谐振型SIW功率合成器可以提高合成效率；

(2)本实用新型功率合成器采用均匀分布的4路馈电微带结构，可以很好保证各路输入信号幅相均衡特性，而不必增加移项结构，有利于保证合成效率；

(3)本实用新型功率合成器采用SIW这种平面结构，易于与微带等平面电路互联；整个功率合成器结构简单、加工难度低、容易与其它电路、模块集成设计，具有很强的实用性。

附图说明

图1为本实用新型谐振型基片集成波导功率合成器爆炸结构示意图；

图2为本实用新型谐振型基片集成波导功率合成器爆炸结构示意图；

图3为采用本实用新型的S参数仿真结果。

具体实施方式

本实用新型功率合成器的原理如下：

基片集成波导结构由2层金属层及之间的介质层、以及两排金属化通孔构成，其中金属层相当于金属波导结构的宽边，金属化通孔相当于金属波导结构的宽边，电磁波在介质中传播。这样的结构可以类比于传统的金属波导。同样，如果将金属化通孔排布成圆周，就形成了基片集成波导圆柱谐振腔，SIW圆柱谐振腔的体积和重量仅仅是金属圆柱波导的约1％。SIW圆柱谐振腔与金属圆柱谐振腔类似，可用于开发滤波器和谐振型功率合成器。一般来说基片集成波导圆柱谐振腔最低振荡模式为TM₀₁₀模，多路输入信号在SIW圆柱谐振腔以此模式振荡形成合成信号，输出以后就是完成了功率合成的信号。

下面以4路功率合成器为例对本实用新型作详细的描述：

如图1和图2所示为本实用新型多谐振型基片集成波导功率合成器实施例结构示意图，图1为功率合成器结构爆炸图，图2为功率合成器结构图，功率合成器由SIW圆柱谐振腔、输入输出端口紧密结合形成。

本实用新型功率合成器包括第一金属层1、第二金属层2、介质基片3、四个输入微带线4、微带-共面波导过渡5、同轴探针6和输出波导7。

第一金属层1为一圆盘状金属薄板，四个输入微带线4均各自通过微带-共面波导过渡5与第一金属层1连接在一起，且四个输入微带线4沿圆周均匀分布，这样的输入形式保证了功率合成器与平面有源器件、平面电路良好互连；第二金属层2也为一金属薄板且中心留有圆孔；

介质基片3的中心留有探针安装孔8，且以探针安装孔8为圆心，在同一圆周上均匀分布多个通孔9，每个通孔9的侧壁均覆盖有金属层，将介质基板3夹在第一金属层1和第二金属层2之间，通孔9形成的圆周以内的部分即形成谐振腔10；第一金属层1和第二金属层2采用高导电率金属，

同轴探针6包括外导体和内导体，内外导体之间填充有非导电介质来稳定内导体的位置，同轴探针6通过第二金属层2中心的圆孔伸入介质基片3中心的探针安装孔8中，同轴探针6的头部抵住第一金属层1，同轴探针6的尾部通过输出波导7上的预留孔伸入到输出波导7的腔体内部，通过调节伸入部分的长度而调整耦合量的大小，同轴探针6的外导体与输出波导7的预留孔之间通过导电胶粘接固定。输出采用波导形式有利于大功率信号输出。

介质基片3上以探针安装孔8为圆心，均匀分布多个通孔的圆周，圆周半径r由下式决定：

$r=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\μ}}_r}}\·\frac{x_{01}}{f_0}$

其中ε_r和μ_r分别为介质基片3的介电常数和磁导率，x₀₁为0阶贝塞尔函数的第1个根，f₀为谐振频率。

微波功率信号通过微带-共面波导过渡5引入谐振腔10，谐振腔10的振荡模式为TM₀₁₀模。

为了便于加工装配，探针6伸到SIW圆柱谐振腔底部，其固定用穿过波导壁时的起限定作用的介质圆柱实现。为了有利于各路输入信号的幅相一致控制，馈电微带均匀分布在圆柱谐振腔四周，并按照需求可以增减输入信号路数。

利用图2所示的谐振型基片集成波导功率合成器，设计一个5.8GHz 4路谐振型SIW功率合成器。选择介电常数为2.2，厚度为0.254mm的Rogers 5880介质基板，优化各设计参数，得到5.8GHz谐振型基片集成波导功率合成器仿真结果如图3所示，图3为采用本实用新型结构的振型基片集成波导功率合成器实施例的S参数仿真结果。由图3可知，中心频率为5.8GHz，S11＜-20dB，各路信号等幅合成，其中SIW圆柱谐振腔半径为14.43mm。

Claims (3)

1.一种谐振型基片集成波导功率合成器，其特征在于：包括第一金属层(1)、第二金属层(2)、介质基片(3)、四个输入微带线(4)、微带-共面波导过渡(5)、同轴探针(6)和输出波导(7)；

第一金属层(1)为一圆盘状金属薄板，四个输入微带线(4)均各自通过微带-共面波导过渡(5)与第一金属层(1)连接在一起，且四个输入微带线(4)沿圆周均匀分布；第二金属层(2)也为一金属薄板且中心留有圆孔；

介质基片(3)的中心留有探针安装孔(8)，且以探针安装孔(8)为圆心，在同一圆周上均匀分布多个通孔(9)，每个通孔(9)的侧壁均覆盖有金属层，将介质基板(3)夹在第一金属层(1)和第二金属层(2)之间，通孔(9)形成的圆周以内的部分即形成谐振腔(10)；

同轴探针(6)包括外导体和内导体，内外导体之间填充有非导电介质来稳定内导体的位置，同轴探针(6)通过第二金属层(2)中心的圆孔伸入介质基片(3)中心的探针安装孔(8)中，同轴探针(6)的头部抵住第一金属层(1)，同轴探针(6)的尾部通过输出波导(7)上的预留孔伸入到输出波导(7)的腔体内部，通过调节伸入部分的长度而调整耦合量的大小，同轴探针(6)的外导体与输出波导(7)的预留孔之间通过导电胶粘接固定。

2.根据权利要求1所述的一种谐振型基片集成波导功率合成器，其特征在于：第一金属层(1)和第二金属层(2)采用高导电率金属。

3.根据权利要求1所述的一种谐振型基片集成波导功率合成器，其特征在于：微波功率信号通过微带-共面波导过渡(5)引入谐振腔(10)，谐振腔(10)的振荡模式为TM₀₁₀模。

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