CN204885389U - 基于基片集成波导结构的宽带四路功分器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于基片集成波导结构的宽带四路功分器，包括共面波导、槽线、金属探针，以及上层表面金属、下层表面金属、金属通孔、介质基片构成基片集成波导；四排金属通孔与共面波导平行并且关于共面波导对称分布；槽线的数量为四条且对称分布于共面波导两侧，槽线与共面波导两侧的缝隙垂直相连形成共面波导与槽线的转接部分，各条槽线的尺寸相同且均延伸至基片集成波导的上层表面金属中形成基片集成波导与槽线的转接部分；两个金属探针关于共面波导对称设置用于调整功分器的功率分配；下层表面金属包括基片集成波导与微带线的转接结构、无金属部分，其中无金属部分是为了形成共面波导和槽线结构。本实用新型结构简单紧凑、损耗低、性能好，适用于天线馈电网络。
Description
技术领域
本实用新型涉及功分器技术领域，特别是一种基于基片集成波导结构的宽带四路功分器。
背景技术
功分器的特性对阵列天线的性能有着举足轻重的作用，导波结构的发展史中可以看到整个微波工业的发展。随着阵列天线的发展，人们对微波功分器件的要求也越来越高。在现代微波毫米波电路的设计中，功率分配器件占据了很重要的位置，特别是在微波毫米波阵列天线的设计中，功率分配电路的好坏直接影响到阵列天线的性能。
对于直接用来对阵列天线馈电的功率分配器件，大致有T型和Y型两种功分器。常用的电路结构对于天线单元较多的结构，馈电网络比较复杂，需要经过复杂的转换才能实现对不同天线单元的等幅同向馈电，造成天线的结构尺寸比较大。共面波导(Coplanarwaveguide,简称CPW)是一种平面传输结构，其突出优点是信号传输线与接地面在同一平面，只需设计电路各尺寸比例，易于并联或串联有缘和无源元件，共面波导结构是一种平面传输结构，突出的优点是信号传输与接地面在同一平面，辐射损耗小，便于提高电路的集成度，广泛应用与现行微带阵列天线的馈电网络。然而随着微波技术的发展，微波工作频率也越来越高，由于共面波导的开放特性，其较大衰减(辐射损耗)越来越成为其在高频微波应用领域的瓶颈。
与此同时，基片集成波导(SIW)以其体积小、重量小、易于集成、低插损、低辐射的优点，在毫米波应用的研究尤为广泛。但是基片集成波导是基于波导理论，所以其在低频应用中，面积较大。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种综合SIW、CPW的基于基片集成波导结构的宽带四路功分器，该功分器采用共面波导馈电的方式，利用CPW易于并联或串联有缘和无源元件的优良特性，实现结构紧凑，利用SIW高频优点传输高频，通过SIW和CPW之间的耦合实现互通。
实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种基于基片集成波导结构的宽带四路功分器，该功分器包括共面波导、上层表面金属、槽线、金属通孔、金属探针、下层表面金属、介质基片，其中上层表面金属、下层表面金属、金属通孔、介质基片构成基片集成波导；
所述共面波导、上层表面金属和槽线设置于介质基片的上表面，下层表面金属设置于介质基片的下表面；四排金属通孔与共面波导平行并且关于共面波导对称分布，其中两排金属通孔沿着共面波导两侧的外边缘分布，另外两排金属通孔沿着上层表面金属两侧的内边缘分布；槽线的数量为四条且对称分布于共面波导两侧，槽线与共面波导两侧的缝隙垂直相连形成共面波导与槽线的转接部分，各条槽线的尺寸相同且均延伸至基片集成波导的上层表面金属中形成基片集成波导与槽线的转接部分；两个金属探针关于共面波导对称设置用于调整功分器的功率分配；下层表面金属包括基片集成波导与微带线的转接结构、无金属部分，其中无金属部分是为了形成共面波导和槽线结构。
进一步地，所述金属通孔大小一致，且相邻两个金属通孔之间的距离为金属通孔直径的2倍。
进一步地，所述金属探针与金属通孔的尺寸相同。
进一步地，所述基片集成波导与微带线的转接结构有四个，均包括渐变结构的微带线和50欧姆微带线导带，基片集成波导的四个端口分别通过渐变结构的微带线和50欧姆微带线导带连接。
进一步地，所述基片集成波导的宽度为电磁波在该功分器中传播的波长的二分之一。
进一步地，所述共面波导与槽线的转接部分、基片集成波导与槽线的转接部分、基片集成波导与微带线的转接结构通过电磁耦合的方式实现能量传输。
本实用新型与现有技术相比，其显著优点在于：(1)功分器采用共面波导馈电，在输入端可以直接将馈线(如常见的SMA接头)搭载在共面波导上实现馈电，降低了馈电网络的复杂性，使整体结构紧凑；(2)利用了共面波导的缝隙部分与槽线结构的相似性，容易实现能量的传播；(3)对称槽线的长度差异可以扩展功分器的工作带宽，利用金属探针来达到功率等分的目的，损耗低、性能好，适用于天线馈电网络。
附图说明
图1是本实用新型基于基片集成波导结构的宽带四路功分器的俯视图。
图2是本实用新型基于基片集成波导结构的宽带四路功分器的仰视图。
图3是本实用新型基于基片集成波导结构的宽带四路功分器的左视图。
图4是本实用新型实施例中基于基片集成波导结构的宽带四路功分器的俯视尺寸图。
图5是本实用新型实施例中基于基片集成波导结构的宽带四路功分器的仰视尺寸图。
图6是实施例中四路功分器的回波损耗仿真结果图。
图7是实施例中四路功分器的相位仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
结合图1～3，本实用新型基于基片集成波导结构的宽带四路功分器，该功分器包括共面波导1、上层表面金属2、槽线3、金属通孔5、金属探针7、下层表面金属9、介质基片11，其中上层表面金属2、下层表面金属9、金属通孔5、介质基片11构成基片集成波导8；所述共面波导1、上层表面金属2和槽线3设置于介质基片11的上表面，下层表面金属9设置于介质基片11的下表面；四排金属通孔5与共面波导1平行并且关于共面波导1对称分布，其中两排金属通孔5沿着共面波导1两侧的外边缘分布，另外两排金属通孔5沿着上层表面金属2两侧的内边缘分布；槽线3的数量为四条且对称分布于共面波导1两侧，槽线3与共面波导1两侧的缝隙垂直相连形成共面波导与槽线的转接部分4，各条槽线3的尺寸相同且均延伸至基片集成波导8的上层表面金属2中形成基片集成波导与槽线的转接部分6；两个金属探针7关于共面波导1对称设置用于调整功分器的功率分配；下层表面金属9包括基片集成波导与微带线的转接结构10、无金属部分12，其中无金属部分12是为了形成共面波导和槽线结构。
所述金属通孔5大小一致，且相邻两个金属通孔5之间的距离为金属通孔5直径的2倍。所述金属探针7与金属通孔5的尺寸相同。所述基片集成波导与微带线的转接结构10有四个，均包括渐变结构的微带线和50欧姆微带线导带，基片集成波导8的四个端口分别通过渐变结构的微带线和50欧姆微带线导带连接。所述基片集成波导8的宽度为电磁波在该功分器中传播的波长的二分之一。所述共面波导与槽线的转接部分4、基片集成波导与槽线的转接部分6、基片集成波导与微带线的转接结构10通过电磁耦合的方式实现能量传输。
本实用新型基于基片集成波导结构的宽带四路功分器的工作原理是：能量首先由共面波导端输入，利用共面波导的缝隙部分与四路槽线结构的相似性，容易实现能量的高效率的传输与功率分配，通过金属探针位置以及大小的调节可以抑制功率正向传输，从而实现四路功率等分，再经过槽线和基片集成波导的转换结构以及基片集成波导和微带线的转换结构后输出。在上述结构中，共面波导和槽线的转换结构将共面波导中的场模式转换到两路槽线中槽线模式的电场，槽线和基片集成波导的转换结构将共面波导的转换结构将水平分布的电场转换成垂直分布的电场，为了便于测量，在基片集成波导的末端加载了基片集成波导和微带线的转接结构，实现了能量的输出。从四路输出端能量相位的角度出发，由于该功分器关于对称面AB严格对称，因此输出的能量是等幅同向。
在结构上，该共面波导馈电的基片集成波导宽带四路功分器由共面波导和槽线的转换结构、起调节作用的金属探针、槽线和基片集成波导的转换结构以及基片集成波导和微带线的转接结构三部分构成。当能量从共面波导馈入后，经过共面波导和槽线的转换结构、槽线和基片集成波导的转换结构，将能量转化成在基片集成波导中的传输模式，最后为了便于测量，采用基片集成波导和微带线的转接结构。
在制造上，整个功分器制作在一个介质基片11上，上表面分别包含了共面波导与槽线的转接部分4、基片集成波导与槽线的转接部分6，下表面金属层包含基片集成波导与微带线的转接结构10，其中无金属部分12是为了形成共面波导和槽线结构。为了形成基片集成波导的结构，在介质基片11的相应位置分布有金属通孔5。能量从共面波导1端输入，经过共面波导与槽线的转接部分4、基片集成波导与槽线的转接部分6以及基片集成波导与微带线的转接结构10，而后通过调节金属探针7实现能量的四路等分。
实施例
本实施例基于基片集成波导结构的宽带四路功分器的俯视图如图1所示，俯视图如图2所示，左视图如图3所示，有关尺寸说明如图4所示。所采用的介质基片11相对介电常数为2.2，厚度为0.5mm。输入端以及四个输出端的微带渐变结构的特性阻抗均为50欧姆。结合图4、图5，该功率分配器的各尺寸参数如下：d＝0.5mm，p＝1mm，w1＝0.7mm，g＝0.1mm，dx＝0.8mm，dp＝4.85mm，dp1＝8mm，dp2＝7.9mm，L1＝32mm，d1＝0.6mm，L2＝13mm，L3＝4.5mm，L4＝4mm，L＝60mm。
本实施例是在电磁仿真软件HFSS.12中建模仿真的。图6是本实例中功分器的S参数仿真图，从图中可以看出，该四路功分器的中心频率为10.5GHz，工作频率范围为9.3GHz-12.8GHz，相对带宽为23.8％。在工作频率范围内，回波损耗S11低于-15dB，S12、S13、S14参数为6.45±0.3dB.
图7为各个输出端的相位值，从图中可以看出各个输出端的相位差在±10度以内，同方向不同输出端的相位差在±2度以内。
综上所述，本实用新型基于基片集成波导结构的四路功分器，结合了SIW和CPW结构的优良特性，实现了结构简单紧凑、损耗低、易于集成、具有良好的端口匹配性能的等幅同相四路功分器，非常适合作为馈电网络。
Claims (6)
1.一种基于基片集成波导结构的宽带四路功分器，其特征在于：该功分器包括共面波导(1)、上层表面金属(2)、槽线(3)、金属通孔(5)、金属探针(7)、下层表面金属(9)、介质基片(11)，其中上层表面金属(2)、下层表面金属(9)、金属通孔(5)、介质基片(11)构成基片集成波导(8)；
所述共面波导(1)、上层表面金属(2)和槽线(3)设置于介质基片(11)的上表面，下层表面金属(9)设置于介质基片(11)的下表面；四排金属通孔(5)与共面波导(1)平行并且关于共面波导(1)对称分布，其中两排金属通孔(5)沿着共面波导(1)两侧的外边缘分布，另外两排金属通孔(5)沿着上层表面金属(2)两侧的内边缘分布；槽线(3)的数量为四条且对称分布于共面波导(1)两侧，槽线(3)与共面波导(1)两侧的缝隙垂直相连形成共面波导与槽线的转接部分(4)，各条槽线(3)的尺寸相同且均延伸至基片集成波导(8)的上层表面金属(2)中形成基片集成波导与槽线的转接部分(6)；两个金属探针(7)关于共面波导(1)对称设置用于调整功分器的功率分配；下层表面金属(9)包括基片集成波导与微带线的转接结构(10)、无金属部分(12)，其中无金属部分(12)是为了形成共面波导和槽线结构。
2.根据权利要求1所述的基于基片集成波导结构的宽带四路功分器，其特征在于：所述金属通孔(5)大小一致，且相邻两个金属通孔(5)之间的距离为金属通孔(5)直径的2倍。
3.根据权利要求1所述的基于基片集成波导结构的宽带四路功分器，其特征在于：所述金属探针(7)与金属通孔(5)的尺寸相同。
4.根据权利要求1所述的基于基片集成波导结构的宽带四路功分器，其特征在于：所述基片集成波导与微带线的转接结构(10)有四个，均包括渐变结构的微带线和50欧姆微带线导带，基片集成波导(8)的四个端口分别通过渐变结构的微带线和50欧姆微带线导带连接。
5.根据权利要求1所述的基于基片集成波导结构的宽带四路功分器，其特征在于：所述基片集成波导(8)的宽度为电磁波在该功分器中传播的波长的二分之一。
6.根据权利要求1所述的基于基片集成波导结构的宽带四路功分器，其特征在于：所述共面波导与槽线的转接部分(4)、基片集成波导与槽线的转接部分(6)、基片集成波导与微带线的转接结构(10)通过电磁耦合的方式实现能量传输。
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