一种过孔加载的半模基片集成波导功率分配器

摘要

本发明提供了一种过孔加载的半模基片集成波导功率分配器，所述功率分配器为双面印刷电路板结构，两面镜像对称，该功率分配器包括输入传输线部分、全模波导传输部分、全模波导分配部分、半模波导传输部分以及输出传输线部分；该功率分配器通过在适当位置引入过孔加载来改善阻抗匹配及减小端口反射，并将输出口的全模波导结构改进为半模波导结构，以此来达到缩减尺寸的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于微波毫米波组件与系统的设计中的功率分配器，尤其涉及一种过孔加载的半模基片集成波导功率分配器。

背景技术

微波毫米波功分器在微波毫米波天线的馈线和毫米波仪表中得到了大量的应用,它是馈线系统中的一个关键部件,特别是在微波毫米波集成电路中,天线阵列的馈电需要用到低损耗、宽频带的功分器。常用的微带功分器在中心频率上它的特性较为理想,但是一旦发生频偏,整个功分器的性能都会变差,从而影响整个系统的性能。利用基片集成波导技术可以制作出高Q值、低损耗、宽频带的功率分配器,并降低加工成本和工艺难度,而在此基础上的半模基片集成波导结构更能減小其一半的体积,使其更适用于微波毫米波组件与系统的设计。

基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)是一种在介质基片上实现类似于金属矩形波导传输特性的导波结构，由于该结构具有低辐射、低插损、小型化、易于集成等优点，成为研究的热点，也被广泛应用于微波无源器件的设计当中。借助于印刷电路工艺，基于介质集成波导的高性能微波无源器件的低成本批量生产成为可能。

本发明提出了一种过孔加载的半模基片集成波导功率分配器，测试结果表明，该功率分配器能够在7.86-9.06GHz的工作频段内实现较为稳定的等功率分配输出，该功分器可以广泛应用在对应频率范围内的通信系统当中。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种过孔加载的半模基片集成波导功率分配器，实现较为稳定的等功率分配输出。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种过孔加载的半模基片集成波导功率分配器，所述功率分配器为双面印刷电路板结构，两面镜像对称，包括输入传输线部分、全模波导传输部分、全模波导分配部分、半模波导传输部分以及输出传输线部分；

所述输入传输线部分位于顶段，由矩形和等腰梯形渐变平衡微带线构成；

所述全模波导传输部分为位于上段的矩形波导，该矩形波导含有两侧金属化过孔阵列；

所述全模波导分配部分为位于中上段的两个矩形波导，含有两侧金属化过孔阵列和三个分配过孔，所述三个分配过孔为分配过孔一、分配过孔二和分配过孔三；

所述半模波导传输部分位于中段，由四个仅含有一侧金属化过孔阵列的半模波导平行排列组成；

所述输出传输线部分位于下段，由直角梯形渐变、矩形及弯折的矩形的平衡微带线组成。

进一步地，所述分配过孔一和分配过孔三关于介质基片宽边中心线对称分布，分配过孔二位于介质基片宽边中心线的正下方。

进一步地，介质基片厚度为1.6mm，相对介电常数为4.4。

进一步地，所述功率分配器的介质基片宽度W为40mm，介质基片长度L为67.4mm，输入传输线矩形平衡微带线宽度w_i为2mm，输入传输线梯形平衡微带线底边宽度ws为3.2mm，半模传输波导宽度w_o为1.75mm，全模传输波导长度a_in为13.6mm，半模传输波导间距gap为2mm，全模分配波导与基片长边距离w_g1为2.5mm，半模传输波导与基片长边距离w_g2为1.5mm，输出传输线直角梯形平衡微带线底边宽度w_s1为2.5mm，输入传输线矩形平衡微带线长度l₁为5mm，输入传输线梯形平衡微带线长度l₂为4.5mm，全模传输波导传输段长度l₃为3.8mm，全模分配波导段长度l₄为19.6mm，半模传输波导长度l₅为18mm，输出传输线矩形平衡微带线长度l₆为12mm，分配过孔一与全模分配波导侧壁的横向距离k₁为4.85mm，分配过孔一与全模分配波导侧壁的纵向距离t₁为4mm，分配过孔二与全模分配波导侧壁的纵向距离t₂为4.8mm，分配过孔一半径r₁为0.25mm，分配过孔二半径r₂为0.15mm。

本发明基于半模基片集成波导结构的功率分配器主要是通过将基本的波导Y型结进行级联，通过在适当位置引入过孔加载来改善阻抗匹配及减小端口反射，并将输出口的全模波导结构改进为半模波导结构，以此来达到缩减尺寸的目的。

附图说明

图1：过孔加载的半模基片集成波导功率分配器的实物模型；

图2：过孔加载的半模基片集成波导功率分配器的结构图；

图3：半模SIW四等分功率分配器的S参数仿真结果；

图4：半模SIW四等分功率分配器实验结果；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1，本发明保护一种过孔加载的半模基片集成波导功率分配器，所述功率分配器为双面印刷电路板结构，两面镜像对称，包括输入传输线部分、全模波导传输部分、全模波导分配部分、半模波导传输部分以及输出传输线部分；

所述输入传输线部分位于顶段，由矩形和等腰梯形渐变平衡微带线构成；

所述全模波导传输部分为位于上段的矩形波导，该矩形波导含有两侧金属化过孔阵列；

所述全模波导分配部分为位于中上段的两个矩形波导，含有两侧金属化过孔阵列和三个分配过孔，所述三个分配过孔为分配过孔一、分配过孔二和分配过孔三；

所述半模波导传输部分位于中段，由四个仅含有一侧金属化过孔阵列的半模波导平行排列组成；

所述输出传输线部分位于下段，由直角梯形渐变、矩形及弯折的矩形的平衡微带线组成。

所述分配过孔一和分配过孔三关于介质基片宽边中心线对称分布，分配过孔二位于介质基片宽边中心线的正下方。所述介质基片厚度为1.6mm，相对介电常数为4.4。

结合图2，一种过孔加载的半模基片集成波导功率分配器的结构图，所述功率分配器的介质基片宽度W为40mm，介质基片长度L为67.4mm，输入传输线矩形平衡微带线宽度w_i为2mm，输入传输线梯形平衡微带线底边宽度ws为3.2mm，半模传输波导宽度w_o为1.75mm，全模传输波导长度a_in为13.6mm，半模传输波导间距gap为2mm，全模分配波导与基片长边距离w_g1为2.5mm，半模传输波导与基片长边距离w_g2为1.5mm，输出传输线直角梯形平衡微带线底边宽度w_s1为2.5mm，输入传输线矩形平衡微带线长度l₁为5mm，输入传输线梯形平衡微带线长度l₂为4.5mm，全模传输波导传输段长度l₃为3.8mm，全模分配波导段长度l₄为19.6mm，半模传输波导长度l₅为18mm，输出传输线矩形平衡微带线长度l₆为12mm，分配过孔一与全模分配波导侧壁的横向距离k₁为4.85mm，分配过孔一与全模分配波导侧壁的纵向距离t₁为4mm，分配过孔二与全模分配波导侧壁的纵向距离t₂为4.8mm，分配过孔一半径r₁为0.25mm，分配过孔二半径r₂为0.15mm。具体参见表1。

表1过孔加载的半模基片集成波导功率分配器的结构参数(单位：mm)

结合图3和图4，图3给出了过孔加载的半模基片集成波导功率分配器的S参数仿真结果，从图中可以看出，所设计的功率分配器在7.79-9.86GHz的工作频段内|S₁₁|<-10dB，在带内的匹配情况良好，在上述的工作频段内，可以看到该功率分配器的输出端口具有比较稳定的功率分配输出：传输系数|S₂₁|，|S₅₁|在带内稳定在-6.94～-8.48dB之间；传输系数|S₃₁|，|S₄₁|在带内分配系数稳定在-6.37～-7.42dB之间，带内波动较小。整个功分器采用对称结构，传输系数|S₂₁|与|S₅₁|曲线基本重合，传输系数|S₃₁|与|S₄₁|曲线基本重合，整个功率分配器性能良好。图4给出了过孔加载的半模基片集成波导功率分配器的S参数测试结果，从图中可以看出，在7.86-9.06GHz的工作频段内，输出端口的功率分配相对比较稳定，从图2中从左往右数的端口2(端口1为输入端口)即|S₂₁|在-8.38～-10.42dB间波动；端口3即|S₃₁|在-8.19～-10.23dB间波动；端口4即|S₄₁|在-8.23～-10.18dB间波动；端口5即|S₅₁|在-7.98～-10.02dB间波动。

以上对本发明所提供的一种过孔加载的半模基片集成波导功率分配器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。