CN105811064B - 基于基片集成波导的Gysel型功分器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于基片集成波导的Gysel型功分器，包括第一端口、第二端口、第三端口、第四端口和第五端口；所述第一端口在功分器的中分线上，功分器关于中分线对称；其中第一端口为公共口，第二端口和第三端口为分口，第四端口和第五端口为负载口；功分器采用基片集成波导结构，包括上层金属面、中间介质板和下层金属面，上层金属面和下层金属面之间设置两排第二金属柱线列，每排第二金属柱线列包括多个金属柱，每个金属柱均与上层金属面和下层金属面相接触。本发明满足高功率、高隔离的实际需求，体积小，重量轻，适合应用于各种SIW***的功率合成和分配。

Description

基于基片集成波导的Gysel型功分器
技术领域
本发明属于功分器领域，特别是一种基于基片集成波导的Gysel型功分器。
背景技术
功分器是现代通信***中的重要组件，广泛应用于微波通信、电子对抗、频率综合和微波测量等***中。功分器主要用于能量的分配、合成，一般有一个总口，两个以上的分口，按照分口的数量可以分为一分二、一分三、一分四以及一分多；按照分口功率是否完全一样，可以分为等分和不等分两种；按照分口相位是否一样，可以分为等相和不等相两种；按照功率容量可以分为小功率、中功率和高功率等；按照传输线形式可以分为微带型、同轴型、波导型等；按照分口是否隔离可以分为隔离型和不隔离型；按照结构形式可以分为Welkinson(威尔金森)、Gysel(杰塞尔)、分支线和定向耦合器等。
应用基片集成波导即SIW(Substrate Integrated Waveguide)来实现的平面结构，融合了矩形波导和微带线的优点，具有体积小、重量轻、相对带宽较宽的优点，同时可承受较高的功率门限，Q值也比较高，理论和实验均表明这类平面结构具有非常突出的优点，因此可在微波毫米波电路、混合集成电路(HMIC)以及毫米波单片集成电路(MMIC)中得到很好的应用。同时，也有越来越多有关基片集成波导功分器的介绍，例如文献1(“Y‐junctionpower divider based on substrate integrated waveguide”，Electronics Letters8thDec.2011Vol.47No.25)或者文献2(“Multilayer Substrate Integrated WaveguideFour‐Way Out‐of‐Phase Power Divider”，IEEE Transactions on MicrowaveTechnology and Techniques，Vol.57，No.12，Dec 2009，pp3469‐3476)；但是，这类功分器的主要缺点在于参照传统的威尔金森功分器，隔离电阻位于分臂的中心，从而无法承受高功率，以及由于隔离电阻的寄生效应，无法工作到很高频率；另一方面，基于传统的波导形式，无法隔离，或需要多层电路来隔离；这些缺点影响了此类功分器在高功率下的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于基片集成波导的Gysel型功分器。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于基片集成波导的Gysel型功分器，包括第一端口、第二端口、第三端口、第四端口和第五端口；所述第一端口在功分器的中分线上，功分器关于中分线对称；其中第一端口为公共口，第二端口和第三端口为分口，第四端口和第五端口为负载口；功分器中心位置设置有两排相互平行且关于中分线对称的第一金属柱线列；功分器采用基片集成波导结构，包括上层金属面、中间介质板和下层金属面，中间介质板位于上层金属面和下层金属面之间，五个端口的上层金属面和下层金属面之间设置两排第二金属柱线列；每排第一金属柱阵列和第二金属柱线列均包括多个金属柱，每个金属柱均与上层金属面和下层金属面相接触。
本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：(1)本发明的基于基片集成波导Gysel功分器，带宽可以从5％到10％，满足工程需求；(2)本发明采用五端口结构，相比与传统的基片集成波导功分器，实现了两个分口之间的隔离；(3)本发明采用Gysel型功分器结构，功率容量大；(4)本发明与微带型的Gysel型功分器相比，采用基片集成波导结构，适用频率范围更广；(5)本发明采用基片集成波导结构，电路指标相对稳定，同时也可以在生产后进行必要的调试，满足特定条件下的需求；(6)本发明结构设计简单易行，可以采用常规的PCB印制板制作工艺、传统的机加工工艺以及手工安装手段，经济性突出；(7)本发明设计原理简单，对基片材料几乎没有特殊要求，可以采用所有的微波基板，具有广泛的通用性。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明的集成波导匹配结构示意图。
图2为本发明两个负载口垂直输出集成波导Gysel功分器的俯视示意图。
图3为本发明两个负载口水平输出集成波导Gysel功分器的俯视示意图。
图4为本发明一实施方式的两个负载口垂直输出集成波导Gysel功分器的加工图。
图5为本发明一实施方式的两个负载口垂直输出集成波导Gysel功分器的回波损耗仿真和测试比较。
图6为本发明一实施方式的两个负载口垂直输出集成波导Gysel功分器的幅度分配仿真和测试比较。
图7为本发明一实施方式的两个负载口垂直输出集成波导Gysel功分器的相位和隔离仿真和测试比较。
具体实施方式
结合图1、图2，一种基于基片集成波导的Gysel型功分器，包括第一端口、第二端口、第三端口、第四端口和第五端口；第一端口在功分器的中分线上，功分器关于中分线对称；其中第一端口为公共口，第二端口和第三端口为分口，第四端口和第五端口为负载口；功分器中心位置设置有两排相互平行且关于中分线对称的第一金属柱线列；功分器采用基片集成波导结构，包括上层金属面1、中间介质板2和下层金属面3，中间介质板2位于上层金属面1和下层金属面3之间，五个端口的上层金属面1和下层金属面3之间设置两排第二金属柱线列4；每排第一金属柱阵列和第二金属柱线列均包括多个金属柱，每个金属柱均与上层金属面1和下层金属面3相接触。
端口处基片集成波导的宽度和金属柱的半径可以根据下述公式计算：
R＜0.1λg,W＜4R,R＜0.2a
其中a′是SIW的宽度，R是金属柱半径，W是相邻金属柱的间距,a是传输特性等效的矩形波导RW(Rectangular Waveguide)的宽度，λg为矩形波导RW的波长；一般选取金属柱半径小于基片集成波导截止波长的1/10，两金属柱之间的间距小于金属柱直径，并作适当调节；五个端口处上层金属面的宽度至少为基片集成波导结构截止频率波长的二分之一。
金属柱阵列中每个金属柱的半径通常为0.2～0.5mm，每两个金属柱之间的距离通常为0.2～2mm，实际参数和工作频率相关，需要进行仔细的设计。
所述第二端口和第三端口关于功分器中分线对称且在一条直线上，第四端口和第五端口关于功分器中分线对称且与第二端口和第三端口所在直线相垂直。
结合图3，所述第二端口和第三端口关于功分器中分线对称且在一条直线上，第四端口和第五端口关于功分器中分线对称且与第二端口和第三端口所在直线平行。
所述第一端口与输入信号相连，第二端口和第三端口与后级电路相连，第四端口和第五端口与匹配负载或微波吸收体相连。
优选的，所述五个端口的宽度相同。
所述第一金属柱线列的长度为3个金属柱的间距，两排第一金属柱线列之间的距离小于端口的宽度；
上层金属层1和下层金属层3的宽度可以与中间介质板2的宽度相同，也可以小于中间介质板2。
中间介质板的厚度为0.125mm、0.254mm、0.508mm、0.762mm、1.016mm或1.524mm。
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
为了便于测试和终端接负载，统一采用基片集成波导‐微带‐同轴变换的方式进行测试。
结合图1，中间介质板的高度为1.016mm，中间介质板的介电常数为3.5；
结合图2，本实施例的第二端口和第三端口关于功分器中分线对称且在一条直线上，第四端口和第五端口关于功分器中分线对称且与第二端口和第三端口所在直线相垂直。
结合图4，金属化孔直径为0.5mm，孔中心间距为1mm，两排金属柱线列之间孔中心距离为10.75mm。设计的工作频率为9.75GHz～10.25GHz，相对带宽为5％，回波损耗为1.3左右。
仿真结果和测试结果的对比如图5‐图7，图5为回波损耗仿真和测试比较，图6为幅度分配仿真和测试比较，图7为相位和隔离仿真和测试比较；其中simulated S参数为仿真数据，measured S参数为实测数据。
从测试结果可以看出，在5％的带宽内，端口回波损耗小于17.7dB，***损耗0.7dB，幅度分配起伏/不一致为0.3dB，相位起伏/不一致为2度，分端口隔离大于25dB，能量泄露小于‐15dB。
本发明的基本原理为当电磁波从第一端口进入时，第二端口和第三端口有能量输出，且输出的幅度相等，为输入的一半(无损耗)或略小(有损耗)；当电磁波从第二端口和第三端口同时输入时，第一端口输出能量，为输入之和；而当第二端口或第三端口单独输入能量时，第一端口输出能量的一半，剩余的能量由第四端口和第五端口分别承担，而另一个分端口无能量输出，因为经过不同路径汇集在另一分端口的能量反相抵消。第四端口和第五端口接功率吸收负载、电阻或微波吸收体。
上述实施例的结果表明，本发明基片集成波导Gysel功分器可以满足高功率、高隔离的实际需求，体积小，重量轻，适合应用于各种SIW***的功率合成和分配。

Claims (10)

1.一种基于基片集成波导的Gysel型功分器，其特征在于，包括第一端口、第二端口、第三端口、第四端口和第五端口；所述第一端口在功分器的中分线上，功分器关于中分线对称；其中第一端口为公共口，第二端口和第三端口为分口，第四端口和第五端口为负载口；功分器中心位置设置有两排相互平行且关于中分线对称的第一金属柱线列；功分器采用基片集成波导结构，包括上层金属面(1)、中间介质板(2)和下层金属面(3)，中间介质板(2)位于上层金属面(1)和下层金属面(3)之间，五个端口的上层金属面(1)和下层金属面(3)之间设置两排第二金属柱线列(4)；每排第一金属柱线列和第二金属柱线列均包括多个金属柱，每个金属柱均与上层金属面(1)和下层金属面(3)相接触。
2.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的Gysel型功分器，其特征在于，所述第二端口和第三端口关于功分器中分线对称且在一条直线上，第四端口和第五端口关于功分器中分线对称且与第二端口和第三端口所在直线相垂直。
3.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的Gysel型功分器，其特征在于，所述第二端口和第三端口关于功分器中分线对称且在一条直线上，第四端口和第五端口关于功分器中分线对称且与第二端口和第三端口所在直线平行。
4.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的Gysel型功分器，其特征在于，所述第一端口与输入信号相连，第二端口和第三端口与后级电路相连，第四端口和第五端口与匹配负载相连。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的基于基片集成波导的Gysel型功分器，其特征在于，所述五个端口的宽度相同。
6.根据权利要求5所述的基于基片集成波导的Gysel型功分器，其特征在于，所述第一金属柱线列的长度为3个金属柱的间距，两排第一金属柱线列之间的距离小于端口的宽度。
7.根据权利要求1、2、3、4或6所述的基于基片集成波导的Gysel型功分器，其特征在于，所述金属柱直径为0.5mm，每两个金属柱的中心间距为1mm。
8.根据权利要求4所述的基于基片集成波导的Gysel型功分器，其特征在于，第四端口和第五端口还可以与微波吸收体相连。
9.根据权利要求1-4任意一项所述的基于基片集成波导的Gysel型功分器，其特征在于，五个端口处上层金属面(1)的宽度至少为基片集成波导结构截止频率波长的二分之一。
10.根据权利要求1-4任意一项所述的基于基片集成波导的Gysel型功分器，其特征在于，所述中间介质板的厚度为0.125mm、0.254mm、0.508mm、0.762mm、1.016mm或1.524mm。
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