CN109301423A - 高隔离度的基片集成波导功率分配器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高隔离度的基片集成波导功率分配器，包括位于上层介质基板的基片集成波导功率分配器本体，所述基片集成波导功率分配器本体包括输入端和输出端，下层介质基板设有有耗传输线，所述上层介质基板与下层介质基板间设有地平面，所述输出端两侧通过铜针与有耗传输线相连，铜针穿过地平面并与地平面不接触。利用有耗传输线来保证功率分配器的隔离度，利用有耗传输线的损耗特性来代替隔离电阻，一方面保证了功率分配器的隔离度不受影响，另一方面也避免了引入隔离电阻而带来的种种问题。

Description

高隔离度的基片集成波导功率分配器
技术领域
本发明涉及功率分配器技术领域，具体地涉及一种高隔离度的基片集成波导功率分配器。
背景技术
功率分配器是构成射频电路的一种重要器件，它的作用是将一路输入信号分成两路或多路能量相等或不相等的输出信号。评价功率分配器性能指标的参数有很多，主要包括工作频率范围、承受功率范围、回波损耗、***损耗、隔离度、相位差这些方面。
功率分配器有很多的结构形式，比如集总元件、微带线、带状线等。近年来，基片集成波导（SIW）技术因其具有高Q值、易集成度、低损耗、小体积的特点而备受，同时也不断地应用到功率分配器的设计中。
支路端口间的隔离度是功率分配器的一个重要指标，如果从每个支路端口输入功率只能从主路端口输出，而不应该从其他支路输出，这就要求支路之间有足够的隔离度。对于传统的威尔金森功率分配器而言，最理想的办法便是使用隔离电阻来保证输出端口之间的隔离度。对于一个一分二的功率分配器，由于电阻的存在，其损耗特性使得由一个支路输入的信号通过电阻与通过线路到达另一个支路端口的路径差为半波长，因此只要控制好电阻的值，就可以实现两路信号大小相等、相位相反，因此信号不会流入另一个支路端口，从而保证两支路输出端有良好的隔离。这种思想在SIW功率分配器中也常有使用。文献[1]就是通过在两个输出端口之间添加了一个SMD电阻来起保持高隔离度的作用；文献[2]则是通过在SIW功分器的上层导体中添加一条包含有一定数量终端电阻的金属槽来实现高隔离度的；文献[3]则是在半模基片集成波导功分器上也利用在输出端口之间添加隔离电阻的方法来实现高隔离度的。引入隔离电阻在电路设计时有着比较方便的优势，但是电阻的存在也会产生以下一些问题：
1、在大功率的情况下会有比较明显的辐射效应；
2、破坏微带电路的平面结构；
3、电阻在耐受功率方面的限制使得功率分配器无法承受一些大功率的工作环境。
由于以上问题的存在，使得一些设计者在设计时也会将是否加载隔离电阻这个问题列入考虑的范围，比如文献[4]中设计的宽带SIW功率分配器就是考虑到隔离电阻会破坏SIW的平面电路结构从而影响到原设计的集成度，最终选择没有加隔离电阻。
如何在保证高隔离度的同时减少此方面的影响，这在器件设计中值得被关注和研究。鉴于此，本发明提出了一种新型的SIW功率分配器，该功分器利用有耗传输线来保证功率分配器的隔离度，利用有耗传输线的损耗特性来代替隔离电阻，一方面保证了功率分配器的隔离度不受影响，另一方面也避免了引入隔离电阻而带来的种种问题。
参考文献
发明内容
针对上述技术问题，本发明目的是：提供一种高隔离度的基片集成波导功率分配器，利用有耗传输线来保证功率分配器的隔离度，利用有耗传输线的损耗特性来代替隔离电阻，一方面保证了功率分配器的隔离度不受影响，另一方面也避免了引入隔离电阻而带来的种种问题。
本发明的技术方案是：
一种高隔离度的基片集成波导功率分配器，包括位于上层介质基板的基片集成波导功率分配器本体，所述基片集成波导功率分配器本体包括输入端和输出端，下层介质基板设有有耗传输线，所述上层介质基板与下层介质基板间设有地平面，所述输出端两侧通过铜针与有耗传输线相连，铜针穿过地平面并与地平面不接触。
优选的技术方案中，所述输入端采用微带线馈入。
优选的技术方案中，所述输入端与输出端采用锥形匹配。
优选的技术方案中，所述输出端通过并联枝节进行调谐。
优选的技术方案中，所述功率分配器的工作中心频率在9.6GHz。
本发明还公开了一种高隔离度的基片集成波导功率分配器的设计方法，包括以下步骤：
S01：选定上下两层介质基板，其中下层介质基板的损耗角正切比上层大，根据下层介质基板的参数通过MATLAB根据相关公式初步确定有耗传输线的宽度与线长
S02：设计基片集成波导功率分配器本体；
S03：根据匹配原则设计功分器输入端与输出端的匹配结构；
S04：通过三维电磁仿真软件HFSS对功率分配器结构进行建模、仿真和优化，得到优化参数。
与现有技术相比，本发明的优点是：
本发明利用有耗传输线来保证功率分配器的隔离度，利用有耗传输线的损耗特性来代替隔离电阻，一方面保证了功率分配器的隔离度不受影响，另一方面也避免了引入隔离电阻而带来的种种问题。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为功率分配器的结构图；
图2为功分器上层俯视透视图；
图3为功分器输入端回波损耗与***损耗仿真与实测图；
图4为功分器输出端回波损耗与隔离度仿真与实测图；
图5为功分器输出端口相位差实测图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例：
如图1所示，一种利用有耗传输线的损耗特性来代替隔离电阻的SIW功率分配器，包括输入端11，输出端12，和SIW功率分配器本体13，利用上下两层不同的介质基板（10，20）来组成，上层10是损耗角正切比较小的板材，功率分配器便是位于该层。下层20是损耗角正切较大的材料，有耗传输线21便是位于该层上，有耗传输线21可以采用微带传输线，从而能够充分地发挥出损耗特性。上层介质基板10由Rogers 5880板材（介电常数为2.2，损耗角正切为0.0006）构成，下层介质基板20由FR4板材（介电常数为4.4，损耗角正切为0.02）构成。功率分配器使用Y型结构，输入端口11与输出端12口采用渐变式微带线进行匹配。
地平面30位于两层中间，上层SIW功分器在输出端12口两侧通过铜针40与下层传输线21相连，铜针40穿过地平面30并与地平面30不接触。
输入端11采用微带线馈入，输入端11与输出端12采用锥形匹配。输出端12通过并联枝节进行调谐。功率分配器的工作中心频率在9.6GHz。通过HFSS仿真优化完成对器件各部分尺寸参数的最终确定。
该功率分配器的设计方案如下：
步骤一：根据传统功率分配器的设计思路与原理、SIW的设计经验公式、有耗传输线理论及传输矩阵计算公式、微带线相位常数与衰减常数的经验公式，推导相关公式，利用MATLAB软件验证代替隔离电阻的微带传输线长度与宽度、微带传输线介质基板损耗角正切对功率分配器的隔离度产生的影响；
步骤二：选定合适介质基板、确定微带传输线的宽度，通过MATLAB根据步骤一的相关公式计算出合适的线长；
步骤三：设计SIW功率分配器本体；
步骤四：根据匹配原则设计功分器输入端与输出端的匹配结构；
步骤五：根据参数在三维电磁仿真软件HFSS中建模、仿真和优化；
步骤六：将模型导出，制板并进行实验测试。
图2是本发明上层俯视透视图（地结构透明），其中上层介质板采用的是Rogers5880板材，下层介质板采用的是FR4板材，通过三维电磁仿真软件HFSS对功率分配器结构进行建模、仿真和优化，得到各部分参数的最佳结果，所有参数的数值如表1所示。
符号 W_sub L_sub LL1 W50 Ltap L50 rs
数值 (mm) 47.9 105.84 42.29 3.12 17.42 13.4 0.5
符号 WSIW d s Ls d2 Wtap L1
数值(mm) 17.45 1.6 3 3 3 6.5 1
符号 LL2 W W2 L2 W1 L4 L3
数值(mm) 70 1 2 1.6 2 2 1.8
图3是本发明基于有耗传输线的高隔离度SIW功率分配器的最终仿真S11参数、S12参数、S13参数与实物实测S11参数、S12参数、S13参数；由图中可以看出，在中心工作频率附近的功率分配器的实测输入端口回波损耗、***损耗都处于一个正常的范围内。
图4是本发明基于有耗传输线的高隔离度SIW功率分配器的最终仿真S22参数、S33参数、S23参数与实物实测S11参数、S12参数、S23参数，由图中可以看出，功率分配器的输出端口回波损耗也有不错的效果，功率分配器的隔离度则超过了25dB，与大部分高隔离度功分器相比丝毫不逊色，自然肯定比没有采取隔离措施的功率分配器要好得多了。
图5是本发明基于有耗传输线的高隔离度SIW功率分配器的最终实测相位差，由图可以看出，该种设计并没有影响到功率分配器输出端口的相位差。
根据测量数据可以看出，功率分配器在中心频率附近的隔离度在微带传输线的作用下达到了很好的效果，同时各个端口的匹配程度良好，***损耗也在正常范围内，达到了设计目的。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (6)

1.一种高隔离度的基片集成波导功率分配器，其特征在于，包括位于上层介质基板的基片集成波导功率分配器本体，所述基片集成波导功率分配器本体包括输入端和输出端，下层介质基板设有有耗传输线，所述上层介质基板与下层介质基板间设有地平面，所述输出端两侧通过铜针与有耗传输线相连，铜针穿过地平面并与地平面不接触。
2.根据权利要求1所述的高隔离度的基片集成波导功率分配器，其特征在于，所述输入端采用微带线馈入。
3.根据权利要求1所述的高隔离度的基片集成波导功率分配器，其特征在于，所述输入端与输出端采用锥形匹配。
4.根据权利要求1所述的高隔离度的基片集成波导功率分配器，其特征在于，所述输出端通过并联枝节进行调谐。
5.根据权利要求1所述的高隔离度的基片集成波导功率分配器，其特征在于，所述功率分配器的工作中心频率在9.6GHz。
6.一种高隔离度的基片集成波导功率分配器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：选定上下两层介质基板，其中下层介质基板的损耗角正切比上层大，根据下层介质基板的参数通过MATLAB根据相关公式初步确定有耗传输线的宽度与线长；
S02：设计基片集成波导功率分配器本体；
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S04：通过三维电磁仿真软件HFSS对功率分配器结构进行建模、仿真和优化，得到优化参数。
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