CN110994106A - 一种多层基片集成波导的双面输出宽频带功分器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多层基片集成波导的双面输出宽频带功分器。所述双面输出宽频带功分器包括顶层金属层、中间介质基板和反面金属层，顶层金属层、中间介质基板和底层金属层由上至下依次分布；顶层金属层连接底层金属层；所述顶层金属层包括输入匹配线结构、顶层全模基片集成波导传输结构、顶层全模基片集成波导分配结构、顶层输出匹配线结构以及顶层输出翻转金属导电地结构；底层金属层包括输入匹配线结构底层、底层全模基片集成波导传输结构、底层全模基片集成波导分配结构、底层输出匹配线结构以及底层输出翻转金属导电地结构。本发明在较宽的带宽上可获得良好的回波损耗，达到等幅反向输出目的。
Description
技术领域
本发明涉及微波功率分配器技术领域，特别是一种多层基片集成波导的双面输出宽频带功分器。
背景技术
新兴的毫米波频率应用需要高性能，低成本和紧凑的设备和电路。这就是近年来将平面电路和金属波导的某些优点相结合的基板集成波导(SIW)技术备受关注的原因，SIW具有例如低损耗，高品质因数和易于与平面结构连接等优点。
使用该技术已实现了一些微波电路组件，例如天线，滤波器，功率分配器，耦合器，振荡器。功率分配器(PD)是微波电路的主要无源组件之一。为了易于与平面电路集成并实现宽带特性，已经研究了T型结或Y型SIW功率分配器，SIW功率分配器易于通过微带过渡与平面微带组件一起制造。
在文献“F.F.He,K.Wu,W.Hong,H.J.Tang,H.B.Zhu,J.X.Chen,"A planar magic-Tusing substrate integrated circuits concept",IEEE Microw.WirelessCompon.Lett.,vol.18,no.6,pp.386-388,Jun.2008.”和“F.F.He,K.Wu,W.Hong,L.Han,X.P.Chen,"A planar magic-T structure using substrate integrated circuitsconcept and its mixer applications",IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,vol.59,no.1,pp.72-79,Jan.2011.”中，利用H平面SIW T结与相逆缝线到SIW T结相结合来实现平面魔术T，带宽分别为11.2％和23.2％，在这些结构中，添加了冗余通孔，以优化不同端口之间的电源转换。在文献(X.Zou,C.-.Tong and D.-.Yu,"Y-junction power divider basedon substrate integrated waveguide,"in Electronics Letters,vol.47,no.25,pp.1375-1376,8December 2011.”中，提出一种四路Y型结功分器，宽带性能有待改善。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明在于提出一种多层基片集成波导的双面输出宽频带功分器，结构紧密，输出相位反向，在较宽的带宽上可获得良好的回波损耗。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种多层基片集成波导的双面输出宽频带功分器，所述双面输出宽频带功分器包括顶层金属层、中间介质基板和反面金属层，顶层金属层、中间介质基板和底层金属层由上至下依次分布；顶层金属层连接底层金属层；
所述顶层金属层包括输入匹配线结构、顶层全模基片集成波导传输结构、顶层全模基片集成波导分配结构、顶层输出匹配线结构以及顶层输出翻转金属导电地结构；底层金属层包括输入匹配线结构底层、底层全模基片集成波导传输结构、底层全模基片集成波导分配结构、底层输出匹配线结构以及底层输出翻转金属导电地结构；
输入匹配线结构的底层为输入匹配线结构底层，顶层全模基片集成波导传输结构、顶层全模基片集成波导分配结构、顶层输出匹配线结构、顶层输出翻转金属导电地结构分别与底层全模基片集成波导传输结构、底层全模基片集成波导分配结构、底层输出匹配线结构、底层输出翻转金属导电地结构镜像对称；
所述输入匹配线结构顺次连接顶层全模基片集成波导传输结构和顶层全模基片集成波导分配结构，顶层全模基片集成波导分配结构分别连接顶层输出匹配线结构和顶层输出翻转金属导电地结构；
所述输入匹配线结构底层顺次连接底层全模基片集成波导传输结构和底层全模基片集成波导分配结构，底层全模基片集成波导分配结构分别连接底层输出匹配线结构和底层输出翻转金属导电地结构；
输入匹配线结构上设置有输入端口，顶层输出匹配线结构上设置有顶层输出端口，底层输出匹配线结构上设置有底层输出端口，构成一个输入端口，一个顶层输出端口和一个底层输出端口的双面输出的宽频带功分器结构。
进一步地，所述输入传输线结构包括第一端口传输线，第一端口过渡线；所述顶层输出匹配线结构包括顶层金属层的第二端口传输线、第二端口过渡线；所述底层输出匹配线结构包括第三端口传输线、第三端口过渡线；所述顶层输出翻转金属导电地结构包括第一翻转金属导电地；所述底层输出翻转金属导电地结构包括底层金属层的第二翻转金属导电地。
进一步地，输入传输线结构上的输入端口通过所述第一端口传输线连接第一端口过渡线连接至顶层全模基片集成波导传输结构，顶层全模基片集成波导传输结构的另一端传输到顶层全模基片集成波导分配结构；
顶层全模基片集成波导分配结构通过第二端口过渡线和第二端口传输线逆时针90度连接至顶层输出匹配线结构的顶层输出端口；顶层全模基片集成波导分配结构(3)顺时针90度连接至顶层输出翻转金属导电地结构的第一翻转金属导电地；
底层全模基片集成波导分配结构通过第三端口过渡线和第三端口传输线逆时针90度连接至底层输出匹配线结构上的反面输出端口，底层全模基片集成波导分配结构顺时针90度连接至底层输出翻转金属导电地结构第二翻转金属导电地。
进一步地，顶层全模基片集成波导传输结构以及底层全模基片集成波导传输结构上沿边缘分布有若干金属化通孔，包括两个延中间介质基板中心线对称的过渡通孔即第一过渡通孔、第二过渡通孔和第一金属化通孔阵列；
所述顶层全模基片集成波导分配结构和底层全模基片集成波导分配结构上沿边缘分布有第二金属化通孔阵列和两对延中间介质基板中心线对称过渡通孔即第三过渡通孔、第四过渡通孔、第五过渡通孔、第六过渡通孔；所述顶层全模基片集成波导分配结构和顶层输出翻转金属导电地结构以及底层全模基片集成波导分配结构和底层输出翻转金属导电地结构位于中间介质基板中间位置有第三金属化通孔阵列。
进一步地，所述第一端口传输线，第二端口传输线和第三端口传输线的阻值为50Ω在40-60Ω之间。
进一步地，所述顶层金属层和底层金属层通过顶层全模基片集成波导传输结构和底层全模基片集成波导传输结构、顶层全模基片集成波导分配结构和底层全模基片集成波导分配结构以及顶层输出翻转金属导电地结构和底层输出翻转金属导电地结构上设置的金属化通孔连接。
进一步地，所述顶层全模基片集成波导传输结构和底层全模基片集成波导传输结构的宽度和金属化通孔的参数根据已有公式计算如下：
其中a′为顶层全模基片集成波导传输结构和底层全模基片集成波导传输结构的宽度，W是相邻金属化通孔的间距，a为传输特性等效的矩形波导的宽度，λg为矩形波导的波长；一般选取相邻金属化通孔的间距小于顶层全模基片集成波导传输结构和底层全模基片集成波导传输结构截止波长的1/20，金属化通孔柱半径小于相邻金属化通孔的间距的0.5倍，并作适当的调节。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)本发明的多层集成波导双面输出宽频带功分器，输入回波损耗以18dB为基准的最大带宽达到28％-34％,满足宽带的工程需求。
(2)本发明采用巴伦结构，双面输出，输出反向，满足反向功分器需求。
(3)本发明采用双面设计，结构紧密。
附图说明
图1是本发明一种多层基片集成波导的双面输出宽频带功分器的原理图，其中，图1a为顶层金属层视图，图1b为底层金属层视图。
图2是本发明一种多层基片集成波导的双面输出宽频带功分器的双面印刷电路板结构3D图。
图3a为本发明实施例中一种多层基片集成波导的双面输出宽频带功分器的反射系数真结果图，图3b本发明实施例中一种多层基片集成波导的双面输出宽频带功分器的幅度分配和相位差仿真结果图。
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白，下面结合附图并举实施例，对本发明的具体实施进行详细说明。
实施例：
一种多层基片集成波导的双面输出宽频带功分器，如图2所示，所述双面输出宽频带功分器包括顶层金属层6、中间介质基板7和反面金属层8，顶层金属层6、中间介质基板7和底层金属层8由上至下依次分布；顶层金属层6连接底层金属层8；
本实施例中，中间介质基板7可分为三块矩形即第一中间介质基板7_1、第二中间介质基板7_2和第三中间介质基板7_3，第一中间介质基板7_1的尺寸为23.6mm*28.4mm*0.787mm，第二中间介质基板7_2的尺寸为37.18mm*18mm*0.787mm，第三中间介质基板7_3的尺寸为45.18mm*24.22mm*0.787mm；本实施例中，中间介质基板7的介电常数为2.2。
如图1a、图1b所示，所述顶层金属层包括输入匹配线结构1、顶层全模基片集成波导传输结构2、顶层全模基片集成波导分配结构3、顶层输出匹配线结构4以及顶层输出翻转金属导电地结构5；底层金属层包括输入匹配线结构底层21、底层全模基片集成波导传输结构22、底层全模基片集成波导分配结构23、底层输出匹配线结构24以及底层输出翻转金属导电地结构25；
输入匹配线结构1的底层为输入匹配线结构底层21，顶层全模基片集成波导传输结构2、顶层全模基片集成波导分配结构3、顶层输出匹配线结构4、顶层输出翻转金属导电地结构5分别与底层全模基片集成波导传输结构22、底层全模基片集成波导分配结构23、底层输出匹配线结构24、底层输出翻转金属导电地结构25镜像对称；
所述输入匹配线结构1顺次连接顶层全模基片集成波导传输结构2和顶层全模基片集成波导分配结构3，顶层全模基片集成波导分配结构3分别连接顶层输出匹配线结构4和顶层输出翻转金属导电地结构5；
所述输入匹配线结构底层21顺次连接底层全模基片集成波导传输结构22和底层全模基片集成波导分配结构23，底层全模基片集成波导分配结构23分别连接底层输出匹配线结构24和底层输出翻转金属导电地结构25；
输入匹配线结构1上设置有输入端口，顶层输出匹配线结构4上设置有顶层输出端口，底层输出匹配线结构24上设置有底层输出端口，构成一个输入端口，一个顶层输出端口和一个底层输出端口的双面输出的宽频带功分器结构。
所述输入传输线结构1包括第一端口传输线9_1，第一端口过渡线10_1；所述顶层输出匹配线结构4包括顶层金属层的第二端口传输线9_2、第二端口过渡线10_2；所述底层输出匹配线结构24包括第三端口传输线9_3、第三端口过渡线10_3；所述顶层输出翻转金属导电地结构5包括第一翻转金属导电地12_1；所述底层输出翻转金属导电地结构25包括底层金属层的第二翻转金属导电地12_2。
输入传输线结构1上的输入端口通过所述第一端口传输线9_1连接第一端口过渡线10_1连接至顶层全模基片集成波导传输结构2，顶层全模基片集成波导传输结构2的另一端传输到顶层全模基片集成波导分配结构3；
顶层全模基片集成波导分配结构3通过第二端口过渡线10_2和第二端口传输线9_2逆时针90度连接至顶层输出匹配线结构4的顶层输出端口；顶层全模基片集成波导分配结构(3)顺时针90度连接至顶层输出翻转金属导电地结构5的第一翻转金属导电地12_1；
底层全模基片集成波导分配结构23通过第三端口过渡线10_3和第三端口传输线9_3逆时针90度连接至底层输出匹配线结构24上的反面输出端口，底层全模基片集成波导分配结构3顺时针90度连接至底层输出翻转金属导电地结构25第二翻转金属导电地12_2。
本实施例中，顶层全模基片集成波导传输结构2以及底层全模基片集成波导传输结构22上的第一过渡通孔11_1和第二过渡通孔11_2沿中间介质基板7中心线对称，距离边缘2.94mm；第一金属化通孔阵列11_3距离边缘2mm。
本实施例中，顶层全模基片集成波导分配结构3和底层全模基片集成波导分配结构23上的第三过渡通孔11_5和第四过渡通孔11_6沿中间介质基板7中心线对称，距离边缘2mm，第五过渡通孔11_7和第六过渡通孔11_8沿中间介质基板7中心线对称，距离中间2mm。
所述顶层全模基片集成波导分配结构3和顶层输出翻转金属导电地结构5以及底层全模基片集成波导分配结构23和底层输出翻转金属导电地结构25位于中间介质基板7中间位置有第三金属化通孔阵列11_9。
本实施例中，顶层金属层6和底层金属层8通过顶层全模基片集成波导传输结构2和底层全模基片集成波导传输结构22上、顶层全模基片集成波导分配结构3和底层全模基片集成波导分配结构23上以及顶层输出翻转金属导电地结构5和底层输出翻转金属导电地结构25中间的金属化通孔连接。
所述顶层全模基片集成波导传输结构2和底层全模基片集成波导传输结构22的宽度和金属化通孔的参数根据已有公式计算如下：
其中a′为顶层全模基片集成波导传输结构2和底层全模基片集成波导传输结构22的宽度，W是相邻金属化通孔的间距，a为传输特性等效的矩形波导的宽度，λg为矩形波导的波长；一般选取相邻金属化通孔的间距小于顶层全模基片集成波导传输结构2和底层全模基片集成波导传输结构22截止波长的1/20，金属化通孔半径小于相邻金属化通孔的间距的0.5倍，并作适当的调节。
本实施例中，顶层全模基片集成波导传输结构2以及底层全模基片集成波导传输结构22的宽度为19.6mm，长度为20mm；顶层全模基片集成波导分配结构3和底层全模基片集成波导分配结构23的宽度为33.18mm，长度18mm；金属化通孔直径为1mm，两个通孔之间的间距为2mm。
本实施例中，所述第一端口传输线9_1，第二端口传输线9_2和第三端口传输线9_3的阻值均为50Ω。
第一端口传输线9_1的宽度为1.84mm，第二端口传输线9_2和第三端口传输线9_3包括一个外径为5.58mm、内径为3.74mm的四分之一圆弧和宽度为1.84mm、长度为6.77mm的线段。
本实施例中，第一翻转金属导电地12_1和第二翻转金属导电地12_2的宽度为19.22mm，长度为26.09mm，拐角四分之一圆弧半径为10.14mm。
本实施例中，顶层全模基片集成波导传输结构2以及底层全模基片集成波导传输结构22上的第一过渡通孔11_1和第二过渡通孔11_2沿中间介质基板7中心线对称，距离边缘2.94mm；第一金属化通孔阵列11_3距离边缘2mm。
本实施例中，顶层全模基片集成波导分配结构3和底层全模基片集成波导分配结构23上的第三过渡通孔11_5和第四过渡通孔11_6沿中间介质基板7中心线对称，距离边缘2mm，第五过渡通孔11_7和第六过渡通孔11_8沿中间介质基板7中心线对称，距离中间2mm。
本实施例中，如图3a、图3b所示，通过HFSS2018.2仿真结果，在X频段上产生了相等的输出功率分配，同时表现出输入回波损耗以18dB为基准的最大带宽达到31.4％(8.37GHz-11.51GHz)，此区间内***损耗在-3.5～-4dB区间内，输出端口相位差在182°到179°左右即反相输出。
Claims (7)
1.一种多层基片集成波导的双面输出宽频带功分器，其特征在于：所述双面输出宽频带功分器包括顶层金属层(6)、中间介质基板(7)和反面金属层(8)，顶层金属层(6)、中间介质基板(7)和底层金属层(8)由上至下依次分布；顶层金属层(6)连接底层金属层(8)；
所述顶层金属层包括输入匹配线结构(1)、顶层全模基片集成波导传输结构(2)、顶层全模基片集成波导分配结构(3)、顶层输出匹配线结构(4)以及顶层输出翻转金属导电地结构(5)；底层金属层包括输入匹配线结构底层(21)、底层全模基片集成波导传输结构(22)、底层全模基片集成波导分配结构(23)、底层输出匹配线结构(24)以及底层输出翻转金属导电地结构(25)；
输入匹配线结构(1)的底层为输入匹配线结构底层(21)，顶层全模基片集成波导传输结构(2)、顶层全模基片集成波导分配结构(3)、顶层输出匹配线结构(4)、顶层输出翻转金属导电地结构(5)分别与底层全模基片集成波导传输结构(22)、底层全模基片集成波导分配结构(23)、底层输出匹配线结构(24)、底层输出翻转金属导电地结构(25)镜像对称；
所述输入匹配线结构(1)顺次连接顶层全模基片集成波导传输结构(2)和顶层全模基片集成波导分配结构(3)，顶层全模基片集成波导分配结构(3)分别连接顶层输出匹配线结构(4)和顶层输出翻转金属导电地结构(5)；
所述输入匹配线结构底层(21)顺次连接底层全模基片集成波导传输结构(22)和底层全模基片集成波导分配结构(23)，底层全模基片集成波导分配结构(23)分别连接底层输出匹配线结构(24)和底层输出翻转金属导电地结构(25)；
输入匹配线结构(1)上设置有输入端口，顶层输出匹配线结构(4)上设置有顶层输出端口，底层输出匹配线结构(24)上设置有底层输出端口，构成一个输入端口，一个顶层输出端口和一个底层输出端口的双面输出的宽频带功分器结构。
2.根据权利要求1所述的一种多层基片集成波导的双面输出宽频带功分器，其特征在于，所述输入传输线结构(1)包括第一端口传输线(9_1)，第一端口过渡线(10_1)；所述顶层输出匹配线结构(4)包括顶层金属层的第二端口传输线(9_2)、第二端口过渡线(10_2)；所述底层输出匹配线结构(24)包括第三端口传输线(9_3)、第三端口过渡线(10_3)；所述顶层输出翻转金属导电地结构(5)包括第一翻转金属导电地(12_1)；所述底层输出翻转金属导电地结构(25)包括底层金属层的第二翻转金属导电地(12_2)。
3.根据权利要求2所述的一种多层基片集成波导的双面输出宽频带功分器，其特征在于，输入传输线结构(1)上的输入端口通过所述第一端口传输线(9_1)连接第一端口过渡线(10_1)连接至顶层全模基片集成波导传输结构(2)，顶层全模基片集成波导传输结构(2)的另一端传输到顶层全模基片集成波导分配结构(3)；
顶层全模基片集成波导分配结构(3)通过第二端口过渡线(10_2)和第二端口传输线(9_2)逆时针90度连接至顶层输出匹配线结构(4)的顶层输出端口；顶层全模基片集成波导分配结构(3)顺时针90度连接至顶层输出翻转金属导电地结构(5)的第一翻转金属导电地(12_1)；
底层全模基片集成波导分配结构(23)通过第三端口过渡线(10_3)和第三端口传输线(9_3)逆时针90度连接至底层输出匹配线结构(24)上的反面输出端口，底层全模基片集成波导分配结构(3)顺时针90度连接至底层输出翻转金属导电地结构(25)第二翻转金属导电地(12_2)。
4.根据权利要求1所述的一种多层基片集成波导的双面输出宽频带功分器，其特征在于，顶层全模基片集成波导传输结构(2)以及底层全模基片集成波导传输结构(22)上沿边缘分布有若干金属化通孔，包括两个延中间介质基板(7)中心线对称的过渡通孔即第一过渡通孔(11_1)、第二过渡通孔(11_2)和第一金属化通孔阵列(11_3)；
所述顶层全模基片集成波导分配结构(3)和底层全模基片集成波导分配结构(23)上沿边缘分布有第二金属化通孔阵列(11_4)和两对延中间介质基板中心线对称过渡通孔即第三过渡通孔(11_5)、第四过渡通孔(11_6)、第五过渡通孔(11_7)、第六过渡通孔(11_8)；所述顶层全模基片集成波导分配结构(3)和顶层输出翻转金属导电地结构(5)以及底层全模基片集成波导分配结构(23)和底层输出翻转金属导电地结构(25)位于中间介质基板(7)中间位置有第三金属化通孔阵列(11_9)。
5.根据权利要求2所述的一种多层基片集成波导的双面输出宽频带功分器，其特征在于，所述第一端口传输线(9_1)，第二端口传输线(9_2)和第三端口传输线(9_3)的阻值在40-60Ω之间。
6.根据权利要求1所述的一种多层基片集成波导的双面输出宽频带功分器，其特征在于，所述顶层金属层(6)和底层金属层(8)通过顶层全模基片集成波导传输结构(2)和底层全模基片集成波导传输结构(22)、顶层全模基片集成波导分配结构(3)和底层全模基片集成波导分配结构(23)以及顶层输出翻转金属导电地结构(5)和底层输出翻转金属导电地结构(25)上设置的金属化通孔连接。
7.根据权利要求1所述的一种多层基片集成波导的双面输出宽频带功分器，其特征在于，所述顶层全模基片集成波导传输结构(2)和底层全模基片集成波导传输结构(22)的宽度和金属化通孔的参数根据已有公式计算如下：
其中a′为顶层全模基片集成波导传输结构(2)和底层全模基片集成波导传输结构(22)的宽度，W是相邻金属化通孔的间距，a为传输特性等效的矩形波导的宽度，λg为矩形波导的波长；选取相邻金属化通孔的间距小于顶层全模基片集成波导传输结构(2)和底层全模基片集成波导传输结构(22)截止波长的1/20，金属化通孔半径小于相邻金属化通孔的间距的0.5倍。
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