一种高隔离度多路基片集成波导功分器的制作方法

1.本发明涉及核心电子元器件技术领域，具体涉及一种高隔离度多路基片集成波导功分器。


背景技术：

2.基片集成波导是一种广泛应用于微波毫米波集成电路设计中的新型传输线,在传统的微带平面电路上按照一定规则刻蚀出周期排列的金属化通孔。金属通孔可以等效成理想电壁，有效防止电磁信号的泄露，这些通孔与微带电路的顶层和底层的金属面组合在一起，可以等效成相应尺寸的平面化矩形波导。因此，基片集成波导综合了矩形金属波导和传统微带平面电路的优点，具有带宽大、插损低、易集成、重量轻等众多特点。基于基片集成波导技术设计的各种微波毫米波元器件如滤波器、功分器、放大器和天线等已经在通信系统中得到广泛应用。
3.功分器是微波工程实践应用中的关键无源多端口器件之一，其主要功能是将一路输入信号功率按照特定比例分为两路或多路输出或者将多路输入信号进行功率合成输出。功分器的性能指标如功分比、驻波和多通道之间的隔离度等指标对无线通信系统有重要影响。
4.传统的微带多路功分器通常以单个wilkinson功分器为基础，多个wilkinson功分器级联构成，需要不同的功率分配比时，改变微带线的线宽来实现。微带多路功分器具有结构简单、加工实现方便，多路之间隔离度高的优点，其主要缺点是微带电路的q值较低，多路功分器损耗较大；多个wilkinson功分器级联后，器件的总尺寸较大；wilkinson功分器的设计以四分之一波长传输线为基础，频率范围较差；当功分器多路输出之间功率分配比差异比较大时，高阻抗微带线的宽度受限，加工误差影响大。由矩形波导实现的定向耦合器工作于行波状态，具有低插损、阻抗匹配效果好、隔离度高的特点。将定向耦合器的工作原理与基片集成波导技术相结合设计多路功分器，具有插入损耗小、隔离度高、功率容量大、容易其他平面电路集成、功率分配比易调整的优点。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种高隔离度多路基片集成波导功分器，该功分器具有体积小、易集成、功率容量大、隔离度高和输出功率分配比容易调整等优点，可广泛应用于地面和宇航高密度集成通信系统中。
6.以传统的矩形波导定向耦合器的工作原理为基础，利用基片集成波导技术设计具有高隔离度、功率分配比可优化的小型化、高集成度多路基片集成波导功分器。采用微带渐变过渡结构作为多路功分器的输入输出端口，从而降低器件的插入损耗、改善端口驻波，并可以与其他平面电路集成，设计的功分器可广泛应用于地面和宇航射频电路功率合成或分配网络中。
7.为了达到上述的目的，本发明提供一种高隔离度多路基片集成波导功分器，采用
微带渐变过渡结构作为多路功分器的输入输出端口，降低器件的插入损耗、改善端口驻波，并能与其他平面电路集成；根据不同的使用环境，输出端口的功率分配比可以等分或者不等分；通过并联两个定向分支线定向耦合器，调整多通道之间耦合通孔的数量和耦合孔距的数值，能实现三路功率等分或不等分的基片集成波导功分器。
8.上述一种高隔离度多路基片集成波导功分器，其中，在传统的微带印制板边缘处按照一定间距刻蚀出两排金属化通孔，当相邻通孔间的数值小于工作频段的四分之一波导波长时，上下两侧的金属通孔等效为理想电壁，有效屏蔽电磁波信号从印制板侧边向外辐射，减少信号的传输损耗。
9.上述一种高隔离度多路基片集成波导功分器，其中，所述印制板中央同样刻蚀有缝隙为w的周期排列的金属通孔，w的取值通常需要大于四分之一波导波长，当电磁波信号从输入端口p1进入时，调整耦合缝隙w的数值，能够实现部分能量从p2端口直通输出，部分能量从p3端口耦合输出，优化中间通孔的数量n，实现电磁能量在p4端口矢量叠加后相互抵消，从而实现信号在p4端口的隔离，提高分支线定向耦合器的隔离度。
10.上述一种高隔离度多路基片集成波导功分器，其中，所述内部电路结构看作通道1、2和3构成，p1\p5\p6与p2\p3\p4端口是互易关系，当电磁波信号从p1端口输入时，部分能量从直通端口p2输出，部分能量会从耦合端口p3和p4输出；根据设计需要改变通道1和2、1和3之间的耦合间距w1和w2的取值，从而优化相邻通道间的耦合系数，实现p2、p3和p4三个端口的等功率分配输出，p5和p6端口由于信号矢量叠加后相互抵消而无信号输出，具备比较高的隔离度；当相邻通道间的耦合缝隙数量和间距w1、w2的取值不同时，能实现信号在输出端口的三路不等功率分配，电路设计优化灵活方便；当输入信号从p5或者p6端口输入时，调整相邻通道间耦合缝隙的数量和间距值，同样能在输出端口实现功率的等分和不等分。
11.上述一种高隔离度多路基片集成波导功分器，其中，所述基片集成波导内部的场传播模式和相对应的矩形波导相同，其内部信号传输的模式是波导的te模。
12.上述一种高隔离度多路基片集成波导功分器，其中，为实现微带平面电路和基片集成波导之间的模式转换和有效激励，采用渐变结构的微带过渡线作为基片集成波导的输入和输出端口的馈源。
13.以基片集成波导技术为基础结合定向耦合器设计的多路功分器，其特征在于以下几点：
14.1、图1为基片集成波导分支线定向耦合器的原理图，在传统的微带印制板边缘处按照一定间距刻蚀出两排金属化通孔，当相邻通孔间的数值小于工作频段的四分之一波导波长时，上下两侧的金属通孔等效为理想电壁，可以有效的屏蔽电磁波信号从印制板侧边向外辐射，减少信号的传输损耗。印制板中央同样刻蚀有缝隙为w的周期排列的金属通孔，w的取值通常需要大于四分之一波导波长，当电磁波信号从输入端口p1进入时，调整耦合缝隙w的数值，能够实现部分能量从p2端口直通输出，部分能量从p3端口耦合输出，优化中间通孔的数量n，可以实现电磁能量在p4端口矢量叠加后相互抵消，从而实现信号在p4端口的隔离，提高分支线定向耦合器的隔离度。
15.2、多路功分器在无线通信系统中有广泛的应用，根据不同的使用环境，输出端口的功率分配比可以等分或者不等分。通过并联两个定向分支线定向耦合器，调整多通道之间耦合通孔的数量和耦合孔距的数值，可以实现三路功率等分或不等分的基片集成波导功
分器，原理图如图2所示。其内部电路结构可以看作通道1、2和3构成。p1\p5\p6与p2\p3\p4端口是互易关系，当电磁波信号从p1端口输入时，部分能量从直通端口p2输出，部分能量会从耦合端口p3和p4输出。根据设计需要改变通道1和2、1和3之间的耦合间距w1和w2的取值，从而优化相邻通道间的耦合系数，可以实现p2、p3和p4三个端口的等功率分配输出，p5和p6端口由于信号矢量叠加后相互抵消而无信号输出，具备比较高的隔离度。当相邻通道间的耦合缝隙数量和间距w1、w2的取值不同时，可以实现信号在输出端口的三路不等功率分配，电路设计优化灵活方便。当输入信号从p5或者p6端口输入时，调整相邻通道间耦合缝隙的数量和间距值，同样可以在输出端口实现功率的等分和不等分。
16.3、基片集成波导内部的场传播模式和相对应的矩形波导相同，其内部信号传输的模式是波导的te模，而传统微带平面电路传播的场模式是准tem模式，为实现微带平面电路和基片集成波导之间的模式转换和有效激励，采用渐变结构的微带过渡线作为基片集成波导的输入和输出端口的馈源。微带渐变线过渡结构具有结构简单、尺寸小、易集成和插损低、驻波小的优点。
17.与现有技术相比，本发明的技术有益效果是：
18.相对于微带电路和传统的t形或者y形基片集成波导功分器，以定向耦合器原理结合基片集成波导技术设计实现的功分器具有高隔离度，尺寸小，容易与其他平面电路互联等优点，通过改变耦合通孔的间距和数量，可以调整优化功分器各耦合端口之间的功分比，电路设计灵活可靠。
附图说明
19.本发明的一种高隔离度多路基片集成波导功分器由以下的实施例及附图给出。
20.图1基片集成波导定向耦合器原理图。
21.图2基片集成波导多路耦合器的原理图。
22.图3基片集成波导3db功率分配器的实例模型。
23.图4三路功率等功分的基片集成波导功分器的实例模型。
24.图5三路输出功率不等分的基片集成波导功分器的实例模型。
具体实施方式
25.以下结合图3、4和5对本发明的一种高隔离度多路基片集成波导功分器作进一步的详细描述。
26.实例1：两路等功率分配的基片集成波导功分器
27.图3给出以基片集成波导定向耦合器为基础设计的3db功分器，功分器的输入和输出端口采用微带阻抗渐过渡结构实现平面电路和基片集成波导之间的阻抗匹配和模式转换。图3电路具体参数为：印制板的介电常数为2.65，损耗正切值0.019，厚度1mm的微波射频板材，金属通孔的直径为1.0mm，微带边缘处相邻的屏蔽金属通孔的间距为1.8mm，通道1和通道2之间的耦合通孔数量为5个，相邻耦合间距为5.9mm。过渡结构的尺寸为s2的值为2.5mm，l3为3mm，线宽s1的值为1.6mm。定向耦合器的长度l1是36mm,宽带l2是11.2mm。电路结构中p1\p4和p2\p3是互易端口，当p1端口有信号输入时，p2端口是直通端，p3是耦合端口，耦合度约在3.3db
±
0.3db波动，p4是隔离端口，隔离度大于25db。相对于传统的t形或者
y形结构，隔离度明显提高。
28.实例2：三路等功率分配的基片集成波导功分器
29.针对三路等功率分配的基片集成波导功分器，图4给出相应的实例模型。电路基板的参数和实例1保持一致，基片集成波导的过渡结构也采用渐变线的形式，金属通孔的直径和间距与实例1保持一致，电路中其他参数尺寸为l1的长度为40mm,l2的宽度为11mm，单个通道的宽带为3mm，通道1和2、通道1和3之间的耦合通孔的数量为6个，通孔间距s1为5.7mm。过渡结构的尺寸为s2的值为2.7mm，l3为3.2mm，线宽s1的值为1.6mm。当p1端口有信号输入时，p2、p3和p4输出端口的插入损耗在6.5db
±
0.4db范围内波动，实现三路功率的等均分。p5和p6为隔离端口需要端接50欧姆匹配负载，隔离度指标大于20db。
30.实例3：三路功率不等分的基片集成波导功分器
31.图5是三路功率不等分基片集成波导功率分配器的实例模型，与实例2相比，通道1和2之间的耦合通孔为6个，耦合间距w1为5.4mm，通道1和3之间的耦合通孔也为6个，耦合间距w2为4.8mm,
32.该功分器的激励同样采用微带渐变线的过渡结构，其尺寸为s2的值为2.5mm，l3为3.5mm，减少功分器的插入损耗和改善输入输出驻波特性。当信号从p1端口输入时，三个输出端口的功率分配比不同，p2端口的插入损耗约3.5db，p3端口的插入损耗约6.5db，p3端口的插入损耗约14.5db。p5和p6端口端接匹配负载，隔离度优于22db，三路不等分的基片集成波导功率分配器同样具有高隔离度。
33.以上内容对本发明专利的具体实施例进行了详细地描述。本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。需要着重强调的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，相关专业的技术人员可以在权利要求的范围内作出各种变形和修改，但这并不影响本发明的实质内容。。