一種寬帶緊湊型基片集成徑向波導功分器設計

朱 楊，張福順

(1.華東電子工程研究所，合肥 230088；2.西安電子科技大學，西安 710071)

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一種寬帶緊湊型基片集成徑向波導功分器設計

朱 楊1，張福順2

(1.華東電子工程研究所，合肥 230088；2.西安電子科技大學，西安 710071)

分別設計了一分四和一分八的寬帶緊湊型基片集成徑向波導(SIRW)功分器，通過饋電探針的階梯化方式，使常規一分四和一分八SIRW功分器在回波損耗小于-15dB條件下的相對工作帶寬由原先的6%和15%分別提高至58%和61%，仿真得到的帶內插耗分別在-6.25dB和-9.25dB以內。為了驗證仿真數據的準確性，對一分四功分器進行了測試，測試結果性能良好，滿足工程使用要求。

寬帶功分器；小型化；基片集成波導；徑向波導

0 引 言

功分器在微波設計中有著廣泛的應用，隨著現代微波系統對其微波無源模塊集成度和工作帶寬需求的日益提升，設計出寬帶低損耗、小體積、易集成的高性能功分器已逐漸成為微波工程師們急需攻克的關鍵技術之一。

基片集成波導(SIW)技術由于具有平面化、高Q值、低損耗、易集成等性能優勢，已經逐漸發展成為解決功分器上述設計問題的主要研究方向之一。SIW技術由蒙特利爾大學的吳柯教授首次提出[1]。SIW是一種在雙面金屬覆層的介質基板上，通過大量緊密而規則排列的金屬化過孔對基板中電磁波傳播產生空間約束效果的技術，在輕薄、低廉、易加工的介質基板上實現了傳統金屬波導的相似功能，具有高Q值、低損耗等特點，可應用于微波毫米波電路中有無源功能模塊的小型化、一體化集成設計。

從目前已報道的文獻看，基于SIW技術的功分器設計主要集中于矩形基片集成波導(RSIW)傳輸線這一基本類型[2-4]。在多路功分情況下，RSIW功分器通常是通過N級一分二功分器的級聯方式實現2N路功分輸出[4]。由于RSIW傳輸線具有類似金屬波導的主模傳輸頻率截止特點，這種級聯方式通常會造成功分器尺寸較大，插入損耗相應較高。

基于上述情況，東南大學的朱紅兵提出了一種單級多路功分的梳狀RSIW功分器設計[5]。通過在RSIW波導傳輸線中不同位置引入感性金屬柱，實現單級多路功分。由于感性金屬柱等效電抗的相對帶寬有限，以及輸出節點間傳輸線物理長度上的頻域色散效應，造成該型SIW功分器的工作帶寬受限且難以在寬帶內同相輸出。電子科技大學的宋開軍利用基片集成徑向波導(SIRW)的全向柱面橫向電磁波(TEM)傳輸模特性，提出了單級多路同相輸出的SIRW功分器設計理念，并設計了相對工作帶寬分別為6%和15%(回波損耗小于-15dB)的一分四[6]和一分八SIRW功分器[7]，工作帶寬相對較窄。

本文基于SIRW功分器的工作原理，通過饋電探針的階梯化，設計出相對帶寬分別為58%和61%的一分四和一分八SIRW波導功分器。相比原始設計，功分器的相對帶寬得到了較大改善，在避免傳統印刷帶線功分器由于半開放結構帶來的輻射損耗等問題的同時，解決了多路功分下SIW功分器的寬帶小型化、低損耗問題。

1 工作原理

1.1 徑向波導工作特性

徑向波導結構是由上下2個金屬圓片構成，如圖1所示。饋電位置在圖中圓心O處，電場方向為+Z/-Z軸方向。電磁波在上下金屬圓片的作用下，以平板模式沿徑向傳播。由于徑向波導電磁邊界條件的旋轉對稱性，這里使用柱坐標系對波導中的電磁場加以描述。以圖1中的柱坐標系為例，波導內電磁場關系為：

(1)

圖1 徑向波導結構示意圖

化簡上式，消去Er和Hr，變成不包含縱向分量的橫向傳輸線方程：

(2)

當高度b小于半波長時，徑向波導中只存在柱面TEM波單模傳輸，沿徑向方向的電磁場分量為零，其電場和磁場分量為：

(3)

1.2 徑向波導功分器工作原理

從上節的分析可以看出，在徑向波導中心處通過同軸探針饋電輸入可以激勵起柱面TEM波，如圖2所示。

圖2 徑向波導中TEM波的場分布圖

利用柱面TEM波的旋轉對稱性，在以輸入同軸探針為圓心的圓周上均勻設置多個同軸探針用以能量耦合輸出，可以實現等幅同相功率分配特性。

1.3 寬帶SIRW功分器的設計

根據1.2節中所述的徑向波導功分器工作原理，利用SIW技術實現徑向波導功分器的小型化和平面化，分別設計出了一分四和一分八的SIRW功分器，其結構示意圖如圖3所示。

圖3 寬帶SIRM功分器結構示意圖

功分器采用雙層厚度均為h、相對介電常數為2.65、損耗正切為0.003的介質基板。上層基板的上表面和下層基板的下表面采用金屬化腐蝕加工；在基板周邊，通過一圈圓形排布的金屬化通孔構成SIW圓形諧振腔，圓弧半徑為R。圖中的端口1為饋電輸入端口，位于介質基板中心；在離端口1間距為Rp的圓周上等角分布著4個或者8個輸出端口。由于徑向波導中傳輸的TEM模沒有截止工作頻率，因此SIRM功分器的工作帶寬主要受到2個因素影響：一是饋電同軸探針的耦合帶寬；二是呈半徑R分布的金屬化孔壁與輸出端口之間的駐波效應。

本文基于基板加工工藝，通過改進饋電同軸探針的結構形式，提出了一種階梯型同軸探針，利用雙層介質基板分別設計了一分四和一分八的寬帶SIRW功分器。階梯型同軸探針的結構形式如圖4所示。

圖4 階梯型同軸探針結構示意圖

從圖4中看出，在雙層介質基板分界面引入了一個直徑為D的金屬圓盤，圓盤與介質基板金屬表面之間由一圈8個金屬化通孔實現短路連接，從而構成了同軸探針的階梯型結構。經過工作帶寬的優化設計后，一分四和一分八的寬帶SIRW功分器具體結構尺寸見表1。

表1 寬帶SIRW功分器的結構尺寸(單位：mm)

2 仿真與測試結果

使用HFSS14.0全波電磁仿真軟件對上述2種寬帶SIRW功分器的電性能進行建模仿真分析，得到其S參數仿真結果。

圖5為一分四SIRW功分器反射系數和傳輸系數的仿真數據圖。從圖中可以看出，一分四SIRW功分器的輸入端口反射系數|S11|在7.3～13.2GHz內小于-15dB，輸出功率平衡度在-6.15±0.1dB以內，插入損耗小于0.25dB，工作相對帶寬達到了58%。

圖5 一分四SIRW功分器反射系數和傳輸系數的仿真結果

圖6為一分四SIRW功分器傳輸相位的仿真數據圖。從圖中可以看出，在7.3～13.2GHz內功分器為等相輸出，傳輸相位在帶內呈線性變化。由于受益于功分網絡結構的對稱性，輸出相位差也很小。

圖7為一分八SIRW功分器反射系數和傳輸系數的仿真數據圖。從圖中可以看出，一分八SIRW功分器輸入端口的反射系數|S11|在6.6～12.4GHz內小于-15dB，輸出功率平衡度在-9.15±0.1dB以內，插入損耗小于0.25dB，工作相對帶寬達到了61%。圖8為一分八SIRW功分器傳輸相位的仿真數據圖。從圖中可以看出，在6.6～12.4GHz內功分器為等相輸出，傳輸相位在帶內呈線性變化，輸出相位差很小。

圖6 一分四SIRW功分器傳輸相位的仿真結果

圖7 一分八SIRW功分器反射系數和傳輸系數的仿真結果

圖8 一分八SIRW功分器傳輸相位的仿真結果

為了驗證仿真結果的準確性和可信度，加工了一個一分四SIRW功分器的試驗樣件，利用矢量網絡分析儀對該功分器進行了性能測試，測試結果如圖9～圖10所示。圖9為功分器S參數幅度測量結果，實測數據表明一分四SIRW功分器輸入端反射系數小于-15dB的工作帶寬為7.5～14GHz，輸出功率平衡度在-6.6dB±0.1dB以內，帶內插入損耗小于0.6dB，相對帶寬達到了60%。圖10為功分器傳輸相位測試結果，測試數據表明工作頻帶內輸出端口相位差在±4以內。對比仿真結果，功分器工作頻率和插入損耗的測試結果有輕微差別，其原因可能是采用國產介質基板，其介電常數和損耗正切與仿真條件有所差異造成。實測結果相比仿真結果一致性較好，功分器S參數測試性能良好，可以工程應用。

圖9 一分四SIRW功分器反射系數和傳輸系數的測試結果

圖10 一分四SIRW功分器傳輸相位的測試結果

3 結束語

本文基于SIW技術和徑向波導功分器原理，通過改進常規同軸饋電探針結構形式，提出了一種寬帶、緊湊型、低插損單級多路功分器設計，其工作帶寬相比于原始設計帶寬得到了極大的展寬，功分輸出特性良好，且易于集成，滿足工程應用要求。

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DesignofAWidebandCompactRadialWaveguidePowerDividerBasedonIntegratedSubstrateWaveguideTechnology

ZHUYang1，ZHANGFu-shun2

(1.EastChinaResearchInstituteofElectronicEngineering,Hefei230088,China；2.XidianUniversity,Xi'an710071,China)

Thispaperdesignsthefour-wayandeight-waybroadbandcompactsubstrateintegratedradialwaveguide(SIRW)powerdividersrespectively,bymeansofsteppedfeedprobe,makestherelativeoperatingbandwidthofgeneralfour-wayandeight-waySIRWpowerdividersincreasefrom6%and15%to58%and61%respectivelywhenthereturnlossislessthan-15dB,andthesimulatedintra-bandinsertionlossesarebetterthan-6.25dBand-9.25dBrespectively.Totestifytheveracityofsimulateddata,atestforfour-waySIRWpowerdividerisperformed.Thetestresultsshowthattheperformanceisgoodandcansatisfiestheengineeringapplicationrequirement.

widebandpowerdivider;miniaturization;integratedsubstratewaveguide;radialwaveguide

2015-12-16

TN

B

CN32-1413(2016)03-0098-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.025