一種寬帶緊湊型基片集成徑向波導(dǎo)功分器設(shè)計(jì)

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(xué)，西安 710071)

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一種寬帶緊湊型基片集成徑向波導(dǎo)功分器設(shè)計(jì)

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(xué)，西安 710071)

分別設(shè)計(jì)了一分四和一分八的寬帶緊湊型基片集成徑向波導(dǎo)(SIRW)功分器，通過饋電探針的階梯化方式，使常規(guī)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(nèi)插耗分別在-6.25dB和-9.25dB以內(nèi)。為了驗(yàn)證仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對一分四功分器進(jìn)行了測試，測試結(jié)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(dǎo)；徑向波導(dǎo)

0 引 言

功分器在微波設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用，隨著現(xiàn)代微波系統(tǒng)對其微波無源模塊集成度和工作帶寬需求的日益提升，設(shè)計(jì)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(guān)鍵技術(shù)之一。

基片集成波導(dǎo)(SIW)技術(shù)由于具有平面化、高Q值、低損耗、易集成等性能優(yōu)勢，已經(jīng)逐漸發(fā)展成為解決功分器上述設(shè)計(jì)問題的主要研究方向之一。SIW技術(shù)由蒙特利爾大學(xué)的吳柯教授首次提出[1]。SIW是一種在雙面金屬覆層的介質(zhì)基板上，通過大量緊密而規(guī)則排列的金屬化過孔對基板中電磁波傳播產(chǎn)生空間約束效果的技術(shù)，在輕薄、低廉、易加工的介質(zhì)基板上實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)的相似功能，具有高Q值、低損耗等特點(diǎn)，可應(yīng)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(shè)計(jì)。

從目前已報(bào)道的文獻(xiàn)看，基于SIW技術(shù)的功分器設(shè)計(jì)主要集中于矩形基片集成波導(dǎo)(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(lián)方式實(shí)現(xiàn)2N路功分輸出[4]。由于RSIW傳輸線具有類似金屬波導(dǎo)的主模傳輸頻率截止特點(diǎn)，這種級聯(lián)方式通常會造成功分器尺寸較大，插入損耗相應(yīng)較高。

基于上述情況，東南大學(xué)的朱紅兵提出了一種單級多路功分的梳狀RSIW功分器設(shè)計(jì)[5]。通過在RSIW波導(dǎo)傳輸線中不同位置引入感性金屬柱，實(shí)現(xiàn)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(jié)點(diǎn)間傳輸線物理長度上的頻域色散效應(yīng)，造成該型SIW功分器的工作帶寬受限且難以在寬帶內(nèi)同相輸出。電子科技大學(xué)的宋開軍利用基片集成徑向波導(dǎo)(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(shè)計(jì)理念，并設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)出相對帶寬分別為58%和61%的一分四和一分八SIRW波導(dǎo)功分器。相比原始設(shè)計(jì)，功分器的相對帶寬得到了較大改善，在避免傳統(tǒng)印刷帶線功分器由于半開放結(jié)構(gòu)帶來的輻射損耗等問題的同時(shí)，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(dǎo)工作特性

徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是由上下2個(gè)金屬圓片構(gòu)成，如圖1所示。饋電位置在圖中圓心O處，電場方向?yàn)?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(dǎo)電磁邊界條件的旋轉(zhuǎn)對稱性，這里使用柱坐標(biāo)系對波導(dǎo)中的電磁場加以描述。以圖1中的柱坐標(biāo)系為例，波導(dǎo)內(nèi)電磁場關(guān)系為：

(1)

圖1 徑向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)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(dāng)高度b小于半波長時(shí)，徑向波導(dǎo)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(dǎo)功分器工作原理

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

圖2 徑向波導(dǎo)中TEM波的場分布圖

利用柱面TEM波的旋轉(zhuǎn)對稱性，在以輸入同軸探針為圓心的圓周上均勻設(shè)置多個(gè)同軸探針用以能量耦合輸出，可以實(shí)現(xiàn)等幅同相功率分配特性。

1.3 寬帶SIRW功分器的設(shè)計(jì)

根據(jù)1.2節(jié)中所述的徑向波導(dǎo)功分器工作原理，利用SIW技術(shù)實(shí)現(xiàn)徑向波導(dǎo)功分器的小型化和平面化，分別設(shè)計(jì)出了一分四和一分八的SIRW功分器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 寬帶SIRM功分器結(jié)構(gòu)示意圖

功分器采用雙層厚度均為h、相對介電常數(shù)為2.65、損耗正切為0.003的介質(zhì)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(gòu)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(zhì)基板中心；在離端口1間距為Rp的圓周上等角分布著4個(gè)或者8個(gè)輸出端口。由于徑向波導(dǎo)中傳輸?shù)腡EM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(gè)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(yīng)。

本文基于基板加工工藝，通過改進(jìn)饋電同軸探針的結(jié)構(gòu)形式，提出了一種階梯型同軸探針，利用雙層介質(zhì)基板分別設(shè)計(jì)了一分四和一分八的寬帶SIRW功分器。階梯型同軸探針的結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

圖4 階梯型同軸探針結(jié)構(gòu)示意圖

從圖4中看出，在雙層介質(zhì)基板分界面引入了一個(gè)直徑為D的金屬圓盤，圓盤與介質(zhì)基板金屬表面之間由一圈8個(gè)金屬化通孔實(shí)現(xiàn)短路連接，從而構(gòu)成了同軸探針的階梯型結(jié)構(gòu)。經(jīng)過工作帶寬的優(yōu)化設(shè)計(jì)后，一分四和一分八的寬帶SIRW功分器具體結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

表1 寬帶SIRW功分器的結(jié)構(gòu)尺寸(單位：mm)

2 仿真與測試結(jié)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(jìn)行建模仿真分析，得到其S參數(shù)仿真結(jié)果。

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

圖5 一分四SIRW功分器反射系數(shù)和傳輸系數(shù)的仿真結(jié)果

圖6為一分四SIRW功分器傳輸相位的仿真數(shù)據(jù)圖。從圖中可以看出，在7.3～13.2GHz內(nèi)功分器為等相輸出，傳輸相位在帶內(nèi)呈線性變化。由于受益于功分網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(shù)和傳輸系數(shù)的仿真數(shù)據(jù)圖。從圖中可以看出，一分八SIRW功分器輸入端口的反射系數(shù)|S11|在6.6～12.4GHz內(nèi)小于-15dB，輸出功率平衡度在-9.15±0.1dB以內(nèi)，插入損耗小于0.25dB，工作相對帶寬達(dá)到了61%。圖8為一分八SIRW功分器傳輸相位的仿真數(shù)據(jù)圖。從圖中可以看出，在6.6～12.4GHz內(nèi)功分器為等相輸出，傳輸相位在帶內(nèi)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(jié)果

圖7 一分八SIRW功分器反射系數(shù)和傳輸系數(shù)的仿真結(jié)果

圖8 一分八SIRW功分器傳輸相位的仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度，加工了一個(gè)一分四SIRW功分器的試驗(yàn)樣件，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對該功分器進(jìn)行了性能測試，測試結(jié)果如圖9～圖10所示。圖9為功分器S參數(shù)幅度測量結(jié)果，實(shí)測數(shù)據(jù)表明一分四SIRW功分器輸入端反射系數(shù)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(nèi)，帶內(nèi)插入損耗小于0.6dB，相對帶寬達(dá)到了60%。圖10為功分器傳輸相位測試結(jié)果，測試數(shù)據(jù)表明工作頻帶內(nèi)輸出端口相位差在±4以內(nèi)。對比仿真結(jié)果，功分器工作頻率和插入損耗的測試結(jié)果有輕微差別，其原因可能是采用國產(chǎn)介質(zhì)基板，其介電常數(shù)和損耗正切與仿真條件有所差異造成。實(shí)測結(jié)果相比仿真結(jié)果一致性較好，功分器S參數(shù)測試性能良好，可以工程應(yīng)用。

圖9 一分四SIRW功分器反射系數(shù)和傳輸系數(shù)的測試結(jié)果

圖10 一分四SIRW功分器傳輸相位的測試結(jié)果

3 結(jié)束語

本文基于SIW技術(shù)和徑向波導(dǎo)功分器原理，通過改進(jìn)常規(guī)同軸饋電探針結(jié)構(gòu)形式，提出了一種寬帶、緊湊型、低插損單級多路功分器設(shè)計(jì)，其工作帶寬相比于原始設(shè)計(jì)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(yīng)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