本发明涉及微波功率分配器
技术领域：
：，特别是一种基于半模基片集成波导的宽带Gysel型功分器。
背景技术：
：：微波功率分配器(功分器)是现代通信系统中的重要组件，广泛应用于微波通信、电子对抗、频率综合和微波测量等系统中。功分器主要用于能量的分配、合成，一般有一个总口，两个以上的分口，按照分口的数量可以分为一分二、一分三、一分四以及一分多；按照分口功率是否完全一样，可以分为等分和不等分两种；按照分口相位是否一样，可以分为等相和不等相两种；按照功率容量可以分为小功率、中功率和高功率等；按照传输线形式可以分为微带型、同轴型、波导型等；按照分口是否隔离可以分为隔离型和不隔离型；按照结构形式可以分为Welkinson(威尔金森)、Gysel(杰塞尔)、分支线、定向耦合器等。最早的Gysel功分器是由Gysel发明的，如文献1(“AnewN-waypowerdivider/combinersuitableforhigh-powerapplication,”IEEEMTT-SInt.Microw.Symp.Dig.,1975,75,pp.116-118)所述。此后，在很长一段时间内，传统的Gysel功分器被广泛地运用到工程实际中去。近几年，为了增强带宽人们发明了各种各样的Gysel功分器，增强带宽，如文献2(“OptimumDesignofaWidebandTwo-WayGyselPowerDividerWithSourcetoLoadImpedanceMatching”，IEEETransactionsonMicrowaveTechnologyandTechniques,Vol.57,No.9,Sep.2009，pp.2238-2248)；或者文献3(“AbboshA,HeninB.Planarwidebandinphasepowerdivider/combinerusingmodifiedGyselstructure，”MicrowavesAntennas&PropagationIet,2013,Vol.7,No.10,pp.783-787.)。但是这类功分器都是应用微带传输线实现的，功率容量有限。应用基片集成波导即SIW(SubstrateIntegratedWaveguide)这类成熟的设计平台来实现的平面结构，融合了矩形波导和微带线的优点,具有体积小、重量轻、相对带宽较宽的优点，同时可承受较高的功率门限，Q值也比较高，理论和实验均表明这类为了解决上述基片集成波导功分器存在的问题，将基片集成波导沿场分布对称面将其截成两半，利用等效磁壁限制场型变化，提出了半模基片集成波导结构，此后很多应用半模基片集成波导结构功分器被研究设计出来。如文献4(“HalfModeSubstrateIntegratedWaveguide(HMSIW)Multi-wayPowerDivider,”Asia-pacificMicrowaveConference,2007,pp.917-920),文献5("HalfModeSubstrateIntegratedWaveguide(HMSIW)3-dBCoupler."IEEEMicrowave&WirelessComponentsLetters17.1(2007):22-24.)。采用半模基片集成波导结构的功分器易于实现隔离，且尺寸较小，但是大多结构是存在同样的问题，就是隔离电阻位于分臂的中心，直接影响了此类功分器在高功率下的应用。技术实现要素：本发明提出了一种基于半模基片集成波导的宽带Gysel功分器，解决了在高频电路中基片集成波导功分器无法隔离以及体积较大的问题。实现本发明的技术解决方案为：一种基于半模基片集成波导的宽带Gysel功分器，包括全模基片集成波导结构、两个半模基片集成波导结构以及七个端口，所述全模基片集成波导结构的一端与两个半模基片集成波导结构的一端连接，所述全模基片集成波导结构的另一端通过第一上层端口匹配线与第一端口连接，其中一个半模基片集成波导结构的半个波长处通过第一传输线与第四端口连接，另一个半模基片集成波导结构的半个波长处通过第一传输线与第五端口连接，第四端口与第五端口构成功分器的匹配口；其中一个半模基片集成波导结构四分之一波长处下方间隔二分之一波长处通过第三传输线与第七端口连接，另一个半模基片集成波导结构四分之一波长处下方间隔二分之一波长处通过第三传输线与第六端口连接；其中一个半模基片集成波导结构的另一端通过第二上层端口匹配线与第三端口连接，另一个半模基片集成波导结构的另一端通过第二上层端口匹配线与第二端口连接，第二端口与第三端口构成功分器的分口；所述第四端口与第五端口通过第二传输线连接，所述第六端口与第七端口通过第四传输线连接。本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的半模基片集成波导宽带Gysel功分器，使用两级微带隔离后带宽在20dB以上可以达到8％―9％，满足宽带的工程需求；2)本发明可以解决微带传输线型功分器的功率容量受限问题；3)本发明可以解决基片集成波导功分器的尺寸较大问题；4)本发明电路指标相对稳定，同时也可以在生产后进行必要的调试，满足特定条件下的需求。而同现有的半模基片集成波导平面电路来比，由于采用了Gysel电路结构，因此可以承受高功率，不会受到隔离电阻的寄生效应，从而可以工作到很高频率；5)采用常规的PCB单层层印制板制作工艺，简单易行，经济性突出，具有广泛的通用性。下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。附图说明图1为本发明基于半模基片集成波导的宽带Gysel功分器的原理图，其中，图1(a)为金属开槽整体开槽构成窄壁，图1(b)为金属开槽分段开槽构成窄壁。图2为本发明金属开槽整体开槽构成窄壁的基于半模基片集成波导的宽带Gysel功分器的结果图，图2(a)为本发明基于半模基片集成波导的宽带Gysel功分器回波损耗和隔离结果图，图2(b)为本发明基于半模基片集成波导的宽带Gysel功分器相位差和幅度分配结果图。图3为本发明金属开槽分段开槽构成窄壁的基于半模基片集成波导的宽带Gysel功分器的结果图，图3(a)为本发明基于半模基片集成波导的宽带Gysel功分器回波损耗和隔离结果图，图3(b)为本发明基于半模基片集成波导的宽带Gysel功分器相位差和幅度分配结果图。具体实施方式结合图1所示，一种基于半模基片集成波导的宽带Gysel功分器，包括全模基片集成波导结构1、两个半模基片集成波导结构2以及七个端口，所述全模基片集成波导结构1的一端与两个半模基片集成波导结构2的一端连接，所述全模基片集成波导结构1的另一端通过第一上层端口匹配线8_1与第一端口连接，其中一个半模基片集成波导结构2的半个波长处通过第一传输线9与第四端口连接，另一个半模基片集成波导结构2的半个波长处通过第一传输线9与第五端口连接，第四端口与第五端口构成功分器的匹配口；其中一个半模基片集成波导结构2四分之一波长处下方间隔二分之一波长处通过第三传输线12与第七端口连接，另一个半模基片集成波导结构2四分之一波长处下方间隔二分之一波长处通过第三传输线12与第六端口连接；其中一个半模基片集成波导结构2的另一端通过第二上层端口匹配线8_2与第三端口连接，另一个半模基片集成波导结构2的另一端通过第二上层端口匹配线8_2与第二端口连接，第二端口与第三端口构成功分器的分口；所述第四端口与第五端口通过第二传输线10连接，所述第六端口与第七端口通过第四传输线13连接。全模基片集成波导对称地切开两半，在切开的截面处里侧是中间介质基板4，外侧为空气，近似形成一个磁壁，从而形成了半模基片集成波导结构2。进一步的实施例中，所述全模基片集成波导结构1包括上层金属面3、下层金属地板5，上层金属面3和下层金属地板5通过上层金属面3两边的金属开槽6或金属化过孔连接。在其他实施例中，金属化过孔也可以是填充金属浆料成金属柱，本发明的基于半模基片集成波导的Gysel功分器全模基片集成波导结构1的宽度和金属柱的半径可以根据已有公式(1)-(2)计算：R＜0.1λg,W＜4R,R＜0.2a(2)其中a'是SIW的宽度,R是金属柱半径,W是相邻金属柱的间距,a是传输特性等效的矩形波导RW(RectangularWaveguide)的宽度,λg为矩形波导RW的波长。一般选取金属柱半径小于全模基片集成波导结构1截止波长的1/10，两金属柱之间的间距小于金属柱直径，并作适当调节。上层金属面3的宽度对应为基片集成波导结构截止频率波长的二分之一以上。半模基片集成波导的宽度和金属柱半径计算公式同上，不过计算出来的宽度是对应全模基片集成波导宽度，半模基片集成波导宽度是理论计算的一半。进一步的实施例中，所述全模基片集成波导结构1与第一上层端口匹配线8_1的连接处设有第一过渡线7_1，所述两个半模基片集成波导结构2与第二上层端口匹配线8_2的连接处设有第二过渡线7_2。进一步的实施例中，所述第四端口与第五端口均分别与一个匹配电阻的一端连接，所述匹配电阻的另一端与贯穿中间介质基板4的金属层11连接，所述金属层11通过金属接地孔与下层金属地板5连接；所述第六端口与第七端口均分别与一个匹配电阻的一端连接，所述匹配电阻的另一端与贯穿中间介质基板4的金属层14连接，所述金属层14通过金属接地孔与下层金属地板5连接。进一步的实施例中，所述第四端口与第五端口均分别通过第三上层端口匹配线8_3与一个匹配电阻的一端连接；所述第六端口与第七端口均分别通过第四上层端口匹配线8_4与一个匹配电阻的一端连接。进一步的实施例中，所述第四端口与第五端口与第三上层端口匹配线8_3的连接处设有第三过渡线7_3，所述第六端口与第七端口与第四上层端口匹配线8_4的连接处设有第四过渡线7_4。进一步的实施例中，所述第一传输线和第三传输线12长度均为四分之一波长。进一步的实施例中，所述第一上层端口匹配线8_1和第二上层端口匹配线8_2的阻抗值均为50Ω。进一步的实施例中，所述两个半模基片集成波导结构2关于全模基片集成波导结构1沿第一上层端口匹配线8_1方向的中分线对称。进一步的实施例中，所述两个半模基片集成波导结构2平行同向输出到两个分口。从而，本发明公开的基于半模基片集成波导的宽带Gysel功分器较之前结构带宽拓展一倍，实现高频率下匹配和隔离，可以在高功率下实现较好的传输特性，电路结构实现小型化结构紧凑，易于与其他电路集成。实施例1结合图1所示，本发明基于半模基片集成波导的宽带Gysel功分器，两个半模基片集成波导结构平行同向输出，采用全模基片集成波导和半模基片集成波导实现Gysel型功分器，整体包括上层金属面3、中间介质基板4、下层金属地板5，上层金属面3、中间介质基板4以及下层金属地板5由上至下依次分布，上层金属面3和下层金属地板5通过金属开槽6连接，构成一个基片集成波导结构1和两个半模基片集成波导结构2，这里金属开槽分别使用整体开槽即图1a所示和分段开槽即图1b两种方法实现。本实施例中介质基板尺寸为40.6mm*72.3mm*0.508mm，介质基板的介电常数为2.2。所述全模基片集成波导结构1的一端与两个半模基片集成波导结构2的一端连接，所述全模基片集成波导结构1的另一端通过第一上层端口匹配线8_1与第一端口连接，其中一个半模基片集成波导结构2的半个波长处通过第一传输线9与第四端口连接，另一个半模基片集成波导结构2的半个波长处通过第一传输线9与第五端口连接，第四端口与第五端口构成功分器的匹配口；其中一个半模基片集成波导结构2四分之一波长处下方间隔二分之一波长处通过第三传输线12与第七端口连接，另一个半模基片集成波导结构2四分之一波长处下方间隔二分之一波长处通过第三传输线12与第六端口连接；其中一个半模基片集成波导结构2的另一端通过第二上层端口匹配线8_2与第三端口连接，另一个半模基片集成波导结构2的另一端通过第二上层端口匹配线8_2与第二端口连接，第二端口与第三端口构成功分器的分口；所述第四端口与第五端口通过第二传输线10连接，所述第六端口与第七端口通过第四传输线13连接。第一上层端口匹配线8_1和第二上层端口匹配线8_2的阻抗值均为50Ω，宽度1.57mm；金属槽宽度1mm，分段开槽的槽间距0.5mm，金属接地孔直径1mm；全模基片集成波导结构1中两个金属槽6中心距14.2mm。两个半模基片集成波导结构2平行输出到两个分口，及角度θ为0°。结合图2、图3所示，两种开槽结构的基于半模基片集成波导的宽带Gysel功分器仿真结果基本一致：8.1GHz～8.9GHz的频带范围内，实现-20dB以下三端口匹配以及输出端口隔离，输出端口相位差在0°左右即同相输出，回波损耗-3.8左右。当前第1页1 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