一种基于基片集成波导的宽带功率合成器的制造方法
【专利摘要】该发明公开了一种基于基片集成波导的宽带功率合成器，属于功率合成领域，尤其是在单一固态器件输出功率普遍较低的毫米波波段。该功率合成器包括：矩形波导、过渡结构和基片集成波导(SIW)。基片集成波导上设置有输入端口；过渡结构包括介质基板、分别位于介质基板上层和下层的片状探针；上层和下层的探针都为一片弯曲的锥形片状探针，分别弯向两侧；从而实现发明目的。因而该功率合成器回波损耗优于15dB，插入损耗小于0.7dB，工作带宽为24-40GHz，测试结果与仿真结果很接近，且电路尺寸大幅减小，加工也相当方便。
【专利说明】一种基于基片集成波导的宽带功率合成器
【技术领域】
[0001]“宽带功率合成器” (Broadband Power Combiner)应用的【技术领域】是功率合成，尤其是在单一固态器件输出功率普遍较低的毫米波波段。
技术背景
[0002]近年来，毫米波通信系统和雷达系统有着快速的发展和广泛的应用背景。毫米波单片功率放大器是毫米波系统和雷达系统的重要组成部分，但其输出功率通常较低，所以高效率的功率合成技术随之产生，引起了学术界和工业界的极大关注。通过功率合成器，可以为毫米波和雷达系统提供更高的输出功率。2010年，K.Song提出了一种Ka波段的四路同轴线功率合成器，但其加工精度要求较高，因此一些新技术被相继提出，例如文献X.Xie, H.Chen, and Y.Tian, “Millimetre-wave broadband waveguide-based spatialpower-combining amplifier, ” Electron.Lett., vol.47, n0.3, pp.194 - 195, Feb.2011 利用微带和波导过渡结构如图1，但由于加工时需要在波导开孔，四路的相位一致性不易控制。文献 K.Song, F.Zhang, S.Hu, and Y.Fan, “Millimetre-wavequas1-optical low-losspower combiner based on dipole antenna,，，Electron.Lett.，vol.49，n0.18，pp.1160-1162, Aug.2013利用偶极子天线结构，但难以缩小体积。在此基础上一种基于基片集成波导(substrate integrated waveguide)结构的Ka波段四路功率合成器被提出(K.Song, FZhang, F.Chen, and Y.Fan, “Wideband millimetre-wave four-way spatial powercombiner based on multilayer SIff, ”J.0f Electromagn.Waves and Appl., Vol.27, n0.13，pp.1715 - 1719，2013)，SIff结构性能高插损低，制造工艺简单且易于与平面电路集成，但该文中提出的功率合成器带宽不足且插损较高。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是提出一种基于基片集成波导(SIW)的宽带功率合成器。该结构的运用大大缩小了功率合成器的体积，便于加工制作与集成。
[0004]本发明一种基于基片集成波导的宽带功率合成器，该功率合成器包括:矩形波导、过渡结构和基片集成波导(SIW)，如图2所示。基片集成波导上设置有输入端口 ；过渡结构包括介质基板、分别位于介质基板上层和下层的片状探针；上层和下层的探针都为一片弯曲的锥形片状探针，分别弯向两侧；从而实现发明目的。因而本发明一种基于基片集成波导的宽带功率合成器，该功率合成器包括:矩形波导、过渡结构、基片集成波导；所述基片集成波导包括:基片、分别设置于基片上表面和下表面的上金属片和下金属片；基片集成波导的数量为n，其中I < η < 4，各基片集成波导的输出端插入矩形波导的输入端，基片集成波导的输入端设置有m个输入端口，其中I < 4 ;所述过渡结构与基片集成波导的输出端连接固定，其特征在于过渡结构包括:介质基板、设置于介质基板上表面的上探针、设置于介质基板下表面的下探针；上探针和下探针为一片弯曲的锥形片状探针，透视观察上下探针形成人字结构，人字结构的底部为探针的针尖；过渡结构的介质基板与基片集成波导的基片连接，上探针与基片集成波导的上金属片的中间位置连接，下探针与基片集成波导的下金属片的中间位置连接。
[0005]所述过渡结构中的上探针为弯曲的锥形片状探针，弯曲的锥形结构的内侧为5条直边组成，外侧为η条直边组成，n ^ 4 ;以锥形结构的底边中点为原点，“人字形”结构的对称轴为X轴建立坐标系，单位为mm，弯曲的锥形结构的内侧的5个顶点的左边分别为:(0,0.38)，(0.56，0.38)，(1.52,0.48), (2.27, 0.81), (2.82, 1.12);锥形结构的顶点坐标为:(3.12，1.12);弯曲的锥形结构的外侧包括η个顶点，其中最靠近锥形结构的底边的3个顶点的坐标为:(0,-0.38)，(0.56,-0.38)，(1.52,0);下探针与上探针结构完全相同，弯曲方向相反；所述介质基板相对介电常数为2.22，损耗角正切为0.009，厚度为0.254mm。
[0006]所述宽带功率合成器设置有2个基片集成波导，分别为上集成波导和下集成波导，之间的距离须使两基片集成波导上的信号异相；所述基片集成波导的两侧分别设置有一排金属化通孔，两排通孔的间距为4.85mm ;每一排内金属化通孔的间距为0.78mm，金属化通孔的内径为0.2mm ;所述基片相对介电常数为2.22，损耗角正切为0.009，厚度为
0.254mm ;每片基片集成波导上设置有相距1.96mm的两个输入端口，该端口为喇叭状的微带线，该微带线窄边的宽度为0.72mm，宽边与基片集成波导的某一金属片连接，其宽度为
1.1mm，长度为1.5mm ;上集成波导的输入端口连接其上金属片，下集成波导的输入端口连接其下金属片。
[0007]本发明一种基于基片集成波导的宽带功率合成器，该功率合成器回波损耗优于15dB，插入损耗小于0.7dB，工作带宽为24-40GHZ，测试结果与仿真结果很接近，且电路尺寸大幅减小，加工也相当方便。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是微带和波导过渡结构的攻略合成结构图；
[0009]图2是本发明的结构图；
[0010]图3是本发明的结构平面图。
[0011]图中:1.矩形波导，2.金属化通孔，3.基片集成波导，4.微带线，5.探针。
【具体实施方式】
[0012]首先该设计需要在专用的电磁仿真软件中建模优化，本发明采用Ansoft公司的高频结构仿真软件(HFSS)进行建模仿真，通过对图3中各个参数的调谐和仿真优化，获得最优解，最终确定的参数尺寸为Wm = 0.72mm, L3 = 1.6mm, Wtaper = 1.lmm, Ltaper =1.5mm, Wsiw = 5.05mm, b = 3.56mm, p = 0.75mm, d = 0.4mm, L2 = 0.7mm, W2 = 0.3mm, W.12mm, W3 = 0.99mm, Wl = 0.48mm, WO = 0.76mm, LI = 1.55mm, L = 3.12mm。设计完成后，进行加工，最后测试。
[0013]本发明的特征在于，含有:WR_28矩形波导，基片集成波导(SIW)，反对称锥形探针，梯形过渡，如图2所示。两路微带梯形过渡结构连接SIW顶层，两个反对称锥形探针以相反的方向分别与SIW的顶层和底层相连，然后插入到标准矩形波导E面的中心，能量沿图2中-Y轴从微带向波导传输，共两层SIW四路信号输入。
[0014]本发明工作原理:该功率合成器共四路输入信号，其中每个基片集成波导有两路信号从50 Ω微带线输入，经梯形过渡进入基片集成波导(SIW)完成两路信号功率合成SIW中的主模TEltl模，而反对称锥形探针则实现SIW准TE 1(|模到矩形波导主模TE 1(|模的直接转换。反对称锥形探针位于矩形波导E面中心，不仅有阻抗变换的作用，而且使SIW中沿Z方向的电场很平滑地转换成矩形波导中沿Y方向的电场，为使两块基片集成波导上的信号异相，两块介质板间距3.28mm。本发明中，反对称锥形探针，梯形过渡和SIW都采用RT/Duroid5880的介质基片，该基片相对介电常数为2.22，损耗角正切为0.009，厚度为0.254mm，介质基板的两侧金属过孔直径0.4mm，孔间距0.75mm。如图3所示，通过调整两排金属化通孔的间距Wsiw、过孔间距d和过孔半径r的大小，可调谐工作频率，直至达到所需截止频率，然后调整梯形过渡和反对称锥形探针的参数:梯形过渡微带宽度Wm，Wtap?，过渡长度Ltap?。反对称锥形探针窄边到宽边的投影距离W、反对称锥形探针宽边距离Wtl、反对称锥形探针上下两层交叠部分分离处到其中一个探针边沿的水平距离W1、反对称锥形探针窄边宽度W2和反对称锥形探针宽边到窄边的投影距离L，以上参数可实现与矩形波导较好的阻抗匹配。通过调整两层基片集成波导(SIW)间隔Lzz可以实现两路信号异相。
[0015]测试时需要将两个完全相同的功率合成器背靠背级联，构成测试电路，再用矢量网络分析仪进行测试。经测试，该功率合成器回波损耗优于15dB，插入损耗小于0.7dB，工作带宽为24-40GHZ，测试结果与仿真结果很接近，且电路尺寸大幅减小，加工也相当方便。
【权利要求】
1.一种基于基片集成波导的宽带功率合成器，该功率合成器包括:矩形波导、过渡结构、基片集成波导；所述基片集成波导包括:基片、分别设置于基片上表面和下表面的上金属片和下金属片；基片集成波导的数量为n，其中I Sn <4，各基片集成波导的输出端插入矩形波导的输入端，基片集成波导的输入端设置有m个输入端口，其中I < m < 4 ;所述过渡结构与基片集成波导的输出端连接固定，其特征在于过渡结构包括:介质基板、设置于介质基板上表面的上探针、设置于介质基板下表面的下探针；上探针和下探针为一片弯曲的锥形片状探针，透视观察上下探针形成人字结构，人字结构的底部为探针的针尖；过渡结构的介质基板与基片集成波导的基片连接，上探针与基片集成波导的上金属片的中间位置连接，下探针与基片集成波导的下金属片的中间位置连接。
2.如权利要求1所述的一种基于基片集成波导的宽带功率合成器，其特征在于所述过渡结构中的上探针为弯曲的锥形片状探针，弯曲的锥形结构的内侧为5条直边组成，外侧为η条直边组成，η多4;以锥形结构的底边中点为原点，“人字形”结构的对称轴为X轴建立坐标系，单位为mm，弯曲的锥形结构的内侧的5个顶点的左边分别为:(O，0.38)，(0.56，0.38)，(1.52，0.48)，(2.27，0.81)，(2.82，1.12);锥形结构的顶点坐标为:(3.12，1.12);弯曲的锥形结构的外侧包括η个顶点，其中最靠近锥形结构的底边的3个顶点的坐标为:(0,-0.38)，(0.56,-0.38)，(1.52,0);下探针与上探针结构完全相同，弯曲方向相反；所述介质基板相对介电常数为2.22，损耗角正切为0.009，厚度为0.254mm。
3.如权利要求1所述的一种基于基片集成波导的宽带功率合成器，其特征在于所述宽带功率合成器设置有2个基片集成波导，分别为上集成波导和下集成波导，之间的距离须使两基片集成波导上的信号异相；所述基片集成波导的两侧分别设置有一排金属化通孔，两排通孔的间距为4.85mm ;每一排内金属化通孔的间距为0.78mm，金属化通孔的内径为0.2mm ;所述基片相对介电常数为2.22，损耗角正切为0.009，厚度为0.254mm ;每片基片集成波导上设置有相距1.96mm的两个输入端口，该端口为喇叭状的微带线，该微带线窄边的宽度为0.72mm，宽边与基片集成波导的某一金属片连接，其宽度为1.1mm，长度为1.5mm ;上集成波导的输入端口连接其上金属片，下集成波导的输入端口连接其下金属片。
【文档编号】H01P5/16GK104505570SQ201410751634
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月10日 优先权日:2014年12月10日
【发明者】刘宇, 董俊, 杨涛, 杨自强, 王浩 申请人:电子科技大学