一种金属波导‑基片集成波导功分器的制作方法

本发明属于毫米波段功分器设计和制造的技术领域，涉及金属波导-基片集成波导紧凑型功分器。

背景技术：

功分器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件。

无线技术的发展要求所使用的器件结构紧凑。基片集成波导是一类具有低损耗的新型传输线，已经获得了广泛应用，在某些场合，如天线馈电结构，需要集成基片集成波导功分器和金属波导-基片集成波导过渡，以压缩电路整体面积并提高电路稳定性。现有方案是首先实现基片集成波导功分器，其包括一个输入端口和多个输出端口，然后将金属波导垂直馈电到基片集成波导的输入端口，如图1所示。此种方案主体包括两部分，波导到基片集成波导过渡结构I和T型功分结构II，首先从金属波导到基片集成波导过渡结构需要通过调节馈口1周围金属孔2的位置使金属波导和基片集成波导形成良好的匹配，然后经过一定长度的传输线3后设计一分二的T型功分结构，并需要调节金属孔4的位置实现端口的良好匹配。由于信号经过两次匹配设计和一段传输线，会增加馈电损耗、降低工作带宽，结构不够紧凑，频率越高这种影响越显著。

此外，传统的T型功分器结构的支路一般都设计对称，从而输出端口的相位同相，而在有些电路中需要反相输出，例如差分馈电结构，而这种馈电结构往往要求相位均衡度要好，对于传统结构的功分器如果要实现反相就需要加上移相单元，这样会增大电路的尺寸而且移相器的引入会减小带宽增加损耗。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷提供一种新型金属波导-基片集成波导功分器，用于减小金属波导-基片集成波导过渡的功分器的尺寸，同时降低损耗、扩展工作带宽；另外，本发明能够在不增加移相器的条件下根据需要合理调整结构从而实现输出端口的同相/反相输出。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种金属波导-基片集成波导功分器，包括基片集成波导和金属直波导；所述基片集成波导包括从下往上依次层叠的底层覆铜层、介质层、顶层覆铜层，以及贯穿底层覆铜层、介质层和顶层覆铜层的两排金属化孔；其特征在于，所述基片集成波导的底层覆铜层上还开设有馈电口，所述馈电口位于基片集成波导中心、且大小与金属直波导口保持一致，所述金属直波导通过馈电口垂直馈电至基片集成波导。

进一步的，所述基片集成波导上还设置有与用于馈电的标准金属波导法兰位置一致的螺孔，用于通过螺钉固定基片集成波导和金属直波导。

本发明中，所述两排金属化孔的间距需满足主模传输的条件，设其距离为d，则d应满足关系式：

$\frac{{\mathrm{\λ}}_g}{2}\<d\<{\mathrm{\λ}}_g$

其中，λ_g为金属波导中的波导波长，通过下式计算得到：

${\mathrm{\λ}}_g=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\ϵ}}}{\sqrt{1-{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\ϵ}}}{2d}\right)}^2}}$

其中，λ_ε为介质中的波长，它和真空中的波长λ₀的关系式为：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\ϵ}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}$

其中，ε_r为介质的相对介电常数，λ₀＝c/f，c＝3×10⁸m/s为光速、f为频率(单位是Hz)；相邻金属化孔的间距d_c小于λ_g/4，在馈电口处两排孔之间的间距应加大以实现垂直过渡结构的匹配，可以通过仿真软件确定其大小。

需要特别说明的是：根据实际需要，本发明可以通过改变金属波导的方向实现输出端口的同相或者反相；如图3所示，将金属波导宽边垂直放置，则等效于波导E-T结构，两输出端口反相输出；如图4所示，将金属波导宽边水平放置，则等效为波导H-T结构，两输出端口同相输出。

本发明的有益效果在于：

本发明提供一种采用金属波导到基片集成波导的功分器，从结构上来说，简化了馈电结构、减小了尺寸，便于系统集成和小型化；从电性能上来说，提高馈电效率、减小损耗；同时，可以根据实际需要设计输出端口的同相/反相输出，无需增加移相结构实现宽频带、高稳定度的反相信号输出。

附图说明

图1是传统金属波导到基片集成波导功分器的平面结构示意图。

图2是本发明的金属波导-基片集成波导功分器的馈电结构示意图。

图3是本发明的金属波导-基片集成波导E面功分器结构示意图。

图4是本发明的金属波导-基片集成波导H面功分器结构示意图。

图5是本发明的金属波导-基片集成波导E面功分器在阵列天线中的应用实例图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

本实施例提供一种金属波导-基片集成波导E面功分器，其结构如图2、图3所示，该功分器工作在W波段，工作频率85～100GHz，包括一个基片集成波导和标准金属直波导，金属波导型号为WR10，大小为1.27×2.54mm，基片集成波导的型号是Rogers 5880(tm)，板材厚度为0.508mm，相对介电常数2.2，损耗角正切0.0014，基片集成波导上所有的孔直径都是0.4mm，且都金属化；所述基片集成波导包括从下往上依次层叠的底层覆铜层7、介质层6、顶层覆铜层5，以及金属化孔61、63；为了实现金属波导到基片集成波导的垂直过渡馈电与功分，在底层覆铜层7上蚀刻大小和金属波导8口一致的馈电口71，大小为1.27×2.54mm，金属波导宽边垂直放置，为了使过渡达到良好的匹配，基片集成波导上需沿着馈电口71对称的设置一圈金属化孔63使过渡达到良好匹配，这圈孔的尺寸为1.8×4mm；功分器的输出通道64、65左右对称，其宽度即为两排金属化孔之间的圆心距，为1.8mm；为了使基片集成波导和金属波导紧密贴合，在基片集成波导上制作与波导法兰位置一致的螺孔62以便通过螺钉将基片集成波导和金属波导固定住。

通过HFSS仿真得到上述功分器在85～100GHz频率范围内驻波小于1.5，两输出端口反相输出，相位均衡度小于0.02°，能够实现宽频带反相输出；另外，将金属波导宽边水平放置，如图4所示，为金属波导-基片集成波导H面功分器，能够实现宽频带同相输出。

实施例2

本实施例提供一种金属波导-基片集成波导的阵列天线，其结构如图5所示，此天线工作在W波段，工作频率为92～94GHz，金属波导型号为WR10，大小为1.27×2.54mm，基片集成波导型号是Rogers 5880(tm)，板材厚度为0.508mm，相对介电常数2.2，损耗角正切0.0014，基片集成波导上所有的孔直径都是0.4mm，且都金属化。金属波导通过馈电口71耦合到基片集成波导，馈电口71的大小为1.27×2.54mm，基片集成波导上需沿着馈电口71设置一圈金属孔以使过渡能很好的匹配，孔631和孔632之间有3个孔，相邻两个孔之间的间距为0.525mm，孔632和孔633之间有4个孔，它们关于71左右对称，孔631和孔632相对馈电口71左上角的水平距离为0.73mm，垂直距离分别为0.415mm和1.685mm。信号馈入基片集成波导后将通过一个1分16的树状等功率分配器，功分器的每个输出端口都接有16个缝的缝隙阵列天线，功分器的每个T型结和拐角处都有相应的调谐孔使功分器达到很好的匹配，每个调谐孔都是关于T型结上下对称，所以只要给出拐角处孔661、662、663、664的位置和节点中心处孔671、672、673的位置后其它拐角位置的孔和中心节点处的位置就可以确定。孔661、662、663、664相对馈电口71右上角的水平距离分别为1.67mm、3.23mm、8.21mm和12.87mm，垂直距离为8.315mm、12.52mm、14.52mm和15.34mm；孔671、672、673相对馈电口71左上角的水平距离分别为3.63mm、8.81mm、14.51mm，垂直距离分别为7.92mm、12.11mm、14.07mm。

功分器的16个输出端口各自接有由小孔组成的通道，每个通道的宽度为2.1mm，且相邻的两个通道间共用一排孔。每个输出端口的缝隙阵列天线都相同，从上至下总共有16条缝，且上面8行缝隙和下面8行缝隙的位置关于整个整列的中心面上下对称，故只要确定第一行缝隙的位置，其他缝隙的位置也就确定，相邻两列缝隙的距离和缝隙51和53的距离相同，即为通道的宽度2.1mm，缝隙51和52之间总共有14个缝，缝隙的长度都为1.1mm，相邻两个缝隙的距离约为λ_g/2，这里为1.34mm，且每个缝隙关于通道的中心对称交错分布，偏移量为0.2mm，缝宽为0.2mm，缝52中心距离通道底端的孔68的圆心水平距离约为λ_g/4和孔半径之和，这里为0.82mm，缝隙51的中心距离馈电口71右上角的水平位置和垂直位置分别为19.54mm和14.9mm。螺孔621～624对称的分布在馈电口71的周围，用于固定金属波导和基片集成波导。

通过HFSS仿真可以得到，该天线的增益可达26.5dBi，在92～94GHz频率范围输入驻波小于1.5，且板子由原来的65×35mm缩小为50×35mm，面积缩小约25％，达到了小型化紧凑型功分器的目的。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。