一种三模复合的一分四功分网络

本发明属于微波器件，具体提供一种三模复合的一分四功分网络。

背景技术：

1、功分器作为重要的多端口器件之一，其主要功能是将一路输入信号功率按照特定比例分为两路或多路同相、反相或者正交信号输出；该器件作为重要的微波毫米波器件之一，被广泛应用于无线收发系统的各个部分。例如，在相控阵雷达系统中，功分器作为阵列天线的馈电系统，可将同一个馈源分为多路输出信号分别对不同的天线辐射单元提供激励；在高功率发射系统中，通常会两次用到功分器，首先通过功分器将输入信号分为多路然后分别放大，再由反相功分器将多路信号叠加，合成为一路大功率信号输出；除此之外，功分器还常用于混频器、移相器、反射计等器件中。

2、作为无线系统中重要的无源器件，功分器的性能对整个系统性能影响较大。为了适应雷达、导航、卫星通信、电子对抗、5g 等军用和民用领域无线通信行业的快速发展，多模多路功分器成为广泛研究的重点；多模多路功分器不仅可以减少功分器的使用数量，从而减少空间和成本，还可以实现好的端口隔离；因此，多模多路功分器具有重要的研究意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种三模复合的一分四功分网络，利用简单的基片集成波导（substrate integrated waveguide，siw）结构，在保证器件易于集成的同时，实现具有低损耗特性的三模复合一分四功分传输。

2、为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种三模复合的一分四功分网络，包括：沿z轴方向依次层叠设置的下层金属层、下介质基板层7、金属地板层6、上介质基板层5与上层金属层；其特征在于：

4、所述上层金属层关于上介质基板层上表面y轴方向中线呈对称结构，所述下层金属层关于下介质基板层下表面y轴方向中线呈对称结构，上层金属层由第一上层微带线1、第二上层微带线2与复合波导上金属层3构成，下层金属层由第一下层微带线8、第二下层微带线9与复合波导下金属层10构成；

5、所述复合波导上金属层3、金属地板层6与复合波导下金属层10通过金属短路柱4相连，金属短路柱4贯穿上介质基板层5与下介质基板层7，共同构成复合波导传输线结构；

6、复合波导传输线始端作为输入端口p0；复合波导传输线末端的复合波导上金属层3与复合波导下金属层10分别沿其y轴方向中线对称设置两个t型缝隙，第一上层微带线1与第二上层微带线2分别通过t型缝隙连接于复合波导上金属层3两侧，第一下层微带线8与第二下层微带线9分别通过t型缝隙连接于复合波导下金属层10两侧，所述第一上层微带线1与第二上层微带线2、第一下层微带线8与第二下层微带线9均采用阶梯形折线结构；第一上层微带线1、第二上层微带线2、第一下层微带线8与第二下层微带线9依次连接输出端口p1~p4，且同侧输出端口交错排布；

7、所述金属地板层6沿y轴方向开设有一条矩形缝隙、且位于复合波导传输线结构的中线上。

8、进一步的，复合波导传输线结构具有三种传输模式，分别为标准te10模式、折叠同相te10模式和折叠反相te10模式；其中，标准te10模式下，输出端口p1和p2输出同相场，输出端口p3和p4输出同相场，输出端口p1与p3输出反相场；折叠反相te10模式下，输出端口p1和p3输出同相场，输出端口p2和p4输出同相场，输出端口p1与p2输出反相场；折叠同相te10模式下，输出端口p1、p2、p3与p4全部输出同相场。

9、进一步的，复合波导上金属层3和复合波导下金属层10的长度均为l=23.1mm，宽度均为w=11.2mm。

10、进一步的，复合波导上金属层3和复合波导下金属层10中t型缝隙的外臂距中线的距离为d1=1.96mm，t型缝隙的臂长为b=5.25mm、臂深为a=3.7mm、臂宽为s=0.45mm。

11、进一步的，上介质基板层5和下介质基板层7的厚度均为h=0.508mm。

12、进一步的，金属短路柱4的直径为d=0.48mm，相邻金属短路柱之间的距离为d2=0.72mm。

13、进一步的，金属地板层6的矩形缝隙宽度为wm=1mm，长度为lm=15.9mm。

14、从工作原理上讲：

15、本发明提供一种三模复合的一分四功分网络，基于基片集成波导结构设计得到复合波导传输线，当在复合波导传输线的金属地板上开设缝隙时，复合波导传输线除了传输标准te10模式外，还增加了两个传输模式，分别为折叠同相te10模式和折叠反相te10模式；由于后两种模式都属于标准te10模式的变形，因此三种传输模式具有相近的截止频率，使得该复合波导可以传输同时传输三种相同频率的模式；又由于三种模式相互正交，可实现良好的模式隔离度，则保证了它们能够同时工作，即实现三模复合。进一步的，在复合波导传输线末端开设缝隙并插入微带线，设计得到复合波导转四路微带线的结构，即实现一分四功分效果；由于三种模式的场分布不同，使得不同模式下单模输出端口（p1、p2、p3和p4）相位具有差异：标准te10模式下，p1和p2输出同相场，p3和p4输出同相场，但是p1、p2与p3、p4输出反相场；折叠反相te10模式下，p1和p3输出同相场，p2和p4输出同相场，但是p1、p3与p2、p4输出反相场；折叠同相te10模式下，p1、p2、p3和p4全部输出同相场。

16、综上，本发明的有益效果在于：提供了一种结构简单的三模复合的一分四功分网络，传输的三种模式不仅能够同时工作，还能够使得四个输出端口具有不同的输出相位，当该功分网络被用于激励天线结构时，有助于实现天线辐射性能多样性。

技术特征：

1.一种三模复合的一分四功分网络，包括：沿z轴方向依次层叠设置的下层金属层、下介质基板层（7）、金属地板层（6）、上介质基板层（5）与上层金属层；其特征在于：

2.根据权利要求1所述三模复合的一分四功分网络，其特征在于，复合波导传输线结构具有三种传输模式，分别为标准te10模式、折叠同相te10模式和折叠反相te10模式；其中，标准te10模式下，输出端口p1和p2输出同相场，输出端口p3和p4输出同相场，输出端口p1与p3输出反相场；折叠反相te10模式下，输出端口p1和p3输出同相场，输出端口p2和p4输出同相场，输出端口p1与p2输出反相场；折叠同相te10模式下，输出端口p1、p2、p3与p4全部输出同相场。

3.根据权利要求1所述三模复合的一分四功分网络，其特征在于，复合波导上金属层（3）和复合波导下金属层（10）的长度均为l=23.1mm，宽度均为w=11.2mm。

4.根据权利要求1所述三模复合的一分四功分网络，其特征在于，复合波导上金属层（3）和复合波导下金属层（10）中t型缝隙的外臂距中线的距离为d1=1.96mm，t型缝隙的臂长为b=5.25mm、臂深为a=3.7mm、臂宽为s=0.45mm。

5.根据权利要求1所述三模复合的一分四功分网络，其特征在于，上介质基板层（5）和下介质基板层（7）的厚度均为h=0.508mm。

6.根据权利要求1所述三模复合的一分四功分网络，其特征在于，金属短路柱（4）的直径为d=0.48mm，相邻金属短路柱之间的距离为d2=0.72mm。

7.根据权利要求1所述三模复合的一分四功分网络，其特征在于，金属地板层（6）的矩形缝隙宽度为wm=1mm，长度为lm=15.9mm。

技术总结
本发明属于微波器件技术领域，具体提供一种三模复合的一分四功分网络，用以在保证器件易于集成的同时实现具有低损耗特性的三模复合一分四功分传输。本发明包括：沿z轴方向依次层叠设置的下层金属层、下介质基板层、金属地板层、上介质基板层与上层金属层，上层金属层、金属地板层与下层金属层通过金属短路柱相连，共同构成复合波导传输线结构；在复合波导传输线结构的金属地板上开设缝隙，使其具有标准TE<subgt;10</subgt;模式、折叠同相TE<subgt;10</subgt;模式和折叠反相TE<subgt;10</subgt;模式三种传输模式，且实现良好的模式隔离度，实现三模复合；同时，在复合波导传输线末端开设T型缝隙并插入微带线，设计得到复合波导转四路微带线的结构，实现一分四功分功能。

技术研发人员：孙凯,马于超,柳家浩,郭俊雷,刘思豪,陈波,杨德强
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13