基于基片集成波导的均衡器的制作方法

1.本实用新型涉及均衡器技术领域，具体涉及一种基于基片集成波导的均衡器。


背景技术：

2.均衡器经常用于无线通信系统中矫正传输信道的幅频特性，或者用于雷达系统中抑制发射/接收机的信号畸变。传统的均衡器设计主要基于腔体谐振器、阶跃阻抗枝节线、同轴电缆等。均衡器对不同频段、不同产品、不同工作环境都有特殊需求，很难用一般性理论和设计方法来解决所有问题。所以，往往需要构建优化的物理模型去仿真计算以弥补理论上的不足。增加均衡器衰减幅度的可调节范围，降低生产成本，是均衡器设计领域的永恒追求。


技术实现要素：

3.均衡器经常用于无线通信系统中矫正传输信道的幅频特性，或者用于雷达系统中抑制发射/接收机的信号畸变。传统的均衡器设计主要基于腔体谐振器、阶跃阻抗枝节线、同轴电缆等。这些实现方式尺寸较大，难以与其他射频器件进行集成。基片集成波导(substrateintegratedwaveguide，简称siw)技术2003年被首次提出，它提供了一种可以显著缩小谐振腔体积的手段，并在工作带宽和插入损耗方面有良好表现，如今siw技术广泛应用于滤波器设计。
4.目前，siw滤波器逐渐被用于微波/毫米波均衡器设计。例如，2017年,d.zhang等人(d.zhang,q.liu,d.zhou,s.wangandy.zhang,"againequalizerbasedondual
‑
modecircularsubstrateintegratedwaveguideresonators,"ieeemicrow.wirelesscompon.lett.,vol.27,no.6,pp.539
‑
541,june2017.)基于双模圆形siw谐振器设计了均衡器，相比于传统的单模siw谐振腔具有更加紧凑的尺寸。2020年,haopeng等人(h.pengetal.,"substrateintegratedwaveguideequalizersandattenuatorswithsurfaceresistance,”ieeetrans.micro.theorytechn.,vol.68,no.4,pp.1487
‑
1495,april2020.)基于表面阻抗设计一款新颖的siw均衡器，具有更好的信道响应。但总的来说，目前基于siw或者fsiw(foldedsubstrateintegratedwaveguide，折叠基片集成波导)来设计均衡器的技术还是存在一些不足之处。
5.相关技术之中，均衡器的体积较大，导致其占用空间较大，且在毫米波频段，均衡器存在不可调的问题。
6.本实用新型为了解决上述技术问题，提供了一种基于基片集成波导的均衡器。
7.本实用新型采用的技术方案如下：
8.本实用新型实施例提出了一种基于基片集成波导的均衡器，包括：由上到下依次堆叠设置的第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、第四介质基板，微带传输线、电阻器及fsiw谐振器，其中，
9.所述微带传输线设置在所述第一介质基板上，所述第一介质基板、第二介质基板、
第三介质基板及第四介质基板的中心位置处设置有金属过孔，所述电阻器分别连接所述微带传输线与所述第一介质基板上的所述金属过孔；
10.所述fsiw谐振器包括：顶层介质基板、底层介质基板及设置在二者之间的中间层金属层，所述顶层介质基板与所述底层介质基板叠合放置且相互贴合，所述顶层介质基板的上表面设置有顶层金属层，所述底层介质基板的下表面设置有底层金属层，所述顶层介质基板与所述底层介质基板上均设置有一组金属通孔；
11.所述第三介质基板处设置有所述顶层介质基板及所述顶层金属层，所述第四介质基板处设置有所述底层介质基板、所述底层金属层及所述中间层金属层。
12.另外，根据本实用新型上述实施例提出的基于基片集成波导的均衡器还可以具有如下附加的技术特征：
13.根据本实用新型的一个实施例，基于基片集成波导的均衡器，还包括：调节螺杆，所述调节螺杆从所述第四介质基板的底部插入所述第四介质基板。
14.根据本实用新型的一个实施例，所述fsiw谐振器的长度为a、且宽度为 a/2，其中a的范围为2mm～3mm。
15.根据本实用新型的一个实施例，所述均衡器的传输响应与所述电阻器的阻值有关，所述电阻器的阻值越小，所述传输响应的衰减越小。
16.根据本实用新型的一个实施例，所述均衡器的谐振频率与所述调节螺杆插入所述第四介质基板的深度有关，所述调节螺杆插入所述第四介质基板的深度越小，所述谐振频率越低。
17.根据本实用新型的一个实施例，所述均衡器的谐振频率与所述中间层金属层的拉开长度有关，所述中间金属层的拉开长度越大，所述谐振频率越高。
18.根据本实用新型的一个实施例，所述第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板及第四介质基板的材料为介电常数为3的taconic rf
‑
30材料。
19.根据本实用新型的一个实施例，所述所述微带传输线的输入、输出端口的特性阻抗为50欧姆。
20.根据本实用新型的一个实施例，所述均衡器的工作频段为29ghz～34ghz。
21.根据本实用新型的一个实施例，所述均衡器在所述工作频段上实现
ꢀ‑
12db～
‑
2db的增益控制。
22.本实用新型实施例的技术方案，将微带传输线和fsiw结合起来构成均衡器，可以在性能不变的前提下减小均衡器的体积，同时还可以在毫米波频段调节均衡器的传输响应。
附图说明
23.图1(a)为本实用新型一个实施例的siw结构的方形谐振器的示意图。
24.图1(b)为本实用新型一个实施例的siw谐振器的等效电路图。
25.图2为本实用新型一个实施例的基于基片集成波导的均衡器的结构分解图。
26.图3为本实用新型一个实施例的fsiw谐振器的结构示意图。
27.图4为本实用新型一个实施例的基于基片集成波导的均衡器的整体示意图。
28.图5为本实用新型一个实施例的均衡器的内部的模拟电场分布图。
29.图6为本实用新型一个实施例的均衡器的传输响应衰减随着电阻器的阻值变化的示意图。
30.图7为本实用新型一个示例的均衡器的插入的调节螺杆的透视图。
31.图8为本实用新型一个示例的均衡器的传输响应深度随着调节螺杆插入深度变化的示意图。
32.图9为本实用新型一个示例的均衡器的传输响应深度随着中间层金属层的拉开长度变化的示意图
33.图10为本实用新型一个示例的三个均衡器级联时仿真和目标传输曲线示意图。
具体实施方式
34.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
35.图1(a)所示为一正方形siw谐振器，其上下层皆为金属层，中间是介质衬底，周边是金属通孔。siw谐振器的电磁特性与普通的矩形波导谐振器基本一致。由于siw谐振器很薄，因此只有tem0n模存在，谐振频率可以从如下公式中得到：
[0036][0037][0038]
式(1)和式(2)中c0是真空中光速,ε
r
是衬底材料的相对介电常数，p为相邻两个金属过孔(也可称为金属通孔)之前的距离，a、b分别是谐振腔的宽度和长度，a
eff
、b
eff
分别是谐振腔的等效宽度和等效长度。
[0039]
在本实用新型实施例中，a
eff
等于b
eff
。siw谐振器的等效电路模型可简化为如图1(b)，siw谐振器的等效电路模型可以简化为由电阻r、电感l和电容c组成的电路图，该电路图的结构如图1(b)所示。该模型的频率响应可表示为
[0040][0041]
式(3)中，z0是直通线的特性阻抗，ω是工作频率。
[0042]
在本实用新型实施例中，siw谐振腔的尺寸大小可从式(1)中获得，siw 谐振腔中心频率是f0＝31ghz，a＝b。然后，将谐振腔体对折，得到fsiw谐振器。
[0043]
基于fsiw谐振器，本实用新型实施例提出了一种基于基片集成波导的均衡器，将微带传输线和fsiw结合起来构成均衡器，可以在性能不变的前提下减小均衡器的体积，同时还可以在毫米波频段调节均衡器的传输响应。
[0044]
图2为本实用新型一个实施例的基于基片集成波导的均衡器的结构分解图。
[0045]
如图2所示，该基于基片集成波导的均衡器包括：由上到下依次堆叠设置的第一介
质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3、第四介质基板4，微带传输线5、电阻器6及fsiw谐振器7。
[0046]
其中，微带传输线5设置在第一介质基板1上，第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3及第四介质基板4的中心位置处设置有金属过孔8，金属过孔8的作用是让微波耦合至下方的fsiw结构中进行谐振，电阻器6 分别连接微带传输线与第一介质基板1上的金属过孔；如图3所示，fsiw谐振器7包括：顶层介质基板71、底层介质基板73及设置在二者之间的中间层金属层72，顶层介质基板71与底层介质基板73叠合放置且相互贴合，顶层介质基板71的上表面设置有顶层金属层70，底层介质基板73的下表面设置有底层金属层74，顶层介质基板71与底层介质基板73上均设置有一组金属通孔，图3中的w为中间层金属层与第四介质基板边缘间的距离；参照图2，第三介质基板3处设置有顶层介质基板71及顶层金属层70，第四介质基板4 处设置有底层介质基板73、底层金属层74及中间层金属层72。
[0047]
也就是说，如图4所示，该实施例中的均衡器包括四层，第一介质基板1 所在的第一层用于放置微带传输线5，第二介质基板2所在的第二层用于分离 fsiw和微带直通线通线，使微带传输线5上的微波信号只从金属过孔进入下层，而不是从其他地方进入，实现更好的隔离作用，第三介质基板3所在的第三层及第四介质基板4所在的第四层分别是fsiw的上下层。如此，siw的体积减小到原来尺寸的50％。图5进一步示出了本实用新型实施例均衡器的内部的模拟电场分布，电磁场通过金属过孔耦合到上fsiw腔中，并以半 te101模振荡。te101模的另一半耦合到下折叠腔中。
[0048]
其中，fsiw谐振器的腔体长度为a、且宽度为a/2，其中a的范围为2mm～3mm，例如，a＝2.8mm。
[0049]
本实用新型实施例中，为了改变均衡器的传输曲线深度，在微带传输线5 和谐振腔之间的耦合线上放置电阻器6，电阻器6在第一层上连接微带传输线 5与金属过孔，实现吸收与传递电磁波的作用。图6示出了具有不同电阻阻值的传输曲线(s21)，随着电阻阻值的增大，耦合到谐振腔中的电磁场减小，从而降低了传输衰减。也即，均衡器的传输响应与电阻器6的阻值有关，电阻器的阻值越小，传输响应的衰减越小。
[0050]
由此，将微带传输线和fsiw结合起来构成均衡器，可以在性能不变的前提下减小均衡器的体积，同时还可以在毫米波频段调节均衡器的传输响应。
[0051]
在本实用新型的一个示例中，基于基片集成波导的均衡器，还可包括：调节螺杆，调节螺杆从第四介质基板4的底部插入第四介质基板4。
[0052]
具体地，传输响应也可以通过从底部到第四层(第四介质基板4)插入螺钉来调节。图7示出了插入调节螺杆的透视图，图8示出均衡器的传输系数随螺钉的插入深度而变化，可见，随着深度的增加，等效电容增大，从而导致谐振频率左移。
[0053]
在本实用新型的一个示例中，均衡器的谐振频率与调节螺杆插入第四介质基板的深度有关，调节螺杆插入第四介质基板的深度越小，谐振频率越低。
[0054]
在一个示例中，均衡器的谐振频率与中间层金属层的拉开长度w(是指第四层上，中间层金属层与第四介质基板边缘的距离)有关，中间金属层的拉开长度w越大，所述谐振频率越高。
[0055]
该示例中，通过改变电阻器的阻值、调节螺杆的插入深度和/或中间层金属层的拉开长度，来改变均衡器的谐振频率，改变谐振频率就可以改变均衡器的传输响应(曲线)，从
而实现对均衡器传输响应的调节。
[0056]
本实用新型的均衡器，其第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板及第四介质基板的材料可为介电常数为3的taconic rf
‑
30材料。微带传输线5的输入、输出端口的特性阻抗为50欧姆。均衡器的工作频段为29ghz～34ghz。均衡器在工作频段上实现
‑
12db～
‑
2db的增益控制。
[0057]
本实用新型中提出的可调均衡器，其工作频段为29～34ghz。其尺寸是基于siw技术的均衡器的50％。均衡器中的直通线是特性阻抗为50欧姆的微带线，其幅频响应可通过调节腔体上的螺丝进入腔体的深度，或者推/拉fsiw 中间层金属层的位置进行改变。该均衡器在整个工作频段上可实现
‑
12～
‑
2db 的增益控制。
[0058]
需要说明的是，通过级联多个本实用新型实施例的基于基片集成波导的均衡器，可以获得更高的衰减和复杂的传输响应。图10中的插图示出了三级联均衡器，其可以实现特定的传输特性(图10中的虚线
‑
点线)。仿真结果表明，该均衡器可以在较大的带宽上实现12db左右的增益控制，从而解决了毫米波频段，大部分均衡器不可调的难点问题。
[0059]
综上所述，本实用新型实施例的基于基片集成波导的均衡器，满足一定的传输响应，进一步减小系统的总体积，相比于传统的截止基片波导均衡器，本均衡器在性能不变的前提下减小了50％占用空间。而且，本实用新型实施例的均衡器实现该均衡器可调谐性的方法有三种：改变阻抗、缩短/延长中间层金属层与第四介质基板边缘间的距离和插入调节螺杆，可以保证均衡器的可调谐性。
[0060]
在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0061]
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0062]
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0063]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0064]
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。