專利名稱：基于襯底集成波導(dǎo)的小型化功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種微波毫米波混合集成電路和毫米波集成電路中的功率分配/合成系 統(tǒng)，特別是具有功率容量大的襯底集成波導(dǎo)功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)。
背景技術(shù)：
微波功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)是微波毫米波系統(tǒng)中的一個重要器件，起著功率分配和功 率合成的作用。常用的功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)均設(shè)計在矩形波導(dǎo)或者微帶線上。而我們所
熟知的矩形波導(dǎo)具有損耗小，承受功率容量大，Q值高等優(yōu)點，但體積大，難以與平 面電路集成，而現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展則對小型化，集成化具有相當(dāng)高的要求；微帶線則具 有體積小，重量輕，易于集成等優(yōu)點，但是其功率容量小，Q值低，因而在某些方面 的應(yīng)用受到一定的局限。近年來，有學(xué)者提出一種新型的設(shè)計平臺-襯底集成波導(dǎo)，即 通過加工在微帶襯底上的兩排金屬柱，把矩形波導(dǎo)制作到微帶襯底上。這種新型傳輸 線融合了矩形波導(dǎo)和微帶線的優(yōu)點，不僅體積小，重量輕，可承受較高的功率門限， 而且Q值也較高。目前，已經(jīng)有一些微波毫米波的無源或者有源器件被設(shè)計在這種新 型傳輸線上，理論和實驗均表明這些器件具有非常突出的特點，兼具矩形波導(dǎo)器件和 微帶器件的雙重優(yōu)點，因而在微波毫米波混合集成電路以及毫米波集成電路(MMIC)中 得至(J了很大的應(yīng)用，如"Simulation and experiment on SIW slot array antennas," IEEE Microwave and Wireless Comp. Lett, Vol.14, No. 9, 2004, pp446-448以及"Design consideration and performance analysis of substrate integrated waveguide components," 32nd European Microwave conference proceedings, 2002， pp88-884。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種不僅功率分配特性好、隔離度高，而且體積小、重量 輕、易于和其他的平面微波毫米波電路集成的襯底集成波導(dǎo)功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案為 一種基于襯底集成波導(dǎo)的小型化功率分配/合成網(wǎng) 絡(luò)，兩塊疊加的襯底集成波導(dǎo)之間為中間層公共金屬面，在下層襯底集成波導(dǎo)上設(shè)置 兩排平行金屬化過孔，在下層介質(zhì)基板上并位于該兩排平行金屬化過孔兩端的中間位置處分別設(shè)置輸入端口和直通輸出端口 ，在靠近輸入端口處設(shè)置第一帶狀線短階梯阻 抗匹配，在直通輸出端口設(shè)置第二帶狀線長階梯阻抗匹配；上層襯底集成波導(dǎo)上設(shè)置 四排彎曲金屬化過孔，在上層介質(zhì)基板上的一側(cè)分別設(shè)置兩個耦合輸出端口，另一側(cè) 分別設(shè)置兩個隔離端口，在靠近輸入端口的，夂彎曲金屬化過孔兩端的中間位置處分 別設(shè)置第一隔離端口和第一耦合輸出端口，在靠近直通輸出端口的另外兩排彎曲金屬 化過孔兩端的中間位置處分別設(shè)置第二隔離端口和第二耦合輸出端口；所述的第一、 二帶狀線階梯阻抗匹配位于兩排平行金屬化過孔和四排彎曲金屬化過孔之間；在輸入 端口、直通輸出端口、耦合輸出端口和隔離端口分別設(shè)置50歐姆微帶線和中間錐形變 換。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯著優(yōu)點(1)寬壁定向耦合器形式的串型功 率分配/合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計到微帶襯底上，從而融合了傳統(tǒng)的矩形波導(dǎo)和微帶線的雙重優(yōu)點， 體積和重量均大大減小，并具有較高的Q值；(2)其平面結(jié)構(gòu)易于和其他平面電路或 系統(tǒng)連接，微帶線的變換和襯底集成波導(dǎo)的功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)共用同一介質(zhì)襯底，具 有較高程度的集成性，加工簡單，成本低；(3)寬壁耦合采用新穎帶狀線階梯耦合結(jié) 構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有匹配效果好、結(jié)構(gòu)簡介、易加工的優(yōu)點；(4)耦合端口和隔離端口設(shè) 計在不同側(cè)，可以避免更多能量通過微帶過渡相互影響，并且便于實驗測試以及同其 它元件的連接；(5)采用上述結(jié)構(gòu)方案，實驗測試結(jié)果可達到，在11%的帶寬內(nèi)，回 波損耗低于20dB，端口的插入損耗低于0.8dB，輸出幅度不平衡度小于0.7dB，隔離達 20犯。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。


圖1是本發(fā)明基于襯底集成波導(dǎo)的小型化功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)的示意圖。
圖2是本發(fā)明基于襯底集成波導(dǎo)的小型化功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)從襯底集成波導(dǎo)功率
分配/合成網(wǎng)絡(luò)到微帶線的過渡變換結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實施例方式
結(jié)合圖l，本發(fā)明基于襯底集成波導(dǎo)的小型化功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，兩塊疊加的襯 底集成波導(dǎo)之間為中間層公共金屬面14，在下層襯底集成波導(dǎo)13上設(shè)置兩排平行金屬化過孔15、 16，在下層介質(zhì)基板10上并位于該兩排平行金屬化過孔15、 16兩端的中 間位置處分別設(shè)置輸入端口 2和直通輸出端口 5，在靠近輸入端口 2處設(shè)置第一帶狀線 短階梯阻抗匹配8，在直通輸出端口 5設(shè)置第二帶狀線長階梯阻抗匹配9;上層襯底集 成波導(dǎo)1上設(shè)置四排彎曲金屬化過孔17、 18、 19、 20，在上層介質(zhì)基板上的一側(cè)分別 設(shè)置兩個耦合輸出端口3、 4，另一側(cè)分別設(shè)置兩個隔離端口 6、 7，在靠近輸入端口2 的兩排彎曲金屬化過孔17、 18兩端的中間位置處分別設(shè)置第一隔離端口 6和第一耦合 輸出端口3，在靠近直通輸出端口5的另外兩排彎曲金屬化過孔19、 20兩端的中間位 置處分別設(shè)置第二隔離端口 7和第二耦合輸出端口 4;所述的第一、二帶狀線階梯阻抗 匹配8、 9位于兩排平行金屬化過孔15、 16和四排彎曲金屬化過孔17、 18、 19、 20之 間；在輸入端口2、直通輸出端口5、耦合輸出端口3、 4和隔離端口6、 7分別設(shè)置50 歐姆微帶線11和中間錐形變換12，如圖2。
當(dāng)工作頻率為C、 X波段，介質(zhì)基片10的厚度小于lmm,介電常數(shù)范圍為2 10。 上述平行金屬化過孔15、 16和彎曲金屬化過孔17、 18、 19、 20的半徑相等，范圍為 0.2mm 0.6mm，相鄰兩金屬化過孔之間的間距小于等于半徑的4倍，兩排金屬化過孔 之間的間距為10mm 25mm。錐形變換器12的寬邊范圍為2mm 5mm,窄邊為 lmm 2.7mm，微帶線11的寬度與錐形變換器12窄邊相等，微帶線11長度范圍為 4mm 10mm。用帶狀線階梯阻抗匹配實現(xiàn)寬壁耦合，第一帶狀線短階梯阻抗匹配8中 間段匹配長度范圍為7mm 13.5mm，寬度范圍4mm 7mm，側(cè)段匹配長度范圍0.7 1.4mm，寬度范圍8mm 13.7mm;第二帶狀線長階梯阻抗匹配9中間段匹配長度范圍 9mm 16.4mm,寬度范圍4mm 6.3mm，側(cè)段匹配長度范圍1.7mm 3.1mm，寬度 7mm 12.3mm。
實施例。結(jié)合圖1，本發(fā)明基于襯底集成波導(dǎo)的小型化功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，襯底 集成波導(dǎo)由制作在介質(zhì)基板IO上的兩排金屬柱構(gòu)成。金屬化過孔的半徑為0.3mm，相 鄰兩金屬化過孔之間的間距為1.2mm，兩排金屬化過孔之間的間距為16mm。介質(zhì)基 板的厚度為0.8mm,介電常數(shù)為2.65，工作頻段為7.7GHz 8.6GHz。下層襯底集成波 導(dǎo)13上設(shè)置的兩排平行金屬化過孔15、 16間距，上層襯底集成波導(dǎo)1上設(shè)置的兩排
5彎曲金屬化過孔17、 18，以及兩排彎曲金屬化過孔19、 20間距均為16mm。輸入端口 2和直通輸出端口 5之間的距離為140.6mm,兩個耦合輸出端口 3、 4之間的距離為 54mm,兩個隔離端口 6、 7之間的距離為49.2mm?；谝r底集成波導(dǎo)的小型化功率分 配/合成網(wǎng)絡(luò)是用帶狀線階梯阻抗匹配的形式實現(xiàn)耦合的，第一帶狀線短階梯阻抗匹配 8中間段匹配長度11.6mm,寬度6.2mm,側(cè)段匹配長度lmm，寬度11.8mm;第二帶狀 線短長階梯阻抗匹配9中間段匹配長度13.2mm，寬度5.4mm，側(cè)段匹配長度2.1mm， 寬度10.2mm。
為了便于和其他平面電路和系統(tǒng)連接，本發(fā)明特別設(shè)計了到50歐姆微帶線的變換， 而且該變換和襯底集成波導(dǎo)功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)共用同一介質(zhì)襯底基板10,厚度為 0.8mm,介電常數(shù)為2.56mm。其中50歐姆微帶線11的寬度為2.2mm。中間錐形變 換11的寬邊為4.3mm，窄邊為2.2mm，長度為6.3mm。
用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀HP8510C測試的結(jié)果表明本發(fā)明提出的基于襯底集成波導(dǎo)的 小型化功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)在11%的帶寬內(nèi)，回波損耗低于20dB,端口的插入損耗低于 0.8dB,輸出幅度不平衡度小于0.7dB，輸出端口隔離達20dB，總體積(含微帶轉(zhuǎn)換) 為140.6mm*49.8mm*1.6mm。
權(quán)利要求
1、一種基于襯底集成波導(dǎo)的小型化功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，其特征在于兩塊疊加的襯底集成波導(dǎo)之間為中間層公共金屬面[14]，在下層襯底集成波導(dǎo)[13]上設(shè)置兩排平行金屬化過孔[15、16]，在下層介質(zhì)基板[10]上并位于該兩排平行金屬化過孔[15、16]兩端的中間位置處分別設(shè)置輸入端口[2]和直通輸出端口[5]，在靠近輸入端口[2]處設(shè)置第一帶狀線短階梯阻抗匹配[8]，在直通輸出端口[5]設(shè)置第二帶狀線長階梯阻抗匹配[9]；上層襯底集成波導(dǎo)[1]上設(shè)置四排彎曲金屬化過孔[17、18、19、20]，在上層介質(zhì)基板上的一側(cè)分別設(shè)置兩個耦合輸出端口[3、4]，另一側(cè)分別設(shè)置兩個隔離端口[6、7]，在靠近輸入端口[2]的兩排彎曲金屬化過孔[17、18]兩端的中間位置處分別設(shè)置第一隔離端口[6]和第一耦合輸出端口[3]，在靠近直通輸出端口[5]的另外兩排彎曲金屬化過孔[19、20]兩端的中間位置處分別設(shè)置第二隔離端口[7]和第二耦合輸出端口[4]；所述的第一、二帶狀線階梯阻抗匹配[8、9]位于兩排平行金屬化過孔[15、16]和四排彎曲金屬化過孔[17、18、19、20]之間；在輸入端口[2]、直通輸出端口[5]、耦合輸出端口[3、4]和隔離端口[6、7]分別設(shè)置50歐姆微帶線[11]和中間錐形變換[12]。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于襯底集成波導(dǎo)的小型化功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，其特征 在于工作頻率為C、 X波段，介質(zhì)基片[10]的厚度小于lmm,介電常數(shù)范圍為2 10。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于襯底集成波導(dǎo)的小型化功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，其特征 在于平行金屬化過孔[15、 16]和彎曲金屬化過孔[17、 18、 19、 20]的半徑相等，范圍 為0.2mm 0.6mm，相鄰兩金屬化過孔之間的間距小于等于半徑的4倍，兩排金屬化過 孔之間的間距為10mm 25mm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于襯底集成波導(dǎo)的小型化功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，其特征 在于錐形變換器[12]的寬邊范圍為2mm 5mm，窄邊為lmm 2.7mm，微帶線[ll] 的寬度與錐形變換器[12]窄邊相等，微帶線[ll]長度范圍為4mm 10mm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于襯底集成波導(dǎo)的小型化功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，其特征 在于用帶狀線階梯阻抗匹配實現(xiàn)寬壁耦合，第一帶狀線短階梯阻抗匹配[8]中間段匹配 長度范圍為7mm 13.5mm,寬度范圍4mm 7mm，側(cè)段匹配長度范圍0.7 1.4mm，寬 度范圍8mm 13.7mm;第二帶狀線長階梯阻抗匹配[9]中間段匹配長度范圍9mm 16.4mm,寬度范圍4mm 6.3mm，側(cè)段匹配長度范圍1.7mm 3.1mm，寬度7mm 12.3mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于襯底集成波導(dǎo)的小型化功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)。該分配/合成網(wǎng)絡(luò)在上下兩層襯底集成波導(dǎo)之間，經(jīng)過中間層公共金屬面耦合處，從下層介質(zhì)板耦合能量到上層金屬板，耦合處采用帶狀線階梯匹配的形式，耦合端口和隔離端口分別設(shè)置在兩側(cè)，便于測試與工程實際應(yīng)用。本發(fā)明具有功率分配特性好、隔離度高，體積小、重量輕、易于和其他的平面微波毫米波電路集成的顯著優(yōu)點。
文檔編號H01P3/00GK101494311SQ20081001879
公開日2009年7月29日 申請日期2008年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月25日
發(fā)明者劉洞天, 朱忠博, 超 李, 磊 汪, 超 王, 董士偉, 車文荃, 偉 馬 申請人:南京理工大學(xué)