一种宽带紧凑型基片集成径向波导功分器设计

朱 杨，张福顺

(1.华东电子工程研究所，合肥 230088；2.西安电子科技大学，西安 710071)



一种宽带紧凑型基片集成径向波导功分器设计

朱 杨1，张福顺2

(1.华东电子工程研究所，合肥 230088；2.西安电子科技大学，西安 710071)

分别设计了一分四和一分八的宽带紧凑型基片集成径向波导(SIRW)功分器，通过馈电探针的阶梯化方式，使常规一分四和一分八SIRW功分器在回波损耗小于-15dB条件下的相对工作带宽由原先的6%和15%分别提高至58%和61%，仿真得到的带内插耗分别在-6.25dB和-9.25dB以内。为了验证仿真数据的准确性，对一分四功分器进行了测试，测试结果性能良好，满足工程使用要求。

宽带功分器；小型化；基片集成波导；径向波导

0 引 言

功分器在微波设计中有着广泛的应用，随着现代微波系统对其微波无源模块集成度和工作带宽需求的日益提升，设计出宽带低损耗、小体积、易集成的高性能功分器已逐渐成为微波工程师们急需攻克的关键技术之一。

基片集成波导(SIW)技术由于具有平面化、高Q值、低损耗、易集成等性能优势，已经逐渐发展成为解决功分器上述设计问题的主要研究方向之一。SIW技术由蒙特利尔大学的吴柯教授首次提出[1]。SIW是一种在双面金属覆层的介质基板上，通过大量紧密而规则排列的金属化过孔对基板中电磁波传播产生空间约束效果的技术，在轻薄、低廉、易加工的介质基板上实现了传统金属波导的相似功能，具有高Q值、低损耗等特点，可应用于微波毫米波电路中有无源功能模块的小型化、一体化集成设计。

从目前已报道的文献看，基于SIW技术的功分器设计主要集中于矩形基片集成波导(RSIW)传输线这一基本类型[2-4]。在多路功分情况下，RSIW功分器通常是通过N级一分二功分器的级联方式实现2N路功分输出[4]。由于RSIW传输线具有类似金属波导的主模传输频率截止特点，这种级联方式通常会造成功分器尺寸较大，插入损耗相应较高。

基于上述情况，东南大学的朱红兵提出了一种单级多路功分的梳状RSIW功分器设计[5]。通过在RSIW波导传输线中不同位置引入感性金属柱，实现单级多路功分。由于感性金属柱等效电抗的相对带宽有限，以及输出节点间传输线物理长度上的频域色散效应，造成该型SIW功分器的工作带宽受限且难以在宽带内同相输出。电子科技大学的宋开军利用基片集成径向波导(SIRW)的全向柱面横向电磁波(TEM)传输模特性，提出了单级多路同相输出的SIRW功分器设计理念，并设计了相对工作带宽分别为6%和15%(回波损耗小于-15dB)的一分四[6]和一分八SIRW功分器[7]，工作带宽相对较窄。

本文基于SIRW功分器的工作原理，通过馈电探针的阶梯化，设计出相对带宽分别为58%和61%的一分四和一分八SIRW波导功分器。相比原始设计，功分器的相对带宽得到了较大改善，在避免传统印刷带线功分器由于半开放结构带来的辐射损耗等问题的同时，解决了多路功分下SIW功分器的宽带小型化、低损耗问题。

1 工作原理

1.1 径向波导工作特性

径向波导结构是由上下2个金属圆片构成，如图1所示。馈电位置在图中圆心O处，电场方向为+Z/-Z轴方向。电磁波在上下金属圆片的作用下，以平板模式沿径向传播。由于径向波导电磁边界条件的旋转对称性，这里使用柱坐标系对波导中的电磁场加以描述。以图1中的柱坐标系为例，波导内电磁场关系为：

(1)

图1 径向波导结构示意图

化简上式，消去Er和Hr，变成不包含纵向分量的横向传输线方程：

(2)

当高度b小于半波长时，径向波导中只存在柱面TEM波单模传输，沿径向方向的电磁场分量为零，其电场和磁场分量为：

(3)

1.2 径向波导功分器工作原理

从上节的分析可以看出，在径向波导中心处通过同轴探针馈电输入可以激励起柱面TEM波，如图2所示。

图2 径向波导中TEM波的场分布图

利用柱面TEM波的旋转对称性，在以输入同轴探针为圆心的圆周上均匀设置多个同轴探针用以能量耦合输出，可以实现等幅同相功率分配特性。

1.3 宽带SIRW功分器的设计

根据1.2节中所述的径向波导功分器工作原理，利用SIW技术实现径向波导功分器的小型化和平面化，分别设计出了一分四和一分八的SIRW功分器，其结构示意图如图3所示。

图3 宽带SIRM功分器结构示意图

功分器采用双层厚度均为h、相对介电常数为2.65、损耗正切为0.003的介质基板。上层基板的上表面和下层基板的下表面采用金属化腐蚀加工；在基板周边，通过一圈圆形排布的金属化通孔构成SIW圆形谐振腔，圆弧半径为R。图中的端口1为馈电输入端口，位于介质基板中心；在离端口1间距为Rp的圆周上等角分布着4个或者8个输出端口。由于径向波导中传输的TEM模没有截止工作频率，因此SIRM功分器的工作带宽主要受到2个因素影响：一是馈电同轴探针的耦合带宽；二是呈半径R分布的金属化孔壁与输出端口之间的驻波效应。

本文基于基板加工工艺，通过改进馈电同轴探针的结构形式，提出了一种阶梯型同轴探针，利用双层介质基板分别设计了一分四和一分八的宽带SIRW功分器。阶梯型同轴探针的结构形式如图4所示。

图4 阶梯型同轴探针结构示意图

从图4中看出，在双层介质基板分界面引入了一个直径为D的金属圆盘，圆盘与介质基板金属表面之间由一圈8个金属化通孔实现短路连接，从而构成了同轴探针的阶梯型结构。经过工作带宽的优化设计后，一分四和一分八的宽带SIRW功分器具体结构尺寸见表1。

表1 宽带SIRW功分器的结构尺寸(单位：mm)

2 仿真与测试结果

使用HFSS14.0全波电磁仿真软件对上述2种宽带SIRW功分器的电性能进行建模仿真分析，得到其S参数仿真结果。

图5为一分四SIRW功分器反射系数和传输系数的仿真数据图。从图中可以看出，一分四SIRW功分器的输入端口反射系数|S11|在7.3～13.2GHz内小于-15dB，输出功率平衡度在-6.15±0.1dB以内，插入损耗小于0.25dB，工作相对带宽达到了58%。

图5 一分四SIRW功分器反射系数和传输系数的仿真结果

图6为一分四SIRW功分器传输相位的仿真数据图。从图中可以看出，在7.3～13.2GHz内功分器为等相输出，传输相位在带内呈线性变化。由于受益于功分网络结构的对称性，输出相位差也很小。

图7为一分八SIRW功分器反射系数和传输系数的仿真数据图。从图中可以看出，一分八SIRW功分器输入端口的反射系数|S11|在6.6～12.4GHz内小于-15dB，输出功率平衡度在-9.15±0.1dB以内，插入损耗小于0.25dB，工作相对带宽达到了61%。图8为一分八SIRW功分器传输相位的仿真数据图。从图中可以看出，在6.6～12.4GHz内功分器为等相输出，传输相位在带内呈线性变化，输出相位差很小。

图6 一分四SIRW功分器传输相位的仿真结果

图7 一分八SIRW功分器反射系数和传输系数的仿真结果

图8 一分八SIRW功分器传输相位的仿真结果

为了验证仿真结果的准确性和可信度，加工了一个一分四SIRW功分器的试验样件，利用矢量网络分析仪对该功分器进行了性能测试，测试结果如图9～图10所示。图9为功分器S参数幅度测量结果，实测数据表明一分四SIRW功分器输入端反射系数小于-15dB的工作带宽为7.5～14GHz，输出功率平衡度在-6.6dB±0.1dB以内，带内插入损耗小于0.6dB，相对带宽达到了60%。图10为功分器传输相位测试结果，测试数据表明工作频带内输出端口相位差在±4以内。对比仿真结果，功分器工作频率和插入损耗的测试结果有轻微差别，其原因可能是采用国产介质基板，其介电常数和损耗正切与仿真条件有所差异造成。实测结果相比仿真结果一致性较好，功分器S参数测试性能良好，可以工程应用。

图9 一分四SIRW功分器反射系数和传输系数的测试结果

图10 一分四SIRW功分器传输相位的测试结果

3 结束语

本文基于SIW技术和径向波导功分器原理，通过改进常规同轴馈电探针结构形式，提出了一种宽带、紧凑型、低插损单级多路功分器设计，其工作带宽相比于原始设计带宽得到了极大的展宽，功分输出特性良好，且易于集成，满足工程应用要求。

[1]DESLANDESD,WUK.Integratedmicrostripandrectangularwaveguideinplanarform[J].MicrowaveandWirelessComponentsLetters,IEEE,2001,11(2):68- 70.

[2]KARIMABADISS,ATTARIAR.Broadbandsubstrateintegratedwaveguidefour-waypowerdivider[C]//6thInternationalSymposiumonTelecommunications(IST),2012:80-83.

[3]ZOUMY,YINZF,SHAOZH.DesignofKa-bandsubstrateintegratedwaveguidepowerdividers/combiners[C]//2011InternationalConferenceonComputationalProblem-Solving,2011:361-363.

[4]HAOZC,HONGW,LIH.Multiwaybroadbandsubstrateintegratedwaveguide(SIW)powerdivider[C]//5thIEEEConferenceonNanotechnology,2005:639- 642.[5] 朱红兵，洪伟，汤红军.紧凑型基片集成波导功率合成放大器研制[J].电子学报,2010(9):2158-2161.

[6]SONGK,FANY,ZHANGY.Radialcavitypowerdividerbasedonsubstrateintegratedwaveguidetechnology[J].ElectronicsLetters,2006,42(19):1100-1101.

[7]SONGKJ,FANY,ZHANGYH.Eight-waysubstrateintegratedwaveguidepowerdividerwithlowinsertionloss[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2008,56(6):1473-1477.

DesignofAWidebandCompactRadialWaveguidePowerDividerBasedonIntegratedSubstrateWaveguideTechnology

ZHUYang1，ZHANGFu-shun2

(1.EastChinaResearchInstituteofElectronicEngineering,Hefei230088,China；2.XidianUniversity,Xi'an710071,China)

Thispaperdesignsthefour-wayandeight-waybroadbandcompactsubstrateintegratedradialwaveguide(SIRW)powerdividersrespectively,bymeansofsteppedfeedprobe,makestherelativeoperatingbandwidthofgeneralfour-wayandeight-waySIRWpowerdividersincreasefrom6%and15%to58%and61%respectivelywhenthereturnlossislessthan-15dB,andthesimulatedintra-bandinsertionlossesarebetterthan-6.25dBand-9.25dBrespectively.Totestifytheveracityofsimulateddata,atestforfour-waySIRWpowerdividerisperformed.Thetestresultsshowthattheperformanceisgoodandcansatisfiestheengineeringapplicationrequirement.

widebandpowerdivider;miniaturization;integratedsubstratewaveguide;radialwaveguide

2015-12-16

TN

B

CN32-1413(2016)03-0098-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.025