（电磁场与微波技术专业论文）新型波导—微带线功率分配器的设计与应用.pdf

， k i 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：电磁场与微波技术 研究方向：移动通信与射频技术? 作者： 指导教师： 题 仇智 程勇副教授 目：新型波导一微带线功率分配器的设计与应用 英文题目：n o v e lw a v e g u i d et om i c r o s t r i pl i n e sp o w e r d i v i d e rd e s i g na n da p p li c a ti o n 主题词：波导；微带线；变换器；功率分配器；缝隙耦合 k e y w o r d s ：w a v e g u i d e ；m i c r o s t r i pl i n e ；t r a n s i t i o n ；p o w e r d i v i d e r ； s l o tc o u p l i n g 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 本文主要研究了一类利用微带贴片辐射原理进行设计的波导一微带线变换以及功率 分配器结构。提出了贴片直接耦合式的四路功率分配器、缝隙耦合式的同向二路功率分配 器以及缝隙耦合式的四路功率分配器三种新型的波导一微带线功率分配器形式。其中对缝 隙耦合式同向二路功率分配器结构进行了较为详细的参数讨论，设计并加工了一工作中心 频率为1 2 5 g h z 的实例。实测结果显示，所设计的功率分配器在中心频率处的反射系数达 到了- 3 0 d b 以下，对于各微带的传输系数均保持在- 4 d b 以上，带宽约为8 0 l h z ( 6 3 ) ， 具有良好的传输特性。 利用缝隙耦合式同向二路功率分配器作为馈电网络，设计了一个由波导馈电的串行角 馈贴片阵列天线。该阵列天线的工作中心频率为1 2 5 g h z ，具有分为两列的1 2 个方形角馈 贴片单元，并采用均匀馈电作为馈电方式。经过仿真优化后，该阵列的最大增益达到了 1 8 2 8 d b i ，其旁瓣电平均在一1 3 d b 以下，交叉极化电平均被抑制在一2 0 d b 以下。中心频率 处的端口反射系数则达到了一3 0 d b 以下。上述结果完全满足预期指标要求。 关键字：波导；微带线；变换器；功率分配器；缝隙耦合 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a f o u r 。w a yw a v e g u i d et om i c r o s t r i pl i n e sp o w e rd i v i d e ru s i n gp a t c hd i r e c tc o u p l i n g ，a n e q u i d i r e c t i o n a lt w o 。w a yw a v e g u i d e t om i c r o s t r i pl i n e sp o w e rd i v i d e ru s i n gs l o tc o u p l i n ga n da f o u r - w a yw a v e g u i d et om i c r o s t r i pl i n e sp o w e rd i v i d e ra r ep r o p o s e di nt h i st h e s i s as a m p l eo ft h e e q u i - d i r e c t i o n a lt w o - w a yp o w e rd i v i d e rt h a tw o r k i n ga tac e n t e rf r e q u e n c yo f12 5 g h zw a s d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d t h em e a s u r e m e n tr e s u l t ss h o w nt h a tt h ep o w e rd i v i d e rh a da r e f l e c t i o nc o e f f i c i e n tt h a tb e l o w 一3 0 d ba tt h ec e n t e rf r e q u e n c yo f1 2 5 g h z t h eb a n d w i d t ho ft h e r e t u ml o s sb e l o w - 15 d ba c h i e v e da b o u t8 0 0 m h z ( 6 3 ) ，o v e rw h i c ht h et r a n s m i s s i o nc o e f f i c i e n t o f e a c hm i c r o s t r i pl i n ek e p ta b o v e 一4 d b a w a v e g u i d e f e dm i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n aa r r a yi sa l s op r o p o s e d ，u s i n gt h ee q u i d i r e c t i o n a l t w o w a yw a v e g u i d et om i c r o s t r i pl i n e sa si t sf e e dn e t w o r k t h i sa n t e n n aa r r a yi sc o m p o s e do f t w os e r i e sf e dl i n e a ra r r a y s ，e a c ho ft h e mh a v e6c o m e r f e ds q u a r ep a t c h e s ，a n da l lt h ep a t c h e s a r ee x c i t e di nau n i f o r mw a y t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r e s e n t e dt h a tt h em a x i m u m g a i na c h i e v e d 18 2 8 d b i ，w h i l et h el e v e lo fs i d el o b e sw e r ek e p tb e l o w 一13 d b t h ec r o s sp o l a r i z a t i o nl e v e li s s u p p r e s s e db e l o w 一2 0 d b k e y w o r d s ：w a v e g u i d e ；m i c r o s t r i pl i n e ；t r a n s i t i o n ；p o w e rd i v i d e r ；s l o tc o u p l i n g i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 目录 摘要兽i a b s t r a c t i i 目j 素i i i 第一章绪论：1 1 1 研究背景与意义l 1 2 本文主要工作2 1 3 内容安排2 第二章波导一微带线变换器概述4 2 1 前言4 2 2 矩形波导和微带线的基本结构及场分布特性4 2 2 1 矩形波导结构及场分布特性4 2 2 2 微带传输线结构及场分布特性5 2 3 常见波导一微带线变换器设计_ 6 2 3 1 场渐变原理设计方法6 2 3 2 场激发原理设计方法9 2 3 3 微带贴片天线辐射原理设计方法1 0 2 4 本章小结：l3 第三章贴片直接耦合式四路功率分配器设计1 4 3 1 前言1 4 3 2 基本变换器研究1 4 3 3 反向二路功分器研究1 6 3 4 同向二路功分器研究1 8 3 5 四路功分器设计1 9 3 6 本章小结2 l 第四章缝隙耦合式功率分配器设计2 2 4 1 前言2 2 4 2 基本变换器研究2 2 4 3 反向二路功分器设计2 5 4 4 同向二路功分器设计2 7 4 4 1 各参数对工作频率的影响：3 0 4 4 2 各参数对系统阻抗匹配性能的影响3 l 4 5 四路功分器设计3 5 4 6 本章小结3 6 第五章基于波导馈电的同向角馈微带阵列设计3 7 5 1 前言3 7 5 2 设计步骤3 7 5 3 微带串行角馈阵列设计3 8 i i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 5 4 基于波导馈电的同向串行角馈微带阵列设计4 4 5 5 本章小结4 6 第六章工作总结与课题展望4 7 致谢一4 9 参考文献5 0 硕士阶段公开发表的论文5 2 i v 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 现今社会中，雷达传感器类器件被广泛应用在民用和军事领域n 1 ，如防盗系统，交通 领域中的防撞系统以及军事上的导弹雷达系统等。 雷达传感器的前端调制模块通常由位于器件表面传感器头部的天线和位于器件内部 的微波电路所组成。例如车载雷达感应器一般由下面部分构成：一个放置在传感器开放端 的天线口1 及其内部的微波电路。其中，为了实现雷达感应器的低成本以及小型化的考虑， 微带天线是置于传感器开放端的天线的一个理想的选择，常用的是微带阵列天线1 ，而在 电路部分则通常选取微带电路。 尽管微带线以及由其所组成的电路具有体积小、重量轻、易于制作且方便集成的优点， 但同时也存在损耗较大的缺点。电路整体完全利用微带线设计会造成较大的传输损耗，因 此在这样的配置下，一种有效的解决办法是主电路传输线使用波导，而波导的终端分别连 接微带线天线以及微波电路，即微带天线和电路主要通过波导相连接。这样做的原因是波 导虽然较微带线体积较大但能实现较小的传输损耗，而仅仅在主电路的传输部分应用波导 作为微波传输线并不会显著地增加器件的体积，这样设计能够使雷达传感器在保证器件低 成本和小型化的情况下，实现较好的性能。 微带线和波导虽然同为微波传输线，但是在外形和传输特性上都有显著的差别，所以 不可能实现两者的直接相连，便需要在中间加入波导一微带线变换器，因此，设计出具有 良好电气性能以及结构简单的波导一微带线变换器是非常必要的。 若干种类型变换器已经被提出并加以探讨。其中包括：脊形波导型n 儿引、探针馈电型 e 7 3 1 8 、鳍线型呻1 、准八木天线型n n 以及缝隙耦合型n 2 儿1 3 m 4 1 等。这些类型的变换结构都具 有较好的传输性能，但结构上均有一定的限制和复杂度。例如对于脊形波导，在脊形渐变 阶梯的设计中需要较高精度，以实现较好的匹配；探针馈电、鳍线型或准八木天线形式可 采用标准的矩形波导进行设计，因此不存在上述情况，但如果采用探针馈电结构，为了防 止能量泄露，需要在探针所在介质板上方加上一长度为四分之一波长的金属盖；鳍线型则 需要将整块介质板伸入波导中进行能量耦合，常用的做法是将波导分为两半将介质板夹在 中间进行实现：准八木天线形式不需要进行上述两种工作，比起上述几种传统形式较为简 单，但仍然需要一块伸入波导的金属块为印刷有八木微带天线的介质板进行支撑；缝隙耦 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 合形式也是一种较为简单的形式，其无需对波导进行改造，也不需要加上额外的金属器件， 但需要将一块介质板密封在波导腔内，同样为装配工作造成了一定的困难。因此，上述结 构的变换结构尽管具有良好的电器性能，但大多需要改变波导的形状或是要求高精度的加 工和装配，这不但会增加成本，在频率较高时也难以保证系统工作的稳定性和一致性。解 决上述问题的一种方法便是尽量减少变换系统的组成结构、降低装配难度并尽可能保证传 输线原来的状态而避免改造。 值得注意的是，上文所提到的缝隙耦合形式仅存在装配上的不足，其它两点问题在该 形式上不存在。在对其变换原理进行研究和分析的基础上，近年来一种新型的波导一微带 线变换器结构被提出n 钔n 引。这种形式由波导和盖在其一端的介质板组成，介质板无需塞入 波导内部，能量的耦合和性能的调整主要通过设置在介质板上的一块金属贴片尺寸调整实 现。具有结构简单，易于装配的特点，因此也具有较低的制造成本。 1 2 本文主要工作 本文主要对一类利用微带贴片天线辐射原理设计的波导一微带线变换以及功率分配 器结构进行了研究。本文主要工作如下： ( 1 ) 提出了三种新型波导一微带线功率分配器结构，其分别为：贴片耦合式四路功 率分配器、缝隙耦合式同向二路功率分配器以及缝隙耦合式四路功率分配器： ( 2 ) 对缝隙耦合式同向二路功率分配器进行了详细的参数讨论，并设计加工了一工 作中心频率为1 2 5 g h z 的实物样品。 ( 3 ) 将缝隙耦合式同向二路功率分配器作为馈电网络，设计了一工作中心频率为 1 2 5 g h z 的波导馈电的串行角馈方形贴片阵列。 1 3 内容安排 本文第一章为绪论。介绍了本文的研究背景与意义、主要工作以及文章内容上的安排。 在第二章我们将对波导一微带线变换器的基本概念以及常见设计方法作相关介绍。 第三章主要介绍对贴片直接耦合式的变换以及功率分配器的设计研究工作。提出了贴 片直接耦合式四路功率分配器结构。 第四章首先叙述了对一种基本缝隙耦合式变换器的改进。随后以其为基础提出了缝隙 耦合式的同向二路功率分配器以及四路功率分配器结构。其中对同向二路功率分配器结构 参数与性能调试之间的关系进行了较为详细的讨论，同时设计加工了_ 工作中心频率为 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 2 5 6 h z 的实物样品，给出了实测结果与仿真结果的比较和说明。 第五章利用所提出的缝隙耦合式同向二路功分器作为馈电网络，设计了一工作中心频 率为1 2 5 6 h z 的波导馈电串行角馈微带阵列。 望。 第六章为工作总结与课题展望。本章将对全文工作进行总结以及提出对未来工作的展 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章波导一微带线变换器 | c 述 2 1 前言 第二章波导一微带线变换器概述 波导和微带线作为两种重要的传输线形式，广泛地被运用在微波工程的各个领域。其 中波导体积较大，但有着较小的传输损耗：微带线作为一种半开放式的结构，传输损耗与 前者相比要大，但由于其体积小，重量轻，且便于集成和加工，常用来设计微带集成电路 和微带天线。在需要将前者的传输优势与后者低成本、小体积加以结合应用时，我们便需 要面临将两种传输线加以连接的问题。由于这两种传输线在端口结构和传输场型方面都有 一定差距，不能将其直接连接起来，设计出具有良好性能的波导微带线变换器便是解决 这一问题的有效方法。 本章就将对波导一微带线变换器结构进行介绍。为了更好地说明这种变换结构设计思 路，我们将首先对矩形波导和微带线的基本结构以及各自的场分布特性做简要的回顾。结 合上述知识，我们便能够从一定角度出发去思考变换结构的设计。随后我们以常见的几种 波导一微带线变换器结构作为例子，对几种设计方法进行了介绍和总结。 2 2 矩形波导和微带线的基本结构及场分布特性 2 2 1 矩形波导结构及场分布特性 这里所提的波导即金属规则波导，它是指无限长直的金属波导，其截面形状、尺寸、 波导管壁的结构以及波导内媒质分布情况沿其轴线方向( 即波的传播方向) 都是不变的， 由于其封闭性，能量被局限在波导之中。由于是金属波导，所以具有如下的特点：导体损 耗、介质损耗小；功率容量大；无辐射损耗；结构简单、易于制造。 按照截面形状的不同，规则金属波导可以分成矩形波导、圆形波导、脊形波导等类型。 其中矩形波导即截面为矩形的规则金属波导，内部一般填充空气，广泛应用于高功率器件， 毫米波领域以及精密测试中。其模型图如图2 1 所示。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章波导一微带线变换器概述 图2 1 矩形波导结构图 矩形波导中的主模为t e 。模，这时它的截止波长最长且与窄边b 无关，因此我们可以 选取适当的b ，使得波导内不存在高次模。t e 。模的场分布情况如图2 2 所示。 图2 2 矩形波导中t e 。o 模场结构图 目前波导管生产已经规格化，给定频率以后，可以直接查表选用合适型号的波导管， 国产矩形波导管的数据均有表可查。 2 2 2 微带传输线结构及场分布特性 微带传输线是五十年代发展起来的一类微波传输线，具有体积小、重量轻、频带宽、 可集成化等优点。在那些对体积和重量要求苛刻的场合，可用微带线取代波导来构成微波 电路。微带线也是微波集成电路( m i c ) 的主要组成部分。 微带传输线的基本结构如图2 3 所示。 留圜 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章波导一微带线变换器概述 图2 3 微带线基本结构 其中，中间为介质板，最上层为金属微带，最下层为金属底板。通过调整上层条带的 宽度以及介质板的厚度便可以改变其特性阻抗。 ： 在微带线中传输的主模为准t e m 模波。准t e m 模的传播过程中其电磁场分布n 7 1 如图2 4 所示。 图2 4 微带线中的场结构 2 3 常见波导一微带线变换器设计 由于波导和微带线在端e l 结构和传播场型上均有明显的差别，不能通过直接将两者互 连而实现变换结构，因此在变换结构的设计上就需要兼顾端口形式的转化以及传播场型的 变换。目前已经有多种波导一微带线变换结构被提出，各种形式均反映了上述的要求。本 节将按照设计思路的不同，对其中几种典型形式进行介绍和说明。 2 3 1 场渐变原理设计方法 从设计思路上而言，最简单以及直观的方式应当为将波导与微带线按轴线方向直接相 连，从电磁波在两种传输线上的传播形式而言，这种思路也具有一定依据，因为我们能注 意到在波导截面和微带线截面上，波导主模t e 。模和微带线上的主模准t e m 模具有较为相 似的纵向电场线形式，在前文中之所以不能直接将两者相连，则是因为两者端口的结构具 有较大的差距，直接连接难以实现阻抗的匹配，因此会造成较大的传输损耗。而解决阻抗 匹配问题的一种途径便是采用渐变结构，结构或场型上的渐变能够实现平缓的阻抗变化过 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章波导一微带线变换器概述 程，因此易于实现阻抗的匹配。采用这种方式进行设计的两种典型形式便是利用脊形波导 的形式或内置鳍线结构微带的形式。 阶梯状波导脊 微带线 ( a ) 脊形波导变换结构示意图 微带 4 l 3 _ - 一 戋 q 也吖一 - ：一一一，一一 序c ：1 r t j i 街f 0 4 1 7 矩) f y ； ：a7t “ i ( b ) 阶梯变换结构示意图 波导 图2 5 脊形波导形式变换器结构示意图 采用脊形波导形式的变换结构h 1 如2 5 图所示。( a ) 图中显示了这种变换形式的整体 结构，从图中可以看出，在矩形波导和微带线接合处加入了一阶梯状的金属块。结合( b ) 图可以看出，该金属块与剩下的波导空间形成了一个典型的阶梯阻抗变换结构，根据微波 工程的相关理论n 引，通过对该阶梯结构参数的适当调整，能够实现两端口间的阻抗匹配。 因此，通过这种脊形波导的形式，一方面实现了较高的波导端口向较扁的微带端口转换过 程，另一方面也在此过程中实现了两者阻抗的匹配。图2 6 中分别给出了在微带和脊形波 导交接处脊形波导口与微带口处的场型分布情况。从图中可以发现，在交界面上波导末端 与微带线的场分布情况极其相似，此时两者端口截面形状也基本达到了一致，从而完成了 变换过程。 一t - r i r ”i 。r1 t ”- ，。i l 。一 ： r ： 一lf 。，。fi i ；：j寰 f 懈：j ：t ：，i t i ，。一 00 51i 5225 ( a ) 波导末端电场分布( b ) 微带线端电场分布 图2 6 波导末端与微带线交界处电场情况比较 采用鳍线( f i n - i i n e ) 形式的变换结构凹1 在变换思路上和前者较为相像，所不同的是 后者的渐变过程不是通过改变波导内部的结构实现，而是通过设置特殊的微带形式在传输 过程中实现场型的渐变。如图2 7 所示，这种结构需要将双面印刷有微带鳍线形状的介质 板设置在波导中，下图给出了一种这样的介质板的印刷形式。在该种过渡结构中，两金属 鳍印刷在介质板两面以组成一圆弧形渐变段。 7 卫 撼 j 噼 o 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章波导一微带线变换器概述 毒、8cf ，e 。fg h 1 。心浏蕊鋈 蕊蕊 蕊阏 影芬 廷为酞删 澜荔笏一 卜a ，粒x l 黝屠闰属 图2 7 采用鳍线形式的变换器结构示意图 从图2 8 中，我们能较为清楚看到这种形式对微带结构场型的渐变作用。电场线从a - a 逐渐变化到h - h ，场型随着微带线截面结构的渐变逐渐由t e 。模转变为准t e m 模形式。过渡 中的对极鳍线渐变设计常采用沿渐变方向的平滑阻抗变换曲线，以降低反射损耗，并使渐 变段的物理尺寸尽可能短。类似的鳍线结构还有很多种，但其目的和基本原理均大致相同。 b 一毽 ” e 甚 f f g - g 图2 8 鳍线型微带线上的场型变换过程 以上便是两种利用场渐变原理进行设计的波导一微带线变换器形式，这种变换形式具 有较宽的带宽特性以及良好的传输特性。总结分析可以发现，这种形式利用了场型的渐变， 这意味着在变换过程中，波导和微带线上传播电磁波的方向是一致的，因此都呈现出了共 线形式。在这种情况下，由于端口结构上的较大差距，便需要对端口的匹配进行设计，这 不可避免地需要对传输线的基本结构进行修改，从上述两例来看，脊形波导形式需要在波 导内部设计满足阻抗匹配的阶梯结构，在频率较高时，对于该结构的加工要求较高的精度： r 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章波导一微带线变换器概述 而对于采用鳍线形式的变换结构，为了将介质板置于波导的中间，不得不对波导进行开缝 甚至拆解与重新固定工作，这就对装配和精度的控制带来了困难。而当使用该结构与其他 的微带电路进行集成时，由于波导呈共线形式放置在微带一端，布线形式的自由度也受到 了一定的限制。 2 3 2 场激发原理设计方法 在由波导向同轴线变换的设计中，一种直接的形式便是采用场激发的形式，即利用了 在矩形谐振腔内激发电场的基本原理n 引。注意到同轴线和微带线之间无论在尺寸和传播特 性上均较为相似，且两者易于集成，这种形式也可以利用来设计波导向微带线的过渡结构。 从同轴线与微带在结构上的相似，即均有两条导体这一结构特性出发。可将同轴线的 外导体用微带线的地代替，内导体用微带线的馈线代替，便形成了“微带探针”。这种探 针激发形式的基本结构口3 如图2 9 所示。 矩形波导 带线 图2 9 微带探针式变换结构 而如果从微带和同轴线之间的易于集成关系考虑，可以更为方便地在同轴的输出端直 接转化为微带接口，在结构上也能实现由波导向微带线变换的功能，但严格来说，之间实 际经历了两个变换过程，为“波导一同轴一微带线”变换结构哺1 ，可能会比前者造成更大 的损耗。这种形式的基本结构如图2 1 0 所示。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章波导一微带线变换器概述 微带线 矩彤波导 图2 1 0 波导一同轴一微带线变换结构 上述所介绍的两种形式为采用探针激发场原理进行设计的波导一微带线变换结构。这 种结构具有较好的带宽和传输性能。相比前面所介绍的利用渐变原理进行设计的形式而 言，该形式一方面不需要对波导的结构进行额外的加工和处理，另外一方面也避免了共线 的形式，因此在结构上较前者要简单一些。但对于采用“微带探针”的形式，在波导的末 端，需要加上一个覆盖介质板的金属帽，以与波导构成腔体，防止能量泄露，这在一定程 度上也限制了微带与周边电路的集成自由：对于采用同轴过渡的形式，由于需要两次变换， 为设计和调试带来了不便，同时也增加了能量损耗的机会。 2 3 3 微带贴片天线辐射原理设计方法 w i l f r i e dg r a b h e r r 和w o l f g a n gm e n z e l 曾在1 9 9 2 年提出了一种采用缝隙耦合进行设 计的波导一微带线变换器。这种变换器的基本结构如图2 1 l 所示。 ( a ) 原始形式 i o 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章波导一微带线变换器概述 矩形波导 金属贴片 线 ( b ) 改进后的形式 图2 1 i 缝隙耦合式变换器结构示意图 图2 1 1 ( a ) 为原始的形式，图2 1 l ( b ) 则为作者改进后的形式。这种变换结构将印刷 有微带线结构的介质板贴在波导端口，使微带线的金属地与波导口金属接触，通过在该接 地面上开缝实现能量在波导内腔和微带线之间的传递。但是如果仅有开缝结构，必然会在 波导末端形成较大的能量反射，换言之，难以实现阻抗的匹配。对此，这种结构在金属波 导的内部设置了一块金属贴片：能量将首先耦合到金属贴片与上部金属板形成的介质谐振 腔中，之后再经由缝隙耦合到上方微带线上，通过这个过程，便能够实现阻抗的匹配，从 而使系统的变换功能得到良好的实现。波导内的介质板所起的作用主要是对金属方形贴片 起支撑作用，因此这两张图尽管对其位置做了变化，工作原理还是一致的。 进一步对该结构进行观察分析可以发现，如果将金属贴片与介质板上的微带结构看成 一个整体，该变换结构更加近似于将一个通过微带线进行缝隙馈电的贴片天线倒扣在波导 端口，使能量向波导腔内辐射的形式。鉴于上述原因，我们将其归结为一种利用微带贴片 天线辐射原理进行设计的变换器类型。 上述结构的提出为波导一微带线变换器设计领域提供了一种新的思路，当我们将思考 方向往这个方面延伸时，可以发现，在微带贴片天线的馈电方面，采用微带形式的不仅仅 只有缝隙耦合方式，更早使用过的还有直接耦合的形式n 引。因此使用这种耦合方式便也可 能设计出波导一微带线变换结构。i i z u k a 等人采用该种方式设计了一种结构更为简单的波 导一微带线交换器结构n 刚其结构如图2 1 2 所示。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章波导一微带线变换器概述 图2 1 2 贴片直接耦合式变换结构示意图 从图上可以看到，这种变换结构由矩形波导和单一介质板构成。介质板的一面为贴片， 另一面为微带馈电结构，周边为了防止能量泄露设置了一系列的金属通孔，同样地，通过 改变金属贴片的尺寸，能够方便地对频率以及阻抗匹配性能进行调整。这种结构同样能够 良好地实现波导一微带线变换功能。 上述所介绍的便是两种采用了微带贴片天线辐射的原理进行设计的波导一微带线变 换器典型形式。相比之前所介绍的几种类型变换器形式，两者既不需要对金属波导的形状 进行调整和加工，也无需在波导的末端增添一段金属腔盖，具有较为简单的结构特征。同 时该类变换器形式均具有较为开放的微带平面，使得其能较为自由地与周边的微带电路或 是器件进行集成。其中上文提到的缝隙耦合式变换结构尽管对波导内部作为支撑的介质板 位置做了改变，较原形式减少了装配上的问题，但由于该介质板仍然处在波导之中，在装 配上依然存在一定问题。在传输性能方面，这种形式的变换结构的带宽不及前面介绍的几 种形式，这和微带贴片天线的带宽有限也是一致的，但在对带宽要求不是太高的场合，其 在结构、集成以及成本方面体现出来的优势较前者则是显著的。 另外，该类变换结构还能通过改变表面微带的设置方式而方便实现功率分配功能的扩 展，图2 1 3 给出了种贴片直接耦合式的功率分配器结构口们。 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章波导一微带线变换器概述 图2 1 3 二路功率分配器结构 由于不需要通过在微带线末端增加额外的功率分配器设计过程，这种扩展不但减少了 设计过程中的繁琐程度，也能够为系统提供更为紧凑的馈电网络。 鉴于上述的原因，本文选取了这种形式的变换以及功率分配结构作为研究方向，在下 文中，我们将着重对该种形式的变换以及功率分配结构进行较为详细的探讨。 2 4 本章小结 本章在对矩形波导和微带线的基本结构和场分布特性回顾的基础上，总结了变换结构 设计的基本要求，归结出了三种设计思路。并按照上述思路对几种常见的波导一微带线变 换结构进行了分类介绍，为后续研究工作提供了知识上的准备。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章贴片直接耦合式四路功率分配器设计 3 1 前言 第三章贴片直接耦合式四路功率分配器设计 本章对贴片耦合式的波导一微带线变换器、同向二路功率分配器以及反向二路功率分 配器的原理和设计进行了研究，在此基础上提出了贴片耦合式的波导一微带线四路功率分 配器结构。 3 2 基本变换器研究 一种具有较为简洁结构的贴片耦合式变换器由l i z u k a 等人提出n 6 1 ，其基本结构如图 3 1 所示。 a ( a ) 立体图 p l 、 霾 i 霾 金属贴片 矩形浦曼 b 质板 ( b ) 俯视图( c ) 侧视图 图3 1 贴片直接耦合式变换器结构示意图 从图3 1 可见，该结构主要由一矩形波导以及单一介质板组成，其中介质板的一面正 对波导口，该面上具有与波导口截面一致的开窗金属面，在其中央设置一块矩形金属贴片； 1 4 堕室堕皇奎堂堕主堕塑竺兰垡笙壅笙三童堕苎童堡塑鱼壅塑堕些奎坌坚壁壁生 在介质板的另外一面为一开有缺口的金属面，微带一端在贴片上方延伸，通过耦合状况的 改变调节阻抗的匹配，其另外一端由缺口处伸出，成为微带输出端口。介质板两面的金属 通过沿波导内框线的一系列金属化通孔相连，这些通孔可等效为一圈金属壁，避免了能量 从边缘的泄露。该种变换器在结构上仅需要一块介质板即可实现，因此在工程装配上具有 良好的容错性和一致性。 结合侧视图，该变换器结构的场分布如图3 2 所示。 图3 2 贴片直接耦合式变换器场分布示意图 从该图可以看到，电磁波由波导口进入，并在波导内以主模t e 。模传输，在波导末端 激发起贴片与上层接地板间的t m 0 。模，进而激发微带线中的准t e m 模波，使得能量继续在 微带线上传播下去，从而完成能量传输和场型转换过程。 在上述变换过程中，贴片为一较为关键的因素，而结合微带天线的理论可知，该金属 贴片与上方的金属接地部分形成了一个微带谐振腔结构，这意味着该贴片对于系统性能的 调整同样起着举足轻重的作用。从谐振腔的基本理论可以知道，该谐振腔的长度决定了该 系统的工作频率，换句话说即贴片的长度决定了所设计变换器的工作频率，因此在设计中 我们也常称之为频率选择单元，其长度从理论上应当等于对应设计频率的二分之一波导波 长。同时改变贴片的尺寸也能对系统的阻抗匹配进行调整。另外从能量角度出发，如果将 该变换结构分解为波导传输部分，贴片谐振腔部分以及微带传输线部分，则不难发现，三 者之中贴片谐振腔部分的q 值最大，这也意味着它是决定系统工作带宽的主要因素。 在设计尺寸的确定上，波导尺寸的选择需根据所需设计工作频率设计，如本文设计实 例的工作中心频率均为1 2 5 g h z ，则我们选择了工作频段包含该设计频率的b j l 4 0 型号波 导；微带线的尺寸可以根据需要选用，但考虑到工程中的标准电气结构大多为5 0 欧姆， 本文所有算例中的微带尺寸均按照5 0 欧姆进行设计，这在确定介质板介电常数和厚度的 情况下可以简单地通过相关公式计算得到。以上尺寸在设计开始就能够确定，不参与性能 的调节。 l5 塑室塑皇奎兰婴主婴窒竺兰垡堡奎 笙三童堕苎皇堡塑全壅塑堕些垩坌墼矍壁生 该种结构的性能调节主要通过贴片尺寸以及微带在贴片上方的伸入长度实现。其中， 改变贴片的长边大小能够对谐振频率进行调节，之前我们已经提到，其长边在理论上应设 置为所设计频率对应的二分之一波导波长，在实际调试中会有差别，但可以将该理论值作 为调试的初值，能够有效提高调节的效率；改变贴片宽边大小以及微带在贴片上方的伸入 长度则可以改变阻抗的匹配状况。更为详细的讨论可参照文献 1 6 中的论述。 在确定了合适的初始尺寸后，我们进行了建模仿真。通过对上述调节因素进行优化， 我们得到一工作在中心频率为1 2 5 g h z 的设计实例的设计结果，如图3 3 所示。 已 l 旦 e 巴 田 c ，) 。一一 一一一- - - 一 。|一! ， ， 7 ，一 、 7 | 女 7 一s 11 _ - v- s z l ! f r e q u e n c y ( g h z ) 图3 3 仿真优化结果 所仿真的波导一微带线变换器在中心频率1 2 5 g h z 处的传输系数为一0 1 4 d b ，反射系 数为一3 1 1 d b ，在- 1 5 d b 以下的带宽约为1 8 0 m h z ，即1 4 4 。从数据可以看出，所设计的波 导一微带变换器具有良好的传输性能。 3 3 反向二路功分器研究 在上一章我们提到，对于利用微带天线辐射原理设计的变换结构能够较为方便地进行 功率分配功能的扩展。根据结构形式的不同，这种扩展方式可以分为同向功分形式和反向 功分形式。对于采用贴片直接耦合方式设计的波导一微带线变换器结构，其对应的反向二 路功率分配器形式n 卵基本结构如图3 4 所示。 1 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章贴片直接耦合式四路功率分配器设计 金属通孔 a 徽带线 图3 4 反向二路功率分配器结构不意图 由该结构图不难发现，对于上述基本变换器向反向功率分配器结构扩展只需将微带部 分的几何结构( 包括缺口和微带线) 以图中的a a 轴对称复制即可。其基本变换原理我们 仍然以侧视图的形式表示在图3 5 中。从图中可以看到，从原理上，从基本变换器向反向 二路功分器扩展的过程也顺理成章：根据我们之前所述，金属贴片的长度约为二分之一个 波导波长，因此在贴片两端所形成的电场除了相位相差1 8 0 度以外，其他特征都是一样的， 当开辟了另外一个微带端口时，其必然会对应地向另一个方向激发准t e m 模波，而左右结 构的对称在等效电路上又形成了并联等值电阻的效应，因此实现了功率的等分。所需要注 意的是，如果两个方向上的微带线为等长，初始激发电场的反向同样会体现在微带输出端 上，此时两微带端口互为反向输出。 图3 5 反向二路功率分配器原理图 基于上述原理，无论朝哪个输出端观察，其变换过程都与基本变换器结构一致。因此 在尺寸的确定和调节方法上和贴片耦合式变换器也是一样的。我们设计了一个工作中心频 率为1 2 5 g h z 的该反向二路功率分配器实例，图3 6 中给出了仿真优化结果。 1 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章贴片直接耦合式四路功率分配器设计 、 巴 旦 巴 田 q c ，) 气 一- 一一一一。一一 一一 妒 厂 、 xj 擀i n | 一s 11 7 一一s 2 1 f r e q u e n c y ( g h z ) 图3 6 仿真优化结果 数据结果显示，在所设计的1 2 5 g h z 中心频点上，该波导一微带线功率分配器的反射 系数达到了一3 5 d b 以下，对各微带线的传输系数约为- 3 1 2 d b ，反射系数在一1 5 d b 以下的带 宽约为2 4 0 m h z ( 1 - 9 2 ) ，具有良好的传输和功率分配性能。 3 4 同向二路功分器研究 所对应的同向二路功分器结构瞰1 如图3 7 所示。 图3 7 同向二路功率分配器结构示意图 不同于反向二路功分器，同向二路功分器结构不能仅通过增加对称微带结构加以实 现，还需要改变原有微带结构的位置，如上图所示，使得两条微带线以b b 轴对称放置， 并行伸出。 对于同向功分形式，仅使用到了贴片单端的电场激发效果，因此其功率分配利用的不 是贴片长边方向上两端的场分布特征。由于此时贴片谐振在t m o 。模上，其沿长边场强按正 l r 堕塞塑皇奎兰堡主堑塞生兰垡堡塞 篁三童堕笪皇堡塑全壅婴堕些兰坌墼矍堡生 弦规律变化，而在宽边上场强为处处相等。同向功分时，两条微带线沿着宽边并行分布， 在结构上对称的情况下，两条带对于系统的输出阻抗应当是相等的，且为并联分布，因此 由贴片耦合上来的能量会均匀分布于两条微带线上输出，从而形成功率分配的效果。 与反向功率分配形式相比，同向功率分配形式在结构设计上增加了一个新的调节变 量，即两条微带线之间的距离，随着该距离的变化，两条带之间的相互耦合状况也随着改 变，这对阻抗的匹配会有较大的影响。同时，由于在微带宽边方向上，可能会有t m ：。模存 在，其也可能对上方的微带线造成激发，于是会形成一不必要的谐振，因此需要将微带线 设置在合适的位置上以保证谐振的单一，这点在文献 2 1 中已经进行了相关的讨论。所提 到的合适位置为t m 模的零点处，即约为宽边长度的1 3 和2 3 处，这一点也可作为设计 中选择微带位置初始值的根据。所设计工作在中心频率为1 2 5 g h z 的功率分配器其仿真结 果如图3 8 所示。 口 、一 m e 们 巾 c ，) l ll 一一i 一一l 一一 一一 。 f| | - - - - s11 一 ； 一- s z l f r e q u e n c y ( g h z ) 图3 8 仿真优化结果 在中心频率1 2 5 g h z 处，该波导一微带线功率分配器的反射系数达到了一3 5 d b 以下， 所对应的向各条微带线的传输系数为一3 1 5 d b ，而对应反射系数在一1 5 d b 以下的带宽约为 3 6 0 m h z ( 2 8 8 ) ，可见具有良好的传输和功率分配性能。 3 5 四路功分器设计 在前面两节我们已经分别讨论了贴片直接耦合式变换器的反向二路功分器形式设计 和同向二路功分器形式设计。 从现象上看，反向二路功分器的实现表示反向对称结构能够实现功率的等分，同向二 路功分器的实现则表示同向对称的结构也能够实现功率的等分，那么可以推测将两种结构 相结合则会形成四路功率分配的效果：从原理上看，反向二路功分器设计利用的是沿贴片 1 9 堕室堂皇奎兰堡主塑壅生兰垡笙茎 苎三童些苎皇堡塑全壅婴堕些奎坌坚壁堡生 长边上的场分布特性，而同向二路功分器设计则更主要是利用沿贴片宽边上的场分布特 性，因此两种二路功分器的设计原理是相对独立的，即两种功分扩展方式在使用时效果可 共存而不互相干扰。综上所述，我们提出了如图3 9 所示的四路功率分配器结构。 金属通孔 图3 9 四路功率分配器结构示意图 在结构上，该四路功分器结构可看做由上述某一种二路功分结构按照另外一种二路功 分结构的扩展方式进行扩展得来，因此该四路功分器实际上同时具备了反向二路功分以及 同向二路功分的结构特征。 根据变换的基本原理，通过改变贴片尺寸、微带线在贴片上方的伸入长度以及同向伸 出的两条带之间的距离便能够实现对系统性能的调整。我们设计了一个工作中心频率为 1 2 5 g h z 的四路功分器。经过仿真优化，该功分器性能结果如图3 1 0 所示。 口 、一 l e l 仍 c ，) 弋 一一 一专一一 iz 。 沙。 ， 、 。|卜 - - - - s11 j 一s z l f r e q u e n c y