一种新型的基于半模基片集成波导技术的Butler矩阵.docx

第24卷第3期微波学报v0124 no32008年6月journal of microwavesjuii。2008文章编号：10056122(2008)03伽05旬5一种新型的基于半模基片集成波导技术的butler矩阵陈鹏洪伟徐俊峰(东南大学信息科学与工程学院毫米波国家重点实验室，南京210096)摘要：提出并实现了一种新型的基于半模基片集成波导技术的butler矩阵，实际制作的样品工作在x波段 (10ghz)，实测插入损耗为2db，样品尺寸为24cm65cm。采用了标准的双面pcb工艺，该结构与传统的微带电路 相比具有插入损耗低、功率容量大等特点，与基片集成波导相比具有面积小的优点，是一种适合于在微波毫米波频 段多波束天线使用的波束形成网络。文中给出了具体设计过程和测试结果。关键词：半模基片集成波导，butler矩阵，多波束天线a novel butler matrix based on half-mode substrateintegrated waveguide technologychen peilg，hong wei，xu j仰-feng (&口te断k60r咖可旷肘讹，m舸w，口t脚，s以doz矿卅白瑚越幻n sc拓，聊口，ld西硒，蹴五愕， sdl以嘲t跏赴哪毋，咖昭210096，醌i舳)abstnct： in tiis paper a肿vel buder眦嗽b蹈ed on hammode substrate iiltegmted wavegilidc(hmslw)technol-o韶is pmposed粕d implementedne pmtot)1坨is f曲ricated at x_b锄d(10ghz)with a st蚰dard dotible 8ide pcb proc船sthe me酗删i鹏ertion lb i8 2db；tile si髓0f tile proto哆pe is 24cm65cmcompared祈til咖ventional inicrtrip technology，mis structure h鹬a low盱insertil略s胍d bener p0佻r h卸dling c印abiljtycomp删试tll tllat b嬲ed on siw technolqgy，t11e size 0f the butler mtrix is considembly州ucedthu8，“is a good c锄didate fbr be锄-foniling netmrks of lnicmwave盯millimeter wave m出一be锄彻terir堪st地detailed design proce瞄缸id me me鹊删reslllts a弛pre眈ilttdkey words： hanmode substmte integmted waveguide(hmslw)，buer mat血，multi-be锄鲫te咖波频段其开放结构会造成辐射损耗加大。另外微带引 言结构功率容量相对较小。基片集成波导(s1w)技随着移动通信和导航技术的快速发展，多波束 术【25】利用了pcb金属化通孔工艺制作出具有和波 天线在雷达和通信系统中正在扮演着越来越重要的 导一样的导波模式，在两排金属化通孔和pcb上下 角色。和有源相控阵列相比，无源多波束天线具有 导体层之间传播。由于其结构封闭，从而辐射损耗 造价低廉的优点，因而更加适用于大批量制作生产。 几乎可以忽略不计。所以在微波毫米波频段具有比 所以构成无源多波束天线的波束形成网络就具有很 较大的发展前景。在微波低频段如x波段及以下， 大的研究价值。一个损耗小、制造成本低廉的波束 基于slw技术制作的无源元件其面积相对比较大。形成网络可以减小发射功率损耗，提高功放利用率， 半模基片集成波导(hmslw)技术m川是基于slw 从而提升整机性能。在无源多波束网络中，butler 宽高比比较大的特点将s1w从对称面等效磁壁处 矩阵 是一种经常使用的波束形成网络，主要由 一分为二，从而使导波模式为半个rie。模式，因而900电桥和移相器构成，在平面上实现还需要odb交 制作的器件大小就几乎是s1w器件的一半，从而有 叉耦合器。在pcb上，以往这些网络都是基于微带 效地减小了尺寸。s1w和hmslw的导波模式如图 技术实现，运用到射频频段性能尚可，但是运用到微 1所示。hmslw的金属损耗是具有同样导波模式收稿日期：2007驷旬8；定稿日期：2008讲-2l基金项目：国家自然科学基金委创新群体基金(60621002) 万方数据6 微波学报 2008年6月的slw的一半，所以即使是在中缝处等效磁壁上有 献9中已有介绍，图3给出了在butler矩阵中使用 一些辐射损耗，由于hmslw金属损耗小，所以与 的hmsiw 90。电桥的结构示意图。pcb板材采用 slw相比，其损耗更小。文献8给出了一种在较 rogers 5880，介电常数22，厚度为0508mm。t，一50 厚介质上实现的slw 44 butler矩阵和天线，但是 =15mm，a=30mm，口一hmsiw=10mm，svp 2 其馈电结构是同轴结构，与微带工艺的芯片相对难 lmm，dp=05mm。其余参数在10ghz频点上用 以集成，而且由于siw宽度较大造成天线单元之间 hfss优化得到如下结果：加_t印=4mm，ltap=16 间隔大于半波长，不利于阵列的扫描。所以本文提 5mm，lslot=30mm，1=1027mm，舱=257mm，t 出了利用hmsiw制作butler矩阵，一方面可以和微 =14mm。带电路之间互相转接，另一方面使得天线单元之间间隔为半个波长，便于阵列扫描。 竺燮!五睦型主逛亟喜f业l芝1仁。蹴：嘉。k一肭q”oo。1”弓k丽菇：矿千i l：丁丽图3 hmsiw 90。电桥结构示意图图4给出了优化后的90。电桥仿真结果。在911ghz频段内s和s2。均在一20db以下，s3，和 s。，的幅度误差在1db之内。10图1 slw、hmslw的电场模式示意图园1原理与没计 纛珈讧渤图2给出了44 butler矩阵的电路原理图，从 加90够100 10l51ld图中可以看出构成butler矩阵的主要元件为900电 b桥、移相器和odb交叉耦合器。信号从一个端日输 图4 hmsiw 90。电桥s参数仿真结果入被平均分配到58四个输出端口上面，同时各个端口之间保持一个恒定的相位差，从而使得波束指 由于hmslw 90。电桥输出的足两个背靠背的向固定角度，不同的输入端日对应着不同的相位差 半模波导，根据原理图，在平面上实现butler矩阵就 从而使得天线阵列波束指向不同的方向。以图2为 需要交叉耦合器将两个面对面半模波导交叉耦合。例，从端口l输入时，输出端口相位差为一45。，从端所以交叉耦合器采用了hmslw和slw混合模式， 口2输入时，输出端口相位差为135。，端口3对应其结构示意图如图5所示，在图中，耦合区域仍然是一1350相差，端口4对应45。相差。和，-孰书籼s s1w导波模式，但是输入的端口是hmslw导波模式。两个并排半模波导磁壁之问的间隔口1=端口一兰篓k鞘!竺哺分羹：制一羹：10mm。参数口一hmsiw、埘一50、幻一t印、一tap、dp和svp值与90。电桥相同。 同样，经过hfss优化，在10ghz频点上可以得到相应结构参数如下：一8lot=29mm，1=385mm，也=156mm江325mm。相应的5参数仿真结果如图6所示。12构成butler矩阵的元件设计在loghz频点上各个端口隔离度和反射都很 由原理图可知，构成butler矩阵的主要元件为小，但是与hmslw 90。电桥相比带宽较窄，因而对电桥、移相器和交叉耦合器。hmslw 90。电桥在文 整个电路带宽性能有定影响。 万方数据第24卷第3期 陈鹏等：一种新型的基于半模基片集成波导技术的butler矩阵7阵。各个元件的位置在图中已经标明。hmslw输 入和输出端口均用渐变微带线转换为50q微带，以 便于网络分析仪测试。输入端口 -45。移相器俨移相器输出端口图5交叉耦合器结构示意图。45。移相器伊移相器io图8 hmslw butler矩阵示意图国暴珈2测试结果与分析挪根据仿真结果，在x波段(10ghz)，采用标准琊如蛄loo lq5lld的双面pcb技术和前面所述的rogers 5880，介电常o电数为22，厚度为0508mm的基片制作了样品。与图6交叉耦合器s参数仿真结果 图8相对应的实物照片如图9所示。根据rre。模波导导波相速度公式(1)可以通过 改变波导宽度口改变相速度从而实现移相功能。根 据slw和等效波导的关系103可以得出调整slw宽 度来达到移相效果，由于hmsiw和s1w具有相似 工作模式，因此调整hmslw宽度也可以达到移相效果。图9 hmslw buder矩阵实物照片咋l删=1二兰=手(1)在pcb制作时必须使得所有的金属化通孑l位驴一(詈)置相对于顶层导体位置的误差尽量小，以使得实物性能不受太大影响。微带电路由于只有上表面导 体，故只要上表面导体加工的相对误差较小即可，而 slw电路由于上下表面均是完整导体，所以影响微带端口10一u一siw电路性能的主要是金属化通孔的相对精度，这图7 hmslw移相器结构示意图些相对精度和相对误差主要取决于加工机床。但是 在hmslw电路中既存在上表面的非完整导体又存根据分析，hmsiw移相器结构如图7所示。参 在金属化通孔，所以在加工时(打孑l、光刻)应尽量 数主要是用来调整移相器的相移量，同时在不同 减少对pcb板材的重新定位，以减小导体层和金属 宽度hmslw之间变换采用了磁壁一侧的渐变，以 化通孔位置之间的人为误差。打孔时应当选用和仿 减小反射系数，降低损耗。经过hfss优化得到 真时替代金属化通孔的金属圆柱直径相吻合的钻头一45。移相器和00移相器的参数。参数口一hmslw、 钻孔，不需要对钻孔直径进行放大补偿。 埘一50、埘jap、一t印、dp和svp值与90。电桥相同。实物的大小为24cm65cm，微带输入输出端 一45。移相器参数：ll=45mm，砣=25mm，t=4mm。口均转换为标准sma接口便于测试。测试所用的 o。移相器参数：l=45mm，也=25mm，t=08mm。 仪器为a百lent e8363b矢量网络分析仪。没有被测两种移相器在hfss仿真下反射系数在10ghz附近试的端口均用sma 50q宽带负载匹配。图10是端j、于一25db。 口2输入时输出端口(58端口)的幅度测试结果， 将前面所述的90。电桥、交叉耦合器和移相器图11是2端口输入时输出端口相位测试结果。图 组合起来就可以得到图8所示的hmslw butler矩12是端口4输入时输出端口幅度测试结果，图13 万方数据8微波学报2008年6月是端口4输入时输出端口的相位测试结果。、 、 、 、。、r国5型 馨 10 褰l；=：j丑簿15。气气 、95097510 00 10 25 1050g图13端口4输入时58端口相位测试结果 图10端口2输入时58端口幅度测试结果气 心蕊、 气。、气卜5 一6一7一8气图14端口2、4输入时隔离度测试结果 图1l端口2输入时的58端口相位测试结果因素。在hmslw器件里面由于导波在等效磁壁的一侧是暴露在空气中的，因而在实际工作中会有一 部分能量泄漏到空气中，进而造成对相邻器件的影 响，如图8所示的并排900电桥内侧的两个半模波 导之间会通过空间互相耦合。所以，在设计时应尽 量加大hmslw宽高比，一般宽高比应大于10(实际 设计值为20)，从而减小辐射、降低损耗、提高隔离 度。由于hmslw是半封闭导波结构，与微带butler 矩阵相比，元件之间的来自辐射泄漏的耦合依然是很小的。在实测中发现，整个hmslw butler矩阵中图12端口4输入时58端口幅度测试结果主要的辐射损耗和隔离度的恶化来自微带到hm由测试结果可以看出，端口2输入时的相位差 slw转接中电场的不连续性。图14为端口2和端 为1350，端口4输入时的相位差为45。在loghz 口4输入时其余输入端口的隔离度测试结果。从测 频点上，平均的插入损耗在端口l输入时为 试结果可以看出，在设计频点10ghz附近，各个端 一207db，端口2输入时为一193db，端口3输入 口之间隔离度在一20db左右或小于一20db。 时为一183db，端口4输入时为一19db。实测插由于输出端口在10ghz上间隔为半个波长(d 入损耗包含了一对微带到sma同轴转接器的损耗入=05)，所以可以根据s参数测试结果和点源阵 和hmslw到微带渐变转接之间的损耗。列公式(2)计算出阵列因子。图15是根据公式(2)由buder矩阵原理图可知，从任何一个输入端 和s参数测试结果画出的阵因子图(归一化)。 口输人的信号都是与其他输入端口互相隔离的，这3i e删)i=ls“。5n枞州i(2) 样可以使各个端口同时收发而相互之间不影响，而这种互相隔离的特性主要是取决于90。电桥和交叉3 结论耦合器的隔离性能以及各个元器件较小的反射系数。在s1w buder矩阵中哺j，由于slw近乎于完全本文提出了一种基于新型传输线hmslw的 封闭的结构使得输入端口间的隔离主要取决于上述 butler矩阵，给出了基于hmslw butler矩阵的设计 万方数据第24卷第3期陈鹏等：一种新型的基于半模基片集成波导技术的buder矩阵95】张玉林，洪伟，吴柯，汤红军，郝张成一种新型基片 集成波导腔体滤波器的设计与实现微波学报，2005，21(1)：13814l(6】hong w，“u b，wang y q，陆q h，t盯喝h j，yin x x，dollgyd，zh鲫gy，rukhalfmode substmteili tegmb耐wavegilide：a new guided wave stmcture f抽 microwave粕d mimmeter wave appucaticirm- mwthz intem拍onal c伽ference，2006，sepl：2197刘冰，洪伟，陈继新，汤红军半模基片集成波导 (hmslw)三分贝功率分配器微波学报，2008，24图15 四个端口输入下面的归一化阵因子图(1)：52_55过程和测试结果，最终制作的样品的测试结果符合8y啪踟咖s，himkawa j，ando ma be锄switching设计目标。由于该矩阵采用标准双面pcb工艺制8lot姗y wit|i a 4-way buder matrix installed in a single作，可以低成本、大批量生产，所以经过进一步的改layer ptw枷啪vegllidecieee aps ims)，inp，20021：138一14l进与优化之后，该butler矩阵可以被广泛运用到通9bu b，hoilg w，wailg y q，k q h，wu khalf信和雷达系统的多波束天线中。mode substrate iiltef8ted wavegilide(hmsiw)3db参考文献couplerjieee microwave锄d wirel髓8 comp0nts协e墙，2007，17(1)：22240butler j，kwe rbe锄lfbniling nmt血simplif