專利名稱：波導-微帶集成功率分配器及合成器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于微波毫米波固態(tài)功率合成技術領域；特別涉及毫米波、亞毫米波段寬頻帶低損耗波導-微帶集成功率分配與合成技術。
背景技術：
隨著工作頻率的上升，由于材料、工藝原因，固態(tài)器件輸出能力呈指數(shù)下降，例如當前八毫米波頻段単器件輸出能力在5W左右，三毫米波頻段固態(tài)單器件輸出能力只有100-200mW左右，遠遠不能滿足系統(tǒng)需求。功率合成技術是解決單器件輸出能力不足，獲取更高功率的有效手段。功率合成實際上是各合成信號的矢量疊加，要求各合成信號為等幅同相關系；同時還要求合成時信號路徑損耗低。對于毫米波功率合成技術來說，各放大單元采用同一批次功率單片實現(xiàn)，為合成各支路信號幅度和相位一致性奠定基礎；采用低損耗 對稱結構的合成網(wǎng)絡，保證各支路信號傳輸路徑等幅同相關系，同時滿足信號的低損耗傳輸要求；并且合成網(wǎng)絡要求便于集成固態(tài)功率單片。因此，設計低損耗、幅度相位一致性良好、支路便于集成固態(tài)功率器件的功率分配/合成器是獲取毫米波高功率的關鍵。對毫米波頻段來說，較短的工作波長使得這種低損耗、支路幅度相位一致、便于集成固態(tài)功率器件的功率分配/合成器設計難度更大。近年來，國內外學采用了波導-微帶集成結構，實現(xiàn)了毫米波功率分配/合成。這種類型的功率分配/合成器將波導立體傳輸線與微帶集成傳輸線有機地結合起來，同時實現(xiàn)了功率分配/合成和波導-微帶過度轉換，為毫米波固態(tài)功率合成實現(xiàn)奠定了一定基礎。其中，文獻[I] ( “A broad-band 3_dB in-phasedivider for millimeter-wave lengths”,作者Xiaoqiang Xie, Xiao liu, Weigan Lin.Asia-Pacific Microwave Conference, 2008)所述為一個 0° 3_dB 波導-微帶集成功率分配器，結構尺寸緊湊，可與波導電橋結合實現(xiàn)更多支路的功率分配/合成。該結構中，兩微帶線處于面對面放置，關于波導中心面對稱，從波導寬邊同側插入波導。兩微帶線間距小于波導寬邊尺寸。在實用中，后續(xù)電路需要在該功分結構兩微帶線金屬條帶上分別安放固態(tài)器件，兩微帶線間需預留一定間距，該間距不僅要大于固態(tài)器件高度的兩倍，還要滿足加工需要。因此，安放單個固態(tài)器件的空間高度小于波導寬邊尺寸一半。隨著頻率增高，波導尺寸變小，波導寬邊尺寸將不能滿足安放兩固態(tài)器件的需要，因此，這類功率分配/合成器只能用在毫米波低端以下頻率，如文獻[I]所述8mm頻段。文獻[2]( “Design of a Full Band, Compact Waveguide-MicrostripPowerSplitter Using Multilayer PCB Technology”， Hong Yi Lim, Zhicheng Wei,ZhuoLi, Geok Ing Ng, Yoke Choy Leong, Radio-Frequency Integration Technology,2009. RFIT 2009.)與文獻[I]中結構相比較，兩微帶的安放方式并未變化。其改進在于I.探針的結構由文獻[I]中的3段變?yōu)?段，以獲得更好的寬帶效果，但是從仿真結果來看，改進后效果不明顯；2.文獻[2]中功分結構將文獻[I]中兩探針間未填充介質的空間用介質填滿，并采用多層PCB技術進行制作。由于兩探針間充滿介質，無法安裝固態(tài)器件，不能用于固態(tài)功率合成技術領域。因此，文獻[2]中功分器相對于文獻[I]中的功分器無實質性、可實際運用的改進。

實用新型內容本實用新型目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種波導-微帶集成功率分配器及合成器。本實用新型的具體方案是波導-微帶集成功率分配器及合成器，包括矩形波導、介質基板、嵌入介質基板中的公共地、以公共地對稱并貼附在介質基板上表面和下表面的兩個微帶探針，所述兩個微帶探針分別與兩組微帶線阻抗變換段、兩微帶傳輸線依次連接構成兩組平行的并以公共地對稱的分別位于介質基板上表面和下表面的微帶線，所述兩個微帶探針沿著矩形波導E面從矩形波導寬邊側壁開口垂直插入矩形波導內，其插裝位置對稱于矩形波導的寬邊中心面；且兩微帶探針的中心線與矩形波導傳輸方向上的波導短路面的理論間距為四分之一波導波長。本實用新型的有益效果是本實用新型結構所述的功率分配器/合成器損耗低、頻帶寬，支路間幅度、相位一致性好，且結構緊湊、易于加工實現(xiàn)。相對于現(xiàn)有的同類技術，此種功率分配/合成器各支路空間獨立，集成固態(tài)功率器件時不受波導尺寸限制，便于在三毫米波及更高頻段的固態(tài)功率合成電路中使用，且便于與常見的波導環(huán)形電橋、波導分支電橋等配合使用，實現(xiàn)多路功率分配/合成。

圖I為本實用新型的波導-微帶集成功率分配器及合成器的立體結構示意圖。圖2為本實用新型的矩形波導寬邊側壁開口結構示意圖。圖3a為本實用新型俯視方向結構的截面示意圖。圖3b為本實用新型側視方向結構的截面示意圖。圖4a、圖4b和圖4c為本實用新型在3mm整個頻段(75GHz至IlOGHz)的S11、S21及S31波形圖。附圖標記說明矩形波導I、微帶探針2、微帶線阻抗變換段3、微帶傳輸線4、公共地5、介質基板6、寬邊側壁開口 7。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型做進一步的說明。如圖I和圖2所示，波導-微帶集成功率分配器及合成器，包括矩形波導I、介質基板6、嵌入介質基板6中的公共地5、以公共地5對稱并貼附在介質基板6上表面和下表面的兩個微帶探針2，所述兩個微帶探針2分別與兩組微帶線阻抗變換段3、兩50歐姆的微帶傳輸線4依次連接構成兩組平行的并以公共地5對稱的分別位于介質基板6上表面和下表面的微帶線，所述兩個微帶探針2沿著矩形波導E面從矩形波導寬邊側壁開口 7垂直插入矩形波導I內，其插裝位置對稱于矩形波導的寬邊中心面；且兩微帶探針2的中心線與矩形波導傳輸方向上的波導短路面的理論間距為四分之一波導波長。上述微帶探針2用于最大限度地耦合毫米波矩形波導I中能量；兩微帶線阻抗變換段3用于在整個頻帶內分別實現(xiàn)兩微帶探針2與兩微帶傳輸線4阻抗匹配；兩微帶傳輸線4之間延伸的帶公共地5的介質基板6用于固定微帶傳輸線4。在3毫米頻段(75GHz I IOGHz)，本實例所述波導-微帶集成功率分配器及合成器各部分的主要尺寸如圖I、圖3a和圖3b所示，矩形波導I采用標準尺寸R900，長邊a =I. 27毫米*短邊b = 2. 54毫米，介質基板6采用Duroid5880，厚度H2的一半為O. 127毫米。兩微帶探針2長L2 = O. 50毫米，寬W2 = O. 29毫米；兩微帶線阻抗變換段3長L3 =O. 45毫米，寬W3 = O. 16毫米；兩50歐標準兩微帶傳輸線4寬W4 = O. 38毫米。兩微帶探針2關于公共地5對稱，公共地5位于矩形波導I的寬邊中心面位置。兩微帶探針2分別位于寬邊中心面上下表面，由介質基板6 (Duroi d5880)支撐，兩微帶探針2的中心線與矩形波導I傳輸方向上的波導短路面的間距為O. 69毫米，兩微帶探針2所插入的波導寬邊開槽寬Wl = I毫米，高Hl = O. 8毫米,兩微帶探針2至微帶傳輸線4所在屏蔽腔長LI = O. 4毫米，高Hl = O. 8毫米，兩標準微帶傳輸線4各自所在空氣槽寬WO = I. 5毫米，高O. 8毫米，介質基板6延伸后，寬W5 = 2毫米，高度不變，上述介質基板6以及兩微帶探針2構成的整體的影響區(qū)域的高度H3 = I. 60mm。 上述實施例中兩微帶探針2的形狀、構造相同。兩微帶探針2在矩形波導I上的安裝方式和安裝位置是兩微帶探針2覆著于介質基板6上下兩側，沿著矩形波導I的E面(波導TElO模式電場方向)，從矩形波導I的寬邊側壁中心的寬邊側壁開口 7垂直插入矩形波導I內，其插裝位置對稱于矩形波導I的寬邊中心面，且兩微帶探針2的中心線與矩形波導傳輸方向上的矩形波導終端短路面的理論間距為四分之一波導波長。微帶探針2插裝位置，即距矩形波導終端短路面四分之一波導波長的波導寬邊中心為波導內電場最強處，位于此處的E面探針與波導間可實現(xiàn)電場強耦合。兩微帶探針2在矩形波導I內結構尺寸相同，位置對稱，與矩形波導I的空間電場形成相同的耦合，從而實現(xiàn)矩形波導I與微帶探針2間的對稱功率分配/合成。用于微帶探針2插裝的矩形波導I的寬邊側壁開口 7，位于波導寬邊側壁中心。根據(jù)矩形波導壁電流分布情況可知，越靠近波導寬邊側壁中心，開口切斷表面電流越少，對波導內電場影響越小。另一方面，開口面即為探針與微帶連接部分的屏蔽腔截面，該段屏蔽腔一個重要功能是防止能量以空間模式傳輸。本實施例中，兩微帶探針2覆著于介質基板6兩偵牝減小了微帶探針2占用空間。寬邊側壁開口 7的寬度Wl為微帶探針2的金屬條帶寬度W2的2-4倍，寬邊側壁開口 7的高度Hl為介質基板厚度H2的1_2倍。對任何頻率的微帶集成傳輸線來說，其尺寸遠小于對應立體波導傳輸線尺寸，上述開口尺寸對波導內場結構影響甚微。因此，本實用新型所述波導-微帶集成功率分配/合成器可用以實現(xiàn)毫米波以及更高頻率的功率分配/合成。微帶探針2與微帶線阻抗變換段3的屏蔽腔體長度LI為對應導波波長的O. 5-1倍，該屏蔽腔體橫截面寬和高分別等于矩形波導的寬邊側壁開口的寬Wl和高H1，可有效防止矩形波導中的電磁波直接耦合到開槽腔中以波導模式傳輸。兩50歐姆微帶傳輸線4形成獨立的屏蔽腔，腔體尺寸可根據(jù)實際使用情況決定，與波導側壁開口無關，也與波導尺寸無關。因此本實施例所述波導-微帶集成功率分配/合成器各微帶支路集成固態(tài)有源器件時，器件安裝空間不受工作頻率限制，可應用到更高頻率的固態(tài)功率合成技術中。上述微帶探針2、微帶線阻抗變換段3和微帶傳輸線4采用金屬條帶。本實施例所述波導-微帶集成功率分配/合成器在三毫米頻段的電磁場仿真結果如圖4a、圖4b和圖4c所示。圖4a中所示為該波導_微帶集成功率分配/合成器在3mm整個頻段(75GHz至110GHz)的S11、S21及S31，從圖中可知該結構在整個頻段內回波損耗非常好，優(yōu)于_30dB。從圖4a及4b可知，在整個頻段內，兩端口輸出S21、S31均約為_3dB (等功率分配)，各自插入損耗小于O. lldB(S21、S31分別與_3dB的差值)，幅度不一致性(S21與S31大小的差值)低于O. 02dB。圖4c所示為S21與S31相位關系，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，S21與S31在整個頻段內同相。從仿真結果可以看出，該結構可實現(xiàn)低損耗、寬頻帶的同相功率等分，也可用于實現(xiàn)高效率功率合成。在三毫米波全頻段內(75GHz IlOGHz)，端口駐波小于_29dB(在108GHz處達到最小，約_60dB);插損小于O. 15dB ;兩微帶端口具有良好的幅度、相位一致性?？梢?本實用新型所述波導-微帶集成功率分配/合成器在三毫米波全頻段實現(xiàn)了低損耗等功率分配，兩支路具有良好的幅度、相位一致性。該波導-微帶集成功率分配/合成器在實現(xiàn)以上功能同時，實現(xiàn)了波導立體傳輸線-微帶集成傳輸線過渡轉換，各微帶支路便于集成固態(tài)功率器件，可用以實現(xiàn)三毫米波固態(tài)功率合成；可與常見的波導環(huán)形電橋、波導分支電橋等配合使用，實現(xiàn)多路功率分配/合成。本實施例能夠實現(xiàn)損耗低、頻帶寬，支路間幅度、相位一致性好，且結構緊湊、易于加工等優(yōu)點的具體原因表現(xiàn)為I.本實施例所述波導-微帶集成功率分配/合成器，兩微帶傳輸線背靠背放置，后續(xù)電路分別處于半開放空間，用于安放固態(tài)器件的空間高度不再受波導寬邊尺寸限制，因此，相對于文獻[I]中結構適用于更高頻段。2.本實施例所述波導-微帶集成功率分配/合成器，兩微帶探針關于波導內電場最強處(波導寬邊中心面)對稱，且兩探針間間距僅為介質基板厚度。因此，兩探針幾乎在同一位置實現(xiàn)了與波導結構的緊耦合，兩輸出端副相一致行良好，具有很高的合成效率。3.本實施例所述波導-微帶集成功率分配/合成器，兩微帶探針覆著于介質基板兩側，波導側壁處的探針插裝開口位于中心位置，且開口小，對波導內電磁場影響甚微，可實現(xiàn)毫米波以及更高頻率的功率分配/合成。4.本實施例所述波導-微帶集成功率分配/合成器，結構對稱性與頻率無關，保證了該結構可實現(xiàn)毫米波全波導帶寬波導-微帶過渡與功率分配/合成，具有寬頻帶工作特性。5.本實施例所述波導-微帶集成功率分配/合成器中，微帶探針、微帶傳輸線及安裝用介質基板的加工可由成熟的印制工藝或薄膜工藝完成，矩形波導加工可由一般數(shù)控機床完成，電路裝配采用精密電路裝配技術電路(與一般技術相同)，因而便于加工制作。本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本實用新型的原理，應被理解為本實用新型的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領域的普通技術人員可以根據(jù)本實用新型公開的這些技術啟示做出各種不脫離本實用新型實質的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本實用新型的保護范圍內。
權利要求1.波導-微帶集成功率分配器及合成器，其特征在于，包括矩形波導(I)、介質基板(6)、嵌入介質基板(6)中的公共地(5)、以公共地(5)對稱并貼附在介質基板(6)上表面和下表面的兩個微帶探針(2)，所述兩個微帶探針(2)分別與兩組微帶線阻抗變換段(3)、兩微帶傳輸線(4)依次連接構成兩組平行的并以公共地(5)對稱的分別位于介質基板(6)上表面和下表面的微帶線，所述兩個微帶探針(2)沿著矩形波導E面從矩形波導寬邊側壁開口(7)垂直插入矩形波導(I)內，其插裝位置對稱于矩形波導的寬邊中心面；且兩微帶探針(2)的中心線與矩形波導傳輸方向上的波導短路面的理論間距為四分之一波導波長。
2.根據(jù)權利要求I所述的波導-微帶集成功率分配器及合成器，其特征在于，插入矩形波導上的兩微帶探針之間的間距為介質基板厚度。
3.根據(jù)權利要求I所述的波導-微帶集成功率分配器及合成器，其特征在于，矩形波導的寬邊側壁開口為矩形開口，所述寬邊側壁開口的尺寸的設計規(guī)則是開口寬度Wl為微帶探針的金屬條帶寬度W2的2-4倍，開口高度Hl為介質基板的厚度H2的1-2倍。
4.根據(jù)權利要求I所述的波導-微帶集成功率分配器及合成器，其特征在于，所述微帶探針與微帶傳輸線連接部分屏蔽腔體長度LI為對應導波波長的0. 5-1倍，所述屏蔽腔體橫截面寬和高分別等于矩形波導的寬邊側壁開口的寬和高。
5.根據(jù)權利要求I所述的波導-微帶集成功率分配器及合成器，其特征在于，上述介質基板及接地面向微帶傳輸線形成的獨立的屏蔽腔兩側延伸。
專利摘要本實用新型涉及波導-微帶集成功率分配器及合成器。包括矩形波導、介質基板、嵌入介質基板中的公共地、以公共地對稱并貼附在介質基板上表面和下表面的兩個微帶探針，所述兩個微帶探針分別與兩組微帶線阻抗變換段、兩微帶傳輸線依次連接構成兩組平行的并以公共地對稱的分別位于介質基板上表面和下表面的微帶線，所述兩個微帶探針沿著矩形波導E面從矩形波導寬邊側壁開口垂直插入矩形波導內，其插裝位置對稱于矩形波導的寬邊中心面；且兩微帶探針的中心線與矩形波導傳輸方向上的波導短路面的理論間距為四分之一波導波長。本實用新型的有益效果是損耗低、頻帶寬，支路間幅度、相位一致性好，且結構緊湊、易于加工實現(xiàn)。
文檔編號H01P5/08GK202585697SQ20122016632
公開日2012年12月5日 申請日期2012年4月18日 優(yōu)先權日2012年4月18日
發(fā)明者謝小強, 趙翔, 詹銘周, 吳永倫, 周睿, 周沛翰, 謝凌霄 申請人:電子科技大學