CN100505413C - 一种带状线型大功率微波开关及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种带状线型大功率微波开关及其制作方法，该开关采用带状线结构作为微波信号传输载体，在内导体芯线上设置数级背靠背立柱，立柱与装联在上、下盖板上的微波板电连接，通过驱动电路控制微波板上的PIN二极管导通、截止，实现对微波信号的关与开。本发明由于在芯线上没有采用隔直流电容，减小了开关的插入损耗、提高了开关承载功率，PIN二极管没有直接跨接在芯线与盖板之间，焊接在微波板的微带线上，微带线通过采用小特征阻抗变换，降低对PIN二极管耐压值的要求，微波线上可并联焊接多个PIN二极管，提高了PIN二极管的承载功率和可靠性。该器件在移动通讯、航空电子、电子对抗、雷达、医疗等领域有着广泛的应用前景。

Description

一种带状线型大功率微波开关及其制作方法

技术领域

本发明涉及大功率微波器件技术(High Power MicrowaveEquipments)，特别是涉及一种带状线型大功率PIN二极管大功率微波开关。

背景技术

微波开关往往是采用微带线作为传输载体，二极管也多采用裸芯芯片，传输主线上一般都有隔直流电容，因此器件承载的功率就非常有限，插入损耗也比较大，同时装配工艺要求也比较苛刻，而大功率的波导微波开关，虽然能承受比较大的功率，但是在频段比较低(C波段以下)时，体积、重量就比较大，焊接工艺要求高，可靠性也难以保障。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明的目的是提供一种带状线型大功率微波开关及其制作方法。

为了实现本发明的目的，本发明的一方面是提供一种带状线型大功率微波开关的制作方法，步骤包括：

步骤1：采用带状线作为微波传输载体；

步骤2：将微波板安装在带状线中；

步骤3：将芯线、立柱、PIN二极管和电容与微波板上的微带线连接；

步骤4：在带状线上开孔形成谐振腔；

步骤5：通过驱动电路控制微带线上的PIN二极管和立柱共同形成短路面或开路面，实现对微波信号的关与通。

根据本发明的实施例，所述带状线的制作包括：由框架、上盖板、下盖板、芯线组合形成带状线主体结构，将芯线位于框架、上盖板、下盖板形成的腔体中央。

根据本发明的实施例，所述调节谐振腔的高度和外径，用于和芯线上的立柱形成的结构寄生参数形成谐振；调节立柱的高度和外径在形成短路面时，用于对微波信号隔离，形成开路面时，用于对微波信号低损耗传输。

根据本发明的实施例，对微带线变换成较小特征阻抗，用于减小PIN二极管和电容耐压值的要求，在微带线上固定多个PIN二极管和电容。

为了实现本发明的目的，本发明的另一方面是提供一种带状线型大功率微波开关，其结构包括：多个支路，

设有一框架位于上盖板、下盖板的两侧并在端部连接，三者共同形成带状线的主体结构；

一芯线位于一框架和上盖板、下盖板的中央；

上盖板、下盖板对称于芯线的两侧；

所述多个支路中：多个立柱、多个谐振腔、多个微波板、多个小盖板对称置于芯线的两侧，在每个支路中：

立柱对称置于芯线中，将芯线支撑、定位；

在上盖板、下盖板的本体上有谐振腔；

立柱两端部分别与两个谐振腔连接形成谐振；

谐振腔的开口处盖有微波板；

立柱和压装在上盖板、下盖板上的微波板电连接；

小盖板嵌入上盖板、下盖板的端口处并固定连接。

根据本发明的实施例，所述带状线结构按芯线的宽度、厚度和上盖板、下盖板之间的距离形成所需的特征阻抗。

所述立柱根据微波开关插入损耗和隔离度的要求，在每个支路上采用两级串联立柱，立柱之间的间距为λ/4。

所述立柱与芯线采用一体结构或两者采用两体结构，芯线采用圆角。

根据本发明的实施例，在微波板的微带线上设置电容和PIN二极管，电容连接于微波板上通孔的两侧，用于隔断PIN二极管驱动电流与芯线的直流通路，PIN二极管一端连接在电容的后面，PIN二极管的另一端接地。

根据本发明的实施例，所述立柱与微波板上的微带线通过两通孔电连接，形成所需要的短路面或开路面。

本发明的有益效果：由于本发明的传输主线即在带状线的芯线上没有采用隔直流电容，芯线可以加工成一体结构，这样减小了装配时结构加工误差的累积，减小了开关的插入损耗、提高了开关的承载大功率。

立柱采用背靠背的结构，提高本发明微波开关的结构强度，背靠背的立柱结构在形成短路面时，可以对微波信号进行正负峰值进行隔断。

适当调节立柱的高度和立柱的外径，可以在形成短路面时实现高隔离度和在开形成开路面时实现低损耗微波信号传输。

为了防止发生电击穿，芯线采用圆角进一步提高了功率容量。微波PIN二极管没有直接跨接在芯线与盖板之间，而是焊接在微带线上，微带线采用较小特征阻抗，降低了对微波PIN二极管和电容的耐压值要求，提高了微波PIN二极管的承载功率，在微带线上可同时并联焊接多个微波PIN二极管，由于在带状线结构中引入了微带线作为整个开关的调谐电路，避免了带状线电路不便调试的缺点，本器件采用腔体结构，具有承受微波功率大、插入损耗小，隔离度高、带宽宽、切换时间短，同时本器件还具有体积小，重量轻，抗冲击能力强的特点，因此大大提高了本开关的可靠性。本发明的微波开关在移动通讯、航空电子、电子对抗、雷达、医疗等领域有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明的带状线型单刀三掷大功率微波开关外形结构示意图；

图2是本发明的带状线型单刀三掷大功率微波开关内部结构局部示意图；

图3是本发明的带状线型单刀三掷大功率微波开关芯线结构示意图；

图4是本发明的带状线型大功率微波开关微波板结构示意图。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的特征及结构，以下结合附图对本发明作详细描述。

本发明采用带状线作为微波传输载体，空气(真空)或介质材料为传输介质，在内导体芯线上设置一级或数级背靠背立柱，立柱再与压装在上盖板、下盖板上的微带线连接，通过驱动电路控制微带线上表贴微波PIN二极管和立柱共同形成短路面或开路面，实现对微波信号的关与开，具体实施例如下表示：

如本发明的图1，带状线型单刀三掷大功率微波开关外形结构示意图，标注A为本发明开关的输入端口，标注B、标注C、标注D为本发明开关的输出端口。根据不同的使用要求，本发明可制作成单刀两掷、单刀三掷、单刀多掷和多刀多掷等结构形式。

如本发明的图2，带状线型单刀三掷PIN二极管大功率微波开关内部结构局部示意图所示，如本发明的图3，带状线型单刀三掷大功率微波开关芯线结构示意图，在本实施例中包括：三个支路，其中：

包括一框架1；一芯线2；上盖板41、下盖板42；所述多个支路中：多个立柱、多个谐振腔、多个微波板、多个小盖板对称置于芯线的两侧，

包括六个立柱：第一立柱31、第二立柱32、第三立柱33、第四立柱34、第五立柱35；第六立柱36；

包括十二个谐振腔，图中只显示：第一谐振腔51、第二谐振腔52、第三谐振腔53、第四谐振腔54、第五谐振腔55、第六谐振腔56；

包括六个小盖板，图中只显示：第一盖板61、第二盖板62、第三盖板63、第四盖板64；

包括六个微波板，图中只显示：第一微波板71、第二微波板72、第三微波板73、第四微波板74；

设有一框架1位于上盖板41、下盖板42的两侧并在端部连接，三者共同形成带状线的主体结构；

一芯线2位于一框架1和上盖板41、下盖板42的中央；

上盖板41、下盖板42对称于芯线2的两侧；

在每个支路中：

第一立柱31和第二立柱32或第三立柱33和第四立柱34或第五立柱35和第六立柱36分布于芯线2中并且两端高于芯线2平面，将芯线2支撑、定位；

在上盖板41、下盖板42的本体上对称分布有圆孔形成十二个谐振腔，由其中的每两个谐振腔相互对称放置，例如第一谐振腔51和第二谐振腔52相互对称放置；第三谐振腔53和第四谐振腔54相互对称放置；第五谐振腔55和第六谐振腔56相互对称放置；其他三对谐振腔排列与上述排列相同则不一一叙述，并且图中省略了标记。

在每个支路中第一立柱31和第二立柱32或第三立柱33和第四立柱34或第五立柱35和第六立柱36的两端部分别与所述的每对谐振腔接触连接，并形成谐振；

十二个谐振腔：在每个支路中第一谐振腔51和第二谐振腔52或第三谐振腔53和第四谐振腔54或第五谐振腔55和第六谐振腔56及其它三对谐振腔的开口处分别盖有六个微波板，例如第一微波板71、第二微波板72、第三微波板73、第四微波板74等微波板；

在每个支路上第一立柱31和第二立柱32或第三立柱33和第四立柱34或第五立柱35和第六立柱36分别与压装在上盖板41、下盖板42上的六个微波板例如第一微波板71、第二微波板72、第三微波板732、第四微波板74等微波板采用电连接；

六个小盖板例如：第一盖板61、第二盖板62、第三盖板63、第四盖板64等小盖板嵌入上盖板41、下盖板42的端口处并固定连接。

六个立柱包括：第一立柱31、第二立柱32、第三立柱33、第四立柱34，采用一体结构或两者采用两体结构分别对芯线2起支撑、定位作用，第一立柱31、第二立柱32、第三立柱33、第四立柱34和压装在上盖板41、下盖板42上的六个微波板例如第一微波板71、第二微波板72、第三微波板73、第四微波板74等微波板用螺钉电连接；

第一立柱31、第二立柱32、第三立柱33、第四立柱34、第五立柱35、第六立柱36做芯线2的支撑件，亦可和六个微波板例如第一微波板71、第二微波板72、第三微波板73、第四微波板74等微波板上的微带线11形成短路面或开路面。

本发明第一立柱31、第二立柱32，第三立柱33、第四立柱34、第五立柱35、第六立柱36与芯线2采用一体结构或采用两体结构，采用圆角；根据微波开关插入损耗和隔离度的要求，第一立柱31、第二立柱32，第三立柱33、第四立柱34、第五立柱35、第六立柱36采用两级串联结构，所述第一立柱31、第二立柱32，第三立柱33、第四立柱34、第五立柱35、第六立柱36串联结构是将每个立柱的中部位于芯线中，每立柱的两端位于芯线表面之上，第一立柱31、第二立柱32，第三立柱33、第四立柱34、第五立柱35、第六立柱36改变了带状线传输的连续性，所述立柱之间的间距满足λ/4的要求。第一立柱31、第二立柱32、第三立柱33、第四立柱34、第五立柱35、第六立柱36两端部分别插入上盖板41、下盖板42上的十二个圆孔中，形成十二个谐振腔，调节十二个谐振腔例如第一谐振腔51、第二谐振腔52、第三谐振腔53、第四谐振腔54等谐振腔的高度和外径，用于和所述立柱形成的结构寄生参数形成谐振。调节第一立柱31、第二立柱32，第三立柱33、第四立柱34、第五立柱35、第六立柱36的高度和外径在形成短路面时，用于对微波信号隔离，形成开路面时，用于对微波信号低损耗传输。

所谓调节谐振腔和立柱的高度和外径，即通过用三维的电磁场仿真软件(如ANSOFT公司的仿真软件HFSS)进行仿真，可发现当调节谐振腔和立柱的高度和外径调节到合适的尺寸时，此时开关的驻波曲线，插入损耗曲线和隔离度曲线均满足设计要求。

如本发明的图4，带状线型大功率微波开关一块微波板示意图，在本发明的实施例中每个支路采用两块微波板，当实施例采用三个支路时共用六块微波板，PIN二极管采用24只，电容采用48只，其中：

一块微波板包括：采用四只PIN二极管包括：第一表贴微波PIN二极管81、第二表贴微波PIN二极管82、第三表贴微波PIN二极管83、第四表贴微波PIN二极管84；采用四只电容并联包括：第一表贴微波电容91、第二表贴微波电容92、第三表贴微波电容93、第四表贴微波电容94；采用几个通孔包括：第一通孔101、第二通孔102......，微带线11；其中：

例如在支路上，第一表贴微波PIN二极管81、第二表贴微波PIN二极管82、第三表贴微波PIN二极管83、第四表贴微波PIN二极管84和第一表贴微波电容91、第二表贴微波电容92、第三表贴微波电容93、第四表贴微波电容94分别焊接在第一微波板71或第二微波板72或第三微波板73或第四微波板74等微波板上的微带线11上的第一通孔101、第二通孔102的两侧，用于隔断表贴微波PIN二极管驱动电流与芯线2的直流通路，目的是防止直流电流耦合进入其它设备。第一表贴微波PIN二极管81、第二表贴微波PIN二极管82、第三表贴微波PIN二极管83、第四表贴微波PIN二极管84正端与第一表贴微波电容91、第二表贴微波电容92、第三表贴微波电容93、第四表贴微波电容94连接，所述PIN二极管的负端接地，形成直流通路。将微带线11变换成较小的特征阻抗，可以减小对表贴微波PIN二极管和表贴微波电容耐压值的要求，并且在微带线11上焊接多个PIN二极管和电容，实现PIN二极管和电容的冗余，这样可以提高本开关的可靠性，另一块微波板与上所述内容相同不再赘述。

所述较小的特征阻抗变换即由一般微波电路50欧姆的特征阻抗变换成20欧姆的特征阻抗，根据微波电路电压计算公式 $\mathrm{\μ}=\sqrt{p\×R}$ 可知微波板7经过小特征阻抗变换后，表贴微波二极管8和表贴微波电容9的耐压值可以降低到不变换之前的1.6倍。

微波板上的微带线11通过第一通孔101、第二通孔102用螺钉与第一立柱31或第二立柱32或第三立柱33或第四立柱34或第五立柱35或第六立柱36电连接，使第一立柱31、第二立柱32，第三立柱33、第四立柱34分别与微波板7上的微带线11形成短路面或开路面。

一框架1采用铝材制成，型号为LY12-CZ，用数控加工中心铣削而成，内表面镀银。

上盖板41、下盖板42采用铝材制成，型号为LY12-CZ，用数控加工中心铣削而成，内表面镀银。

一芯线2采用铜材制成，型号为H62-CZ，用数控加工中心铣削而成，表面镀银。

带状线主体结构包括：框架1、上盖板41、下盖板42和芯线2，上盖板41、下盖板42用螺钉紧固在框架1上，芯线2位于框架1和上盖板41、下盖板42的形成的腔体中央，通过芯线2上的第一立柱31、第二立柱32、第三立柱33、第四立柱34，第五立柱35、第六立柱36、与高频插座进行固定，由框架1，上盖板41、下盖板42，芯线2组成的带状线结构满足特征阻抗50欧姆的传输线要求。带状线结构按芯线2的宽度选择4mm、厚度选择2mm，上盖板31、下盖板32之间的距离选择6mm，填充介质为空气介质。

其带状线腔体结构的功率容量为：

$\frac{P_{\max }\mathrm{\ρ}}{b^{2}p}=\frac{6.02\×{10}^3}{Z_0}[\frac{t}{b}-\frac{1}{2}{\left(\frac{t}{b}\right)}^2]$

式中，P_max为带状线结构峰值击穿功率，

ρ为带状线的驻波系数，

b为芯线到上盖板、下盖板的间距，

t为芯线厚度，P为空气压力，

Z₀为带状线结构的特征阻抗。

芯线2上的第一立柱31、第二立柱32，第三立柱33、第四立柱34第五立柱35，第六立柱36起到和微波板7上微带线11形成短路面或开路面的作用，在单刀三掷开关中，所述三掷即是包括三个支路，当需要某支路导通时，驱动电路给该支路上所述表贴微波PIN二极管加一负高压，此负高压必须大于微波功率导通所述表贴微波PIN二极管的电压，此时所述表贴微波PIN二极管处于高阻状态，所述立柱和微带线11形成开路面，由于所述立柱4和所述谐振腔选择了合适的结构参数，可以实现微波信号的低损耗传输。当一支路处于导通时，其它支路必须处于截止状态，此时驱动电路给该支路上所述表贴微波PIN二极管加一正电压，此正电压使所述表贴微波PIN二极管处于低阻状态的所述立柱和微带线11形成短路面，可以实现对微波信号高隔离，由于所述立柱与输入端口芯线2的分支处的间距满足λ/4波长的要求，因此反射回波在芯线2的分支处形成一类似开路面，微波信号均通过导通支路低损耗传输，实现本开关目的。

微波板7用螺钉连接在上盖板41盖板42，此做法可以方便本开关的调试，避免了带状线不便调试的缺点，并且微波板更换方便提高了本开关的可维修性。

本发明的是适用于带状线型大功率微波开关，该器件为腔体结构，承受微波信号功率可达数千瓦，工作频率为S波段时，可承载峰值功率2.4千瓦(占空比为10％)；体积小，工作频率为S波段，两级立柱串联时，本器件长度小于126mm×126mm×35mm；重量轻，小于150g，带宽宽，工作频率为S波段时，带宽可达±100MHz；插入损耗小，工作频率为S波段时，可达-0.6dB；隔离度高，工作频率为S波段时，可达-47dB以上；开关时间短，可达10μs以下；带内平坦度好，在±100MHz的带宽内，带内平坦度小于±0.1dB；谐波抑制好，二次谐波的抑制可达-37dB。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1、一种带状线型大功率微波开关的制作方法，其特征在于：制作步骤包括：

步骤1：采用带状线作为微波传输载体；

步骤2：将由PIN二极管、通孔和电容组成的微波板安装在由框架、上盖板、下盖板组成的带状线中；

步骤3：将芯线上设置立柱，立柱再与压装在上盖板、下盖板上，立柱再与压装在上盖板、下盖板上，使立柱和微波板上的微带线连接；

步骤4：在带状线上盖板、下盖板上的开孔形成谐振腔；

步骤5：通过驱动电路控制微带线上的PIN二极管和立柱共同形成短路面或开路面，实现对微波信号的关与通。

2、如权利要求1所述的大功率微波开关的制作方法，其特征在于：

所述带状线的制作是将芯线位于框架、上盖板、下盖板形成的腔体中央。

3、如权利要求1所述的大功率微波开关的制作方法，其特征在于：

还包括调节所述谐振腔的高度和外径，用于和芯线上的立柱形成的结构寄生参数形成谐振；调节立柱的高度和外径在形成短路面时，用于对微波信号隔离，形成开路面时，用于对微波信号低损耗传输。

4、如权利要求1所述的大功率微波开关的制作方法，其特征在于：

将所述微带线变换成特征阻抗，用于减小PIN二极管和电容耐压值的要求，是在微带线上固定多个PIN二极管和电容，所述特征阻抗R是根据微波电路电压μ计算公式 $\mathrm{\μ}=\sqrt{p\×R}$ 得到，p为PIN二极管承载功率。

5、一种带状线型大功率微波开关，其特征在于，包括：多个支路，

设有一框架位于上盖板、下盖板的两侧并在端部连接，三者共同形成带状线的主体结构；

一芯线位于所述一框架和上盖板、下盖板的中央；

上盖板、下盖板对称于芯线的两侧；

所述多个支路中：多个立柱、多个谐振腔、多个微波板、多个小盖板对称置于芯线的两侧，在每个支路中：

立柱对称置于芯线中，将芯线支撑、定位；

在上盖板、下盖板的本体上有谐振腔；

立柱两端部分别与两个相对放置的谐振腔连接形成谐振；

谐振腔的开口处盖有微波板；微波板由PIN二极管、通孔和电容组成；

立柱和压装在上盖板、下盖板上的微波板电连接；

小盖板嵌入上盖板、下盖板的端口处并固定连接。

6、如权利要求5所述的大功率微波开关，其特征在于：

所述带状线结构按芯线的宽度、厚度和上盖板、下盖板之间的距离形成所需的特征阻抗。

7、如权利要求5所述大功率微波开关，其特征在于：

所述立柱根据微波开关插入损耗和隔离度的要求，在每个支路上采用两级串联立柱，立柱之间的间距为λ/4，λ为波长。

8、如权利要求5所述大功率微波开关，其特征在于：

所述立柱与芯线采用一体结构或两者采用两体结构，采用圆角。

9、如权利要求5所述大功率微波开关，其特征在于：

在微波板的微带线上设置电容和PIN二极管，电容连接于微波板上通孔的两侧，用于隔断PIN二极管驱动电流与芯线的直流通路，PIN二极管一端与电容连接，PIN二极管的另一端接地。

10、如权利要求5所述大功率微波开关，其特征在于：

所述立柱与微波板上的微带线通过两通孔电连接，形成所需要的短路面或开路面。

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