CN101242020B - 毫米波3dB功率分配/合成网络 - Google Patents

Abstract

一种毫米波3dB功率分配/合成网络，包括毫米波矩形波导、两个形状和构造相同的探针和两条微带传输线；两探针面对面沿着矩形波导E一面，从波导宽边表面的同一开口垂直插入矩形波导内，其插装位置对称于矩形波导的宽边中心面，且两探针中心线与矩形波导传输方向上的波导短路面的理论间距为四分之一波导波长。所述毫米波3dB功率分配/合成网络可实现毫米波全波导带宽波导-微带转换与功率分配/合成，具有频带宽、损耗低、易于加工以及便于固体器件安装、结构紧凑、可方便地实现多路功率分配/合成等特点。

Description

毫米波3dB功率分配/合成网络

技术领域

本发明属于毫米波集成电路技术领域，特别涉及毫米波宽带低损耗波导-微带3dB混合集成功率分配与合成网络。

背景技术

在毫米波固态集成技术中，一个不可避免的话题就是毫米波系统传输结构与毫米波集成传输结构的过渡连接问题——即波导与微带的过渡连接。经过数十年的发展，研究人员们已提出各种各样的波导-微带过渡结构，其中比较有代表性的是波导-微带E-面探针结构。它具有低损耗、宽频带、便于加工、便于固体器件集成等优点，是目前应用比较广泛的一种波导-微带过渡结构。

在毫米波固态集成电路中，功率分配与合成主要依靠以Wilkinson电桥、环形电桥等为代表的平面集成功率分配结构，技术上主要还是要求低损耗、便于加工以及固态器件安装。由于采用固态集成传输线结构，较高的损耗是这类电桥突出的问题。同时，由于这类电桥中四分之一波长传输线段的引入，以及尺寸上与毫米波长相比拟的拐弯、T形结、阶梯变换等不连续性的引入，限制了工作频率带宽。

通常，毫米波集成功率分配与合成网络包括波导-微带过渡结构和微带集成功率分配/合成电桥两部分，波导-微带过渡结构实现毫米波系统传输线与微带集成传输线的转换，微带集成功率分配/合成电桥则完成功率分配/合成功能。从结构上看，该电路网络由于包括两部分电路单元，电路损耗也由两部分组成；从分布参数传输理论来看，网络中含有两种电路单元，工作带宽应该是两者的交集。对毫米波电路而言，特别是毫米波固态集成电路，电路损耗是一个重要的指标。如上所述，毫米波波导-微带过渡结构已经比较成熟，采用E-面微带探针的波导-微带过渡结构在八毫米甚至三毫米频段都可以实现全频带低损耗工作。限制毫米波固态集成功率分配/合成网络工作带宽的是集成电桥结构，一般采用单级电桥可以达到10％的工作带宽，采用多级电桥可以达到更宽的工作频带(比如30％)，但其代价是可能使网络损耗增加数倍。同时，由于毫米波波长短，相应多路电桥结构尺寸小，集成多个大功率器件时，集中的多热源为高功率固态器件正常工作时的高效率散热要求带来了难题，也是常用毫米波多路功率分配/合成网络在高功率固态系统应用中难以突破的瓶颈所在。

Vassilev，V.等研究了一种毫米波3-dB功率分配器[“A new 3-dB power divider formillimeter-wavelengths”，作者：Vassilev，V.；Belitsky，V.；Urbain，D.；Kovtonyuk，S.；Microwave and Wireless Components Letters，IEEE(see also IEEE Microwave and GuidedWave Letters)，Volume 11，Issue 1，Jan 2001 Page(s)：30-32]，此种功率分配器包括毫米波矩形波导、两个探针和两条微带传输线，两个探针以矩形波导窄边中心面为对称面，沿着矩形波导E-面相向垂直插入矩形波导，且位于波导的同一E-面。由于该功率分配器由简洁的对称结构同时实现了波导-微带转换与功率分配/合成功能，因而具有低损耗、宽频带的优点，但不足之处是：空间利用率低，结构松散，不便于实现更多路的分配/合成网络。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型的毫米波3dB功率分配/合成网络。此种功率分配/合成网络不仅电路损耗低、频带宽，结构紧凑、便于加工实现，具有良好的散热特性，便于毫米波固态高功率合成应用，而且与波导魔T、波导分支电桥配合使用，可方便地实现多路功率分配/合成。

本发明所述毫米波3dB功率分配/合成网络的结构如图1所示，包括毫米波矩形波导、两个探针和两条微带传输线，两个探针是毫米波矩形波导与两条微带传输线之间的过渡转换结构；两探针的形状、构造相同，两探针在矩形波导上的安装方式和安装位置是：两探针面对面沿着矩形波导E-面，从波导宽边表面的同一开口垂直插入波导内，其插装位置对称于矩形波导的宽边中心面，且两探针中心线与矩形波导传输方向上的波导短路面的理论间距为四分之一波导波长。

矩形波导的宽边中心面是电场强度最大的E-面，按上述安装方式和安装位置，两探针位于矩形波导的同一侧、相互平行，一探针在矩形波导的宽边中心面之上的E-面，一探针在矩形波导的宽边中心面之下的E-面，两探针所在E-面的电场强度相同。

本发明所述毫米波3dB功率分配/合成网络中，插装在矩形波导上的两探针之间的间距以满足电路器件的装载为限。结构中由于探针间距即为两微带传输线之间的距离，如果只是无源电路应用，两探针间距可以做得很小(0.5～1mm)，相应可以得到较小的开口长度b。如果在有源电路中应用，探针间距尺寸必须计入有源器件的安装尺寸；对毫米波集成电路而言，以毫米波单片集成电路为主的毫米波固态集成器件尺寸厚度一般小于0.1毫米，考虑到机械结构和电路装配原因，探针间距可以取1～2mm。

由于波导宽边表面电流是顺着波导传输方向周期性分布，且在波导宽边中心电流流向顺着波导传输方向、分布弱，因此当多探针由波导宽边表面的开口插入时，要求所述开口尽量少、尽量小，且位于波导宽边中央位置，以保证因宽边表面开口而切断的表面电流线尽可能地少，从而减小对波导内电磁场分布影响，达到全波导带宽工作的目的。鉴于上述机理，本发明所述毫米波3dB功率分配/合成网络只在矩形波导宽边表面设置了一个插装探针的开口。插装探针的开口为矩形开口，所述矩形开口尺寸的设计规则是：开口宽度a(开口在波导传输方向上的尺寸)为微带线宽与4～6倍微带基片厚度之和；开口长度b(开口在垂直波导传输方向上的尺寸)为两微带基片厚度与两探针间距之和。

本发明所述毫米波3dB功率分配/合成网络在结构上巧妙地将微带集成传输线与波导立体传输线结合，在实现波导与微带能量全频带耦合的同时，达到了微带等功率分配输出的目的。若以两微带为输入接口，则能量在波导与微带双面探针转换处同时实现了波导全频带高效率的功率合成功能。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明所述毫米波3dB功率分配/合成网络的结构，保证了波导能量等功率的分配传输到两路微带传输线中去，达到等功率分配的目的。

2、本发明所述毫米波3dB功率分配/合成网络可实现毫米波全波导带宽波导-微带转换与功率分配/合成，具有宽频带工作特性。

3、本发明所述毫米波3dB功率分配/合成网络为混合集成功率合成/分配网络，由于波导微带过渡转换与功率分配/合成由同一结构完成，电路损耗也只是由一个结构引起，经过电磁场仿真优化，可以实现极低的电路损耗，其损耗数量上与单个波导-微带转换结构相当(＜0.5dB)。

4、本发明所述毫米波3dB功率分配/合成网络，两路微带线位于波导的同一边，呈面对面分布，结构紧凑，占用空间小，且可方便地与波导电桥如魔-T，波导分支电桥等配合使用，实现更多支路的功率分配/合成。

5、本发明所述毫米波3dB功率分配/合成网络中，两路微带线之间具有足够的间距，便于固态器件集成与安装。

6、本发明所述毫米波3dB功率分配/合成网络中，两路微带传输线呈面对面分布，各自都具有独立的散热途径，便于高功率固态应用，特别是毫米波固态高功率合成应用。

7、本发明所述毫米波3dB功率分配/合成网络中，探针以及微带线加工可由成熟的印制工艺或薄膜工艺完成，波导加工可由一般数控机床完成，电路装配采用精密电路装配技术电路(与一般技术相同)，因而便于加工制作。

附图说明

图1为本发明所述毫米波3dB功率分配/合成网络的结构示意图；

图2是插装探针的开口在矩形波导宽边表面的结构示意图；

图3为本发明所述毫米波3dB功率分配/合成网络在八毫米波频段的结构尺寸图(单位：毫米)；

图4为本发明所述毫米波3dB功率分配/合成网络在八毫米波频段的电磁场仿真结果图。

图中，1-矩形波导、2-探针、3-微带传输线、4-波导短路面、5-矩形开口、a-开口宽度、b-开口长度。

具体实施方式

本实施例为一种八毫米波3dB功率分配/合成网络，其结构如图1所示，包括毫米波矩形波导1、两个形状和构造相同的探针2及两条微带传输线3；两探针2面对面沿着矩形波导E-面，从波导宽边表面的矩形开口5(矩形开口5的结构如图2所示)垂直插入波导内，其插装位置对称于矩形波导的宽边中心面，且两探针中心线与矩形波导传输方向上的波导短路面4的理论间距为四分之一波导波长；两探针2是毫米波矩形波导1与两条微带传输线3之间的过渡转换结构。

在八毫米频段(26.5～40GHz)，本实施例所述毫米波3dB功率分配/合成网络各部分的主要尺寸如图3所示。微带基片采用Duroid5880，厚度为0.254毫米，50欧姆微带传输线3宽0.78毫米；两探针2尺寸为：宽0.6毫米，长1.5毫米，由基片介质(Duroid5880)支撑，两探针的中心线与矩形波导传输方向上的波导短路面4的间距为2.4毫米，两探针之间的间距为2.0毫米；矩形波导1采用8毫米波标准波导，规格为BJ-320，其短路面4倒角半径为1毫米(以便于机械加工，其带来的电抗性影响已经计入)。两探针2与两50欧姆微带传输线3之间由一段阻抗匹配段连接，以最小化连接不连续性，达到本地匹配的目的。

根据上述尺寸，插装探针的矩形开口5的尺寸设计：开口宽度a应满足0.78毫米+0.254毫米×(4～6)＝1.796～2.304毫米，设计为2毫米；开口长度b为0.254毫米×2+2.0＝2.508毫米，取值2.5毫米。本实施例中所设计的开口尺寸都为实际安装固态器件应用时留足了余量。

本实施例所述毫米波3dB功率分配/合成网络在八毫米频段的电磁场仿真结果如图4所示，从图4可以看出：在26.5GHz～40GHz频率范围内，端口(波导口)驻波小于-15dB，在33GHz处达到最小，约-32dB，两微带输出口在整个频带内平分波导口馈入的功率，由于结构对称性，一致性都特别地好，约-3.2dB左右。

Claims (3)

1.一种毫米波3dB功率分配/合成网络，包括毫米波矩形波导(1)、两个探针(2)和两条微带传输线(3)，两个探针(2)是毫米波矩形波导(1)与两条微带传输线(3)之间的过渡转换结构，其特征在于两探针(2)的形状、构造相同，两探针(2)面对面沿着矩形波导E-面，从波导宽边表面的同一开口(5)垂直插入矩形波导内，其插装位置对称于矩形波导的宽边中心面，且两探针中心线与矩形波导传输方向上的波导短路面(4)的理论间距为四分之一波导波长。

2.根据权利要求1所述毫米波3dB功率分配/合成网络，其特征在于插装在矩形波导上的两探针(2)之间的间距为0.5～2毫米。

3.根据权利要求1或2所述毫米波3dB功率分配/合成网络，其特征在于矩形波导宽边表面的开口(5)为矩形开口，所述矩形开口尺寸的设计规则是：开口宽度a为微带线宽与4～6倍微带基片厚度之和；开口长度b为两微带基片厚度与两探针间距之和。

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