CN101494312B - 基于缝隙耦合的波导—微带线变换及功率分配器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于缝隙耦合的垂直结构的波导-微带线变换及功率分配器，包括由下到上依次排列的波导管、与波导管具有相同开口形状的第一金属接地板、第一介质板、与波导管具有相同开口形状的第二金属接地板、第三金属接地板及第二介质板。所述第一介质板朝向波导管的一面贴有频率调节单元，第二介质板上方平行设置两条微带线，第三金属接地板上蚀刻有两条用于电磁能量耦合的矩形缝隙；所述第一介质板、第一金属接地板及第二金属接地板周边还设有沿波导管口边线均匀分布的金属通孔。本发明结构简洁、体积小，能够方便地集成在微带电路系统等需要采用波导馈电的结构 中，且设计中采用了垂直结构，使设计更加灵活、方便。

Description

基于缝隙耦合的波导—微带线变换及功率分配器

技术领域

本发明涉及无源器件中波导—微带线过渡结构领域，尤其涉及一种基于缝隙耦合技术的波导—微带线变换及功率分配器。

背景技术

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，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。为了实现雷达感应器的低成本以及小型化，微带天线是置于传感器开放端天线的一个理想的选择，常用的是微带阵列天线，而微波电路部分则通常选取包含微带线所组成的微波电路。

尽管微带线以及由其所组成的电路具有小型、轻量、易于制作的优点，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天线以及微波电路，即微带天线和微波电路主要通过波导相联接。这样做的原因是虽然波导同微带线相比体积较大但能实现较少的传输损耗，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一定的差别，所以不可能实现两者的直接相连，需要在中间加入波导—微带线变换器，当需要将输出信号分为两路时，又必须使波导—微带线变换器带有功率分配功能，因此，设计出具有良好电气性能以及结构简单的波导—微带线变换及功率分配器是非常必要的。

现今已有多种结构的波导—微带线变换及功率分配器的设计方案，有的采用对波导内做阶梯状处理，也有的将微带电路结构插入到波导宽边中心线的剖面中等。虽然这些结构均具有较好的电气性能，但是大都改变了波导的内部结构，在工艺实现上较为复杂，也导致了成本较高。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于缝隙耦合技术的垂直结构的波导—微带线变换及功率分配器，该设计无需改变波导及微带线部分各自的结构形式，通过缝隙耦合实现垂直结构的信号传输及功率分配，具有结构简单和易加工的特点。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种波导—微带线变换及功率分配器，包括由下到上依次排列的波导管、第一金属接地板、第一介质板、第二金属接地板、第三金属接地板及第二介质板。所述第二介质板上方设置有两条平行的用于信号输出的矩形微带线。其中为了信号的传输，所述第一、第二金属接地板上均设有与波导管开口形状相同的开口；而第三金属接地板上蚀刻有两条用于电磁能量耦合的矩形缝隙；同时第一介质板、第一金属接地板及第二金属接地板周边还设有沿波导管口边线均匀分布的金属通孔，实现彼此之间的电气化连接。所述第一介质板朝向波导管的一面贴有频率调解单元。

进一步的，所述频率调解单元可设置成一矩形金属贴片，用于信号频率调整及阻抗匹配；所述两微带线互相平行设置，并分别位于两缝隙正上方。

所述波导管横截面为矩形。

所述两缝隙为尺寸相同的矩形，且对称分布于波导管横截面长边中心线两侧，矩形缝隙短边与波导管矩形横截面短边相平行。

所述两个缝隙的中心距离为矩形金属贴片平行于波导管横截面长边的边长的长度的一半。

本发明与现有技术相比具有如下优点和有益效果：

所述波导—微带线变换与功率分配器体积小，能够方便地集成在微带电路系统或是微带阵列天线的馈电设计等需要采用波导馈电的场合，且设计中采用了垂直结构，相对以往的平行结构而言，这种设计能够使微带结构部分与波导电路部分充分良好的隔离，从而使二者均能独立进行设计，无需考虑来自另一部分的影响。

发明还采用了缝隙耦合技术实现电磁能量的耦合过程，相对于其他同样使用垂直结构设计的同类器件而言，本设计器件的微带连接部分仅有两条微带线，既不需要在微带平面上方增加一个λ_g/4的空腔，也无需增加一块包围微带线、面积略大于波导截面的短路金属板，这样的结构使得在产品的实现上更加方便，在集成过程中有更大的自由度。

本发明还具有一定的功能扩展性，通过将微带线开路端的伸长，并辅以阻抗匹配的相关调整，能够很方便得将其扩展为波导—微带线变换及四信号输出功率分配器。

附图说明

图1为本发明实施例一组成结构示意图；

图2为图1所示实施例剖面结构示意图；

图3为图1中最上层介质板3正面结构示意图；

图4为图1中最上层接地板7正面结构示意图；

图5为测得的本发明一具体实施例实际应用中信号反射系数和传输系数特性曲线图；

图6为本发明实施例二组成结构示意图。

具体实施方式

为便于本领域的技术人员理解，下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1、2为本发明一具体实施方案。方案中所述波导—微带线变换及功率分配器包括由下到上依次排列的波导管1、与波导管1具有相同开口形状用于信号传输的第一金属接地板4、第一介质板2、与波导管1具有相同开口形状用于信号传输的第二金属接地板6、第三金属接地板7及第二介质板3。所述第一介质板2朝向波导管的一面贴有用于频率调整及阻抗匹配的金属贴片5，所述第三金属接地板7上蚀刻有两条用于电磁能量耦合的缝隙8；所述第二介质板3上方设置有两条平行的用于信号输出、具有开路端的矩形微带线9；所述第一介质板2、第一金属接地板4及第二金属接地板6周边沿略大于波导口边线尺寸的矩形均匀设置金属通孔10。

该实施例中，所述波导—微带线变换及功率分配器实际上主要由两块重叠的介质板2、3构成，它们可以方便地固定到波导管1上，并在介质板3上方设置两条微带线9，如图3所示。所述微带线是具有有效宽度的金属带，其宽度由传输信号线路所需的特性阻抗决定。金属带一端与介质板3边沿重叠，另一端为开路，如图中9-1所示。实施例中波导管1横截面为矩形，对应的介质板2、3，金属接地板4、6、7均为尺寸与波导管1截面尺寸相同的矩形板。

位于波导管1与介质板2之间的金属接地板4上开有一个形状与波导管内腔形状一致的窗口，该部分相当于长度等于金属接地板4厚度的波导管。在窗口中心处设置一块矩形的金属贴片作为频率调节单元5。矩形贴片沿波导管横截面短边方向的长度决定所述波导—微带线变换及功率分配器的工作频率，短边长度一般设为波导信号波长的一半(λ_g/2)，矩形贴片5的另一边长则用于调节阻抗匹配。

位于介质板2与介质板3之间的金属接地板6设计与金属接地板4相同，即也开出一个形状与波导管内腔形状一致的窗口，而在金属接地板7上开出两个尺寸相同的矩形缝隙8，同时介质板2、金属接地板4、6的周边沿波导管口边沿外侧位置均匀设置金属通孔10。

如图4为金属接地板7正面结构示意图，设置在金属接地板7上的两条矩形缝隙8分别垂直于两条微带线9，分别为与自身垂直的微带线耦合传输能量。设计时，两条矩形缝隙8分别设置在波导管口截面长边中心线(即金属接地板7长边中心线A-A’轴线)的两侧，以A-A’轴线对称。两缝隙的尺寸也对阻抗匹配有影响。为了消除TM_2n(矩形贴片5、第二金属接地板8以及中间的介质构成的贴片谐振腔的主模为TM01，还可能激发一种高次模即称为TM_2n，其对信号传输不利)高次模的激励，两个缝隙8的中心点间距一般设置为矩形贴片5沿波导管截面宽边方向的长度的一半。

两条微带线9分别置于两缝隙8的正上方，微带线9一端设置为调谐枝节(9-1)，调节该端的位置，即调节微带线长短，可调节阻抗匹配。

所述功率变换分配器工作时，能量由波导管馈入，通过波导管末端的矩形贴片5耦合到由矩形贴片5、开有缝隙的金属板7以及金属通孔10形成的四周等效磁壁所构成的谐振腔当中，进行频率选择和阻抗匹配，最后通过两个缝隙8将能量分别传输到两条用于信号输出的微带线9上，进而实现能量输出以及功率分配目的。

如图5所示，为本发明一具体实施例实际应用中信号的反射系数和传输系数特性图。其中，虚线S11表示反射系数，实线S21表示传输系数，x轴表示输入信号频率(单位：GHz)，y轴表示天线输入端口的信号的反射系数和传输系数的数值(单位：dB)。该实施例的具体的结构参数可见下表

从图中可以看出，该实施例所述变换及功率分配器在信号频段为11.75GHz至13.25GHz具有良好的反射和传输特性。调整上述表中参数就可以调整分配器的工作频段，使其适应不同工作情况，对应不同的信号源具有较好的传输特性。

如图6所示为本发明实施例二示意图，该实施例与实施例一不同之处在于所述微带线9两端均位于第二介质板3两边沿，作为信号输出端口，使其成为具有四个输出端口的波导—微带线变换及四信号输出功分器结构。

需说明的是，上述实施例仅为本发明的较佳实施方案，在不脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化及等同替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于缝隙耦合的波导—微带线变换及功率分配器，包括由下到上依次排列的波导管(1)、与波导管(1)具有相同开口形状用于信号传输的第一金属接地板(4)、第一介质板(2)、与波导管(1)具有相同开口形状用于信号传输的第二金属接地板(6)、第三金属接地板(7)及第二介质板(3)，其特征在于：所述第一介质板(2)朝向波导管的一面设置有频率调节单元(5)，所述频率调节单元(5)为一矩形金属贴片；

所述第二介质板(3)上方设置有两条用于信号输出的微带线(9)；所述第三金属接地板(7)上蚀刻有两条用于电磁能量耦合的矩形缝隙(8)，两条缝隙（8）的中心距离为矩形金属贴片平行于波导管横截面长边的边长的一半；所述的两条缝隙（8）分别与两条微带线（9）垂直；所述第一介质板(2)、第一金属接地板(4)及第二金属接地板(6)的周边沿波导管口边沿外侧位置均匀分布有金属通孔(10);

所述两微带线(9)互相平行设置，并分别位于两矩形缝隙(8)正上方;所述两缝隙(8)为尺寸相同的矩形，且对称分布于波导管横截面长边中心线（A-A’）的两侧，矩形缝隙(8)短边与波导管矩形横截面短边相平行;所述两条微带线（9）均具有开路端（9-1）; 所述微带线(9)两端均位于第二介质板（3）两边沿，作为信号输出端口。

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