CN101667674A - 一种针对波导-探针-波导形式的双层腔体结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对波导－探针－波导形式的双层腔体结构，该结构采用精密一体化加工，包括三个部分：输入波导腔、双层波导－探针－波导转换部分和输出波导腔；其中，双层波导－探针－波导转换部分由波导－探针转换结构和探针－波导转换结构两部分构成；信号从输入波导腔输入，通过波导－探针转换结构耦合形成两路信号，实现功率3dB分配，两路信号分别经过阻抗匹配与信号放大，由探针－波导转换结构进行耦合，实现3dB功率合成，最后信号由输出波导腔输出。利用本发明，实现了波导到微带过渡的同时完成3dB功率合成，提高了合成的效率，降低了损耗，实现了宽频带特性。
Description
技术领域
本发明涉及电磁场、机械加工以及微封装技术领域，尤其涉及一种针对波导-探针-波导形式的双层腔体结构，可以在完成波导到微带过渡的同时实现3dB功率合成，并且能够获得良好的输入输出反射性能，损耗小，频段宽。该结构表现出高效率，低损耗，加工简单，装配方便等特点，是在完成波导级功率放大模块的研制过程中形成的新的腔体结构。
背景技术
在毫米波波段，微带线是毫米波集成电路和混合集成电路中一种十分重要的传输形式，但是目前许多的毫米波测试系统和器件的接口都是采用标准矩形波导，因此如何实现波导与微带线的转换就成了人们日益关注的课题。
目前，实现波导到微带线过渡转换的方法主要有：
1、波导-脊波导-微带线过渡；
2、波导-对极鳍线-微带线过渡；
3、波导-槽口-微带线过渡；
4、波导-探针-微带线过渡；
微带探针过渡是目前应用最为广泛的波导-微带线过渡方式，其优点为：插入损耗低、回波损耗小、频带宽，且结构紧凑、加工方便、装卸容易，特别适合于毫米波应用。
此外，随着毫米波技术在制导、雷达、短程通信等领域得到广泛的应用，对毫米波信号源的输出功率也提出了越来越高的要求，目前单个固态器件的输出功率因受到散热、阻抗匹配、工艺的限制而无法达到应用的要求，必须开展功率放大模块的研制。
本发明是一种针对波导-探针-波导形式的双层腔体结构，含有波导腔体设计，探针设计以及微封装技术三个方面，该结构在实现波导到微带过渡的同时完成3dB功率合成。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的是提供一种针对波导-探针-波导形式的双层腔体结构，以实现波导到微带过渡的同时完成3dB功率合成，提高合成的效率，降低损耗，并实现宽频带特性。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种针对波导-探针-波导形式的双层腔体结构，该双层腔体结构采用精密一体化加工，包括三个部分：输入波导腔、双层波导-探针-波导转换部分和输出波导腔；其中，双层波导-探针-波导转换部分由波导-探针转换结构和探针-波导转换结构两部分构成；信号从输入波导腔输入，通过波导-探针转换结构耦合形成两路信号，实现功率3dB分配，该两路信号分别经过阻抗匹配与信号放大，由探针-波导转换结构进行耦合，实现3dB功率合成，最后信号由输出波导腔输出。
上述方案中，所述双层波导-探针-波导转换部分具有一双层探针。
上述方案中，所述双层探针是上下两个完全一样的并行探针，通过在波导腔宽边开出的窗口伸入波导腔内，实现信号的耦合转换；在两个探针中耦合出相位和幅度完全一样的信号，实现功率的3dB分配。
上述方案中，所述双层探针包括一输入探针和一输出探针，该输入探针和输出探针完全一致，二者分别通过上下的双层微带线连接，以实现阻抗匹配与功率放大。
上述方案中，所述输入探针用于实现功率的3dB分配，输出探针用于实现功率的3dB合成。
上述方案中，所述探针采用微细加工的方法制作于陶瓷基片上。
上述方案中，该双层腔体结构采用金属材质，并通过一体化精密加工手段制作而成。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种针对波导-探针-波导形式的双层腔体结构，在实际应用中可以成功实现波导到微带过渡的同时完成3dB功率合成，该结构合成效率高，插入损耗小，能够获得良好的输入输出反射性能，并具有宽频带特性。
2、本发明提供的这种针对波导-探针-波导形式的双层腔体结构，表现出高效率，低损耗，加工简单，装配方便等特点，是在完成波导级功率放大模块的研制过程中形成的新的腔体结构。
附图说明
图1是本发明提供的针对波导-探针-波导形式的双层腔体结构的三维立体示意图；
图2是本发明提供的针对波导-探针-波导形式的双层腔体结构的俯视图；
图3是将本发明提供的针对波导-探针-波导形式的双层腔体结构应用于Ka波段的小信号插入损耗测试图；
图4是将本发明提供的针对波导-探针-波导形式的双层腔体结构应用于Ka波段的小信号输入输出端口反射测试图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
请参照图1和图2，本发明提供的这种针对波导-探针-波导形式的双层腔体结构，采用精密一体化加工，包括三个部分：输入波导腔、双层波导-探针-波导转换部分和输出波导腔。其中，双层波导-探针-波导转换部分由波导-探针转换结构和探针-波导转换结构两部分构成。信号从输入波导腔输入，通过波导-探针转换结构耦合形成两路信号，实现功率3dB分配，该两路信号分别经过阻抗匹配与信号放大，由探针-波导转换结构进行耦合，实现3dB功率合成，最后信号由输出波导腔输出。
所述双层波导-探针-波导转换部分具有一双层探针，该双层探针是上下两个完全一样的并行探针，通过在波导腔宽边开出的窗口伸入波导腔内，实现信号的耦合转换；在两个探针中耦合出相位和幅度完全一样的信号，实现功率的3dB分配。该双层探针包括一输入探针和一输出探针，该输入探针和输出探针完全一致，二者分别通过上下的双层微带线连接，以实现阻抗匹配与功率放大。输入探针用于实现功率的3dB分配，输出探针用于实现功率的3dB合成。
该双层腔体结构采用金属材质，并通过一体化精密加工手段制作而成。探针采用微细加工的方法制作于陶瓷基片上。
本发明提供的这种针对波导-探针-波导形式的双层腔体结构，主要的尺寸包括工作频段内方波导的长度a，宽度b，矩形波导宽边用于伸入探针的窗口宽度W和长度H，上层探针1，下层探针2，两层腔体的中心间距d，探针放置的位置距离段路面为L，探针的尺寸为宽度W1，长度L1，匹配网络包括高感抗微带线，宽度为W2，长度L2，四分之一组扛变换微带线，宽度为W3，长度为L3，最后匹配到50欧姆，50欧姆微带线宽度为W4。
本发明提供的针对波导-探针-波导形式的双层腔体结构的制作方法，包括以下步骤：
步骤1、确定工作频率，参照国际标准，选择相对应的标准方波导几何尺寸，这里包括波导的宽度a和长度b；
步骤2、设计双层探针插入波导内部的位置，包括设计矩形波导宽窗口的宽度W和长度H，波导终端短路距离L以及双层探针之间的距离d。通过设计合适的尺寸，实现良好的波导-微带转换，使转换电路在所需要的频率范围内插入损耗小，驻波好。并将计算所得的参数带入HFSS软件中进行优化，得到腔体和窗口设计的最佳几何尺寸；
步骤3、根据相应的指标要求，包括频率范围、插入损耗、驻波比、功率要求等，确定波导探针的尺寸，根据最强耦合能量，较小的插入损耗和输入驻波比的要求，获得双层探针的宽度W1、长度L1。
步骤4、得到探针的输入阻抗，设计阻抗匹配网络。匹配网络包括高感抗微带线和四分之一阻抗变换线，其中，高感抗线用于抵销输入阻抗中的虚部，四分之一阻抗变换线用与实现将实部阻抗变换到50欧姆。高感抗微带线宽度为W2，长度为L2，四分之一阻抗变换线的宽度为W3，长度为L3。
步骤5、制作探针和腔体，用微细加工方法在合适的衬底上制作探针，使其满足尺寸要求。采用金属材料用机械加工的方式制作双层腔体结构。，利用微封装技术安装整体。
步骤6、测试分析，用采用波导接口的网络分析仪测试整个基于波导-探针-波导系统的双层腔体结构的插入损耗，驻波比。
在实际工作经验中发现，波导-探针-波导结构可以有效完成信号转换功能，但是如果按照传统方法制作单层结构，不仅加工复杂，而且浪费了空间合成的优势。本发明所提出的基于波导-探针-波导形式的双层腔体结构，可以在实现波导到微带过渡的同时完成3dB功率合成的问题，并且获得良好的输入输出反射性能，损耗小，频段宽。
图1给出了以Ka波段为实例的腔体的三维图，图2给出了此结构的俯视图。该设计引入的插入损耗非常低，从图3中可以看出，在28至38GHz频带范围内，插入损耗＜0.6dB，测试采用的是背靠背探针测试方法，因此，单端探针的插入损耗只有不到0.3dB。同时此结构也体现了宽带特性。从图4中可以看到，输入、输出反射都很低。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1、一种针对波导-探针-波导形式的双层腔体结构，其特征在于，该双层腔体结构采用精密一体化加工，包括三个部分：输入波导腔、双层波导-探针-波导转换部分和输出波导腔；其中，双层波导-探针-波导转换部分由波导-探针转换结构和探针-波导转换结构两部分构成；信号从输入波导腔输入，通过波导-探针转换结构耦合形成两路信号，实现功率3dB分配，该两路信号分别经过阻抗匹配与信号放大，由探针-波导转换结构进行耦合，实现3dB功率合成，最后信号由输出波导腔输出。
2、根据权利要求1所述的针对波导-探针-波导形式的双层腔体结构，其特征在于，所述双层波导-探针-波导转换部分具有一双层探针。
3、根据权利要求2所述的针对波导-探针-波导形式的双层腔体结构，其特征在于，所述双层探针是上下两个完全一样的并行探针，通过在波导腔宽边开出的窗口伸入波导腔内，实现信号的耦合转换；在两个探针中耦合出相位和幅度完全一样的信号，实现功率的3dB分配。
4、根据权利要求3所述的针对波导-探针-波导形式的双层腔体结构，其特征在于，所述双层探针包括一输入探针和一输出探针，该输入探针和输出探针完全一致，二者分别通过上下的双层微带线连接，以实现阻抗匹配与功率放大。
5、根据权利要求4所述的针对波导-探针-波导形式的双层腔体结构，其特征在于，所述输入探针用于实现功率的3dB分配，输出探针用于实现功率的3dB合成。
6、根据权利要求5所述的针对波导-探针-波导形式的双层腔体结构，其特征在于，所述探针采用微细加工的方法制作于陶瓷基片上。
7、根据权利要求6所述的针对波导-探针-波导形式的双层腔体结构，其特征在于，该双层腔体结构采用金属材质，并通过一体化精密加工手段制作而成。
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