CN102623781B - 波导-微带集成功率分配器及合成器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及波导-微带集成功率分配器及合成器。包括矩形波导、介质基板、嵌入介质基板中的公共地、以公共地对称并贴附在介质基板上表面和下表面的两个微带探针，所述两个微带探针分别与两组微带线阻抗变换段、两微带传输线依次连接构成两组平行的并以公共地对称的分别位于介质基板上表面和下表面的微带线，所述两个微带探针沿着矩形波导E面从矩形波导宽边侧壁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；且两微带探针的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。本发明的有益效果是：损耗低、频带宽，支路间幅度、相位一致性好，且结构紧凑、易于加工实现。

Description

波导-微带集成功率分配器及合成器

技术领域

本发明属于微波毫米波固态功率合成技术领域；特别涉及毫米波、亚毫米波段宽频带低损耗波导-微带集成功率分配与合成技术。

背景技术

随着工作频率的上升，由于材料、工艺原因，固态器件输出能力呈指数下降，例如当前八毫米波频段单器件输出能力在5W左右，三毫米波频段固态单器件输出能力只有100-200mW左右，远远不能满足系统需求。功率合成技术是解决单器件输出能力不足，获取更高功率的有效手段。功率合成实际上是各合成信号的矢量叠加，要求各合成信号为等幅同相关系；同时还要求合成时信号路径损耗低。对于毫米波功率合成技术来说，各放大单元采用同一批次功率单片实现，为合成各支路信号幅度和相位一致性奠定基础；采用低损耗对称结构的合成网络，保证各支路信号传输路径等幅同相关系，同时满足信号的低损耗传输要求；并且合成网络要求便于集成固态功率单片。因此，设计低损耗、幅度相位一致性良好、支路便于集成固态功率器件的功率分配/合成器是获取毫米波高功率的关键。

对毫米波频段来说，较短的工作波长使得这种低损耗、支路幅度相位一致、便于集成固态功率器件的功率分配/合成器设计难度更大。近年来，国内外学采用了波导-微带集成结构，实现了毫米波功率分配/合成。这种类型的功率分配/合成器将波导立体传输线与微带集成传输线有机地结合起来，同时实现了功率分配/合成和波导-微带过度转换，为毫米波固态功率合成实现奠定了一定基础。其中，文献[1](“A broad-band 3-dB in-phase divider for millimeter-wave lengths”，作者：Xiaoqiang Xie，Xiao liu，Weigan Lin.Asia-Pacific Microwave Conference，2008)所述为一个0°3-dB波导-微带集成功率分配器，结构尺寸紧凑，可与波导电桥结合实现更多支路的功率分配/合成。该结构中，两微带线处于面对面放置，关于波导中心面对称，从波导宽边同侧插入波导。两微带线间距小于波导宽边尺寸。在实用中，后续电路需要在该功分结构两微带线金属条带上分别安放固态器件，两微带线间需预留一定间距，该间距不仅要大于固态器件高度的两倍，还要满足加工需要。因此，安放单个固态器件的空间高度小于波导宽边尺寸一半。随着频率增高，波导尺寸变小，波导宽边尺寸将不能满足安放两固态器件的需要，因此，这类功率分配/合成器只能用在毫米波低端以下频率，如文献[1]所述8mm频段。

文献[2](“Design of a Full Band，Compact  Waveguide-Microstrip PowerSplitter Using Multilayer PCB Technology”，Hong Yi Lim，Zhicheng Wei，ZhuoLi，Geok Ing Ng，Yoke Choy Leong，Radio-Frequency Integration Technology，2009.RFIT 2009.)与文献[1]中结构相比较，两微带的安放方式并未变化。其改进在于：1.探针的结构由文献[1]中的3段变为4段，以获得更好的宽带效果，但是从仿真结果来看，改进后效果不明显；2.文献[2]中功分结构将文献[1]中两探针间未填充介质的空间用介质填满，并采用多层PCB技术进行制作。由于两探针间充满介质，无法安装固态器件，不能用于固态功率合成技术领域。因此，文献[2]中功分器相对于文献[1]中的功分器无实质性、可实际运用的改进。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种波导-微带集成功率分配器及合成器。

本发明的具体方案是：波导-微带集成功率分配器及合成器，包括矩形波导、介质基板、嵌入介质基板中的公共地、以公共地对称并贴附在介质基板上表面和下表面的两个微带探针，所述两个微带探针分别与两组微带线阻抗变换段、两微带传输线依次连接构成两组平行的并以公共地对称的分别位于介质基板上表面和下表面的微带线，所述两个微带探针沿着矩形波导E面从矩形波导宽边侧壁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；且两微带探针的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。

本发明的有益效果是：本发明结构所述的功率分配器/合成器损耗低、频带宽，支路间幅度、相位一致性好，且结构紧凑、易于加工实现。相对于现有的同类技术，此种功率分配/合成器各支路空间独立，集成固态功率器件时不受波导尺寸限制，便于在三毫米波及更高频段的固态功率合成电路中使用，且便于与常见的波导环形电桥、波导分支电桥等配合使用，实现多路功率分配/合成。

附图说明

图1为本发明的波导-微带集成功率分配器及合成器的立体结构示意图。

图2为本发明的矩形波导宽边侧壁开口结构示意图。

图3a为本发明俯视方向结构的截面示意图。

图3b为本发明侧视方向结构的截面示意图。

图4a、图4b和图4c为本发明在3mm整个频段(75GHz至110GHz)的S11、S21及S31波形图。

附图标记说明：矩形波导1、微带探针2、微带线阻抗变换段3、微带传输线4、公共地5、介质基板6、宽边侧壁开口7。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1和图2所示，波导-微带集成功率分配器及合成器，包括矩形波导1、介质基板6、嵌入介质基板6中的公共地5、以公共地5对称并贴附在介质基板6上表面和下表面的两个微带探针2，所述两个微带探针2分别与两组微带线阻抗变换段3、两50欧姆的微带传输线4依次连接构成两组平行的并以公共地5对称的分别位于介质基板6上表面和下表面的微带线，所述两个微带探针2沿着矩形波导E面从矩形波导宽边侧壁开口7垂直插入矩形波导1内，其插装位置对称于矩形波导的宽边中心面；且两微带探针2的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。

上述微带探针2用于最大限度地耦合毫米波矩形波导1中能量；两微带线阻抗变换段3用于在整个频带内分别实现两微带探针2与两微带传输线4阻抗匹配；两微带传输线4之间延伸的带公共地5的介质基板6用于固定微带传输线4。

在3毫米频段(75GHz～110GHz)，本实例所述波导-微带集成功率分配器及合成器各部分的主要尺寸如图1、图3a和图3b所示，矩形波导1采用标准尺寸R900，长边a＝1.27毫米*短边b＝2.54毫米，介质基板6采用Duroid5880，厚度H2的一半为0.127毫米。两微带探针2长L2＝0.50毫米，宽W2＝0.29毫米；两微带线阻抗变换段3长L3＝0.45毫米，宽W3＝0.16毫米；两50欧标准两微带传输线4宽W4＝0.38毫米。两微带探针2关于公共地5对称，公共地5位于矩形波导1的宽边中心面位置。两微带探针2分别位于宽边中心面上下表面，由介质基板6(Duroid5880)支撑，两微带探针2的中心线与矩形波导1传输方向上的波导短路面的间距为0.69毫米，两微带探针2所插入的波导宽边开槽宽W1＝1毫米，高H1＝0.8毫米，两微带探针2至微带传输线4所在屏蔽腔长L1＝0.4毫米，高H1＝0.8毫米，两标准微带传输线4各自所在空气槽宽W0＝1.5毫米，高0.8毫米，介质基板6延伸后，宽W5＝2毫米，高度不变，上述介质基板6以及两微带探针2构成的整体的影响区域的高度H3＝1.60mm。

上述实施例中两微带探针2的形状、构造相同。两微带探针2在矩形波导1上的安装方式和安装位置是：两微带探针2覆着于介质基板6上下两侧，沿着矩形波导1的E面(波导TE10模式电场方向)，从矩形波导1的宽边侧壁中心的宽边侧壁开口7垂直插入矩形波导1内，其插装位置对称于矩形波导1的宽边中心面，且两微带探针2的中心线与矩形波导传输方向上的矩形波导终端短路面的理论间距为四分之一波导波长。微带探针2插装位置，即距矩形波导终端短路面四分之一波导波长的波导宽边中心为波导内电场最强处，位于此处的E面探针与波导间可实现电场强耦合。两微带探针2在矩形波导1内结构尺寸相同，位置对称，与矩形波导1的空间电场形成相同的耦合，从而实现矩形波导1与微带探针2间的对称功率分配/合成。

用于微带探针2插装的矩形波导1的宽边侧壁开口7，位于波导宽边侧壁中心。根据矩形波导壁电流分布情况可知，越靠近波导宽边侧壁中心，开口切断表面电流越少，对波导内电场影响越小。另一方面，开口面即为探针与微带连接部分的屏蔽腔截面，该段屏蔽腔一个重要功能是防止能量以空间模式传输。本实施例中，两微带探针2覆着于介质基板6两侧，减小了微带探针2占用空间。宽边侧壁开口7的宽度W1为微带探针2的金属条带宽度W2的2-4倍，宽边侧壁开口7的高度H1为介质基板厚度H2的1-2倍。对任何频率的微带集成传输线来说，其尺寸远小于对应立体波导传输线尺寸，上述开口尺寸对波导内场结构影响甚微。因此，本发明所述波导-微带集成功率分配/合成器可用以实现毫米波以及更高频率的功率分配/合成。微带探针2与微带线阻抗变换段3的屏蔽腔体长度L1为对应导波波长的0.5-1倍，该屏蔽腔体横截面宽和高分别等于矩形波导的宽边侧壁开口的宽W1和高H1，可有效防止矩形波导中的电磁波直接耦合到开槽腔中以波导模式传输。两50欧姆微带传输线4形成独立的屏蔽腔，腔体尺寸可根据实际使用情况决定，与波导侧壁开口无关，也与波导尺寸无关。因此本实施例所述波导-微带集成功率分配/合成器各微带支路集成固态有源器件时，器件安装空间不受工作频率限制，可应用到更高频率的固态功率合成技术中。上述微带探针2、微带线阻抗变换段3和微带传输线4采用金属条带。

本实施例所述波导-微带集成功率分配/合成器在三毫米频段的电磁场仿真结果如图4a、图4b和图4c所示。图4a中所示为该波导-微带集成功率分配/合成器在3mm整个频段(75GHz至110GHz)的S11、S21及S31，从图中可知该结构在整个频段内回波损耗非常好，优于-30dB。从图4a及4b可知，在整个频段内，两端口输出S21、S31均约为-3dB(等功率分配)，各自插入损耗小于0.11dB(S21、S31分别与-3dB的差值)，幅度不一致性(S21与S31大小的差值)低于0.02dB。图4c所示为S21与S31相位关系，从图中可以发现，S21与S31在整个频段内同相。从仿真结果可以看出，该结构可实现低损耗、宽频带的同相功率等分，也可用于实现高效率功率合成。

在三毫米波全频段内(75GHz～110GHz)，端口驻波小于-29dB(在108GHz处达到最小，约-60dB)；插损小于0.15dB；两微带端口具有良好的幅度、相位一致性。可见，本发明所述波导-微带集成功率分配/合成器在三毫米波全频段实现了低损耗等功率分配，两支路具有良好的幅度、相位一致性。该波导-微带集成功率分配/合成器在实现以上功能同时，实现了波导立体传输线-微带集成传输线过渡转换，各微带支路便于集成固态功率器件，可用以实现三毫米波固态功率合成；可与常见的波导环形电桥、波导分支电桥等配合使用，实现多路功率分配/合成。

本实施例能够实现损耗低、频带宽，支路间幅度、相位一致性好，且结构紧凑、易于加工等优点的具体原因表现为：

1.本实施例所述波导-微带集成功率分配/合成器，两微带传输线背靠背放置，后续电路分别处于半开放空间，用于安放固态器件的空间高度不再受波导宽边尺寸限制，因此，相对于文献[1]中结构适用于更高频段。

2.本实施例所述波导-微带集成功率分配/合成器，两微带探针关于波导内电场最强处(波导宽边中心面)对称，且两探针间间距仅为介质基板厚度。因此，两探针几乎在同一位置实现了与波导结构的紧耦合，两输出端副相一致行良好，具有很高的合成效率。

3.本实施例所述波导-微带集成功率分配/合成器，两微带探针覆着于介质基板两侧，波导侧壁处的探针插装开口位于中心位置，且开口小，对波导内电磁场影响甚微，可实现毫米波以及更高频率的功率分配/合成。

4.本实施例所述波导-微带集成功率分配/合成器，结构对称性与频率无关，保证了该结构可实现毫米波全波导带宽波导-微带过渡与功率分配/合成，具有宽频带工作特性。

5.本实施例所述波导-微带集成功率分配/合成器中，微带探针、微带传输线及安装用介质基板的加工可由成熟的印制工艺或薄膜工艺完成，矩形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。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.波导-微带集成功率分配器及合成器，其特征在于，包括矩形波导(1)、介质基板(6)、嵌入介质基板(6)中的公共地(5)、以公共地(5)对称并贴附在介质基板(6)上表面和下表面的两个微带探针(2)，所述两个微带探针(2)分别与两组微带线阻抗变换段(3)、两微带传输线(4)依次连接构成两组平行的并以公共地(5)对称的分别位于介质基板(6)上表面和下表面的微带线，所述两个微带探针(2)沿着矩形波导E面从矩形波导宽边侧壁开口(7)垂直插入矩形波导(1)内，其插装位置对称于矩形波导的宽边中心面；且两微带探针(2)的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；

所述插入矩形波导上的两微带探针之间的间距为介质基板厚度；

所述矩形波导的宽边侧壁开口为矩形开口，所述宽边侧壁开口的尺寸的设计规则是：开口宽度W1为微带探针的金属条带宽度W2的2－4倍，开口高度H1为介质基板的厚度H2的1－2倍；

所述微带探针与微带传输线连接部分屏蔽腔体长度L1为对应导波波长的0.5-1倍，所述屏蔽腔体横截面宽和高分别等于矩形波导的宽边侧壁开口的宽和高；

所述介质基板及接地面向微带传输线形成的独立的屏蔽腔两侧延伸。