CN104810587B - 毫米波径向波导功率合成器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种毫米波径向波导功率合成器，包括：外围金属壁，其具有通孔，通孔包括上孔部和下孔部；同轴连接器，与通孔相连，作为径向波导的输入端口；玻璃绝缘子，设置在上孔部内；内导体探针，内导体贯穿通孔，其中，内导体探针的上部和下孔部构成同轴波导，内导体探针的下部和外围金属壁的下方区域构成径向波导，其中，内导体探针垂直于径向波导且位于径向波导的圆心，径向波导包括多个输出端口；电容加载结构，与内导体探针的下部相连，探针焊锡植球，设置在内导体探针的下部，用于在加热融化后，弥合电容加载结构与内导体探针之间的缝隙。本发明具有功率分配一致性好、易于实现、成本低、复杂度低、可扩展性好、成品率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波功率合成技术领域，特别涉及一种毫米波径向波导功率合成器。
背景技术
毫米波功率合成是提高毫米波发射机功率的关键技术，能够显著提高微波通信和雷达的探测距离。传统的矩形波导端口的径向功率合成器是实现多路功率高效合成的解决方案之一，其工作过程中主要包括两个电路转换结构：电磁波从矩形波导端口输入，矩形波导-探针转换结构将矩形波导内能量耦合到同轴波导内传输，再经过同轴线到径向波导转换结构激励出径向分布的电磁波。
在毫米波频段，金属矩形波导具有低损耗的优势，因而得到广泛应用，同轴连接器在较低频段是主流连接器，而随着工作频率的升高，面临困难变大，使用较少，在60GHz频段，就公开资料而言，尚未见到将同轴连接器直接用于功率合成的设计。不同传输线的转换结构，不仅带来了额外的传输损耗，还增加的设计的工作量，同轴波导部分需要介质材料来支撑内导体，介质材料引起同轴波导阻抗的变化，这需要一些精细的电路结构来改善匹配，这在设计上比较复杂，对电路工艺的要求非常高。有些时候电路加工精度都是无法保证的，毫米波对工艺的高敏感度，决定了传统矩形波导端口径向波导功率合成器的实现难度大、成本高。
更加重要的是，随着毫米波工作频段的升高，其对电路中的不连续性变的更加敏感，尤其在要求电接触的电路类型中，不连续性等效的寄生参数会严重影响电路的性能。例如在60GHz，中心探针的直径在0.23mm左右，相应的探针安装孔必须大于或者等于0.23mm，就国内而言，这个加工精度要求非常有挑战性，通常是将安装孔开的大一些以便安装探针，然而这必然导致中心探针和安装孔之间形成圆柱环形空气缝隙接触，该缝隙等效于一个径向分布的电容。径向分布电容通常不是径向均匀分布的，这不仅破坏中心探针和径向波导的匹配状态，而且导致不同角度对应的支路的幅度和相位特性各不相同，不能满足毫米波功率合成对高幅度相位一致性功率合成器的需求。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种各支路一致性好的毫米波径向波导功率合成器，具有易于实现、成本低、复杂度低、可扩展性好、成品率高的优点。
为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种毫米波径向波导功率合成器，包括：外围金属壁，所述外围金属壁具有通孔，所述通孔包括上孔部和下孔部；同轴连接器，所述同轴连接器与所述通孔相连，作为径向波导的输入端口；玻璃绝缘子，所述玻璃绝缘子设置在所述上孔部内；内导体探针，所述内导体探针贯穿所述通孔，其中，所述内导体探针的上部和所述下孔部构成同轴波导，所述内导体探针的下部和所述外围金属壁的下方区域构成径向波导，其中，所述内导体探针垂直于径向波导且位于所述径向波导的圆心，所述径向波导包括多个输出端口；电容加载结构，所述电容加载结构与所述内导体探针的下部相连；探针焊锡植球，所述探针焊锡植球设置在所述内导体探针的下部，用于在加热融化后，弥合所述电容加载结构与所述内导体探针之间的缝隙。
根据本发明实施例的毫米波径向波导功率合成器，使工作在60GHz频段合成器各支路的幅度和相位具有高度的一致性，具有易于实现、成本低、复杂度低、可扩展性好、成品率高的优点。
另外，根据本发明上述实施例的毫米波径向波导功率合成器还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，还包括：多个定位杆，所述多个定位杆均匀分布在所述径向波导的同心圆上，且处于所述径向波导的外围，所述多个定位杆用于将外围金属壁上下部分定位在同一个圆心上。
在一些示例中，所述同轴连接器为1.85mm同轴连接器。
在一些示例中，玻璃绝缘子同时实现连接输出端口、构成同轴线内导体和构成径向波导中心探针三种电路功能。。
在一些示例中，所述径向波导的多个输出端口均为矩形波导。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的毫米波径向波导功率合成器的结构水平视图；
图2是根据本发明一个实施例的毫米波径向波导功率合成器的结构垂直视图；
图3是根据本发明一个实施例的内导体探针精确定位示意图；
图4是根据本发明一个实施例的径向分布电容消除过程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
以下结合附图描述根据本发明实施例的毫米波径向波导功率合成器。
图1是根据本发明一个实施例的毫米波径向波导功率合成器的结构水平视图。如图1所示，该毫米波径向波导功率合成器包括：外围金属壁110、同轴连接器120、玻璃绝缘子130、内导体绝缘子140、内导体探针150和探针焊锡植球160(图1中未示出)。
其中，外围金属壁110具有通孔，该通孔包括上孔部和下孔部。
同轴连接器120与通孔相连，作为径向波导的输入端口。在本发明的一个实施例中，例如，该同轴连接器120为1.85mm的同轴连接器。
玻璃绝缘子130设置在上孔部内。
内导体探针140贯穿通孔，其中，内导体探针140的上部和外围金属壁110的下孔部构成同轴波导，内导体探针140的下部和外围金属壁110的下方区域构成径向波导，其中，内导体探针140垂直于径向波导且位于径向波导的圆心，径向波导包括多个输出端口。更为具体地，在一些示例中，该多个输出端口例如均为矩形波导。
电容加载结构150与内导体探针140的下部相连。具体地说，内导体探针140在径向波导内的部分和电容加载结构150实现电磁波从同轴波导到径向波导的转换，采用三维精确定位技术确保内导体探针140垂直于径向波导且位于径向波导圆心，其中内导体探针140和电容加载结构150之间存在寄生的径向分布电容效应，该效应需要通过内导体探针端点植球技术消除。
探针焊锡植球160设置在内导体探针140的下部(例如图4(d)所示)，用于在加热融化后，弥合电容加载结构150与内导体探针140之间的缝隙。如上所述，内导体探针140和电容加载结构150之间存在寄生的径向分布电容效应，因此在内导体探针140的下部端点处连接一个焊锡球，带焊锡球的内导体探针140插入安装孔在高温下加热，焊锡球融化后，在重力的作用下往下流动，将内导体探针140和加载电容结构150之间存在的圆柱环形空隙弥合，从而消除径向分布电容效应。
在本发明的一个实施例中，结合图3所示，该毫米波径向波导功率合成器还包括：多个定位杆(图中未示出)。多个定位杆均匀分布在径向波导的同心圆上，且处于径向波导的外围，多个定位杆用于将外围金属壁上下部分精确定位在同一个圆心上，也即确保外围金属壁上下部分共圆心。图3中以8个定位杆为例。
作为具体的示例，结合图1和图2所示，电磁波从1.85mm同轴连接器的端口9输入。玻璃绝缘子内导体探针分为两个部分，见图1所示的同轴波导和径向波导这两部分。内导体探针140和外围金属壁110构成同轴波导，并且，在本发明的一个实施例中，电磁波以TEM模式在同轴连接器120的同轴线中传播，当电磁波传输一段距离(大于1/4波长，让高次模衰减掉)后进入径向波导内。
内导体探针140和电容加载结构150实现电磁波从同轴波导到径向波导的转换，并且，电磁波在径向波导内360°均匀分布。例如图2所示，在径向波导外围分为8个端口输出(对应于多个输出端口，此处以8个输出端口为例)。其中，采用三维精确定位技术确保内导体探针140垂直于径向波导且位于径向波导圆心，在图3所示的径向波导底板上设置8个均匀分布的定位杆(对应于多个均匀分布的定位杆，此处以8个定位杆为例)，这8个定位杆均匀分布在径向波导的同心圆上，故上下盖板在水平方向上圆心对齐，垂直方向通过螺钉锁紧，因此中心探针被精准的固定于径向波导中心。
图4(a)和图4(b)示意了内导体探针140和加载电容结构150之间存在的圆柱环形空隙，该空隙的等效电路如图4(c)所示，即相当于在不同支路上分别串联了电容值无法确定的电容，该电容是径向分布的。图4(d)为在内导体探针端点上植入焊锡球的示意图，带焊锡球的内导体探针插入安装孔在高温下加热，则进一步地，如图4(e)和图4(f)所示的焊锡球融化将空隙弥合，，故径向分布电容被消除掉。图4(g)为径向分布电容消除后的等效电路图，其中，各支路在相同条件下传输到输入端口9，因而对应的幅度和相位关系具有高度一致性。
需要说明的是，以径向波导圆心为中心激励出如图2所示径向分布的TEM模式电磁波，箭头所示为能流方向，在径向波导的外围边缘设置8个(对应于多个，该示例中以8个支路为例)矩形波导作为输出端口。
进一步地，在上述示例中，玻璃绝缘子同时实现连接输出端口、构成同轴线内导体和构成径向波导中心探针三种电路功能。
综上，本发明上述实施例的毫米波径向波导功率合成器，一方面，实现了8个(多个)支路的60GHz径向波导功率合成，同时支持更多支路的扩展，探针三维精确定位技术和内导体探针植球技术的应用，使得径向波导支路的幅度和相位一致性更好，能显著提高毫米波功率合成器的合成效率和输出功率。另一方面，1.85mm同轴连接器已经大规模商用，其具有成本低、电气性能好、结构成熟可靠的优点，其与玻璃绝缘子直接相连即可实现能量的传输。而矩形波导端口的径向波导功率合成器需要单独开发同轴波导到矩形波导的过渡结构，产品的周期和成本会增加，且不确定性增加导致成品率下降。因此，本发明的实施例具有功率分配支路幅度和相位一致性好的优点，同时，本发明的实施例将商用同轴连接器直接用于合成技术中，将传统设计方案的两次电路转换结构减少为一次，大大降低了工艺上的复杂性，一次设计就能达到较好的效果，具有良好的可实现性、成本低和成品率高的特点。
根据本发明实施例的毫米波径向波导功率合成器，使工作在60GHz频段合成器各支路的幅度和相位具有高度的一致性，具有易于实现、成本低、复杂度低、可扩展性好、成品率高的优点。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (3)
1.一种毫米波径向波导功率合成器，其特征在于，包括：
外围金属壁，所述外围金属壁具有通孔，所述通孔包括上孔部和下孔部；
同轴连接器，所述同轴连接器与所述通孔相连，作为径向波导的输入端口，电磁波以TEM模式在所述同轴连接器中传播；
玻璃绝缘子，所述玻璃绝缘子设置在所述上孔部内；
内导体探针，所述内导体探针贯穿所述通孔，其中，所述内导体探针的上部和所述下孔部构成同轴波导，所述内导体探针的下部和所述外围金属壁的下方区域构成径向波导，其中，所述内导体探针垂直于径向波导且位于所述径向波导的圆心，所述径向波导包括多个输出端口；
电容加载结构，所述电容加载结构与所述内导体探针的下部相连，其中，所述内导体探针在径向波导内的部分和电容加载结构实现电磁波从同轴波导到径向波导的转换，采用三维精确定位技术确保内导体探针垂直于径向波导且位于径向波导圆心，其中内导体探针和电容加载结构之间存在寄生的径向分布电容效应；
探针焊锡植球，所述探针焊锡植球设置在所述内导体探针的下部，用于在加热融化后，弥合所述电容加载结构与所述内导体探针之间的缝隙；
多个定位杆，所述多个定位杆均匀分布在所述径向波导的同心圆上，且处于所述径向波导的外围，所述多个定位杆用于将外围金属壁上下部分定位在同一个圆心上。
2.根据权利要求1所述的毫米波径向波导功率合成器，其特征在于，所述同轴连接器为1.85mm同轴连接器。
3.根据权利要求1所述的毫米波径向波导功率合成器，其特征在于，所述径向波导的多个输出端口均为矩形波导。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |