CN106340701B - 一种全波导形式的毫米波铁氧体开关矩阵 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种全波导形式的毫米波铁氧体开关矩阵。包括一个铁氧体开关单元；铁氧体开关单元的输入端通过波导设有进口隔离器，两个输出端通过波导分别设有出口隔离器，形成二选一开关矩阵。其中进口隔离器的输入端为二选一开关矩阵的水平极化输入端，两个出口隔离器的输出端为二选一开关矩阵的水平极化输出端。三个以上的二选一开关矩阵组合形成三选一以上的开关矩阵。本发明与以往采用的半导体开关矩阵相比，省去了微带‑波导转换过渡结构，结构更简单、加工成本更低，加工成本减小至少20%；开关矩阵具有耐功率水平更高，达到15W(平均功率)，耐功率水平是半导体开关单元的3倍多，同等功率下损耗更低。

Description

一种全波导形式的毫米波铁氧体开关矩阵
技术领域
本发明属于毫米波雷达和通信系统的波导多波束天线技术领域，具体涉及一种主要由铁氧体开关单元、隔离器、U型波导以及一些直波导、E弯波导、H弯波导、扭波导等组成的铁氧体开关矩阵。
背景技术
多波束天线可以利用单个天线在不同方向形成多个波束，它除了能够有效的减小体积，降低成本外，还能实现宽角度的覆盖，是无线通信和现代雷达中的关键技术，有十分广泛的应用前景。在毫米波段波导天线具有损耗低、增益高、耐功率高的优点，所以在毫米波段多波束天线系统大都采用波导天线形式，开关矩阵是波导多波束天线系统的主要组成部分，目前开关矩阵中采用半导体开关单元，这种形式的开关矩阵缺点是：1、耐功率低。开关矩阵耐功率水平是由开关单元决定的，目前半导体开关单元耐功率只有4W左右(平均功率)，造成波导多波束天线系统耐功率水平低，大大限制了无线通信的距离和雷达探测威力范围；2、在毫米波段半导体开关单元损耗较大，低功率(平均功率小于4W)情况下损耗最小的GaAsPIN开关单元也有0.8dB左右加上微带-波导过渡结构带来的损耗造成整个开关矩阵损耗偏大，降低了天线系统增益和探测威力范围；3、结构复杂、加工成本高、损耗大。半导体开关单元不是波导形式的，需要经过微带-波导转换过渡结构才能与波导系统连接，造成整个开关矩阵结构极其复杂、加工成本增加。
发明内容
为了解决上述半导体开关矩阵存在的缺陷，本发明提供一种全波导形式的毫米波铁氧体开关矩阵。
具体技术解决方案如下：
一种全波导形式的毫米波铁氧体开关矩阵包括一个铁氧体开关单元1；所述铁氧体开关单元1的输入端设有进口隔离器2，铁氧体开关单元1的两个输出端分别设有出口隔离器3，形成二选一开关矩阵；其中进口隔离器2输入端为二选一开关矩阵的水平极化输入端，两个出口隔离器3的输出端为二选一开关矩阵的水平极化输出端。
进一步限定的技术方案如下：
所述铁氧体开关单元1的输入端和进口隔离器2之间由矩形波导连接，进口隔离器2的输入端连接着输入波导；所述铁氧体开关单元1的两个输出端和对应的出口隔离器3之间由矩形波导连接；两个出口隔离器3的输出端分别连接着输出波导。
所述输入波导由一个H弯波导和 一个直波导连接组成。
所述输出波导由一个U型波导、两个直波导和一个H弯波导连接组成；U型波导的两端分别连接着两个直波导的一端，其中一个直波导的另一端连接着H弯波导的一端。
一种全波导形式的毫米波铁氧体开关矩阵由两个二选一的开关矩阵连接组合形成三选一的开关矩阵；具有一个垂直极化输入端和三个水平极化输出端。
一个二选一开关矩阵的输入端与另一个二选一开关矩阵的一个输出端连接，形成三选一开关矩阵。
一种全波导形式的毫米波铁氧体开关矩阵由五个二选一的开关矩阵连接组合形成六选一的开关矩阵。
第一二选一开关矩阵和第二二选一开关矩阵的输入端分别连接着第三二选一开关矩阵的输出端；第三二选一开关矩阵的输入端连接着第四二选一开关矩阵的一个输出端；第四二选一开关矩阵的另一个输出端连接着第五二选一开关矩阵的输入端。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1、在毫米波段，本发明开关矩阵相对传统半导体开关矩阵耐功率水平更高。
在毫米波段，如35-40GHz，目前，半导体开关单元耐功率只有4W(平均功率)左右，而铁氧体开关单元耐功率能达15W(平均功率)，耐功率水平是半导体开关单元的3倍多。
2、在毫米波段，平均功率到4W～15W之间时，半导体开关损耗急剧增大乃至不能用，而铁氧体开关损耗在此区间能保持在0.5dB左右可以正常使用。
另外在同等低功率情况下(平均功率≤4W) 本发明开关矩阵损耗更小，使得天线系统可以获取更高增益。这可由损耗计算得出(假设耐功率都是3W，35-40GHz)：对最基本的2选1铁氧体开关矩阵，单个铁氧体开关损耗为0.5dB，单个隔离器损耗为0.3dB,每路前后一个隔离器，所以单路总损耗1.1dB；对2选1半导体开关矩阵，损耗最小的半导体开关如GaAsPIN开关损耗是0.8dB，加上前后两个波导-微带过渡结构损耗0.7dB，所以单路总损耗1.5dB，其它波导、法兰损耗相同，2选1半导体开关矩阵损耗比2选1铁氧体开关矩阵损耗高0.4dB。假设开关矩阵每路有n个开关单元，则铁氧体开关矩阵比半导体开关矩阵每路损耗减小0.35n+0.05dB，天线系统增益增加0.35n+0.05dB。按本发明实施例2，损耗减小1.45dB,天线系统增益增加1.45dB。
3、本发明开关矩阵相对传统半导体开关矩阵结构更简单、加工成本更低。
现在用的半导体开关单元不是波导形式的，需要经过微带-波导过渡结构才能与波导系统连接，由于开关矩阵中有多个开关单元，每个前后都必须有微带-波导过渡结构，造成整个开关矩阵结构更复杂、加工成本增加，本发明铁氧体开关单元可以直接和波导系统连接，不需要过渡结构，结构更简单、加工成本更低。按本发明实施例3，加工成本减小至少20%。
附图说明
图1为本发明2选1开关矩阵外观立体图。
图2为本发明2选1开关矩阵原理图。
图3为本发明3选1开关矩阵外观立体图。
图4为本发明3选1开关矩阵原理图。
图5为本发明6选1开关矩阵外观立体图。
图6为本发明6选1开关矩阵原理图。
上图中序号：2选1开关矩阵铁氧体开关单元1、2选1开关矩阵进口隔离器2、2选1开关矩阵出口隔离器3、3选1开关矩阵第一级铁氧体开关单元4、3选1开关矩阵进口隔离器5、3选1开关矩阵第一级出口隔离器6、3选1开关矩阵第二级铁氧体开关单元7、3选1开关矩阵第二级出口隔离器8、U型波导9、E弯波导10、H弯波导11、直波导12、出口挡板13。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种全波导形式的毫米波铁氧体开关矩阵可用于频率在30-40GHz区间的二选一开关选择功能。
参见图2，一种全波导形式的毫米波铁氧体开关矩阵包括一个铁氧体开关单元1，铁氧体开关单元1为微波铁氧体器件。铁氧体开关单元1的输入端通过波导连接着进口隔离器2，铁氧体开关单元1的两个输出端通过波导分别连接着出口隔离器3，形成二选一开关矩阵。其中进口隔离器2的输入端为二选一开关矩阵的水平极化输入端，两个出口隔离器3的输出端为二选一开关矩阵的水平极化输出端。实现一个水平极化输入端和二个水平极化输出端的电磁波等幅同相任意切换输出。
二选一开关矩阵具体结构如下：
参见图1，铁氧体开关单元1的输入端和进口隔离器2之间由矩形波导连接，进口隔离器2的输入端连接着输入波导；输入波导由一个H弯波导和 一个直波导连接组成。铁氧体开关单元1的两个输出端和对应的出口隔离器3之间由矩形波导连接；两个出口隔离器3的输出端分别连接着输出波导；输出波导由一个U型波导9、两个直波导12和一个H弯波导11连接组成；U型波导9的两端分别连接着直波导12的一端，一个直波导12的另一端连接着H弯波导11的一端，H弯波导11的另一端连接着出口挡板13。在U型波导9的两端连接处分别加垫片，用以调整相位。
工作时，参见图1电磁波传输路径是：水平极化输入端→H弯波导→直波导→进口隔离器2→直波导→H弯波导→铁氧体开关单元1，通过铁氧体开关单元1的电磁波能量一分为二，其中一路经过直波导12→第一出口隔离器3→直波导→H弯波导→U型波导9→直波导→H弯波导到第一水平极化输出端，另外一路经过E弯波导10→直波导12→E弯波导10→直波导12→出口隔离器3→直波导12→H弯波导11→U型波导9→直波导12→H弯波导11到第二水平极化输出端。水平极化输入端和两个水平极化输出端位置通过相应弯波导和直波导组合可以调节。在铁氧体开关单元1前后路径上的一个进口隔离器2和二个出口隔离器3可以抑制铁氧体开关单元1前后路径间电磁波信号串扰、减小反射波，从而改善水平极化输入端、两个水平极化输出端驻波和开关隔离度；结合波导传输线长度调节，可以实现2个水平极化输出端等幅同相输出；毫米波铁氧体开关矩阵全部采用BJ320波导口硬连接方式。
实施例2
一种全波导形式的毫米波铁氧体开关矩阵用于频率在30-40GHz区间的三选一开关选择功能。
参见图4，由两个二选一的开关矩阵连接组合形成三选一的开关矩阵；具有一个垂直极化输入端和三个水平极化输出端。
参见图3，具体结构：一个二选一开关矩阵的输入端与另一个二选一开关矩阵的一个输出端连接，形成三选一开关矩阵，三个水平极化出口在同一平面上。实现一个垂直极化输入端和三个水平极化输出端的电磁波任意切换输出。
工作时，参见图3电磁波传输路径是：垂直极化输入端→E弯波导→进口隔离器5→H弯波导→E弯波导→直波导→第一级铁氧体开关单元4，通过第一级铁氧体开关单元4的电磁波能量一分为二，其中一路经过H弯波导→直波导→第一级出口隔离器6→直波导→H弯波导到第一水平极化输出端；另外一路经过E弯波导→直波导→第一级出口隔离器6→直波导→E弯波导→第二级铁氧体开关单元7，通过第二级铁氧体开关单元7的电磁波能量一分为二，其中一路经过E弯波导10→直波导12→E弯波导10→两个H弯波导组合→直波导→一个第二级出口隔离器8→直波导→H弯波导11到第二水平极化输出端，另外一路经过H弯波导→直波导→另一个第二级出口隔离器8→直波导→H弯波导到第三水平极化输出端。
一个进口隔离器2和三个出口隔离器3可以抑制电磁波信号串扰、减小反射波从而改善入口和出口驻波和开关隔离度；毫米波铁氧体开关矩阵全部采用BJ320波导口硬连接方式。
实施例3
一种全波导形式的毫米波铁氧体开关矩阵用于频率在30-40GHz区间的六选一开关选择功能。
参见图6，由五个二选一的开关矩阵连接组合形成六选一的开关矩阵，具有一个垂直极化输入端和六个水平极化输出端。实现一个垂直极化输入端和六个水平极化输出端的电磁波等幅同相任意切换输出。
参见图5，具体结构：第一二选一开关矩阵和第二二选一开关矩阵的输入端分别连接着第三二选一开关矩阵的输出端；第三二选一开关矩阵的输入端连接着第四二选一开关矩阵的一个输出端；第四二选一开关矩阵的另一个输出端连接着第五二选一开关矩阵的输入端；六个水平极化输出端在同一平面上。

Claims (8)

1.一种全波导形式的毫米波铁氧体开关矩阵，其特征在于：包括一个铁氧体开关单元（1）；所述铁氧体开关单元（1）的输入端通过波导设有进口隔离器（2），进口隔离器（2）的输入端连接着输入波导；所述输入波导由一个H弯波导和 一个直波导连接组成；铁氧体开关单元（1）的两个输出端通过波导分别设有出口隔离器（3），两个出口隔离器（3）的输出端分别连接着输出波导，所述输出波导由一个U型波导、两个直波导和一个H弯波导连接组成；U型波导的两端分别连接着两个直波导的一端，其中一个直波导的另一端连接着H弯波导的一端，形成二选一开关矩阵；其中进口隔离器（2）的输入端为二选一开关矩阵的水平极化输入端，两个出口隔离器（3）的输出端为二选一开关矩阵的水平极化输出端。
2.根据权利要求1所述的一种全波导形式的毫米波铁氧体开关矩阵，其特征在于：所述铁氧体开关单元（1）的输入端的波导为矩形波导；所述铁氧体开关单元（1）的两个输出端的波导为矩形波导。
3.根据权利要求1或2 所述的一种全波导形式的毫米波铁氧体开关矩阵，其特征在于：所述铁氧体开关单元（1）为微波铁氧体器件。
4.根据权利要求1所述的一种全波导形式的毫米波铁氧体开关矩阵，其特征在于：所述U型波导（9）的两端连接处分别设有垫片，用以调整相位。
5.根据权利要求1所述的一种全波导形式的毫米波铁氧体开关矩阵，其特征在于：两个二选一的开关矩阵连接组合形成三选一的开关矩阵；具有一个垂直极化输入端和三个水平极化输出端。
6.根据权利要求1所述的一种全波导形式的毫米波铁氧体开关矩阵，其特征在于：一个二选一开关矩阵的输入端与另一个二选一开关矩阵的一个输出端连接，形成三选一开关矩阵。
7.根据权利要求1所述的一种全波导形式的毫米波铁氧体开关矩阵，其特征在于：五个二选一的开关矩阵连接组合形成六选一的开关矩阵。
8.根据权利要求7所述的一种全波导形式的毫米波铁氧体开关矩阵，其特征在于：第一二选一开关矩阵和第二二选一开关矩阵的输入端分别连接着第三二选一开关矩阵的输出端；第三二选一开关矩阵的输入端连接着第四二选一开关矩阵的一个输出端；第四二选一开关矩阵的另一个输出端连接着第五二选一开关矩阵的输入端。
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