CN107394330A

CN107394330A - 一种固态电路‑波导功率合成装置

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Publication number: CN107394330A
Application number: CN201710470580.4A
Authority: CN
Inventors: 于伟华; 侯彦飞; 王鹏程; 刘祎静; 吕昕
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2017-06-20
Filing date: 2017-06-20
Publication date: 2017-11-24
Anticipated expiration: 2037-06-20
Also published as: CN107394330B

Abstract

该发明一种新型固态电路‑波导功率合成装置，属于毫米波太赫兹集成技术领域，特别是一种新型、宽带、高效的固态电路‑波导功率合成结构。该装置包括：矩形波导、减高波导、背腔、两个传输线屏蔽腔和介质基片；其中标准矩形波导、减高波导、背腔和屏蔽腔为互通波导结构；介质基片包括介质基板及上表面金属层；金属层包含两部分结构相同的传输线、阻抗匹配网络和探针；探针结构为顶端开槽等腰三角形。本发明通过探针发射的形式，将平面电路中传输的导行信号转换为波导中的空间信号，实现波导内部空间的空间功率合成。

Description

一种固态电路-波导功率合成装置

技术领域

本发明属于毫米波太赫兹集成技术领域，特别涉及一种固态电路-波导功率合成装置。

背景技术

平面电路是介于一维的传输线电路与三维的波导立体电路之间的二维分布参数电路。其主要形式为微带线结构和共面波导结构。利用它可以构成不同功能的微波元件，如滤波器、振荡器等。常用的非对称型平面电路与微带线输入、输出电路相连，这种电路沿x、y方向的尺寸与波长的数量级相当，而沿z方向的尺寸h远小于波长。因此，输入微带线激励的电磁场在中心导体片与接地板之间的空间里振荡，其电场只有z分量(不计边缘场)，磁场平行于xy平面，是TM模(对z而言)，且场强仅为x、y的函数，与z无关。另外，由于空气填充的矩形波导具有高Q值和大功率容量等优点，使其成为毫米波太赫兹频段重要的传输线结构。随着固态毫米波器件的出现，其较低的功率输出能力一直困扰着电路设计和系统应用人员，为获取更高功率输出能力，相应的固态毫米波功率合成技术得以逐步展开。上世纪年代左右，以雪崩二极管、Gunn二极管(体效应二极管)为代表的两端器件扮演了固态毫米波功率器件的主要角色，相应的固态功率合成技术也主要集中在二极管功率合成领域，采用的合成方法主要有以下几类电路级合成、芯片级合成、空间准光功率合成以及以上几种类型的组合。然而，从功率合成基本原理上来说，这些基于两端器件发展起来的合成技术，在近来逐步成熟并广泛应用的三端器件功率合成中仍然适用，下面将分类描述。

(一)电路级合成

在电路级合成中，主要有谐振式的腔体合成和工作带宽更宽的非谐振式电路合成。谐振式合成的优点主要是多个器件的功率直接耦合到谐振腔内合成并输出，路径损耗小，合成效率高。其缺点也很明显合成电路Q值高，工作频带窄；由于腔体工作模式原因，参与合成的器件数目受限制。根据谐振腔体的不同，有文献K.Kurokawa andF.M.Magalhaes,"An X-band 10-watt multiple-IMPATT oscillator,"in Proceedingsof the IEEE,vol.59,no.1,pp.102-103,Jan.1971.doi:10.1109/PROC.1971.8109中首次展示的矩形波导腔体合成，R.Harp and H.Stover,"Power combining of X-band IMPATTcircuit modules,"1973 IEEE International Solid-State CircuitsConference.Digest of Technical Papers,Philadelphia,PA,USA,1973,pp.118-119.doi:10.1109/ISSCC.1973.1155195首次展示的柱形腔体合成。矩形波导腔体谐振式合成在毫米波频段的应用十分成功。首先，矩形波导腔体输出口与标准波导转换容易，而柱形腔体输入输出是由位于腔体中央的同轴探针耦合实现，除了在毫米波难于制作外，这种结构还进一步限制了工作带宽与合成效率。其次，在可参与合成的器件数目限制问题上，柱形腔体更加严重。柱形腔体是靠增大腔体直径来增加合成器件数量的，但随着腔体直径增大，满足边界条件的模式数量迅速增多，所需模式能量受到影响，合成效率迅速下降。矩形波导腔体则可以保持腔体的高度与宽度不变，仅增大腔体长度来增多合成器件数量，相对来说，这种情况下腔体内可工作模式数目增加得更为缓慢，对所需模式能量影响不大。矩形波导腔体合成较成功的例子有文献K.Chang,R.Ebert and C.Sun,"W-band two-diode powercombiner,"in Electronics Letters,vol.15,no.13,pp.403-405,June 21 1979.中提到的两只IMPATT管在92.4GHz合成得到20.5W的脉冲功率和文献Kai Chang and R.L.Ebert,"W-Band Power Combiner Design,"in IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques,vol.28,no.4,pp.295-305,Apr 1980.中提到的四管合成得到的40W的脉冲功率，合成效率高于80％。采用这种合成技术，在140GHz以上频率，也能获得接近十瓦的脉冲功率和80％-90％的合成效率如文献Y.C.Ngan,"Two-diode power combining near140GHz,"in Electronics Letters,vol.15,no.13,pp.376-377,June 21 1979.；KaiChang,F.Thrower and G.M.Hayashibara,"Millimeter-Wave Silicon IMPATT Sourcesand Combiners for the 110-260GHz Range,"1981 IEEE MTT-S InternationalMicrowave Symposium Digest,Los Angeles,CA,USA,1981,pp.344-346.中所述。

非谐振式电路合成，是指将多个功率单元通过非谐振式合成网络组合起来，获得更大的功率输出。在非谐振式功率合成中，若对多路合成，需要通过多级合成网络逐步实现的，称之为多级“树形”结构的功率合成若多个功率源合成时只通过单级合成网络就达到目标的，称之为“N-路”功率合成。在N-路功率合成中，由于功率合成只需通过一级合成网络就实现了，理论上合成损耗与合成支路数量无关而多级“树形”结构的功率合成中，合成网络级数随着合成支路数量增加而增多，合成损耗则随合成级数迅速增加。可见，N-路功率合成在合成支路数量较大时，具有比“树形”结构更高的合成效率。然而，对毫米波N-路固态功率合成来说，随着合成支路数目增多，相应的合成网络除了结构、损耗、工作带宽等原因外，合成时还存在模式问题和多路固态功率器件集成问题。已出现的N-路功率合成网络有：文献E.J.Wilkinson,"An N-Way Hybrid Power Divider,"in IRE Transactions onMicrowave Theory and Techniques,vol.8,no.1,pp.116-118,January 1960.中提到的N-路Wilkinson合成电路、文献J.Schellenberg and M.Cohn,"A wideband radial powercombiner for FET amplifiers,"1978 IEEE International Solid-State CircuitsConference.Digest of Technical Papers,San Francisco,CA,USA,1978,pp.164-165.中提到的径向线合成电路、文献K.J.Russell and R.S.Harp.Broadband diode power-combining techniques.Air Force Avionics Lab,Wright-Patterson Air Force Base,OH,Interim Tech.Rep.no.1,Mar,1978中提到的同轴-波导合成电路和文献C.T Rucker.Amultiple-diode high-average power avalanche-diode oscillator.IEEETrans.Microw.Theory Tech.,1969,17(I2):I156-1158中提到的Rucker合成电路等形式。在这些传统的N-路功率合成网络中，由于结构和工艺原因，参与合成的支路数量不多，电路损耗较高，几乎不能用于毫米波频段有效地实现多路合成。近来，出现的基于波导结构的毫米波N-、路功率合成技术取得了一定的成果，并逐渐成为固态毫米波功率合成技术的热门研究方向之一。

多级“树形”功率合成特点是:工作带宽主要由功率分配网络和功率合成网络决定，一般在5-15％之间；合成效率主要由多级合成网络损耗和级间连接传输线损耗决定。这种合成技术主要有两路二进制合成和链式合成。两路二进制树形合成采用两3dB电桥逐级实现，如图2所示，具有电路结构简单，工艺易于实现等优点。该合成技术在较低合成级数(较少合成支路)情况下应用比较成功，可采用的两路电桥较多，比如两路Wilkinson电桥、环形电桥、波导分支电桥等。在毫米波频段，相应集成电桥损耗较高，多级合成难以实现高效率。在毫米波低端进行的两路二进制树形功率合成在3级(八路)以内可得到较好的效果。

在链式功率合成，图3，中，每一级合成都由不同耦合度的耦合器实现，第k级合成器的祸合度为1Olgk(dB)、第k+1级合成器耦合度为lOlg(k+1)(dB),……，这样逐级级联，直到满足功率输出需求为止。在功率合成过程中，耦合器本身的损耗和级间连接传输线的损耗，以及合成级数对合成效率起主要作用。其工艺上的缺点就是，随着合成级数增加，耦合器耦合量越弱，以致制作精度得不到应有的保证。近来出现的由波导传输线结构实现的多级链式功率合成网络，可以在毫米波频段得到较低的损耗，因而具有高效率合成的潜力。

(二)芯片级合成

在芯片级合成技术领域，随着半导体材料工艺，微波毫米波集成技术，精密加工技术和计算机应用技术发展，采用以上电路级的合成技术，特别是采用多级树形二进制合成技术，在同一块半导体基片上多路合成而得到了微波、毫米波功率单片。近十年来，在同一块芯片上，通过多级二进制Wilkinson电桥网络，将多个晶体管的输出组合起来，在毫米波低端GaAsMMIC功率器件上取得了很好的结果。在Ka波段，目前TriQuint.Raytheon和Sanders等公司都能提供瓦级输出的商用单片集成功率放大器，如文献.Product DataSheet,[Online].Available:www.triquint.com.；Raytheon.Product Data Sheet,[Online].Available:www.raytheon.com.；Sanders.Product Data[Online].Available:www.sanders.com.中所述。限制单片集成功率放大器输出能力的主要因素是合成电路损耗。半导体基片上制作的传输线具有较高损耗，当参与合成的器件数量增大时，在多级合成中的最后几级合成时信号路径长，路径损耗大，合成效率低下，难以有效地实现多支路合成。另外，在面积有限的单片集成电路芯片上，多个功率管芯同时工作，集中的多热源导致热量传递问题比较严重。还有，在多路合成的MMIC功率器件上，绝大部分芯片面积用作了合成网络和无源匹配，多路合成的器件制作成本更高。通常，在芯片级合成中，合成级数一般不超过三级。为了提高单个MMIC功率芯片输出能力，除了研究更低损耗的多路合成电路网络外，当前最有效的途径就是从半导体材料，器件以及工艺入手，寻求新器件新方法。

(三)空间功率合成

从获取更高的固态毫米波功率角度来看，空间/准光功率合成技术显示出了突出的优势。在这种合成技术中，多个功率辐射单元，以正确的相位关系，在空间实现功率的叠加，叠加后的功率可以通过探针接收，也可以将功率叠加点直接定位于空间高功率需求处。与电路合成不同，在空间/准光功率合成技术中，功率由有源器件耦合为大直径的导播波束，再通过波束聚焦到空间功率需求点或转换为波导模式输出，合成损耗主要由有源器件输出耦合为传播波束以及传播波束耦合到功率需求点/端口时引起。在这种合成技术中，大直径的波束横截面允许采用的合成单元数目更多，从而可以提供更大的输出功率；而所有的合成单元都处于并联工作状态，理想情况下损耗与合成单元数量无关，使得这种合成技术在大的合成单元数目时具有十分明显的优势，可以满足高功率的需求。决定这种合成技术成功的关键就是多个合成单元辐射的功率信号在空间的同相位叠加；对于需要标准接口(比如矩形波导)输出的情况，还存在叠加后的功率信号向波导模式的转换，即空间功率的有效收集问题。在上世纪六七十年代，有研究人员在410MHZ频率处采用喇叭馈入和喇叭收集，并通过介质透镜得到辐射波一平面波的转换，实现了空间功率合成/分配，如文献D.Staiman,M.E.Breese,and W.T.Patton.New technique for combining solid-stateIEEE J.Solid-State Circuits,Sept.1968,SC-3:238-243 sources.所述。后来又有人将此种技术向毫米波扩展，分别在二极管器件和三端器件做了空间功率合成研究，如文献M.F.Durkin,R.J.Eckstein,M.D.Mills,et al..35-GHz active a IEEE MTT-SInt.Microwave Symp.Dig.,Los Angeles,CA,1981:425427所述。在保证多单元空间辐射一致性问题上，利用单片集成工艺实现的多单元放大-空间合成阵列-晶格放大器(Gridamplifier)表现出了较好的效果，如文献A.Moussessian,M.C.Wanke,Y Li,et al.Aterahertz grid frequency doubler.IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,1998,46(12):1976-1981所述。具有代表性的研究成果有加州理工学院(California Institute ofTechnology)的学者们报道了一个采用pHEMT工艺实现的512个晶体管晶格放大器阵列，该阵列经过透镜聚焦系统，在37GHz得到5W的空间合成功率,如文献B.Deckman,D.S.Deakin,Jr.,E.Sovero,et al..A 5-watt,37-GHz monolithic grid amplifier.IEEE MTT SInt.Microwave Symp.Dig.,Boston,MA,2000:805-808所述。当空间/准光功率合成在封闭的金属腔内进行时，避免了电磁辐射损耗和外界电磁干扰。在封闭金属腔内空间功率合成技术中，研究人员采用内壁加载介质的喇叭结构，实现封闭金属腔内辐射波与均匀平面波的有效转换，使得封闭金属腔内准光阵列得到均匀照射；同时还研制出标准波导传输模式与封闭金属腔内的辐射传播模式的转换，便于信号的馈入和收集，如文献T.W.Nuteson,M.B.Steer,K.Naishadham,et al..Electromagnetic modeling of finite幼dstructures in quasi-optical systems.IEEE MTT S Int.Microwave Symp.Dig.,SanFrancisco,CA,June 1996:1251-1254所述。利用这些研究成果，洛克威尔国际(RochwellInternational)公司率先报道了一个Ka频段标准波导接口的空间功率合成单片阵列放大器，饱和输出功率达到1W，如文献E.A.Sovero,J.B.Hacker,J.A.Higgins,et al..A Ka-band monolithic quasi-optic amplifier.IEEE MTT S Int.Microwave Symp.Dig.,Baltimore,MD,1998:1453-1456所述。在34GHz，洛克希德·马丁(Lockheed Martin)公司与北卡罗来纳州立大学(Carolina State University)联合研制了一个45单元的有源阵列，输入端由波导馈入，在封闭的金属腔内实现了对放大单元阵列的均匀照射，输出端辐射到自由空间实现聚焦合成，最大辐射功率为44dBm(25W)，3dB带宽800MHZ，如文献S.Ortiz,J.Hubert,E.Schlecht,et al..A 25watt and a 50watt Ka-band quasi-opticalamplifier.IEEE MTT S Int.Microwave Symp.Dig.,Boston,MA,2000:797-800所述。在输入端和输出端均采用介质加载喇叭，实现封闭腔体内的高功率毫米波空间/准光合成，Sanders公司曾得到较好的实验成果，如文献J.J.Sowers,D.J.Pritchard,A.E.White,etal.A 36W,V-band,solid-state source.IEEE MTT-S Int.Microwave Symp.Dig.,Anaheim,CA,1999:235-238所述；通过合成272功率MMIC，在61GHz得到35W的输出功率，实现了45-50％的功率收集效率。在这种封闭金属腔内实现的多路空间/准光合成技术中，整个合成系统结构复杂，设计制作困难；合成输出功率除了受准光阵列各路辐射波相互间的相位关系和空间辐射功率收集效率影响外，保证阵列中各放大单元被均匀照射，完全发挥阵列中所有器件功率输出能力也非常关键；另外，多个固态功率放大器组成的准光阵列实际上也是一个多热源集中的阵列，在保证阵列电性能的同时，很难兼顾阵列中的有效热传输途径，难以保证阵列中功率器件的正常工作。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种固态电路-波导功率合成装置，其可工作于毫米波太赫兹频段，且插入损耗小，适用频带宽，电路尺寸小，加工制作方便。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种固态电路-波导功率合成装置，整体为横向对称结构，包括介质基片和由矩形波导1、减高波导2、背腔3和两个传输线屏蔽腔4组成的互通波导结构，减高波导2在矩形波导1的一端，背腔3位于减高波导2下方，所述介质基片包括介质基板8以及介质基板8上表面的金属层，所述金属层由两个并列设置的结构相同的单元组成，每个单元由50欧姆传输线5、阻抗匹配网络6和探针7组成，所述探针7为顶端开槽的等腰三角形。

所述减高波导2与矩形波导1的高度比为0.56，顶面位于同一水平面-XY面。

所述背腔3与减高波导2的长(X向)、宽(Y向)、高(Z向)之比分别为0.757、0.632、1.048。

所述矩形波导1为标准型矩形波导，以垂直于合成装置对称轴-Y轴的方向做截面-XZ面，截面长度即X向尺寸为a mm，截面宽度即Z向尺寸为b mm；所述减高波导2的截面长度即X向尺寸为a mm，截面宽度即Z向尺寸为0.57bmm；所述背腔3的上表面与减高波导2的下表面共XY面，与矩形波导1Y向距离为0.057λg，与减高波导2两侧X向距离均为0.071λg，背腔3的截面长度即Y向尺寸为0.44λg，截面宽度即Z向尺寸为0.13λg，背腔3的X向尺寸为0.13λg；所述传输线屏蔽腔4的下表面与减高波导2的下表面共面-XY面，距减高波导2两侧X向距离均为0.15λg，传输线屏蔽腔4的截面长度即X向尺寸为0.28λg，截面宽度即Z向尺寸为0.035λg，两个传输线屏蔽腔4的X向间距0.018λg，其中，为矩形波导主模的波导波长，λ₀为真空工作波长，λ为波导工作波长，λ_c为主模截止波长，误差±0.8％。

所述介质基板8位于传输线屏蔽腔4及减高波导2底部，介质基板8下表面与背腔3上表面共面，介质基板8的X向尺寸为0.95λg1，Y向尺寸为0.68λg1，Z向尺寸为0.05λg1，传输线屏蔽腔4由两部分相同波导结构组成，两部分的X向间距为0.05λg，Y向尺寸为0.15λg，其中，为平面电路的波导波长，λ₀为真空工作波长，ε_r为介质相对介电常数，误差±0.8％。

所述探针7底边距介质基板8的边缘的Y向尺寸为0.16λg1，底角顶点距介质基板8近侧的X向尺寸均为0.07λg1，X向底边长0.31λg1，开槽后两腰长0.306λg1，开槽的X向尺寸为0.061λg1，Y向尺寸为0.1296λg1；所述阻抗匹配网络6包括高阻传输线与探针槽线，高阻传输线一端与探针槽底相连，高阻传输线的X向尺寸为0.025λg1，Y向尺寸为0.17λg1；50欧姆传输线5与高阻传输线另一端相连，50欧姆传输线5的X向尺寸为0.04λg1；两条50欧姆传输线5的X向间距为0.5λg1，整体结构关于中心YZ平面对称。

与现有技术相比，本发明是一种固态电路-波导功率合成结构。于D波段仿真结果，在113GHz-165GHz频率范围内插入损耗低于1dB；在120GHz-160GHz频带内损耗平坦度良好，功率分配插损S12在-3.5dB以内，在126Gz处取得最优值-3.2dB。两个输出端口在D波段全频带范围内一致性良好，两端口损耗差值不超过0.05dB。与典型的T型微带耦合器相比，两路探针耦合结构传输损耗更低，端口一致性更佳。

附图说明

图1是本发明整体结构图。

图2是n级两路二进制树形合成示意图。

图3是链式合成原理示意图。

图4是整体透视图。

图5是介质基片结构图。

图6是俯视图。

图7是侧视图。

图8是介质基片尺寸。

图9是本装置插入损耗仿真结果。

图10是本装置回波损耗仿真结果。

图中：1.矩形波导，2.减高波导，3.背腔，4.屏蔽腔，5.50欧姆传输线，6.阻抗匹配网络，7.探针，8.介质基板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，一种固态电路-波导功率合成装置，整体为横向对称结构，包括介质基片、矩形波导1、减高波导2、背腔3、两个传输线屏蔽腔4等，其中矩形波导1、减高波导2、背腔3和传输线屏蔽腔4为互通波导结构；减高波导2在矩形波导1的一端，背腔3位于减高波导2下方，介质基片包括介质基板8以及介质基板8上表面的金属层，金属层由两个并列设置的结构相同的单元组成，每个单元由50欧姆传输线5、阻抗匹配网络6和探针7组成，探针7为顶端开槽的等腰三角形。

其中，矩形波导1为标准型矩形波导，减高波导2与矩形波导1的高度比为0.56，顶面位于同一水平面-XY面。背腔3与减高波导2的长(X向)、宽(Y向)、高(Z向)之比分别为0.757、0.632、1.048。

为获取最优参数，需要在专用的电磁仿真软件中建模优化，本发明采用Ansoft公司的高频结构仿真软件(HFSS)进行建模仿真，通过对图4、5、6、图7、图8中各个参数的调谐和仿真优化，获得最优解，最终确定的参数尺寸为：

WAa＝a，WAb＝b，WAl＝0.69λg，WBb＝0.57b，WBl＝0.18λg，WCa＝0.44λg，WCb＝0.13λg，WCl＝0.13λg，Wd1＝0.15λg，WDd＝0.018λg，WDa＝0.28λg，WDb＝0.035λg，d1＝0.057λg，d2＝0.071λg，d3＝0.15λg。

Wa＝0.95λg1，Wb＝0.68λg1，w＝0.5λg1，w1＝0.04λg1，w2＝0.025λg1，w3＝0.31λg1，w4＝0.061λg1，l1＝0.5λg1，l2＝0.17λg1，l3＝0.1296λg1，l4＝0.306λg1，l5＝0.16λg1，h＝0.05λg1，d4＝0.07λg1。

即：

矩形波导1以垂直于合成装置对称轴-Y轴的方向做截面-XZ面，截面长度WAa即X向尺寸为a mm，截面宽度WAb即Z向尺寸为b mm，Y向尺寸WAl为；减高波导2上表面与矩形波导1上表面共面，即减高波导2上的截面长度即X向尺寸也为a mm，截面宽度WBb即Z向尺寸为0.57b mm，Y向尺寸WBl为；背腔3的上表面与减高波导2的下表面共XY面，与矩形波导1的Y向距离d1为0.057λg，与减高波导2两侧X向距离d2均为0.071λg，背腔3的截面长度WCa即Y向尺寸为0.44λg，截面宽度WCb即Z向尺寸为0.13λg，背腔3的纵向长度WCl即X向尺寸为0.13λg；传输线屏蔽腔4的下表面与减高波导2的下表面共面-XY面，距减高波导2两侧X向距离d3均为0.15λg，传输线屏蔽腔4的截面长度WDa即X向尺寸为0.28λg，截面宽度WDb即Z向尺寸为0.035λg，两个传输线屏蔽腔4的X向间距WDd为0.018λg。

介质基板8位于传输线屏蔽腔4及减高波导2底部，纵向对齐，介质基板8下表面与背腔3上表面共面，介质基板8的X向尺寸Wa为0.95λg1，Y向尺寸Wb为0.68λg1，Z向尺寸h为0.05λg1，传输线屏蔽腔4由两部分相同波导结构组成，两部分的X向间距为0.05λg，Y向尺寸Wd1为0.15λg。

探针7底边距介质基板8的边缘的Y向尺寸l5为0.16λg1，底角顶点距介质基板8近侧的X向尺寸d4均为0.07λg1，X向底边长w3为0.31λg1，开槽后两腰长l4为0.306λg1，开槽宽度w4即X向尺寸为0.061λg1，长度l3即Y向尺寸为0.1296λg1；阻抗匹配网络6包括高阻传输线与探针槽线，高阻传输线一端与探针槽底相连，高阻传输线的宽度w2即X向尺寸为0.025λg1，长度l2即Y向尺寸为0.17λg1；50欧姆传输线5与高阻传输线另一端相连，50欧姆传输线5的宽度w1即X向尺寸为0.04λg1；50欧姆传输线5的长度l1为即Y向长度为0.5λg1，两条50欧姆传输线5的X向间距w为0.5λg1，整体结构关于中心YZ平面对称。

其中，WXa为X方向长度，WYl为Y方向长度，WZb为Z方向长度，为平面电路的波导波长，为矩形波导主模的波导波长，其中，λ₀为真空工作波长，λ为波导工作波长，λ_c为主模截止波长，ε_r为介质相对介电常数，误差±0.8％。

本发明工作原理：

该装置主体为平面电路-波导电桥结构，该结构包含对称的两部分组成，其基础为平面偶极子探针转换结构，采用开槽等腰三角形探针实现矩形波导主模TE10模到平面电路准TEM模的直接转换。探针位于矩形减高波导H面中心且为对称结构，可以有效接收空间电磁波；加入背腔使转换结构部分等效介电常数降低，实现拓宽频带的性能；阻抗匹配网络分为减高波导部分及探针槽线-高阻传输线两部分，减高波导实现矩形波导与探针输入阻抗的阻抗匹配，槽线与高阻传输线实现探针输出阻抗与50欧姆传输线的阻抗匹配；若后续电路尺寸较宽，可以将介质基片的宽度增加，对于整体性能影响不大；若宽度大于波导宽边，可以额外增加一段减宽波导匹配结构实现良好的传输性能。由矩形波导内主模TE10模电场分布特性可知，两探针位置处的电场除了大小相等外，方向也相同。因而当两探针与波导间进行能量交换时，其上也应具有相同大小和方向的耦合电流。所以，在该波导-微带电桥结构中，两微带端口应具有同相位关系。可见，由于结构上的对称性，这种波导-微带0°3dB电桥具有的同相、等功率分配/合成性能，与工作频率无关，因而具有宽带特性。

于D波段仿真结果如图9、图10所示，在113GHz-165GHz频率范围内插入损耗低于1dB；在120GHz-160GHz频带内损耗平坦度良好，功率分配插损S12在-3.5dB以内，在126Gz处取得最优值-3.2dB。两个输出端口在D波段全频带范围内一致性良好，两端口损耗差值不超过0.05dB。与典型的T型微带耦合器相比，两路天线耦合结构传输损耗更低，端口一致性更佳。

Claims

1.一种固态电路-波导功率合成装置，整体为横向对称结构，其特征在于，包括介质基片、矩形波导(1)、减高波导(2)、背腔(3)和两个传输线屏蔽腔(4)，所述矩形波导(1)、减高波导(2)、背腔(3)和传输线屏蔽腔(4)为互通波导结构，减高波导(2)在矩形波导(1)的一端，背腔(3)位于减高波导(2)下方，所述介质基片包括介质基板(8)以及介质基板(8)上表面的金属层，所述金属层由两个并列设置的结构相同的单元组成，每个单元由50欧姆传输线(5)、阻抗匹配网络(6)和探针(7)组成，所述探针(7)为顶端开槽的等腰三角形。

2.根据权利要求1所述固态电路-波导功率合成装置，其特征在于，所述减高波导(2)与矩形波导(1)的高度比为0.56，顶面位于同一水平面。

3.根据权利要求1或2所述固态电路-波导功率合成装置，其特征在于，所述背腔(3)上表面与减高波导(2)下表面共面，所述背腔(3)与减高波导(2)的长、宽、高之比即X向、Y向、Z向长度比分别为0.757、0.632、1.048。

4.根据权利要求1所述固态电路-波导功率合成装置，其特征在于，所述矩形波导(1)为标准型矩形波导，以垂直于合成装置对称轴Y轴的方向做截面，截面长度即X向尺寸为a mm，截面宽度即Z向尺寸为b mm；所述减高波导(2)的截面长度即X向尺寸为a mm，截面宽度即Z向尺寸为0.57b mm；所述背腔(3)与矩形波导(1)的Y向距离为0.057λg，与减高波导(2)两侧X向距离均为0.071λg，背腔(3)的截面长度即Y向尺寸为0.44λg，截面宽度即Z向尺寸为0.13λg，背腔(3)的X向尺寸为0.13λg；所述传输线屏蔽腔(4)的下表面与减高波导(2)的下表面共面，距减高波导(2)两侧X向距离均为0.15λg，传输线屏蔽腔(4)的截面长度即X向尺寸为0.28λg，截面宽度即Z向尺寸为0.035λg，两个传输线屏蔽腔(4)的X向间距0.018λg，其中，为矩形波导主模的波导波长，λ₀为真空工作波长，λ为波导工作波长，λ_c为主模截止波长，误差±0.8％。

5.根据权利要求4所述固态电路-波导功率合成装置，其特征在于，所述介质基板(8)位于传输线屏蔽腔(4)及减高波导(2)底部，介质基板(8)下表面与背腔(3)上表面共面，距传输线屏蔽腔(4)两侧的X向距离均为0.3505λg1，介质基板(8)的X向尺寸为0.95λg1，Y向尺寸为0.68λg1，Z向尺寸为0.05λg1，传输线屏蔽腔(4)由两部分相同波导结构组成，两部分的X向间距为0.05λg，Y向尺寸为0.15λg，其中，为平面电路的波导波长，λ₀为真空工作波长，ε_r为介质相对介电常数，误差±0.8％。

6.根据权利要求4所述固态电路-波导功率合成装置，其特征在于，所述探针(7)底边距介质基板(8)的边缘的Y向尺寸为0.16λg1，底角顶点距介质基板(8)近侧的X向尺寸均为0.07λg1，底边长即X向尺寸为0.31λg1，开槽后两腰长0.306λg1，开槽的X向尺寸为0.061λg1，Y向尺寸为0.1296λg1；所述阻抗匹配网络(6)包括高阻传输线与探针槽线，高阻传输线一端与探针槽底相连，高阻传输线的X向尺寸为0.025λg1，Y向尺寸为0.17λg1；50欧姆传输线(5)与高阻传输线另一端相连，50欧姆传输线(5)的X向尺寸为0.04λg1；两条50欧姆传输线(5)的X向间距为0.5λg1，整体结构关于中心YZ平面对称。