CN107946721A - 一种基于e‑t接头的小型化波导功率合成网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于E‑T接头的小型化波导功率合成网络，主要应用于W波段收发组件及其它需要小型化功率合成的领域，网络的输入端为标准50Ω微带线，采用石英(SiO₂)材料，薄膜工艺加工，输出端为标准的WR10接口，波导口尺寸采用1.27mm×2.54mm。整个合成网络采用背对背波导结构，在合成器的波导合成对称处，引入“锲”型切口，改善了驻波，使波导的阻抗更加匹配。该种功率合成网络，合成效率达到了93.6％。该种功率合成结构已经应用于项目中，完成工程验证，具有很好的可靠性和一致性。

Description

一种基于E-T接头的小型化波导功率合成网络

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，具体是W波段收发组件中功率合成问题。

背景技术

毫米波(Millimeter)一般指波长为10mm～1mm，相应频率为30～300GHz的电磁波。毫米波的工作频率介于微波和光之间，因此兼有两者的优点。W波段(75～110GHz)作为一个“大气窗口”，在传播过程中衰减相对较小，是毫米波中一个不可忽视的一个频段。此外，毫米波穿透性远远高于红外线和可见光，传播中不易受到气候改变的干扰，适合于全天候工作。因此，在卫星通讯﹑电子对抗﹑微波散射、雷达、遥感等领域具有广泛的应用。随着分辨率、带宽等应用需求的不断提高，对W波段毫米波器件、放大器及相关组件的研究引起了各国高度重视并竞相研制。

在W波段由于单个MMIC芯片的输出功率受制于工艺的限制，往往十分有限。而随着雷达作用距离的提高，对收发组件的发射功率提出了更高的要求，这就需要采用功率合成技术提高组件的发射功率。传统的功率合成形式可以归为四大类：芯片式功率合成、电路式功率合成、空间功率合成以及复合式功率合成。

本发明是基于传统T型节形式，将两路功率信号进行合成，为了减小整个合成系统的尺寸，在设计中引入90°E面弯转换，90°H面弯转换，并在输入口采用微带-波导探针过渡，在合成网络部分采用背对背E-T接头及微带-波导探针设计，便于与MMIC芯片直接集成，实现功率放大、合成的目的。

发明内容

要解决的技术问题

为了解决W波段固态收发组件中发射支路功率合成及小型化问题，本发明设计了一种插损低、效率高及尺寸小的功率合成网络。

技术方案

一种基于E-T接头的小型化波导功率合成网络，其特征在于包括两个背对背的E-T接头，在第一个E-T接头的输入端连接馈入探针，输入端拐弯处设有90°E面弯，第一个E-T接头的功分口为弧形弯，第一个E-T接头和第二个E-T接头分别通过左合成探针、右合成探针连接，第二个E-T接头的合成口为弧形弯，输出端拐弯处设有90°H面弯，在第一个E-T接头和第二个E-T接头的合成腔体内中心对称处设有“锲”型切口。

所述的90°E面弯和90°H面弯的切口尺寸由以下几个公式约束：

两个中较大的一个

其中，L为切口折弯部分的轴线长度，λ_g为波导波长，λ_c为截止波长，a、b分别对应波导的宽边和窄边尺寸，f为工作频率，f_c为截止频率，ν是波速，P为波导的传输功率，λ为工作波长，H_z为纵向磁分量，S为闭合曲面积。

所述的馈入探针、左合成探针、右合成探针均采用石英SiO2材料，介电常数为3.8，厚度为0.127mm。

所述的馈入探针、左合成探针、右合成探针采用薄膜工艺进行加工精度保证。

所述的“锲”型切口的尺寸为0.263mm×1.6mm。

所述的弧形弯的半径为0.65mm。

所述的90°E面弯的切口为45°，长度为0.9mm。

所述的90°H面弯(8)的切口为45°，长度为1.41mm。

有益效果

本发明提出的一种基于E-T接头的小型化波导功率合成网络，采用背对背E-T形式进行功率合成。输出端口采用标准WR10接口形式，便于与测试系统进行对接。有益效果如下：

1)插损低。在合成网络的微带-波导过渡处，采用损耗较小的石英(SiO₂)作为探针材料，同时采用薄膜工艺，进一步提高了加工精度。通过优化微带探针的尺寸参数，改善了链路匹配，减小了插损，整个链路插损只有0.12dB。

2)效率高。在功率的合成处采用波导结构进行功率合成，通过优化波导传输匹配，有效降低了传输损耗，提高了合成效率，合成效率达到了93.6％。

3)小型化。在合成网络的输入输出端口分别引入90°E面弯和90°H面弯，通过优化90°弯的切口尺寸，进一步改善传输链路驻波，减小了合成尺寸。

4)易扩展。通过合理布局，可以将该二路合成网络进行四路、八路扩展，满足不同功率输出下的合成要求。

附图说明

图1 E-T结构图

图2 E-T接头等效电路图

图3合成网络整体结构示意图

1-馈入探针，2-90°E面弯，3-左合成探针，4-“锲”型切口，5-合成探针，6-右合成腔体，7-弧形弯，8-90°H面弯

图4馈入探针图

图5合成探针图

图6合成网络腔体结构图(俯视)

图7合成网络腔体结构图(侧视)

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明基于微波分支波导中，E-T接头(图1)的基本特性：在端口1与2同时输入等幅同相同一频率的TE₁₀波，则端口3将无能量输出。这是由于当端口1与2等幅同相输入时，在端口3的支臂中形成等幅反相的场，刚好抵消，因而无能量输出，而这时在主波导中存在有互相反相传播的两个同频等幅波，因而形成全驻波，而且由于接头的对称性，两个波分别从端口1与2传播到对称平面上的时间相同，因而两波在这里仍然同相，形成驻波的波腹点。因此，E-T接头的这一特性也可以换句话说：如果在E-T接头的对称平面上形成驻波的电压波腹，或者说电场相对于对称平面为偶函数分布的情况时，则分支中就无能量输出。

若在端口1与2同时输入等幅反相的同一频率的TE₁₀波，则端口3将获得最大能量输出。这一点可以很容易理解，因为这时从端口1与2入射的波在分支中将变成同相，因而得到迭加输出。同理，如果在E-T接头的对称平面上形成驻波电场的波节或者对于对称平面为奇函数分布的电场，则分支中就获得两个波的迭加输出，这就是E-T接头可进行功率合成的原因。

本发明就是基于以上理论分析，采用背对背E-T形式进行功率合成。设计中在合成器的波导中心对称处引入“锲”型过渡，改善传输链路驻波，其等效电路如图2所示。为了减小合成网络的尺寸，在合成信号的馈入端口进行90°E面设计，同时为了与MMIC芯片进行直接连接，在信号的输入端口进行微带-波导过渡设计，实现信号的馈入。在信号的输出端口进行90°H面设计，使信号的输出端口与传输呈90°关系，更方便与天线进行直接对接。

设计中合成网络采用背靠背E-T形式，在中间加入合成探针结构，便于在合成探针之间加入放大器，实现功率放大、合成的目的。在合成网络中，为了保证加工精度，馈入探针、合成探针均采用薄膜工艺，基片材料为介电常数3.8，厚度为0.127mm的石英(SiO₂)。

如图1所示，包括馈入探针1、90°E面弯2、左合成探针3、“锲”型切口4、右合成探针5、合成腔体6、弧形弯7、90°H面弯8；馈入探针1、合成探针3、“锲”型切口4、合成探针5位于合成腔体6内部；90°E面弯2、弧形弯7、90°H面弯8分别位于合成腔体6的输入、输出端口。

探针具体尺寸见表1、2。馈入探针1、合成探针3、5均采用石英(SiO₂)材料，介电常数为3.8，厚度为0.127mm；馈入探针1、左合成探针3、右合成探针5采用薄膜工艺进行加工精度保证；两个“锲”型切口4尺寸为0.263mm×1.6mm；四个弧形弯7的尺寸为R0.65mm；在合成网络的波导输入端口设置90°E面弯2，切口为45°，长度为0.9mm；在合成网络的波导输出端口设置90°H面弯8，切口为45°，长度为1.41mm。

其中，E面和H面的切口尺寸，可以通过如下公式进行计算：

1.对于折角弯波导而言，不论折弯多少度的波导，其折弯部分的轴线长度：

L＝λ_g/4 (1)

其中，λ_g为波导波长；

2.波导切口尺寸的计算考虑如下因素：

在矩形波导中，由于TE₁₀波的λ_c最大，与它最接近的是TE₂₀或TE₀₁波的λ_c，因而只要传输波的工作波长介于它们之间，TE₁₀波的单模传输就有可能，单模传输条件可以写成:

两个中较大的一个

(2)

其中，λ_c为截止波长，a、b分别对应波导的宽边和窄边尺寸；

上面给出了单模工作λ的范围，亦即频率范围。对于a≥2b的波导来说，上述条件可以简化为：2a＞λ＞a。波导切口尺寸的选择，必须满足单模传输要求。

3.功率容量考虑

通过规则波导的传输功率为：

对于TE模

其中，η_e为介质的波阻抗，若波导系统中为空气或真空，则称为自由空间波阻抗。将η_e代入上式，得到：

同时，对于色散波，其波长可定义为

其中，ν_p为相速，f为频率，f_c为截止频率，ν是波速，一般取3*10⁸m/s。

这一波长称为波导波长，这是因为在金属波导中传播的波正是这种色散波。

把式(4)代入式(1)得到

由此，结合公式(2)、(3)、(5)的约束，可以根据不同的工作频率要求计算出具体的波导切口尺寸。

装配中只需将微带探针底部涂覆导电胶，微带探针宽边一端直接抵至波导壁，为了保证微带探针能够与腔体底部良好接触，腔体槽采用正公差加工，具体尺寸见表3、4。

测试结果表明：采用该种形式的功率合成网络，在92～96GHz的频带内，插入损耗：≤0.12dB，端口驻波：≤1.20:1，合成效率：≥93.6％，可以广泛应用于W波段收发组件及需要小型化功率合成的领域。

表1馈入探针尺寸建议参数

单位：mm

W1	W2	W3	W4	L1	L2	L3	L4
								1.0	0.28	0.19	0.45	3.27	1.7	0.6	0.28

表2合成探针尺寸建议参数

单位：mm

W1	W2	W3	W4	L1	L2	L3	L4
								1.0	0.28	0.19	0.28	6.54	0.38	0.6	3.4

表3合成腔体结构尺寸建议参数

单位：mm

W1	W2	W3	W4	W5	L1	L2	L3	L4
									1.0	0.9	1.6	1.0	1.27	2.0	2.0	1.0	4.0
L5	L6	L7	L8	L9	L10	R1	R2	R3
									2.0	0.84	1.7	0.9	2.37	0.263	0.635	0.635	0.65

表4合成腔体结构尺寸建议参数

单位：mm

H1	H2	H3	H4	H5	H6	H7	H8
								0.8	2.54	1.27	0.3	2.54	1.46	2.59	1.41

Claims (8)

1.一种基于E-T接头的小型化波导功率合成网络，其特征在于包括两个背对背的E-T接头，在第一个E-T接头的输入端连接馈入探针(1)，输入端拐弯处设有90°E面弯(2)，第一个E-T接头的功分口为弧形弯(7)，第一个E-T接头和第二个E-T接头分别通过左合成探针(3)、右合成探针(5)连接，第二个E-T接头的合成口为弧形弯(7)，输出端拐弯处设有90°H面弯(8)，在第一个E-T接头和第二个E-T接头的合成腔体(6)内中心对称处设有“锲”型切口(4)。

2.根据权利要求1所述的一种基于E-T接头的小型化波导功率合成网络，其特征在于所述的90°E面弯(2)和90°H面弯(8)的切口尺寸由以下几个公式约束：

<mrow> <mi>L</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>g</mi> </msub> <mo>/</mo> <mn>4</mn> <mo>=</mo> <mi>v</mi> <mo>/</mo> <mn>4</mn> <msqrt> <mrow> <msup> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>f</mi> <mi>c</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </msqrt> </mrow>

两个中较大的一个

<mrow> <mi>P</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>188.35</mn> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>g</mi> </msub> </mfrac> <mfrac> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>c</mi> </msub> <mi>&amp;lambda;</mi> </mfrac> <msub> <mo>&amp;Integral;</mo> <mi>s</mi> </msub> <mo>|</mo> <msub> <mi>H</mi> <mi>z</mi> </msub> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> <mi>d</mi> <mi>S</mi> </mrow>

其中，L为切口折弯部分的轴线长度，λ_g为波导波长，λ_c为截止波长，a、b分别对应波导的宽边和窄边尺寸，f为工作频率，f_c为截止频率，ν是波速，P为波导的传输功率，λ为工作波长，H_z为纵向磁分量，S为闭合曲面积。

3.根据权利要求1所述的一种基于E-T接头的小型化波导功率合成网络，其特征在于所述的馈入探针(1)、左合成探针(3)、右合成探针(5)均采用石英SiO2材料，介电常数为3.8，厚度为0.127mm。

4.根据权利要求3所述的一种基于E-T接头的小型化波导功率合成网络，其特征在于所述的馈入探针(1)、左合成探针(3)、右合成探针(5)采用薄膜工艺进行加工精度保证。

5.根据权利要求1所述的一种基于E-T接头的小型化波导功率合成网络，其特征在于所述的“锲”型切口(4)的尺寸为0.263mm×1.6mm。

6.根据权利要求1所述的一种基于E-T接头的小型化波导功率合成网络，其特征在于所述的弧形弯(7)的半径为0.65mm。

7.根据权利要求1所述的一种基于E-T接头的小型化波导功率合成网络，其特征在于所述的90°E面弯(2)的切口为45°，长度为0.9mm。

8.根据权利要求1所述的一种基于E-T接头的小型化波导功率合成网络，其特征在于所述的90°H面弯(8)的切口为45°，长度为1.41mm。