CN109818124B - 矩形波导-微带功率分配器和矩形波导匹配负载 - Google Patents

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Abstract

为解决现有矩形波导匹配负载无法满足紧凑系统要求的技术问题，本发明提供了一种矩形波导‑微带功率分配器和矩形波导匹配负载。矩形波导‑微带功率分配器包括依次层叠设置的输入矩形波导、第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层和第三金属层；第一金属层上设置有微带耦合探针和四个微带输出端口；第二金属层构成微带接地面；第一介质层和第二介质层上设有通孔；四个微带输出端口E面耦合于输入矩形波导宽边侧壁，并与输入矩形波导90°正交，且两两一组分布于输入矩形波导宽边两侧；位于输入矩形波导宽边同侧的微带输出端口共用一个微带耦合探针从输入矩形波导中向外耦合能量；矩形波导‑微带功率分配器整体沿输入矩形波导E面和H面对称。

Description

矩形波导-微带功率分配器和矩形波导匹配负载
技术领域
本发明涉及矩形波导-微带功率分配器及利用该功率分配器所构成的矩形波导匹配负载上。
背景技术
矩形波导匹配负载广泛应用于微波电路及系统中，以减小驻波，吸收多余的能量，提高系统稳定性。为了实现良好的匹配带宽，矩形波导匹配负载中吸收体的长度一般不小于二分之一导波波长，然而多数情况下，吸收体长度大于一个导波波长，无法满足紧凑系统的要求。
发明内容
为解决现有矩形波导匹配负载无法满足紧凑系统要求的技术问题，本发明提供了一种矩形波导-微带功率分配器，在该功率分配器的微带端口接薄膜功率电阻则构成矩形波导匹配负载，可以在较短的纵向长度(十分之一导波波长)内实现相对较宽的匹配带宽，远小于传统矩形波导匹配负载的纵向长度。
本发明的技术方案是：
矩形波导-微带功率分配器，其特殊之处在于：
包括依次层叠设置的输入矩形波导、第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层和第三金属层；
第一金属层上设置有微带耦合探针和四个微带输出端口；
第二金属层构成微带接地面；
第一介质层和第二介质层上开设有通孔；
所述四个微带输出端口E面耦合于所述输入矩形波导的宽边侧壁，并与输入矩形波导90°正交，且两两一组分布于输入矩形波导的宽边两侧；
位于输入矩形波导宽边同侧的两个微带输出端口共用一个微带耦合探针从所述输入矩形波导中向外耦合能量；
所述矩形波导-微带功率分配器整体结构沿所述输入矩形波导的E面和H面对称。
进一步地，微带耦合探针和微带输出端口之间设置有微带阻抗过渡段。
进一步地，微带耦合探针宽度小于输入矩形波导宽边长度。
进一步地，所述输入矩形波导采用金属加工而成；所述第一介质层、第二介质层、第一金属层、第二金属层和第三金属层均采用PCB工艺加工而成。
本发明还提供了另一种矩形波导-微带功率分配器，其特殊之处在于：包括依次层叠设置的输入矩形波导、第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三金属层、第三介质层和第四金属层；
第一金属层上设置有微带耦合探针和四个微带输出端口；
第二金属层构成微带接地面；
第一介质层、第二介质层和第三介质层上开设有通孔；第三金属层上开设有方形槽；
第三介质层和第四金属层构成共面波导输出端口；
所述四个微带输出端口E面耦合于所述输入矩形波导的宽边侧壁，与输入矩形波导90°正交，且两两一组分布于输入矩形波导的宽边两侧；
位于输入矩形波导宽边同侧的两个微带输出端口共用一个微带耦合探针从所述输入矩形波导中向外耦合能量；
所述矩形波导-微带功率分配器整体结构沿所述输入矩形波导的E面和H面对称。
进一步地，微带耦合探针和微带输出端口之间设置有微带阻抗过渡段。
进一步地，微带耦合探针宽度小于输入矩形波导宽边长度。
进一步地，所述输入矩形波导采用金属加工而成；所述第一介质层、第二介质层、第三介质层、第一金属层、第二金属层、第三金属层和第四金属层均采用PCB工艺加工而成。
本发明还提供了一种矩形波导匹配负载，其特殊之处在于：包括上述矩形波导-微带功率分配器；所述矩形波导-微带功率分配器的每个微带输出端口均连接有薄膜功率电阻。
本发明的优点：
1、思路新颖，结构紧凑。
本发明中提出的矩形波导-微带功率分配器，可在较短的纵向长度内实现较宽的带宽，在其微带输出端口接薄膜功率电阻，便可构成矩形波导吸收负载，且构成的矩形波导吸收负载，可在十分之一导波波长纵向长度内实现至少13％的-20dB匹配带宽。
2、带宽较宽，功率容量较高。
基于四路功率分配器，在其第三金属层断面上层叠设置第三介质层和第四金属层后，可实现六路功率分配器，该六路功率分配器接薄膜功率电阻后，可在18％的带宽范围内实现小于-20dB的回波损耗，可吸收总功率容量可达数kW级(脉冲功率)。
3、加工装配工艺简单成熟。
本发明主要由金属波导和多层PCB结构组成，加工装配工艺简单成熟。
4、本发明在微带端口和微带耦合探针之间设置微带阻抗过渡段，能够更好的实现阻抗匹配。
5、本发明的微带耦合探针宽度小于输入矩形波导的宽边长度，能够实现在较宽带宽内充分耦合波导中能量。
6、第三金属层在为四个微带输出端口提供耦合输出匹配短路面的同时，其正中央的方形槽可向第三介质层和第四金属层构成的共面波导输出端口耦合能量，拓展了矩形波导输入端口的驻波带宽。
附图说明
图1为矩形波导-微带四路功率分配器整体结构图，图1中附图标记：port25为矩形波导输入端口，port 21-port 24为微带输出端口。
图2为图1所示矩形波导-微带四路功率分配器的爆炸图，图2中附图标记：201-输入矩形波导，202-第一金属层，203-第一介质层，204-第二金属层，205-第二介质层，206-第三金属层。
图3为图2中第一金属层202及其上设置的微带耦合探针和微带阻抗过渡段示意图，图3中附图标记：207-微带耦合探针，208-微带阻抗过渡段。
图4为矩形波导-微带六路功率分配器的俯视图，图3中：port41-port44为微带输出端口，port46-port47为共面波导输出端口。
图5为图4所示矩形波导-微带六路功率分配器的爆炸图，图5中附图标记：401-输入矩形波导，402-第一金属层，403-第一介质层，404-第二金属层，405-第二介质层，406-第三金属层，4061-方形槽，407-第三介质层，408-第四金属层，4071-通孔，port45为矩形波导输入端口。
图6为图5中第一金属层402及其上设置的微带耦合探针和微带阻抗过渡段示意图，图6中附图标记：409-微带耦合探针，410-微带阻抗过渡段。
图7为矩形波导-微带四路功率分配器设计实例的尺寸标注图。
图8为矩形波导-微带六路功率分配器设计实例的尺寸标注图。
图9为图7所示矩形波导-微带四路功率分配器设计实例的S参数分布图，图中S55代表矩形波导输入端口反射系数，S11代表矩形波导输入端口至微带输出端口的功率分配系数。
图10为图8所示矩形波导-微带六路功率分配器设计实例的S参数分布图，图中S55代表矩形波导输入端口反射系数，S51代表矩形波导输入端口至微带输出端口的功率分配系数，S56代表矩形波导输入端口至共面波导输出端口的功率分配系数。
图11为四路和六路功率分配器中第二介质层205、405的结构放大示意图，图中标号：2051，4051-通孔。
图12为四路和六路功率分配器中第一介质层203、403的结构放大示意图，图中标号：2031，4031-通孔。
具体实施方式
实施例一：
如图1、图2、图3所示，为矩形波导-微带四路功率分配器，其具有一个矩形波导输入端口port25和四个微带输出端口port 21-port 24；该紧凑波导-微带四路功率分配器包括依次层叠设置的输入矩形波导201、第一金属层202、第一介质层203、第二金属层204、第二介质层205和第三金属层206。其中，微带耦合探针207、微带阻抗过渡段208和微带输出端口port 21-port 24都设置在第一金属层202上，第二金属层204构成微带接地面，第一介质层203和第二介质层205上开设有多个通孔2031、2051，这些通孔围成几何图形，这些通孔可以将电磁场限制在有限区域内，形成等效电壁，如图12所示。
四个微带输出端口port 21-port 24E面耦合于输入矩形波导201的宽边侧壁，且与输入矩形波导201成90°正交关系，即微带传输方向与输入矩形波导201传输方向垂直。四个微带输出端口port 21-port 24两两为一组，分布于输入矩形波导201的宽边两侧。
四个微带输出端口port 21-port 24通过微带耦合探针从输入矩形波导201中向外耦合能量，位于输入矩形波导201宽边同一侧的两个微带输出端口共用一个微带耦合探针，如图1所示，port21和port22共用一个微带耦合探针，port23和port24共用一个微带耦合探针；微带耦合探针宽度小于输入矩形波导201的宽边长度，以实现在较宽带宽内充分耦合波导中能量。在四个微带端口和微带耦合探针之间设置微带阻抗过渡段以更好的实现阻抗匹配。
该紧凑波导-微带四路功率分配器整体结构沿输入矩形波导201的E面和H面对称。
实施例二：
为进一步提高矩形波导端口的匹配带宽，本实施例在图1-3所示矩形波导-微带四路功率分配器的基础上，提出了一种矩形波导-微带六路功率分配器。
如图4、图5、图6所示，该六路功率分配器具有一个矩形波导输入端口port45、四个微带输出端口port41-port44和两个共面波导输出端口port46-port47。六路功率分配器包括依次层叠设置的输入矩形波导401、第一金属层402、第一介质层403、第二金属层404、第二介质层405、第三金属层406、第三介质层407和第四金属层408。其中，微带输出端口port41-port44、微带耦合探针409、微带阻抗过渡段410都设置在第一金属层402上，第二金属层404构成微带接地面，第三金属层406在为四个微带输出端口提供耦合输出匹配短路面的同时，其正中央的方形槽4061可向第三介质层407和第四金属层408构成的共面波导输出端口port46-port47耦合能量，以拓展矩形波导输入端口port45的驻波带宽。第一介质层403、第二介质层405和第三介质层407上都有通孔，这些通孔可以将电磁场限制在有限区域内，形成等效电壁，如图11所示。
四个微带输出端口port 41-port 44E面耦合于输入矩形波导401的宽边侧壁，且与输入矩形波导401成90°正交关系，即微带传输方向与输入矩形波导401传输方向垂直。四个微带输出端口port 41-port 44两两为一组，分布于输入矩形波导401的宽边两侧。
四个微带输出端口port 41-port 44通过微带耦合探针409从输入矩形波导401中向外耦合能量，位于输入矩形波导401宽边同一侧的两个微带输出端口共用一个微带耦合探针409，如图5、6所示，port41和port42共用一个微带耦合探针，port43和port44共用一个微带耦合探针；微带耦合探针409宽度小于输入矩形波导401的宽边长度，以实现在较宽带宽内充分耦合波导中能量。在四个微带端口port 41-port 44和微带耦合探针409之间设置微带阻抗过渡段410以更好的实现阻抗匹配。
该六路功率分配器整体结构沿输入矩形波导401的E面和H面对称。
图4-6所示六路功率分配器实际上是在图1-3所示四路功率分配器的基础上，在底面金属层(第三金属层206)上开槽，并增加一层介质层和一层金属层，形成两个共面波导端口向外耦合能量，以进一步改善输入矩形端口驻波特性，此时，输入端口的-20dB匹配带宽可由四路的13％提升至六路的18％。六路功率分配器的两个共面波导端口，在拓展带宽的同时，可有效改善底面金属层开槽所带来的辐射泄露及其可能带来的电磁兼容问题。
在本发明矩形波导-微带四路/六路功率分配器的输出端口接薄膜功率电阻，可构成矩形波导匹配负载，该矩形匹配负载纵向长度约为十分之一导波波长，远小于传统矩形波导匹配负载的纵向长度，且带宽较宽，功率容量较高，适合用于各种小型化微波电路及系统。其中，四路功率分配器的四个微带输出端口分别接薄膜功率电阻后，四个薄膜功率电阻可吸收总功率可达数1kW以上(脉冲功率)，可在十分之一导波波长纵向长度内分别实现13％的-20dB匹配带宽，即在13％的带宽范围内实现小于-20dB的回波损耗；六路功率分配器的六个微带输出端口分别接薄膜功率电阻后，六个薄膜功率电阻可吸收总功率可达数kW级(脉冲功率)，可在十分之一导波波长纵向长度内实现18％的-20dB匹配带宽，即在18％的带宽范围内实现小于-20dB的回波损耗。
本发明四路功率分配器和六路功率分配器均是由金属波导和多层平面电路板组合装配而成，加工、装配工艺简单；其中输入矩形波导201、401采用金属加工而成；微带输出端口port21-port24、port41-port44，共面波导输出端口port46-port47，介质层和金属层均采用多层PCB工艺加工而成。
本发明具体设计实例：
以X波段的四路和六路功率分配器为例，其矩形输入波导尺寸为22.86×10.16mm，介质层的板材采用介电常数为2.2的Rogers 5880介质板，介质层的损耗角正切值为0.009。四路和六路功率分配器的所有输出端口阻抗均为50欧姆。
根据发明附图7和8中的尺寸标注，X波段四路功率分配器尺寸为：w1＝2.48,w2＝6.30,w3＝20.94,a＝36,a0＝22.86,a1＝26,b＝30,b0＝10.16,b1＝13,d1＝2.16,d2＝4.28,d3＝4.14,h1＝1.016,h2＝1.5,Ls＝1.016,Lp＝0.8,r0＝0.25。X波段六路功率分配器尺寸为：w1＝2.48,w2＝6.30,w3＝20.94,w4＝1.51,ws＝8.53,a＝36,a0＝22.86,a1＝26,b＝30,b0＝10.16,b1＝13,d1＝2.16,d2＝4.05,d3＝4.14,ds＝2.95,h1＝1.016,h2＝1.5,h3＝1.016,Ls＝0.508,Ls1＝2.60,Lp＝0.8,r0＝0.25,wf＝2.54。以上数值单位均为mm。
如图9所示，四路功率分配器在10.1-11.5GHz范围内，矩形波导输入端口反射小于-20dB。
如图10所示，六路功率分配器在9.65-11.55GHz范围内，矩形波导输入端口反射小于-20dB。
若在四路和六路功率分配器的输出端口均接50Ω薄膜功率电阻，每个电阻功率吸收能力不小于1W平均功率和1kW的峰值功率(千分之一占空比)，则四路和六路功率分配器的功率吸收能力就优于4W平均功率和4kW峰值功率(千分之一占空比)。

Claims (5)

1.矩形波导-微带功率分配器，其特征在于：包括依次层叠设置的输入矩形波导(401)、第一金属层(402)、第一介质层(403)、第二金属层(404)、第二介质层(405)、第三金属层(406)、第三介质层(407)和第四金属层(408)；
第一金属层(402)上设置有微带耦合探针(409)和四个微带输出端口(port41、port42、port43、port44)；
第二金属层(404)构成微带接地面；
第一介质层(403)、第二介质层(405)和第三介质层(407)上开设有通孔；第三金属层(406)上开设有方形槽(4061)；
第三介质层(407)和第四金属层(408)构成共面波导输出端口(port46、port47)；
所述四个微带输出端口(port41、port42、port43、port44)E面耦合于所述输入矩形波导(401)的宽边侧壁，与输入矩形波导(401)90°正交，且两两一组分布于输入矩形波导(401)的宽边两侧；
位于输入矩形波导(401)宽边同侧的两个微带输出端口共用一个微带耦合探针(409)从所述输入矩形波导(401)中向外耦合能量；
所述矩形波导-微带功率分配器整体结构沿所述输入矩形波导(401)的E面和H面对称。
2.根据权利要求1所述的矩形波导-微带功率分配器，其特征在于：微带耦合探针(409)和微带输出端口之间设置有微带阻抗过渡段(410)。
3.根据权利要求1或2所述的矩形波导-微带功率分配器，其特征在于：微带耦合探针(409)宽度小于输入矩形波导(401)宽边长度。
4.根据权利要求1或2所述的矩形波导-微带功率分配器，其特征在于：所述输入矩形波导(401)采用金属加工而成；所述第一介质层(403)、第二介质层(405)、第三介质层(407)、第一金属层(402)、第二金属层(404)、第三金属层(406)和第四金属层(408)均采用PCB工艺加工而成。
5.矩形波导匹配负载，其特征在于：包括权利要求1-4任一所述的矩形波导-微带功率分配器；所述矩形波导-微带功率分配器的每个微带输出端口均连接有薄膜功率电阻。
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