CN110492213B - 一种毫米波微带功率分配或合成装置 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种毫米波微带功率分配或合成装置,涉及微波/毫米波技术领域，具体涉及一种多层微波电路的微带功率分配/合成网络。本发明输入与输出均采用50Ω的标准微带线，易于与其他微波器件集成；采用多层微波电路技术，实现了功率分配/合成网络的小型化；一方面使得功率分配/合成网络结构更紧凑且不易激励起其他杂模(基板过大微带容易激励起高阶模式)，另一方面也减小了微带线或者带状线的使用长度，进而显著减小了功率分配/合成网络的损耗，为微带功率分配/合成网络应用于微波高频段甚至与毫米波创造了可能。该器件的加工实现是基于目前很成熟的多层PCB制造工艺，其生产成本较低，且容易实现量产。

Description

一种毫米波微带功率分配或合成装置

技术领域

本发明涉及微波/毫米波技术领域，具体涉及一种多层微波电路的微带功率分配/合成网络。

背景技术

随着微波技术的发展，市场对微波电子器件的小型化、低成本、高集成度的需求日益增加，其中微波多层电路技术是目前备受推崇的一种解决方案。功率分配/合成网络被广泛应用于各种微波电子器件，因此研究和实现小型化、低成本且易于与其他微波器件集成的功率分配/合成网络，是目前亟需解决的问题。传统的波导功率分配/合成网络和准光功率分配/合成网络体积大，不易于与其他微波器件集成，且生产成本昂贵，难以适应当下市场的需求。威尔金森功分器虽然易于与其他微波器件进行集成，但随着功率分配/合成的路数增多，整个功率分配/合成网络的平面面积会呈指数递增，不利于器件的小型化；不仅如此，当工作频率提升至毫米波及以上频段时，由威尔金森功分器构成的功分网络会因其过大的插入损耗而难以适用于工程系统。基于多层电路的微带线/带状线功率分配/合成网络采用平面型传输线，能较好地与其他微波器件进行集成，同时3维电路布局能极大地减小功率分配/合成网络的尺寸，促进了微波电子器件的小型化生产。但是，平面型传输线随着其工作频率的提高，损耗会急剧增加，这给研究高频段微波或毫米波微带线/带状线功率分配/合成网络带来了极大的挑战。所以，设计出一种能工作在微波高频段且损耗较低的微带功率分配/合成网络在当前意义重大。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种新型基于微波多层电路的微带功率分配/合成网络。该结构能够工作在毫米波波段且其体积小、频带宽、集成度高、插入损耗和反射损耗低、各输出端口幅度一致性和相位一致性好、生产成本低。

为实现上述目的，本发明技术方案为一种毫米波微带功率分配装置,该装置为层状结构，从上至下依次包括：输入层、第一半固化片层、第一接地层、中间层、第二接地层、第二半固化片层、输出层；所述输入层上表面设置有输入微带线(1)、输入环形微带谐振器(2)、输入探针(3)；所述输入环形微带谐振器位于输入层上表面中心位置，所述输入微带线一端位于输入层上表面边缘另一端连接输入环形微带谐振器，所述输入环形微带谐振器的中心位置设置有输入探针，所述输入探针为金属化通孔，依次穿过输入层、第一半固化片层、第一接地层、中间层后与第二接地层连接；所述输入微带线(1)和输入环形微带谐振器(2)周围设置一圈金属化通孔，该金属化通孔依次穿过输入层、第一半固化片层后与第一接地层连接，用于防止微波泄露；

所述输出层的下表面设置有多条输出微带线(8)、多个输出环形微带谐振器、多个输出探针；其中每条输出微带线对应一个输出环形微带谐振器，每个输出环形微带谐振器中心位置对应一个输出探针；所述多个输出环形微带谐振器围绕输出层的中心点均匀布置，每个输出环形微带谐振器对应的输出微带线呈放射状延伸至输出层的边缘；所述输出探针为金属化通孔，该金属化通孔依次穿过输出层、第二半固化片层、第二接地层、中间层后与第一接地层连接；所述每条输出微带线包围设置有金属化通孔，该金属化通孔依次穿过输出层、第二半固化片层后与第二接地层连接，用于防止微波泄露；

所述中间层内在输出探针的外围设置有一圈或两圈金属化通孔，该金属化通孔连接第一接地层和第二接地层，形成圆形谐振腔。

进一步的，所述输入微带线一端位于输入层边缘，另一端以90°转角分为两路微带线，这两路微带线再经过两次90°转角后与输入环形微带谐振器连接；所述输入微带线分出的两路微带线与输入环形微带谐振器构成的结构为对称结构。

进一步的，所述第一接地层、第二接地层的材料为铜，所述输入层、中间层、输出层材料为Rogers RO4350，第一半固化片层、第二半固化片层材料为Rogers RO4450F。

进一步的，所述输出环形微带谐振器的个数为8。

进一步的，所述输入微带线和输出微带线为50Ω微带线，输入环形微带谐振器或输出环形微带谐振器为四分之一波长圆环形微带谐振器。

进一步的，所述输入层和输出层厚度为0.168mm；中间层厚度为0.254mm；第一半固化片层和第二半固化片层厚度为0.1mm；输入微带线和输出微带线线宽为0.57mm，分为两路后的线宽为0.15mm；输入四分之一圆环形微带谐振器半径为0.68mm，输出四分之一圆环形微带谐振器半径为0.38mm；输出探针阵列与输入探针的水平距离为1.15mm；圆形谐振腔半径为2.47mm；输入探针和输出探针金属化通孔的直径为0.4mm。

一种毫米波微带功率合成装置，结构与上述功率分配装置完全相同，其特征在于功率分配装置的输出为功率合成装置的输入，功率分配装置的输入为功率合成装置的输出。

本发明所设计的基于微波多层电路的微带功率分配/合成网络一共由三层微波电路构成，主要包括：三层层压介质基板(输入层、中间层、输出层)、两层半固化片，输入微带，四分之一波长圆环形微带谐振器，层与层之间的探针以及实现功率分配的介质腔体。

所述层压介质基板为Rogers RO4350，半固化片为Rogers RO4450F，两者介电常数相近，热膨胀系数相近，能较好地兼容以保证电路工作的稳定性。同时，Rogers RO4350为硬质板，保证了器件的机械强度。

所述输入微带功分器是一个输入端口为标准50Ω的一分二等功率分配器，其输出端口为非标准端口且并联在输入四分之一波长圆环形微带谐振器上，通过探针将输入能量耦合至下一层(介质谐振腔体)。

所述四分之一波长圆环形微带谐振器为一个半径为四分之一工作波长的圆形贴片，其一端与微带线相连；圆形贴片的边缘视为开路点，其具体半径值的确定还需具体考虑由开路电容带来的影响，故输入、输出端的四分之一波长圆环形微带谐振器的半径值不同。

所述层与层之间的探针是贯穿于不同层间的金属孔，其功能是实现功率分配/合成网络的垂直互连，使能量由上层介质基板进入下层介质基板。

所述实现功率分配的介质腔体是由中间层介质基片构成，腔体的四周边界用紧密排列的金属过孔围成，上下边界由接地铜层构成。

所述三层微波电路结构不同层之间均附有接地铜层，以实现不同层之间信号的隔离，不同层间传输处，接地铜层均有缺陷地结构以避免短路。

本发明的工作原理如下：

微波能量从50Ω标准微带线馈入，经微带功分器后输入信号变为两路(同幅同相)，并对称地馈入四分之一波长圆环形微带谐振器。相比较于仅由单路微带馈入，利用T形微带功分器分成两路对称地馈入在腔体中激励起的谐振模式具有更好的对称性，进而保证了各输出端口幅度和相位的一致性。对于微带T形功分器的设计，由于两输出端口并联在输入端口，而电路并联阻抗的计算公式：Z_i＝Z_O1||Z_O2(当实现等功分时Z_O1＝Z_O2)，其中Z_i为输入端的特性阻抗，Z_O1和Z_O2分别为两输出端的特性阻抗。由上述理论计算公式可知，两输出端口的特性阻抗要高于输入端口的特性阻抗，故T型功分输出口为高阻抗线。

由于四分之一波长圆环形微带谐振器的边缘等效于开路，根据传输线理论可知，离开路点l处的输入阻抗Z_in的计算公式如下：Z_in＝-jZ_C cotβl，其中Z_C为传输线的特性阻抗，β为传播常数。所以，离开路端四分之一波长奇数倍的点处，输入阻抗等于0，相当于短路，故在谐振器圆心处(等效短路点)有最大工作电流，所以输入的微波能量就被输入探针从第一层介质基板引入第二层的圆形介质谐振腔体中。介质谐振腔体采用圆形，以及输出探针阵列是以输入探针为圆心呈圆周排列，都是为了进一步保证各输出端的幅度和相位一致性良好。为了使谐振腔体中的微波能量最大限度地经输出探针耦合至输出端，圆形腔体的半径和输出探针的位置是关键因素。由于输入探针附近近似于开路，所以距输入探针四分之一工作波长处等效为短路，故输出探针应设置在此处。同时，为使经圆形介质腔体边界反射回来的微波信号与输入信号在输出探针处同相叠加，圆形介质腔体的半径值应设为二分之一工作波长。圆形介质谐振腔体中的能量经输出探针耦合至输出端四分之一波长圆环形微带谐振器后到达输出端口(标准50Ω微带线)。因为输出探针阵列是在以输入探针为圆心的圆周上等间距分布，且各个输出探针的物理尺寸完全一致，因而该网络完成了功率等分，各输出端的幅度和相位完全相同。当各个输出端口作为输入端口时，该网络工作的流程与上述过程相反，实现的是功率合成功能。为避免不同层之间微波信号的串扰，各层间均附有接地铜层；同时为了保证信号完整地传输，输入探针和输出探针在穿过接地铜层时均采用缺陷地结构。此外，为避免在基板中激励起平行板等高阶模式，在微带线的两侧均有金属屏蔽孔。(由于微波信号的周期性，上述各个圆环形微带谐振器半径值、圆形介质谐振腔体半径值和输出探针与输入探针之间的距离并不唯一，这里仅为了使结构紧凑而采用用理论最小值组合)

本发明具有如下优势：

输入与输出均采用50Ω的标准微带线，易于与其他微波器件集成；

采用多层微波电路技术，实现了功率分配/合成网络的小型化；

输入端口利用功分器将输入能量对称地馈入介质腔体，相比较于仅用一路微带做馈入端口，腔体中所激励起来的场具有更好的对称性，进而保证了各路输出的幅度和相位的一致性；

功率分配/合成是利用腔体来完成，避免了树形结构，一方面使得功率分配/合成网络结构更紧凑且不易激励起其他杂模(基板过大微带容易激励起高阶模式)，另一方面也减小了微带线或者带状线的使用长度，进而显著减小了功率分配/合成网络的损耗，为微带功率分配/合成网络应用于微波高频段甚至与毫米波创造了可能。

该器件的加工实现是基于目前很成熟的多层PCB制造工艺，其生产成本较低，且容易实现量产。

附图说明

图1为本发明实施例的总体网络示意图；

图2为实施例的三维层叠结构图；

图3为实施例的各层示意图(1-7分别为：输入层、第一半固化片层、第一接地层、中间层、第二接地层、第二半固化片层、输出层)；

图4为图1中所示网络的S₁₁频率特性曲线，S₁₁为输入端口(1端口)的回波损耗；

图5为图1中所示网络的传输特性曲线(附带的两幅小图，左：幅度不平衡性随频率的变化；右：平均插损随频率的变化)；

图6为图1中所示网络的相位特性曲线；

图中附图标记为：1.输入端微带功分器(功率等分)，2.输入端四分之一波长圆环形微带谐振器，3.输入探针(第一、第二层介质间的垂直互连)，4.缺陷地，5.圆形介质谐振腔体(圆周边界由金属过孔紧密排列构成)，6.输出探针阵列(第二、第三层介质间的垂直互连)，7.输出端四分之一波长圆环形微带谐振器，8.输出微带线。

具体实施方式

以下通过具体实例并结合附图说明本发明的实施方式。

本发明所设计的基于微波多层电路的微带功率分配/合成网络一共由三层微波电路构成，主要包括：三层层压介质基板(输入层、中间层、输出层)、两层半固化片，输入微带功分器，四分之一波长圆环形微带谐振器，层与层之间的探针以及实现功率分配的介质腔体。

所述层压介质基板为Rogers RO4350，半固化片为Rogers RO4450F，两者介电常数相近，热膨胀系数相近，能较好地兼容以保证电路工作的稳定性。同时，Rogers RO4350为硬质板，保证了器件的机械强度。

所述输入微带功分器是一个输入端口为标准50Ω的一分二等功率分配器，其输出端口为非标准端口且并联在输入四分之一波长圆环形微带谐振器上，通过探针将输入能量耦合至下一层(介质谐振腔体)。

所述四分之一波长圆环形微带谐振器为一个半径为四分之一工作波长的圆形贴片，其一端与微带线相连；圆形贴片的边缘视为开路点，其具体半径值的确定还需具体考虑由开路电容带来的影响，故输入、输出端的四分之一波长圆环形微带谐振器的半径值不同。

所述层与层之间的探针是贯穿于不同层间的金属孔，其功能是实现功率分配/合成网络的垂直互连，使能量由上层介质基板进入下层介质基板。

所述实现功率分配的介质腔体是由中间层介质基片构成，腔体的四周边界用紧密排列的金属过孔围成，上下边界由接地铜层构成。

所述三层微波电路结构不同层之间均附有接地铜层，以实现不同层之间信号的隔离，不同层间传输处，接地铜层均有缺陷地结构以避免短路。

本实施例为一种Ka波段八路功率分配/合成网络，可应用于阵列天线的馈电网络或固态功放等微波器件。

如图2所示，两层微带线介质基板均采用Rogers RO4350，厚度为0.168mm；腔体介质基板版型为Rogers RO4350，厚度为0.254mm；两层半固化片均为Rogers RO4450F，厚度为0.1mm；50Ω微带线对应的线宽为0.57mm，微带T型功分输出端高阻抗线线宽为0.15mm(对应的阻抗为95Ω)；输入四分之一圆环形微带谐振器2半径为0.68mm，输出四分之一圆环形微带谐振器7半径为0.38mm；输出探针阵列6距离输入探针1.15mm；圆形谐振腔5半径为2.47mm；输入、输出探针(金属过孔)直径为0.4mm，输入、输出探针对应的圆形缺陷地的半径分别为：0.52mm和0.39mm。

微波信号从输入端口(标准50Ω微带线)馈入，经过输入端微带功分器1等分为两路等幅同相的信号。这两路信号对称地馈入输入端四分之一波长圆环形微带谐振器2，由于谐振器边缘等效为开路，经四分之一工作波长后，在谐振器圆心处等效为短路，故在谐振器中心处的工作电流达到最大值，激励起了较强的谐振模式，将能量集中在输入探针3处，并传导至第二层(实现功率分配的圆形介质谐振腔体5)形成腔体谐振。同样，由于输入探针3的周围近似等效为开路，故距离输入探针3四分之一工作波长处为等效短路点，即输出探针阵列6的位置，同时，为了减小功率分配/合成网络的插损，圆形介质谐振腔5的四周边界应该以输入耦合探针为圆心，二分之一工作波长为半径，这样便能使由边界反射回来的信号在输出耦合探针处与输入信号实现同相加强。输出探针阵列6将能量从介质谐振腔体耦合至第3层(介质基板层)，经输出端四分之一波长圆环形微带谐振器7过渡后由输出端口标准微带线8引出。如此便实现了功率分配过程，功率合成是其逆过程。需要指出的是各介质层间均附有接地铜层以避免不同层之间微波信号的串扰，同时为了保证信号有效地传输，输入探针和输出探针在穿过接地铜层时均采用缺陷地4结构。

图4、图5和图6为本实施例的仿真结果，输入端口为1端口，8路输出端口分别用2～9端口来表示。图4表示的是输入端口的回波损耗S₁₁随频率的变化情况，图5为传输至各输出端口的能量分布随频率的变化情况，即各输出端口的传输情况，其中S_n1(n＝2,3，……9)表征从1端口输入传输至n端口的能量，随图还附上了幅度不平衡性随频率的变化情况以及平均插损随频率的变化情况。可以看出，该功分器在23～34GHz的频段内：回波损耗≤-18dB，插入损耗≤-1.2dB，各输出端的幅度和相位一致性良好。这里插损偏大的原因是：为方便测试时焊接SMA接头，我们将输入、输出微带线延长了3倍，经仿真可知，延长微带线额外带来了0.8dB的插损，即功分器的实际仿真插损在0.4dB以内。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种毫米波微带功率分配装置,该装置为层状结构，从上至下依次包括：输入层、第一半固化片层、第一接地层、中间层、第二接地层、第二半固化片层、输出层；所述输入层上表面设置有输入微带线(1)、输入环形微带谐振器(2)、输入探针(3)；所述输入环形微带谐振器位于输入层上表面中心位置，所述输入微带线一端位于输入层上表面边缘另一端连接输入环形微带谐振器，所述输入环形微带谐振器的中心位置设置有输入探针，所述输入探针为金属化通孔，依次穿过输入层、第一半固化片层、第一接地层、中间层后与第二接地层连接；所述输入微带线(1)和输入环形微带谐振器(2)周围设置一圈金属化通孔，该金属化通孔依次穿过输入层、第一半固化片层后与第一接地层连接，用于防止微波泄露；

所述输出层的下表面设置有多条输出微带线(8)、多个输出环形微带谐振器、多个输出探针；其中每条输出微带线对应一个输出环形微带谐振器，每个输出环形微带谐振器中心位置对应一个输出探针；所述多个输出环形微带谐振器围绕输出层的中心点均匀布置，每个输出环形微带谐振器对应的输出微带线呈放射状延伸至输出层的边缘；所述输出探针为金属化通孔，该金属化通孔依次穿过输出层、第二半固化片层、第二接地层、中间层后与第一接地层连接；所述每条输出微带线包围设置有金属化通孔，该金属化通孔依次穿过输出层、第二半固化片层后与第二接地层连接，用于防止微波泄露；

所述中间层内在输出探针的外围设置有一圈或两圈金属化通孔，该金属化通孔连接第一接地层和第二接地层，形成圆形谐振腔。

2.如权利要求1所述的一种毫米波微带功率分配装置,其特征在于所述输入微带线一端位于输入层边缘，另一端以90°转角分为两路微带线，这两路微带线再经过两次90°转角后与输入环形微带谐振器连接；所述输入微带线分出的两路微带线与输入环形微带谐振器构成的结构为对称结构。

3.如权利要求1所述的一种毫米波微带功率分配装置,其特征在于所述第一接地层、第二接地层的材料为铜，所述输入层、中间层、输出层材料为Rogers RO4350，第一半固化片层、第二半固化片层材料为Rogers RO4450F。

4.如权利要求1所述的一种毫米波微带功率分配装置,其特征在于所述输出环形微带谐振器的个数为8。

5.如权利要求1所述的一种毫米波微带功率分配装置,其特征在于所述输入微带线和输出微带线为50Ω微带线，输入环形微带谐振器和输出环形微带谐振器为四分之一波长圆环形微带谐振器。

6.如权利要求2所述的一种毫米波微带功率分配装置,其特征在于所述输入层和输出层厚度为0.168mm；中间层厚度为0.254mm；第一半固化片层和第二半固化片层厚度为0.1mm；输入微带线和输出微带线线宽为0.57mm，分为两路后的线宽为0.15mm；输入四分之一圆环形微带谐振器半径为0.68mm，输出四分之一圆环形微带谐振器半径为0.38mm；输出探针阵列与输入探针的水平距离为1.15mm；圆形谐振腔半径为2.47mm；输入探针和输出探针金属化通孔的直径为0.4mm。

7.一种毫米波微带功率合成装置，其结构与权利要求1到6中所述的任意一种功率分配装置完全相同，其特征在于功率分配装置的输出为功率合成装置的输入，功率分配装置的输入为功率合成装置的输出。

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