CN111146549B - 基于耦合结构的接地共面波导功率分配/合成网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于耦合结构的接地共面波导功率分配/合成网络，应用于毫米波、亚毫米波领域，为解决现有的功率分配/合成网络不能兼顾宽频带、低插损、相位一致性好的问题，本发明通过采用接地耦合共面波导1分2的电路结构再进行背靠背形成二路能量合成。信号能量通过接地共面波导的两个导带缝传播，并通过耦合结构1分2，最后进行背靠背实现输出功率合成，相比于现有技术本发明的功率分配/合成网络拥有结构小、散热好、插入损耗低、频段宽等特点。

Description

基于耦合结构的接地共面波导功率分配/合成网络

技术领域

本发明属于毫米波、亚毫米波领域，特别涉及一种宽带高效的片上功率合成技术。

背景技术

波长为0.1～1毫米的电磁波称为亚毫米波，位于微波与远红外波相交叠的波长范围，因而兼有两种波谱的特点。与较低频段的微波相比，它们的特点是：1、利用的频谱范围宽，信息容量大。2、易实现窄波束和高增益的天线，因而分辨率高，抗干扰性好。3、穿透等离子体的能力强。4、多普勒频移大，测速灵敏度高。亚毫米波在通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学和波谱学方面都有重大的意义。

近年来，随着现代通信系统的快速发展，对微波发射系统的性能要求与日俱增。收发器前端作为通信系统中的重点研究对象，其功率的提高会使通信系统在抗干扰、作用距离和通信质量三方面拥有更好的性能表现。如何为其提供稳定的大功率微波一直是该研究领域中的重要课题。

固态功率器件是在工程中最常使用的功率器件之一，它拥有利于安装、集成和维护等优点。同时其工作电压也较低，在使用寿命和稳定性上更为可靠。但是相较于发射机动辄几十乃至上百瓦的输出功率需求，现有的半导体材料和制造工艺限制了单个固态芯片的输出功率和转换效率，严重制约了通信系统的发展。因此，科研人员一方面探索和研究新的半导体材料和加工工艺，增加单个功率器件的输出功率。另一方面，通过运用功率合成技术，将多个放大器的输出功率叠加合成来提高输出能力。目前对宽带高效的功率合成技术的研究成为了毫米波、亚毫米波研究领域中的热门问题。

亚毫米波功合成网络作为功率源时，既要求具有一定的输出功率也追求输出带宽。作为片上功率合成使用时，当功放单元已经确定时，拥有宽频带、低插损、相位一致性好的功率分配/合成网络变得尤为重要。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于耦合接地共面波导的功率分配/合成网络，通过多级级联的耦合1分2功率分配网络与相同级数相连的背靠背耦合2合1功率合成网络，实现结构尺寸小、损耗低的偶合结构。

本发明采用的技术方案为：一种基于耦合接地共面波导的功率分配/合成网络，至少包括分配网络与合成网络，所述分配网络的输出作为合成网络的输入；

所述分配网络与合成网络包括相同级数N的二进制耦合单元，分配网络中某级二进制耦合单元个数为其前一级耦合单元个数的2倍，分配网络的第一级二进制耦合单元个数为1，分配网络的最后一级二进制耦合单元个数为2^N-1，分配网络的最后一级二进制耦合单元作为分配网络的输出端；合成网络中某级二进制耦合单元个数为其后一级耦合单元个数的2倍，合成网络的第一级二进制耦合单元个数为2^N-1，合成网络的最后一级二进制耦合单元个数为1，合成网络的第一级二进制耦合单元作为合成网络的输入端。

所述分配网络中的二进制耦合单元为1分2的耦合单元，所述合成网络中的二进制耦合单元为2合1的耦合单元。

还包括输入中心导带与输出中心导带，所述输入中心导带包括两条输入导带缝，所述输出中心导带包括两条输出导带缝。

所述1分2的耦合单元包括：1分2耦合部件以及与耦合部件相连的2条内导带缝，还包括2条外导带缝；相邻的内导带缝与外导带缝组成1分2的耦合单元的一条支路，1分2的耦合单元包括2条支路，当前的1分2的耦合单元的耦合部件将沿上一级对应的1分2的耦合单元的一条支路传输的能量1分2后，分别沿当前的1分2的耦合单元的2条支路传输。

将1分2的耦合单元2条外导带缝直角拐角切除一部分，所切除三角形斜边记为切角长度。

通过优化1分2耦合部件长度、1分2耦合部件宽度以及切角长度，控制1分2的耦合单元插入损耗与工作频率。

所述2合1的耦合结构包括：2合1耦合部件以及与耦合部件相连的2条内导带缝，还包括2条外导带缝；相邻的内导带缝与外导带缝组成2合1的耦合单元的一条支路，2合1的耦合单元包括2条支路，当前的2合1的耦合单元的耦合部件将沿2条支路传输的能量2合1后沿下一级对应的2合1的耦合单元的一条支路传输。

将2合1的耦合单元2条外导带缝直角拐角切除一部分，所切除三角形斜边记为切角长度。

通过优化2合1耦合部件长度、2合1耦合部件宽度以及切角长度，控制2合1的耦合单元插入损耗与工作频率。

本发明的有益效果：本发明通过采用接地耦合共面波导1分2的电路结构再进行背靠背形成二路能量合成。信号能量通过接地共面波导的两个导带缝传播，并通过耦合结构1分2，最后进行背靠背实现输出功率合成。该结构也可以做二进制功率合成的基本单元。这种新型耦合接地共面波导的功率分配/合成结构与传统的芯片级功率合成结构相比，拥有结构小、散热好、插入损耗低、频段宽等特点。本发明结构简单，易于实现，在亚毫米波芯片级功率合成中具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的4路功率分配/合成网络结构；

其中，图1(a)为4路功率分配/合成网络俯视图，图1(b)为4路功率分配/合成网络侧视图；

图2为图1结构由商用电磁场仿真工具模拟得到的仿真结果；

其中，图2(a)为CPWG四路功率分配/合成网络S参数仿真结果，图2(b)为CPWG一分四功分结构端口相位仿真结果；

图3为耦合结构与传统阻抗匹配结构的功分网络对比图；

图4为图3两个结构的仿真结果图；

其中，图4(a)为耦合结构S参数仿真，图4(b)为高低阻抗结构S参数仿真；

图5为耦合结构长l均为100um时，d，z尺寸通过优化得到的仿真结果；

其中，图5(a)为l＝100μm、d＝164μm、z＝5μm时对应的仿真结果，图5(b)为l＝100μm、d＝404μm、z＝10μm时对应的仿真结果；

图6为接地通孔设计尺寸结构。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

如图1所示，在共面波导中心导带处产生一个大缝隙即本设计创新的耦合结构，共面波导结构的准TEM波能量是在2条导带缝中传播，这2条导带缝渐变耦合到2个子枝节的导带缝(靠外)中，而耦合结构产生的宽导带缝也渐变耦合到2个子枝节的导带缝(靠内)，准TEM波由原来共面波导的2个导带缝中传输，变为2个子枝节共面波导的4个导带缝中传输，从而形成1分2的功率分配，再按相同结构进行一级分配，即图1中的4路功率分配网络，最后经过背靠背形成整体4路功率分配/合成网络。图1中接地通孔是为了对共面波导结构更好的接地，保证每个芯片的输入等电势。

图2为图1结构由商用电磁场仿真工具模拟得到的仿真结果(x轴为频率，y轴所示参数的值，dB为单位)。图2(a)仿真结果显示该结构在由m1、m3标记点可以看到S11(输入回波)在200-240GHz均低于-20dB，由m2、m4标记点可以看到S21(插入损耗)在1.5dB之内。图2(b)为图2(a)结构的一半，即一分四功率分配结构，仿真结果(x轴为频率，y轴为相位，1端口为输入端口，2、3、4、5为输出端口)显示2、3、4、5四个输出端口相位曲线基本一致。故该四路功率合成网络，达到了宽频段，低损耗，高相位一致性的要求。

图3对该耦合结构进行了详细描述，同时与传统的高低阻抗匹配线形式接地共面波导(CPWG)功分结构进行了图示对比。图3中，接地共面波导(CPWG)的输入输出端口的均为220GHz频段的50Ω阻抗线，即2个导带缝与中心导带的宽度确定。通过优化耦合结构的长l与耦合结构的宽d可以改善插入损耗等性能，当优化好耦合结构的尺寸后，如果改变耦合结构分支线宽，整体结构性能会恶化，但是通过改变切角长度z可以弥补这种恶化，即通过优化l，d，z三个变量我们可以得到尺寸小，插入损耗低的1分2功率分配网络。另一方面，耦合结构不涉及导带宽度的变化，故制作易实现。

相对于传统高低阻抗结构，不仅需要优化各级高低阻抗匹配与切角匹配，且整体结构宽度也较大，并且不能通过优化匹配结构来降低分支线宽度；本发明仅通过优化l，d，z三个变量，就可以得到尺寸小，插入损耗低的1分2功率分配网络。

图4为两个结构的仿真结果图(x轴为频率，y轴所示参数的值，dB为单位)，图4(a)中，S11(输入回波)由m1、m2两个标记点可以看到在200GHz和240GHz两个频点，S11为-26dB，即整体S11在200-240GHz均低于-25dB；由m3、m4两个点可以看到200-240GHz，S21均在-3.35dB以内，扣除一分二的3dB固有损耗，插入损耗在0.35dB以内。相比之下图4(b)所示的高低阻抗匹配线结构，在200-240GHz，S11(输入回波)只低于-17dB，插入损耗在0.5dB左右。故耦合结构的性能优于高低阻抗线结构。

图5为耦合结构长l均为100um时，d，z尺寸通过优化得到的仿真结果，图5(a)为l＝100μm、d＝164μm、z＝5μm时对应的仿真结果，图5(b)为l＝100μm、d＝404μm、z＝10μm时对应的仿真结果；可以看出当耦合结构长确定时，通过改变d，z尺寸仍然可以获得较好的仿真结果。耦合结构长l影响整体的匹配性能；d，z变量影响中心频率，当d改变时，中心频率改变，通过改变z切角的长度的，将中心频率回调到220GHz。

图6为在220GHz频段，上述设计的接地通孔设计尺寸结构，本实施例给出其中一种具体接地孔的尺寸：孔径为25μm，相邻两接地孔中心点之间的距离为60μm，靠波导边界的接地孔中心点距离边界20μm，接地孔中心点距离相邻的导带缝20接地孔中心点距离，导带缝宽为14μm，一条支路的2条导带缝之间的距离为16μm，本领域技术人员应注意接地通孔主要作用为保证接地，对整体性能影响并不大，实际应用中尺寸不限。

综上，本发明主要创新提出一种新型的耦合结构接地共面波导用于功率分配/合成网络，该结构尺寸小，损耗低，制作简单。因为具体微波单片电路根据指标要求不同，则接地共面波导的具体尺寸也不同，耦合结构尺寸也不同，所以本发明中不对具体的电路结构尺寸进行限定。

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。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种基于耦合结构的接地共面波导功率分配/合成网络，其特征在于，至少包括分配网络与合成网络，所述分配网络的输出作为合成网络的输入；

所述分配网络与合成网络包括相同级数N的二进制耦合单元，N为大于1的整数，分配网络中某级二进制耦合单元个数为其前一级耦合单元个数的2倍，分配网络的第一级二进制耦合单元个数为1，分配网络的最后一级二进制耦合单元个数为2^N-1，分配网络的最后一级二进制耦合单元的输出端作为分配网络的输出端；合成网络中某级二进制耦合单元个数为其后一级耦合单元个数的2倍，合成网络的第一级二进制耦合单元个数为2^N-1，合成网络的最后一级二进制耦合单元个数为1，合成网络的第一级二进制耦合单元的输入端作为合成网络的输入端；

还包括输入中心导带与输出中心导带，所述输入中心导带包括两条输入导带缝，所述输出中心导带包括两条输出导带缝；

所述分配网络中的二进制耦合单元为1分2的耦合单元，所述合成网络中的二进制耦合单元为2合1的耦合单元；

所述1分2的耦合单元包括：1分2耦合部件以及与耦合部件相连的2条内导带缝，还包括2条外导带缝；相邻的内导带缝与外导带缝组成1分2的耦合单元的一条支路，1分2的耦合单元包括2条支路，当前的1分2的耦合单元的耦合部件将沿上一级对应的1分2的耦合单元的一条支路传输的能量1分2后，分别沿当前的1分2的耦合单元的2条支路传输；所述1分2耦合部件为在共面波导中心导带处产生的第一缝隙；

将1分2的耦合单元2条外导带缝内直角拐角切除一部分，所切除三角形斜边的长度记为第一切角长度；

通过改变第一切角长度来弥补因改变一个1分2的耦合单元的2条支路的中心间距而导致的1分2功率分配网络的性能恶化。

2.根据权利要求1所述的一种基于耦合结构的接地共面波导功率分配/合成网络，其特征在于，通过优化1分2耦合部件长度、第一缝隙宽度以及第一切角长度，控制1分2的耦合单元插入损耗与工作频率。

3.根据权利要求2所述的一种基于耦合结构的接地共面波导功率分配/合成网络，其特征在于，所述2合1的耦合单元包括：2合1耦合部件以及与耦合部件相连的2条内导带缝，还包括2条外导带缝；相邻的内导带缝与外导带缝组成2合1的耦合单元的一条支路，2合1的耦合单元包括2条支路，当前的2合1的耦合单元的耦合部件将沿2条支路传输的能量2合1后沿下一级对应的2合1的耦合单元的一条支路传输；所述2合1耦合部件为在共面波导中心导带处产生的第二缝隙。

4.根据权利要求3所述的一种基于耦合结构的接地共面波导功率分配/合成网络，其特征在于，将2合1的耦合单元2条外导带缝内直角拐角切除一部分，所切除三角形斜边的长度记为第二切角长度。

5.根据权利要求4所述的一种基于耦合结构的接地共面波导功率分配/合成网络，其特征在于，通过优化2合1耦合部件长度、第二缝隙宽度以及第二切角长度，控制2合1的耦合单元插入损耗与工作频率。

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