CN111584982B - 波导限幅器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种波导限幅器。所述波导限幅器包括：第一金属贴片层、金属网格层以及第二金属贴片层组成的三层结构，第一金属贴片层、第二金属贴片层与金属网格层之间均采用泡沫塑料作为支撑基板，PIN二极管加载在第一金属贴片层和第二金属贴片层上。采用本波导限幅器能够直接将限幅结构放入波导中使用，无需改动波导结构。

Description

波导限幅器

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种波导限幅器。

背景技术

强电磁脉冲通过“前门”（天线）和“后门”（线缆、孔缝）两种途径进入现代电子设备内部，在其内部产生高电压和大电流，对现代电子设备和系统的正常运行产生了巨大威胁。现代电子设备设计时均考虑到电磁干扰问题，通常外层包裹着屏蔽效能较好的金属外壳，因此从后门进入电磁能量较小。天线作为电子设备与外界进行信息交互的主要部件，必须暴露在电磁环境中，为强电磁能量（特别是频率落于工作带宽内的能量）耦合提供了重要路径，其耦合能量远高于其余途径。因此，射频前端是强电磁防护的重点对象。波导作为传输微波主要部件，具有损耗小、功率容量大等优点，在雷达、通信等装备具有广泛的应用，也是电磁能量传输的重要通道。

现有波导限幅结构通过在波导插入金属介质，并使用PIN二极管将金属介质与波导相连，利用PIN二极管的强场导通特性，实现限幅功能。但采用这种方式实现限幅结构需要在波导设计之初就需对整个结构综合设计，无法通过加载的方式使已有波导结构具备限幅功能。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够解决波导限幅结构需要对波导综合设计问题的波导限幅器。

一种波导限幅器，所述方法包括：

第一金属贴片层、金属网格层以及第二金属贴片层组成的三层结构；

所述第一金属贴片层、所述第二金属贴片层与所述金属网格层之间均采用泡沫塑料作为支撑基板；

PIN二极管加载在所述第一金属贴片层和所述第二金属贴片层上。

在其中一个实施例中，所述泡沫塑料包括：PMI泡沫；所述PMI泡沫的介电常数为1.07-1.15。

在其中一个实施例中，所述第一金属贴片层和所述第二金属贴片层的结构相同；所述第一金属贴片层包括：金属结构、基板以及方形金属贴片；所述方形金属贴片布置在所述基板上，所述基板设置在所述金属结构上。

在其中一个实施例中，所述方形金属贴片按照预设的密度布置在所述基板上；所述基板两侧布置方形金属贴片的密度小于中间布置方形金属贴片的密度。

在其中一个实施例中，所述金属网格层包括：金属结构、基板以及金属网格；所述金属网格设置在所述基板上，所述基板设置在所述金属结构上。

在其中一个实施例中，所述金属网格为十字形网格加载部分金属结构。

在其中一个实施例中，PIN二极管加载在所述第一金属贴片层和所述第二金属贴片层所在平面与边垂直的方向上。

上述波导限幅器，通过金属贴片层与金属网格阵列层依次排列组成的三层谐振结构，并在金属贴片层上加载PIN二极管，利用PIN二极管的强场导通特性、弱场不导通特性，使本发明所设计限幅结构实现限幅功能，另一方面，在设计之初就考虑到PIN二极管的电阻特性，通过三层并联谐振结构，减小流过PIN二极管电流，进一步降低限幅结构小信号条件下插入损耗。由于整个限幅结构为三明治式平面结构，可直接将其加载到已有波导内部，无需改动波导结构，即可实现限幅功能。

附图说明

图1为一个实施例中波导限幅器的结构示意图；

图2为一个实施例中防护结构低场强信号入射时传输性能曲线；

图3为一个实施例中防护结构强场辐射时屏蔽效能曲线；

图4为一个实施例中第一金属贴片层的结构示意图；

图5为一个实施例中金属网格层的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

如图1所示，本实施例提供了一种波导限幅器，包括：第一金属贴片层102、金属网格层104以及第二金属贴片106层组成的三层结构，第一金属贴片102、第二金属贴片层106与金属网格层104之间均采用泡沫塑料作为支撑基板108，PIN二极管110加载在第一金属贴片层102和第二金属贴片层106上。图示中，第二金属贴片层106的结构与第一金属贴片层102结构类似，因此，仅具体给出第一金属贴片层102的结构。

波导宽带限幅器工作原理为：当波导内传输的电磁波强度较小时，PIN二极管处于截止状态，限幅结构可等效为电容——电感——电容并联的二阶带通滤波结构，电容与电感相互之间连接的导线阻抗主要由泡沫塑料决定。此时，电容与电感相互耦合，传输极点数增加，经过调节结构参数后，可使极点分布紧密，增加工作带宽。另一方面，泡沫塑料越厚，谐振频率越往下偏移，使得单元小型化程度增加。从电路角度来看，电容——电感——电容并联电路在谐振时，等效阻抗为无穷大，因此，信号能够以低衰耗通过限幅结构。当波导内传输电磁波强度较大时，在第一金属贴片层102和第二金属贴片层106中相邻金属贴片之间感应出足够大的电压，使得PIN二极管导通，此时PIN二极管可等效为一个小电阻，金属贴片层等效电容随之降低。从滤波角度来看，此时谐振频率发生偏移，限幅结构原通带关闭，且PIN二极管导通后电容大大降低，限幅结构通带上移距离较远，原通带处屏蔽效能较高。

采用微波仿真软件CST设计出波导限幅器，波导限幅器具体参数如表1所示，其传输特征曲线和防护特征曲线如图2和图3所示。

表1波导限幅器仿真时的结构参数（mm）

从图2可以看出，限幅结构在波导内传输低场强时，在4.6GHz~5.6GHz宽频带范围内，插入损耗均小于1.5dB。在仿真过程中，PIN二极管等效电路为电容与电阻相串联，所得到的传输系数仍然小于1.5，说明限幅结构具有较好低损耗传输特性。

从图3可以看出，当波导内传输强电磁能量时，限幅结构通带关闭，在原通带频率范围内，屏蔽效能达到10dB以上，有效防止高功率信号穿过限幅结构，破坏内部电路。

在其中一个实施例中，泡沫塑料包括：PMI泡沫，PMI泡沫的介电常数为1.07-1.15。PMI泡沫全称为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫，是一种新型高分子结构泡沫材料，具有轻质、高强、耐高/低温等特点。本实施例中，利用PMI泡沫低介电常数、低损耗特性，置于金属层之间，起支撑与阻抗变换作用。

在其中一个实施例中，第一金属贴片层和第二金属贴片层的结构相同，第一金属贴片层包括：金属结构、基板以及方形金属贴片，方形金属贴片布置在基板上，基板设置在所述金属结构上。

具体的，第一金属贴片层的结构如图4所示，金属贴片基板材料选用RogersRT4350B。

另外，方形金属贴片按照预设的密度布置在所述基板上，基板两侧布置方形金属贴片的密度小于中间布置方形金属贴片的密度。

在又一个实施例中PIN二极管加载在第一金属贴片层和第二金属贴片层所在平面与边垂直的方向上。具体参照图4。

在具体波导限幅器设计时，需要考虑到波导的尺寸，如图4中在中间三列单元的尺寸和金属贴片的尺寸根据具体波导尺寸确定，例如：C波段波导可以是4mm到6mm，金属贴片之间的距离为0.6mm，距离与PIN二极管尺寸对应，在波导两侧的单元尺寸同样与波导尺寸相关，金属贴片之间的距离为0.6mm。由于在波导内，主模电场方向主要是垂直方向，因此PIN二极管仅加在垂直方向上。金属贴片基板材料选用Rogers RT4350B，厚度为0.25mm-0.5mm，其介电常数为3.3，选择的PIN二极管型号为SKYWORKS的SMPA1345-040LF。

在其中一个实施例中，金属网格层包括：金属结构、基板以及金属网格，金属网格设置在基板上，基板设置在金属结构上。

在一个具体实施例中，金属网格为十字形网格加载部分金属结构。

如图5所示，金属网格阵列单元为十字形金属结构加载部分金属，中间部分单元尺寸与两端部分单元尺寸与贴片层相同，金属网格线宽度根据传输效果进行优化。

在上一个实施例尺寸设计中，在每个单元中，十字形金属结构置于基板的中央；金属网格基板材料仍然选用Rogers RT4350B，厚度为0.25mm-0.5mm。

具体的，由金属贴片和金属网格阵列组成的结构单元数量尽量多，但整体尺寸要比波导内尺寸要小。金属贴片和金属网格阵列结构四周由金属带环绕，金属带尺寸由具体加载形式决定，例如：法兰盘或直接放入波导腔。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种波导限幅器，包括：

第一金属贴片层、金属网格层以及第二金属贴片层组成的三层结构；

所述第一金属贴片层、所述第二金属贴片层与所述金属网格层之间均采用泡沫塑料作为支撑基板；

PIN二极管加载在所述第一金属贴片层和所述第二金属贴片层上；

所述第一金属贴片层和所述第二金属贴片层的结构相同；

所述第一金属贴片层包括：金属结构、基板以及方形金属贴片；

所述方形金属贴片布置在所述基板上，所述金属结构为金属带；所述方形金属贴片四周由金属带环绕；

所述方形金属贴片按照预设的密度布置在所述基板上；

所述基板两侧布置方形金属贴片的密度小于中间布置方形金属贴片的密度。

2.根据权利要求1所述的波导限幅器，其特征在于，所述泡沫塑料包括：PMI泡沫；所述PMI泡沫的介电常数为1.07~1.15。

3.根据权利要求1所述的波导限幅器，其特征在于，所述金属网格层包括：金属结构、基板以及金属网格；

所述金属网格设置在所述基板上，所述金属结构为金属带，所述金属网格四周由金属带环绕。

4.根据权利要求3所述的波导限幅器，其特征在于，所述金属网格为十字形网格加载部分金属结构。

5.根据权利要求1所述的波导限幅器，其特征在于，PIN二极管加载在所述第一金属贴片层和所述第二金属贴片层所在平面与边垂直的方向上。

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