CN112151928A - 一种毫米波功率分配器及其制作工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种毫米波功率分配器，该毫米波功率分配器由第一层至第八层的八层金属板堆叠形成，每层金属板上均设置圆形通孔阵列和矩形通孔，圆形通孔阵列围绕矩形通孔排布，圆形通孔按周期1.86mm等间距排布，圆形通孔直径为1mm，且相邻两层的圆形通孔阵列相互错开半个毫米波周期0.93mm，其中第二层金属板和第三层金属板的两个矩形通孔堆叠形成波导腔体，本发明还揭示了一种毫米波功率分配器的制作工艺。采用本发明的毫米波功率分配器，易加工，成本低，且由于电磁带隙结构的阻带特性，该功率分配器对装配误差不敏感，有效防止电磁波泄露，减小传输损耗。
Description
技术领域
本发明属于毫米波无线通信技术领域，具体涉及一种基于电磁带隙结构的毫米波功率分配器。
背景技术
随着卫星通信和网络技术的发展以及通信系统的更迭，高增益宽带的射频器件需求量日渐增多，现在大力发展的毫米波频段通信系统，随着工作频段升高，展宽工作带宽的同时，传输损耗也显著上升，传统的基于介质板的功率分配器等射频器件由于介质损耗过高不再适用，因此提出了纯金属材料波导结构的功率分配器，然而高频率波段对应的金属波导难以进行加工制造，或者因为加工精度不足，装配误差导致电磁波泄露或者反射，进而导致传输损耗急剧上升。
近年来，业界提出通过逐层加工，层与层之间焊接的方式来减小泄露，但是由于焊接面的不平整，导致表面粗糙度过高，从而影响波导结构之间的电连接，导致电磁场大量漏波和反射，也无法实现理想的性能；另外日本有人提出了真空焊接的方式来提高焊接的平整度，但是这种技术成本过于昂贵且国内加工工艺尚难以实现该技术，大规模生产应用仍存在差距。
综上所述，有必要开发一种纯金属、易加工、有效防止电磁波泄露和反射的毫米波频段的功率分配器。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于电磁带隙结构的毫米波功率分配器，由多层金属板堆叠构成，易加工且有效防止电磁波泄露，实现本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种毫米波功率分配器，所述毫米波功率分配器由第一层至第八层的八层金属板堆叠形成，所述金属板上设置圆形通孔阵列和矩形通孔，所述圆形通孔按周期1.86mm等间距排布，圆形通孔直径为1mm，且相邻两层的圆形通孔阵列相互错开半个毫米波周期0.93mm。
进一步的，所述第一层金属板上设置圆形通孔阵列和一个矩形通孔；第二层金属板和第三层金属板上均设置圆形通孔阵列和一个矩形通孔，所述第二层金属板和第三层金属板的两个矩形通孔堆叠形成波导腔体；第四层金属板上设置圆形通孔阵列和用于电磁波耦合的矩形通孔；第五层金属板和第六层金属板上均设置圆形通孔阵列和一个矩形通孔；第七层金属板上设置圆形通孔阵列和两个矩形通孔；第八层金属板上设置圆形通孔阵列和两个矩形通孔。
进一步的，所述圆形通孔阵列围绕矩形通孔排布。
进一步的，所述第一层金属板和第八层金属板的矩形通孔的长度均为2.032mm，宽度为1.016mm。
进一步的，所述毫米波功率分配器的工作频段为95-204GHz的W波段。
进一步的，所述金属板的材料为铁、铝或铜的任一种。
进一步的，所述第一层至第八层的金属板的厚度均为0.5mm。
第二方面，本发明提供一种毫米波功率风分配器的制作工艺，包括以下步骤：
根据所需要的工作频段选择对应的标准波导口尺寸长宽，以及第一层金属板、第八层金属板上矩形通孔的长宽；
根据所需要的毫米波功率分配器工作频段设计电磁带隙结构；
调整功率分配器第二层和第三层的矩形通孔长度，实现输入阻抗匹配；
调整毫米波功率分配器第四层金属板的矩形通孔的宽度，实现从第二层金属板、第三层金属板构成的波导腔向第五层金属板、第六层金属板及第七层金属板构成的波导腔的功率耦合；
将第一层至第八层的金属板按顺序依次堆叠组装，其中第一层金属板与输入波导端口连接，第八层金属板与两个输出波导端口连接。
进一步的，所述毫米波功率分配器的回波损耗带宽为10.3GHz。
进一步的，所述毫米波功率分配器的工作频带内反射系数S11均大于10dB，工作频带内平均传输系数S21与S31均为3.1dB。
采用本发明的毫米波功率分配器，易加工，成本低，且由于电磁带隙结构的阻带特性，该功率分配器对装配误差不敏感，有效防止电磁波泄露，减小传输损耗。
附图说明
图1：本发明的毫米波功率分配器组装结构图。
图2A-图2H：本发明的毫米波功率分配器第1到8层的俯视图。
图3：本发明电磁带隙结构的色散曲线图。
图4：本发明的毫米波功率分配器的反射系数和传输系数曲线图。图5：本发明的功率分配器组装工艺流程。
具体实施方式
下面将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出，虽然将结合优选实施例描述本发明，但是本领域技术人员应该理解，这些实施例并不是将本发明限制于这些实施例，相反，本发明旨在覆盖可包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的替代、修改和等同物。此外，在本发明的以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解，然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。
请参考图1为本发明的毫米波功率分配器组装结构图，本发明的基于毫米波功率分配器由多层金属板堆叠构成，易于加工且能有效防止电磁波泄露，8层金属板上的圆形金属通孔相互交错堆叠形成周期性电磁带隙结构，所述电磁带隙结构可产生95-204GHz的W波段工作阻带。
图2A-图2H为本发明的毫米波功率分配器第一层至第八层的俯视图，该毫米波功率分配器由八层结构不同的金属板组成，所述金属板上设置有圆形通孔阵列和矩形通孔，所述圆形通孔按周期1.86mm等间距排布，圆形通孔直径为1mm，且相邻两层的圆形通孔阵列相互错开半个毫米波周期0.93mm，层与层之间的圆形通孔堆叠形成能够在工作频段起到抑制电磁波泄露的电磁带隙结构。
所述八层金属板，编号为1-8，第一层金属板上设置圆形通孔阵列和长度为2.032mm，宽度为1.016mm的矩形通孔，即对应国家标准BJ1200标准波导口，圆形通孔阵列围绕矩形通孔排布；第二层和第三层金属板上均设置圆形通孔阵列和一个长矩形通孔，两个矩形通孔堆叠形成波导腔体，圆形通孔阵列围绕矩形通孔排布；第四层金属板上设置圆形通孔阵列和用于电磁波耦合的矩形通孔，圆形通孔阵列围绕矩形通孔排布；第五层和第六层金属板上均设置圆形通孔阵列和一个长矩形通孔，圆形通孔阵列围绕矩形通孔排布；第七层上设置圆形通孔阵列和两个矩形通孔，圆形通孔阵列围绕矩形通孔排布；第八层金属板上设置圆形通孔阵列和两个长度为2.032mm，宽度为1.016mm的矩形通孔，即对应国家标准BJ1200标准波导口，圆形通孔阵列围绕矩形通孔排布；第一次至第八层金属板堆叠构成一分二的等比例功率分配器，即分配损耗为3dB，由第1层标准波导口馈电输入，由第8层两个标准波导口输出。
本领域技术人员可以理解的是，上述实施例中的国家标准BJ1200标准波导口对应的矩形通孔的尺寸可以根据实际需要进行调整，而不仅局限于上述实施例。
优选的，金属板的材料是常见的金属材料，例如铁、银等材料，优选为铝或铜。
优选的，每层金属板的厚度为0.5mm。
请参考图3为本发明电磁带隙结构的色散曲线图，在95-204GHz的频率范围内的电磁波无法通过每层金属板之间的微小缝隙传播，而只能在矩形通孔内沿着波导腔的正常传播并进行功率分配；且每层金属板之间不需要通过焊接等进一步的工艺加工进行电连接接触，因此起到了非接触式易组装加工的抑制电磁波泄露的作用，金属板内的矩形通孔堆叠构成了波导腔，形成电磁波传播通道，进而构成一分二的等比例毫米波功率分配器。
请参考图4本发明的毫米波功率分配器的反射系数和传输系数曲线图，S31近端串扰反射系数、S41远端串扰反射系数和传输系数的波形表现良好，达到设计要求。
请参考图5本发明的功率分配器制作工艺流程，具体包括以下步骤：
步骤101：首先根据所需要的毫米波工作频段选择对应的标准波导口尺寸长宽，以及第一层、第八层金属板上矩形通孔的长宽。
步骤102：根据所需要的功率分配器工作频段，设计电磁带隙结构，电磁带隙结构的尺寸主要由圆形通孔的直径决定，其直径大小影响色散曲线中出现的工作模式的谐振频率，同一层相邻两个圆孔的距离即排列周期将影响他们之间的电场耦合情况，从而影响阻带宽度。
步骤103：通过调整功率分配器第二层和第三层的矩形通孔长度，实现输入阻抗匹配。
步骤104：调整毫米波功率分配器第四层金属板的矩形通孔的宽度，实现从第二层金属板、第三层金属板构成的波导腔向第五层金属板、第六层金属板及第七层金属板构成的波导腔的功率耦合；
步骤105：将第一层至第八层的金属板按顺序依次堆叠组装，其中第一层金属板与输入波导端口连接，第八层金属板与两个输出波导端口连接。
本发明的毫米波功率分配器性能如下：
（1）电磁带隙结构产生的阻带范围为95GHz~204GHz，在该范围内电磁波没有对应的工作模式，即该工作频段内电磁波无法在电磁带隙结构内传播，如图3所示。
（2）毫米波功率分配器的回波损耗带宽为10.3GHz（84.5GHz到94.8GHz），工作频带内反射系数即S11均大于10dB，工作频带内平均传输系数即S21与S31均为3.1dB，如图4所示。
采用本发明的毫米波功率分配器，易加工，成本低，且由于电磁带隙结构的阻带特性，该功率分配器对装配误差不敏感，有效防止电磁波泄露，减小传输损耗。
Claims (10)
1.一种毫米波功率分配器，其特征在于，所述毫米波功率分配器由第一层至第八层的八层金属板堆叠形成，所述金属板上设置圆形通孔阵列和矩形通孔，所述圆形通孔按周期1.86mm等间距排布，圆形通孔直径为1mm，且相邻两层的圆形通孔阵列相互错开半个毫米波周期0.93mm。
2.如权利要求1所述的毫米波功率分配器，其特征在于，所述第一层金属板上设置圆形通孔阵列和一个矩形通孔；第二层金属板和第三层金属板上均设置圆形通孔阵列和一个矩形通孔，所述第二层金属板和第三层金属板的两个矩形通孔堆叠形成波导腔体；第四层金属板上设置圆形通孔阵列和用于电磁波耦合的矩形通孔；第五层金属板和第六层金属板上均设置圆形通孔阵列和一个矩形通孔；第七层金属板上设置圆形通孔阵列和两个矩形通孔；第八层金属板上设置圆形通孔阵列和两个矩形通孔。
3.如权利要求1所述的毫米波功率分配器，其特征在于，所述圆形通孔阵列围绕矩形通孔排布。
4.如权利要求1所述的毫米波功率分配器，所述第一层金属板和第八层金属板的矩形通孔的长度均为2.032mm，宽度为1.016mm。
5.如权利要求1所述的毫米波功率分配器，其特征在于，所述毫米波功率分配器的工作频段为95-204GHz的W波段。
6.如权利要求1所述的毫米波功率分配器，其特征在于，所述金属板的材料为铁、铝或铜的任一种。
7.如权利要求1所述的毫米波功率分配器，其特征在于，所述第一层至第八层的金属板的厚度均为0.5mm。
8.一种毫米波功率风分配器的制作工艺，其特征在于，包括以下步骤：
根据所需要的工作频段选择对应的标准波导口尺寸长宽，以及第一层金属板、第八层金属板上矩形通孔的长宽；
根据所需要的毫米波功率分配器工作频段设计电磁带隙结构；
调整功率分配器第二层和第三层的矩形通孔长度，实现输入阻抗匹配；
调整毫米波功率分配器第四层金属板的矩形通孔的宽度，实现从第二层金属板、第三层金属板构成的波导腔向第五层金属板、第六层金属板及第七层金属板构成的波导腔的功率耦合；
将第一层至第八层的金属板按顺序依次堆叠组装，其中第一层金属板与输入波导端口连接，第八层金属板与两个输出波导端口连接。
9.如权利要求8所述的毫米波功率分配器，其特征在于，所述毫米波功率分配器的回波损耗带宽为10.3GHz。
10.如权利要求8所述的毫米波功率分配器，其特征在于，所述毫米波功率分配器的工作频带内反射系数S11均大于10dB，工作频带内平均传输系数S21与S31均为3.1dB。
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