CN113394527B - 单层夹片式波导限幅结构及波导限幅器 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种单层夹片式波导限幅结构。波导限幅结构为加载在介质基板上的金属层；金属层包括：谐振结构；谐振结构包括：两条两端金属条与中间加载PIN二极管的金属条；两条两端金属条与矩形波导长边内壁相连，中间加载PIN二极管的金属条与矩形波导长边内壁中央通过二极管相连；三条金属条连接在同一波导长边上，两条两端金属条相对于中间加载PIN二极管的金属条对称；三条金属条长边的方向均平行于波导的主模电场方向。采用本方法能够利于对现役设备进行改造。

Description

单层夹片式波导限幅结构及波导限幅器
技术领域
本申请涉及天线技术领域，特别是涉及一种单层夹片式波导限幅结构。
背景技术
屏蔽是最好的强电磁防护手段，它能将强电磁脉冲隔离在装设备工作环境之外，但采用屏蔽手段在隔离强电磁能量的同时也阻断了设备信号的收发，极大削弱了装设备作战效能，因此屏蔽手段难以应用至实际环境中的大部分装设备。“前门”(天线)和“后门”(线缆、孔缝)是强电磁能量耦合的重要通道。从“后门”进入的电磁能量少，且防护措施较为成熟。“前门”作为与外界信息交互的重要通道，必须暴露在电磁环境中，给强电磁能量提供了重要耦合路径，而波导作为一种射频前端能量传输主要通道，广泛应用于雷达、通信等装备。在波导内加装防护措施，防止强电磁能量进入接收支路，对于提升整个系统强电磁防护能力具有重要意义。
由于波导是传输电磁能量的重要通道，因此加载的防护措施不能影响正常工作信号传输，但同时又要能够防止高功率信号进入接收通路，该特性要求加装的防护措施能够根据波导内传输能量的强弱自动调节传输状态，即在小信号传输时，具有低插损；而在传输大信号时，具有较高的屏蔽效能。利用波导等效传输线原理，在波导内部加载金属结构等效于在传输线加载并联电容或电感，从而改变波导内部电磁波传输特性。当在金属结构上加载非线性器件二极管后，根据波导内电磁能量传输的强弱，控制二极管通断，进而控制整个结构的等效电容与电感效应，实现电磁能量传输与屏蔽。
目前已经有人提出了利用PIN二极管设计S波段波导限幅结构，但该结构需要改动波导结构，无法直接放置在波导内部，无法用于现役设备的升级改造。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提出了一种能够直接对现有波导进行改进的单层夹片式波导限幅结构。
一种单层夹片式波导限幅结构，
所述波导限幅结构为加载在介质基板上的金属层；
所述金属层包括：谐振结构；所述谐振结构包括：两条两端金属条与中间加载PIN二极管的金属条；
所述两条两端金属条与矩形波导长边内壁相连，所述中间加载PIN二极管的金属条与矩形波导长边内壁中央通过二极管相连；三条金属条连接在同一波导长边上，所述两条两端金属条相对于所述中间加载PIN二极管的金属条对称；三条金属条长边的方向均平行于波导的主模电场方向。
在其中一个实施例中，三条金属条呈平面结构且与波导横截面相平行。
在其中一个实施例中，所述PIN二极管的方向与波导的主模电场方向平行。
在其中一个实施例中，所述中间加载PIN二极管的金属条长度为23mm，宽度为20mm。
在其中一个实施例中，所述两条两端金属条的长度为42mm，宽度为2mm，并且与波导长边中点的距离为25mm。
在其中一个实施例中，波导连接处或者内部加载上述单层夹片式波导限幅结构。
上述单层夹片式波导限幅结构，整个限幅结构等效于电感与电容串并联谐振电路，两个金属条等效于两个相同的电容电感串联电路并联，中间二极管加载并联金属条结构同样等效于电容电感串联电路。当波导内传输信号幅度比较小时，二极管处于截止状态，等效于一个较大的电容与一个电阻串联，此时整个结构等效为两个相同的电感电容串联电路与另一个电感电容串联电路并联，波导内电磁波能够以较低损耗传输。当波导内传输电磁能量较大，二极管两端金属片感应出足够强的电压，使其导通，此时二极管等效为一个小电阻，中间金属条谐振频率向高频方向偏移，原波导通带变为阻带，电磁波被屏蔽。波导限幅结构采用单层夹片式设计，可以加载在波导连接处或者内部，不需要对波导结构进行改进就可以实现限幅功能。
附图说明
图1为一个实施例中单层夹片式波导限幅结构的结构图；
图2为一个实施例中金属层的结构图；
图3为一个实施例中传输和防护特性的示意图。
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，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种单层夹片式波导限幅结构，包括：波导限幅结构为加载在介质基板上的金属层。
金属层包括：谐振结构，如图2所示，谐振结构包括：两条对称的金属条和中间加载PIN二极管的金属条。
两条对称金属条与矩形波导的长边内壁相连，中间加载二极管的金属条与矩形波导的长边内壁中央通过二极管相连；两条两端的金属条与中间加载PIN 二极管的金属条连接在同一波导长边上，两条两端金属条相对于中间加载PIN 二极管的金属条对称；三条金属条的长边方向均平行于波导的主模电场方向。
上述单层夹片式波导限幅结构，整个限幅结构等效于电感与电容串并联谐振电路，两个金属条等效于两个相同的电容电感串联电路并联，中间加载PIN 二极管金属条结构同样等效于电容电感串联电路。当波导内传输信号幅度比较小时，二极管处于截止状态，等效于一个较大的电容与一个电阻串联，此时整个结构等效为两个相同的电感电容串联电路与另一个不同电感电容串联电路并联，波导内电磁波能够以较低损耗传输。当波导内传输电磁能量较大，二极管两端金属片感应出足够强的电压，使其导通，此时二极管等效为一个小电阻，中间金属条谐振频率向高频方向偏移，原波导通带变为阻带，电磁波被屏蔽。波导限幅结构采用单层夹片式设计，可以加载在波导连接处或者内部，不需要对波导结构进行改进就可以实现限幅功能。
在其中一个实施例中，三条金属条呈平面结构，且与矩形波导横截面共面。本实施例中，由于是在二维平面上进行金属结构的优化，实现单层夹片式，从而利于对现役设备的升级改造，无需改造现役设备中波导的结构，简单方便。
在其中一个实施例中，二极管为PIN二极管，PIN二极管的方向与波导的主模电场方向平行。PIN二极管可以选择不同的型号，具体可以根据设计参数进行选择，具体的，可以选用NXP二极管Bap5102(封装为SOD323)为加载器件。
在其中一个实施例中，波导限幅结构放置在波导的连接处或者波导内部。因此，无需对波导本身的结构进行改造。
在其中一个实施例中，中间加载PIN二极管的金属条长度为23mm，宽度为20mm。
在另一个实施例中，两条两端金属条的长度为42mm，宽度为2mm，并且与波导长边中点的距离为25mm。
另外，介质基板可以选择具有低损耗特性的Rogers RT4350B，厚度为 0.25mm，其介电常数为3.3。对加载于相邻两波导间的防护结构，需要在结构四周环绕金属带，确保与波导壁接触良好，金属带尺寸由具体加载形式决定，加载形式如法兰盘或直接放入波导腔。
为了应用于不同频段的波导限幅结构只需调整各金属条尺寸即可满足要求。
具体的，本发明以S波段波导(WR-340)限幅器为例，说明单层夹片式波导限幅器结构。中间加载PIN二极管金属条通过PIN二极管连接至波导壁，金属条宽度与长度根据插入损耗指标与限幅指标进行综合设计。对于示例S波段波导限幅结构，选用NXP二极管Bap5102(封装为SOD323)为加载器件，加载方向平行于主模电场方向。经过综合优化设计，得到中间金属条长度为 23mm，宽度为20mm；两端金属条中央离波导长边中部距离为25mm，长度为42mm，宽度为2mm，所有金属条方向均平行于主模电场方向；介质基板采用具有低损耗特性的Rogers RT4350B，厚度为0.25mm，其介电常数为3.3。对加载于相邻两波导间的防护结构，需要在结构四周环绕金属带，确保与波导壁接触良好，金属带尺寸由具体加载形式决定(如法兰盘或直接放入波导腔)。
为说明本发明的有效性，本发明利用商业微波仿真软件，设计出波导WR- 340单层限幅结构，其传输和防护特性如图3所示。从图3可以看出，当波导内传输低场强时，限幅结构在2.1GHz～3GHz宽频带范围内，插入损耗均小于 1dB；当波导内传输场强较大时，在2.1GHz～2.75GHz宽频带范围内，屏蔽效能大于10dB。在仿真过程中，小信号入射时，PIN二极管等效电路为电容与电阻相串联，所得到的传输系数小于1dB，说明限幅结构具有较好低损耗传输特性；大信号入射时，PIN二极管等效电路为一个小电阻，所得到的传输系数在防护频段范围内大于10dB，说明所设计结构具有较好的防护特性。
在一个实施例中，提供了一种波导限幅器，采用上述单层夹片式波导限幅结构。
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)

1.一种单层夹片式波导限幅结构，其特征在于，所述波导限幅结构为加载在介质基板上的金属层；
所述金属层包括：谐振结构；所述谐振结构包括：两条两端金属条与中间加载PIN二极管的金属条；
所述两条两端金属条与矩形波导长边内壁相连，所述中间加载PIN二极管的金属条与矩形波导长边内壁中央通过二极管相连；三条金属条连接在同一波导长边上，所述两条两端金属条相对于所述中间加载PIN二极管的金属条对称；三条金属条长边的方向均平行于波导的主模电场方向；三条金属条呈平面结构且与波导横截面相平行。
2.根据权利要求1所述的单层夹片式波导限幅结构，其特征在于，所述PIN二极管的方向与波导的主模电场方向平行。
3.根据权利要求1至2任一项所述的单层夹片式波导限幅结构，其特征在于，所述中间加载PIN二极管的金属条长度为23mm，宽度为20mm。
4.根据权利要求1至2任一项所述的单层夹片式波导限幅结构，其特征在于，所述两条两端金属条的长度为42mm，宽度为2mm，并且与波导长边中点的距离为25mm。
5.一种波导限幅器，其特征在于，波导连接处或者内部加载权利要求1至4任一项所述的单层夹片式波导限幅结构。
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