CN114530681A - 一种多层结构的太赫兹径向功率分配/合成网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多层结构的太赫兹径向功率分配/合成网络，属于太赫兹功率合成技术领域，包括依次连接的输入矩形波导、输入模式转换器、多层结构、输出模式转换器和输出矩形波导，多层结构包括M层，在第一、二层，第M‑1、M层之间设置径向功率分配/合成器和沿径向功率分配/合成器外侧等夹角排布的N个弯波导，第三层至第M‑2层为可拆除结构，之间设置N个用于实现功率放大或/和倍频的功能结构，各第一弯波导通过对应功能结构与对应第二弯波导连接。本发明可在不影响其他结构的情况下调试、更换功能芯片，在模块检修和工程应用方面有很大灵活性，降低装配难度，适合太赫兹频段的功率合成及模块封装。

Description

一种多层结构的太赫兹径向功率分配/合成网络

技术领域

本发明属于太赫兹功率合成技术领域，具体涉及一种多层结构的太赫兹径向功率分配/合成网络。

背景技术

太赫兹波的波长相比微波毫米波更短，且太赫兹电路尺寸更小。但当前的太赫兹系统，相比微波毫米波系统，其整体模块并不能做到与波长同等比例的体积缩放，其中一个原因是电路架构及模块组装问题，过多复杂冗余的波导法兰/连接器的使用额外增加了模块体积。

对于径向功率合成，目前的技术是单独制作模式转换器、径向功率分配/合成器以及N个功放模块，各模块的输入/输出端口均设置波导法兰/连接器，再将各模块进行精准对位及组装。由于模块数量与N呈正相关，导致模块数量众多，组装极其繁琐，且体积庞大、空间利用率低。上述适用于微波、毫米波频段的电路架构，不利于系统的高度集成及模块的小型化，难以应用到太赫兹频段。因此，开发一种电路简单、结构紧凑、便于组装的功率合成网络至关重要。

发明内容

本发明目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种多层结构的太赫兹径向功率分配/合成网络，采用多层排布的方式，简化装配难度，实现模块小型化，具有设计简单、制作方便、结构紧凑、检修灵活和低传输损耗的优点。

本发明所采用的技术方案如下：

一种多层结构的太赫兹径向功率分配/合成网络，其特征在于，包括依次连接的输入矩形波导、输入模式转换器、多层结构、输出模式转换器和输出矩形波导；

所述多层结构包括M层，各层通过贯穿的销钉进行连接；在第一、二层之间设置第一径向功率分配/合成器和沿第一径向功率分配/合成器外侧等夹角排布的N个第一弯波导，对称地，在第M-1、M层之间设置第二径向功率分配/合成器和N个第二弯波导；第三层至第M-2层为可拆除结构，之间设置N个功能结构，各第一弯波导通过对应功能结构与对应第二弯波导连接；所述功能结构用于实现功率放大或/和倍频。

进一步地，所述第一、二层之间设置的结构与第M-1、M层之间设置的结构镜像对称。

进一步地，所述功能结构包括功能芯片、输入过渡结构、输出过渡结构和多个弯波导；当功能芯片采用垂直过渡传输时，第一弯波导依次通过输入过渡结构、功能芯片、输出过渡结构和两个弯波导连接至对应第二弯波导；当功能芯片采用水平过渡传输时，第一弯波导依次通过一个弯波导、输入过渡结构、功能芯片、输出过渡结构和三个弯波导连接至对应第二弯波导。

进一步地，所述功能芯片为功放芯片、倍频芯片或功放芯片和倍频芯片的级联结构。

进一步地，各功能结构的功能芯片位于同一平面，便于安装。

进一步地，在输入模式转换器与多层结构的第一层之间，多层结构的第M层与输出模式转换器之间，多层结构的第二、三层之间，及多层结构的第M-2、M-1层之间，均设有扼流圈结构，以防止电磁泄露。

进一步地，所述输入模式转换器的转换模式包括圆极化TE₁₁模、圆波导TM₀₁模或圆波导TE₀₁模等，其输入端与输入矩形波导匹配，输出端为圆波导，其直径由转换模式决定。

进一步地，所述输出模式转换器的转换模式包括圆极化TE₁₁模、圆波导TM₀₁模或圆波导TE₀₁模等，其输入端为圆波导，其直径由转换模式决定，输出端与输出矩形波导匹配。

进一步地，所述太赫兹径向功率分配/合成网络的各结构均采用金属、陶瓷、硅等常用的电路封装材料，并在各结构表面进行金属化处理。

本发明所述多层结构易于拆分/组合，所述太赫兹径向功率分配/合成网络配合兼容性设计的外部测试模块，可进行多种不同组成结构(功能)的电路测试，例如：

当仅保留输入矩形波导、输入模式转换器和多层结构的第一、二层时，可作为径向功率分配器，配合外部测试模块实现所述太赫兹径向功率分配/合成网络的功分性能测试；

当拆除多层结构的第三层至第M-2层，并将第二层直接连接至第M-1层时，实现所述太赫兹径向功率分配/合成网络的背靠背无源测试；

当仅保留多层结构的第三层至第M-2层时，可作为功率放大回路、倍频回路或倍频放大回路，配合外部测试模块实现所述太赫兹径向功率分配/合成网络的功放性能或倍频性能；

因此本发明所述太赫兹径向功率分配/合成网络在模块检修和工程应用方面具有较大优势。

本发明的有益效果为：

本发明提出一种多层结构的太赫兹径向功率分配/合成网络，采用多层排布的方式，利用多个弯波导将所需功能芯片设置于中间层，可在不影响其他结构的情况下调试、更换所需功能芯片，在模块检修和工程应用方面有很大灵活性，同时缩小网络体积，简化装配步骤，降低装配难度，适合太赫兹频段的功率合成及模块封装；优选地，结合扼流圈结构，有效避免电磁泄露，从而提高传输效率。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的多层结构的太赫兹径向功率分配/合成网络的分层结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的多层结构的太赫兹径向功率分配/合成网络的功率分配示意图；

图3为本发明实施例1提供的多层结构的太赫兹径向功率分配/合成网络的三维结构示意图；

图4为本发明实施例1提供的多层结构的太赫兹径向功率分配/合成网络中第一层与第七层的结构示意图；

图5为本发明实施例1提供的多层结构的太赫兹径向功率分配/合成网络中第六层与第七层的结构示意图；

图6为本发明实施例2提供的多层结构的太赫兹径向功率分配/合成网络中第三层至第五层的结构示意图；

附图中各标记的说明如下：

11：第一层；12：第二层；13：第三层；14：第四层；15：第五层；16：第六层；17：第七层；18：输出模式转换器；19：输入模式转换器；0：第一径向功率分配/合成器；1～8依次为沿第一径向功率分配/合成器0外侧等夹角排布的8个第一弯波导；101：圆波导扼流圈结构；102：输入模式转换器19与第一层11之间的定位销钉孔；103：贯穿多层结构的螺纹孔；104：输入模式转换器19与第一层11相固定的螺纹孔；105：第二径向功率分配/合成器；106：第二弯波导；107：矩形波导扼流圈结构；108：矩形波导口；109：贯穿层第三层13至第五层15的螺纹孔；1010：多层结构间的定位销钉孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图与实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供了一种工作于中心频率为220GHz的多层结构的太赫兹径向功率分配/合成网络，分层结构和三维结构分别如图1和图3所示。所述太赫兹径向功率分配/合成网络包括依次连接的输入矩形波导、输入模式转换器19、多层结构、输出模式转换器18和输出矩形波导。

所述输入矩形波导和输出矩形波导的型号均为WR-4(1.092mm×0.546mm)，波导口处设置标准法兰盘接口；所述输入模式转换器19的输入端与输入矩形波导匹配，输出端为圆波导，半径为0.496mm，可传输圆波导TE11模式；所述输出模式转换器18的输入端为圆波导，与输入模式转换器19的输出端相同，输出端与输出矩形波导匹配。输入矩形波导与输入模式转换器19的整体尺寸，和输出模式转换器18与输出矩形波导的整体尺寸相同，均为20mm*20mm*25.7mm。

所述多层结构外形为方块形，包括七层，从输入至输出分别为第一层11、第二层12、第三层13、第四层14、第五层15、第六层16和第七层17，厚度分别为5mm、1.5mm、1mm、2mm、1mm、1.5mm和5mm，各层通过贯穿的销钉进行连接，贯穿的螺纹孔为103，并通过多层结构间的定位销钉孔1010对准。

所述多层结构中各层的结构如图4～6所示，在第一层11、第二层12之间设置第一径向功率分配/合成器0和沿第一径向功率分配/合成器0外侧等夹角排布的八个第一弯波导(依次编号为1～8)，第一径向功率分配/合成器0的功率分配如图2所示。与第一层11、第二层12之间设置的第一径向功率分配/合成器0和八个第一弯波导1～8镜像对称地，在第六层16、第七层17之间设置第二径向功率分配/合成器105和八个第二弯波导106。第三层13至第五层15为可拆除结构，通过贯穿层第三层13至第五层15的螺纹孔109单独固定，便于芯片装配及固定；第三层13至第五层15之间设置八个功能结构，各第一弯波导通过对应功能结构与对应第二弯波导106连接，即图1中的第1路～第8路。

所述功能结构用于实现功率放大或/和倍频，包括依次连接的第一垂直矩形波导、输入过渡结构、功能芯片、输出过渡结构、第二垂直矩形波导、第三弯波导、水平矩形波导、第四弯波导和第三垂直矩形波导；其中，功能芯片为功放芯片、倍频芯片或功放芯片和倍频芯片的级联结构，位于第三层13、第四层14之间(即第三层13、第四层14分别为功能芯片的上、下腔体)；各功能结构的功能芯片位于同一平面，便于安装；输入过渡结构和输出过渡结构分别位于功能芯片两端(同样位于第三层13、第四层14之间)，分别用于与第一垂直矩形波导和第二垂直矩形波导过渡；第一垂直矩形波导的另一端连接至第一弯波导，第一垂直矩形波导在第三层13上的矩形波导口为108，并在第二层12、第三层13之间设有矩形波导扼流圈结构，第三垂直矩形波导的另一端连接至第二弯波导106，并在第五层15、第六层16之间设有矩形波导扼流圈结构107；第三弯波导、水平矩形波导和第四弯波导均位于第四层14、第五层15之间，第四弯波导与第一弯波导、第二弯波导106的中心轴位于同一直线上。

所述输入模式转换器19通过定位销钉孔102与多层结构的第一层11精准对位，销钉直径为1.54mm，通过M1.6型号的螺纹孔104固定，并在输入模式转换器19与第一层11之间设置圆形波导扼流圈结构，深度为0.25mm，可有效抑制缝隙导致的电磁泄露。所述输出模式转换器18和第七层17之间的连接结构设计，与输入模式转换器19和第一层11的连接设计相同。

进一步地，所述太赫兹径向功率分配/合成网络的各结构均采用金属、陶瓷、硅等常用的电路封装材料，并在各结构表面进行金属化处理。

本实施例所述多层结构易于拆分/组合，所述太赫兹径向功率分配/合成网络配合兼容性设计的外部测试模块，可进行多种不同组成结构(功能)的电路测试，例如：

当仅保留输入矩形波导、输入模式转换器19和多层结构的第一层11、第二层12时，可作为径向功率分配器，配合外部测试模块实现所述太赫兹径向功率分配/合成网络的功分性能测试；

当拆除多层结构的第三层13至第五层15，并将第二层12直接连接至第六层16时，实现所述太赫兹径向功率分配/合成网络的背靠背无源测试；

当仅保留多层结构的第三层13至第五层15时，可作为功率放大、倍频回路或倍频放大回路，配合外部测试模块实现所述太赫兹径向功率分配/合成网络的功放性能或倍频性能；

因此本发明实施例1所述太赫兹径向功率分配/合成网络在模块检修和工程应用方面具有较大优势。

综上所述，本发明实施例1展示的多层结构的太赫兹径向功率分配/合成网络，解决了当前径向功率合成网络设计复杂，模块体积庞大、装配繁琐，难以实现太赫兹系统小型化的问题，具有设计简单、制作方便、易于调试、结构紧凑和低传输损耗的优点。

上述实施例仅作为本发明提出的太赫兹径向功率分配/合成网络的一个示例，其内部电路结构并非用于限制本发明,仅为帮助理解本发明原理，本发明保护范围亦不限于上述的配置和实施例，本领域技术人员可以根据公开技术做出不脱离本发明实质的其他各种具体变形与组合，但仍在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种多层结构的太赫兹径向功率分配/合成网络，其特征在于，包括依次连接的输入矩形波导、输入模式转换器、多层结构、输出模式转换器和输出矩形波导；

所述多层结构包括M层，各层通过贯穿的销钉进行连接；在第一、二层之间设置第一径向功率分配/合成器和沿第一径向功率分配/合成器外侧等夹角排布的N个第一弯波导，对称地，在第M-1、M层之间设置第二径向功率分配/合成器和N个第二弯波导；第三层至第M-2层为可拆除结构，之间设置N个功能结构，各第一弯波导通过对应功能结构与对应第二弯波导连接；所述功能结构用于实现功率放大或/和倍频。

2.根据权利要求1所述多层结构的太赫兹径向功率分配/合成网络，其特征在于，所述功能结构包括功能芯片、输入过渡结构、输出过渡结构和多个弯波导；当功能芯片采用垂直过渡传输时，第一弯波导依次通过输入过渡结构、功能芯片、输出过渡结构和两个弯波导连接至对应第二弯波导；当功能芯片采用水平过渡传输时，第一弯波导依次通过一个弯波导、输入过渡结构、功能芯片、输出过渡结构和三个弯波导连接至对应第二弯波导。

3.根据权利要求1所述多层结构的太赫兹径向功率分配/合成网络，其特征在于，所述功能芯片为功放芯片、倍频芯片或功放芯片和倍频芯片的级联结构。

4.根据权利要求1所述多层结构的太赫兹径向功率分配/合成网络，其特征在于，在输入模式转换器与多层结构的第一层之间，多层结构的第M层与输出模式转换器之间，多层结构的第二、三层之间，及多层结构的第M-2、M-1层之间，均设有扼流圈结构。

5.根据权利要求1所述多层结构的太赫兹径向功率分配/合成网络，其特征在于，各功能结构的功能芯片位于同一平面。

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