CN114784474B - 一种基于扼流环的可拆卸小型化发射前端 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于扼流环的可拆卸小型化发射前端，属于毫米波及太赫兹收发前端技术领域，包括发射前端腔体，以及位于发射前端腔体内部依次连接的输入接头、基于玻珠供电的小型化前级驱动腔和可拆卸功能模块，小型化前级驱动腔通过波导输出，并在波导末端设置扼流环，可拆卸功能模块的输入波导前端和输出波导末端均设置扼流环。本发明可实现发射前端小型化，降低互连损耗，并根据需求使用不同的可拆卸功能模块，应用于集成太赫兹系统中便于替换已损坏或性能较差器件，具有很好的应用价值。

Description

一种基于扼流环的可拆卸小型化发射前端
技术领域
本发明属于毫米波及太赫兹收发前端技术领域，具体涉及一种基于扼流环的可拆卸小型化发射前端。
背景技术
无线通信正面临有限频谱资源和迅速增长的高速业务需求的矛盾，而太赫兹波在电磁波频谱中占有很特殊的位置，具有丰富的频谱资源。太赫兹无线通信具有上百Gbps(Gigabits per second，千兆比特每秒)以上数据传输能力，适中的波束宽度，有效穿透等离子体壳层等优点，除了能满足地面短距离大容量通信需求外，还能用于空间通信等方面，发展太赫兹无线通信技术具有重要的实际应用价值和广阔的应用前景。
目前，已有在研的太赫兹固态电子学通信系统仍面临着体积较大，电路排布繁琐，难以集成化小型化等诸多技术难题，这主要是由于太赫兹固态电路普遍采用波导结构传输电磁波，存在结构灵活性较差，弯曲、扭转结构加工复杂等缺点。为了克服这些技术难题，满足未来太赫兹高速通信系统的应用需求，多电路集成化、小型化甚至芯片化已成为现阶段太赫兹固态电路的发展趋势。
总的来说，传统的太赫兹固态发射前端体积较大，同时需要大量的直波导实现不同功能器件的互连，既增加了损耗，又提高了设计成本。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于扼流环的可拆卸小型化发射前端，在减小发射前端体积和互连损耗的同时，便于功能模块更换，具有优异的应用价值。
本发明所采用的技术方案如下：
一种基于扼流环的可拆卸小型化发射前端，其特征在于，包括发射前端腔体，以及位于发射前端腔体内部依次连接的输入接头、基于玻珠供电的小型化前级驱动腔和可拆卸功能模块；所述基于玻珠供电的小型化前级驱动腔通过波导输出，并在波导末端设置扼流环；所述可拆卸功能模块的输入波导前端和输出波导末端均设置扼流环。
进一步地，所述扼流环为具有倒角结构的矩形环凹槽。
进一步地，所述基于玻珠供电的小型化前级驱动腔与可拆卸功能模块之间存在不超过40μm的缝隙，便于更换可拆卸功能模块。
进一步地，所述可拆卸功能模块的外部形状固定，便于适配法兰结构和更换同样外部形状的器件。
进一步地，所述基于玻珠供电的小型化前级驱动腔包括相连的驱动腔和波导-微带过渡结构；所述驱动腔与输入接头连接，并采用玻珠为驱动腔内放置的器件供电。
进一步地，所述波导-微带过渡结构基于楔形波导膜片实现，包括依次连接的输入微带结构、E面探针、加宽波导和输出波导；所述输入微带结构与驱动腔连接，输出波导与可拆卸功能模块连接；所述加宽波导设置有楔形波导膜片，使加宽波导呈U型弯结构，将E面探针的电场方向转换至与输出波导相垂直。
进一步地，输入微带结构与输出波导的中心线位于同一直线上，便于互连。
进一步地，所述输入接头为K接头。
本发明的有益效果为：
本发明提出一种基于扼流环的可拆卸小型化发射前端，将前级驱动腔和功能模块设置于同一个发射前端腔体中，并通过扼流环连接，这种互连方式有助于实现发射前端小型化和降低互连损耗；功能模块可拆卸，应用于集成太赫兹系统中便于替换已损坏或性能较差器件，并且根据需求使用不同的末级功能模块，如变频器件，可作为不同频段的太赫兹源，在毫米波/太赫兹收发前端的小型化设计中具有很好的应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例1提出的基于扼流环的可拆卸小型化发射前端的分层立体结构示意图；其中，(a)为正置结构；(b)为倒置结构；
图2为本发明实施例1提供的基于扼流环的可拆卸小型化发射前端的剖面图；
图3为本发明实施例1提供的基于扼流环的可拆卸小型化发射前端与传统级联式发射前端的实物尺寸对比图；
图4为本发明实施例1提供的基于扼流环的可拆卸小型化发射前端中波导-微带过渡结构和扼流环的剖面立体示意图；
图5为本发明实施例1中波导-微带过渡结构的立体示意图；
图6为本发明实施例1中波导-微带过渡结构的回波损耗仿真结果图；
图7为本发明实施例1中波导-微带过渡结构的插入损耗仿真结果图；
图8为本发明实施例1中扼流环的模型图；
图9为本发明实施例1中扼流环的电场传输分布图；
图10为本发明实施例1中扼流环的回波损耗仿真结果图；
图11为本发明实施例1中扼流环的插入损耗仿真结果图；
图12为本发明实施例1提供的基于扼流环的可拆卸小型化发射前端的测试结果图；
附图中各标记的说明如下：
1：输入接头；2：驱动腔；3：直流盖板；4：直流玻珠供电孔；5：波导-微带过渡结构；6：第一扼流环；7：发射前端下腔体；8：矩形连接器凹槽；9：可拆卸变频模块下腔体；10：可拆卸变频模块上腔体；11：直流腔；12：天窗盖板；13：发射前端上腔体；14：基片放置凹槽；15：输入微带结构；16：E面探针；17：加宽波导；18：输出波导；19：楔形波导膜片。
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基于扼流环的可拆卸小型化发射前端，其分层立体结构示意图如图1所示，剖面图如图2所示，包括发射前端腔体，以及位于发射前端腔体内部依次连接的输入接头1、基于玻珠供电的小型化前级驱动腔和可拆卸功能模块。
所述发射前端腔体包括相盖合的发射前端上腔体13和发射前端下腔体7；其中，发射前端上腔体13对应于基于玻珠供电的小型化前级驱动腔的区域为镂空，天窗盖板12设置于发射前端上腔体13上方，以盖住镂空区域；发射前端下腔体7的下方设有凹槽，并与直流盖板3构成直流腔11；发射前端下腔体7的腔壁上设有矩形连接器凹槽8和输入接头1。
所述基于玻珠供电的小型化前级驱动腔包括相连的驱动腔2和波导-微带过渡结构5。
所述驱动腔2与输入接头1连接，并采用玻珠为驱动腔2内放置的器件供电，具体为：驱动腔2内放置微带线基片、芯片、芯片电容等器件，并在驱动腔2背面放置直流过渡板，直流过渡板中间设有放置玻珠的直流玻珠供电孔4，外部直流信号通过在矩形连接器凹槽8内放置的矩形连接器传输至直流过渡板上，再通过玻珠跳金丝连接到芯片电容等器件，实现玻珠供电。
所述波导-微带过渡结构5基于楔形波导膜片实现，如图4和图5所示，包括依次连接的输入微带结构15、E面探针16、加宽波导17和输出波导18；其中，输入微带结构15与驱动腔2连接，输入微带结构15内部设有基片放置凹槽14，用于放置E面探针16；输出波导18与可拆卸功能模块连接；加宽波导17设有楔形波导膜片19，使加宽波导17呈U型弯结构，将E面探针16的电场方向转换至与输出波导18相垂直；输出波导18的末端设有第一扼流环6，参见图4；输入微带结构15与输出波导18的中心线位于同一直线上，便于互连。
所述可拆卸功能模块包括相盖合的可拆卸变频模块上腔体10和可拆卸变频模块下腔体9，分别通过螺丝与对应的发射前端上腔体13和发射前端下腔体7相连；可拆卸功能模块整体呈固定的凸型结构，便于适配法兰结构和更换同样外部形状的器件；更重要的是，可拆卸功能模块的输入波导前端和输出波导末端均设置扼流环，并且输入波导前端与波导-微带过渡结构5的输出波导18末端之间人为预留一定缝隙，便于更换可拆卸功能模块。
所述第一扼流环6与可拆卸功能模块中的扼流环均为具有倒角结构的矩形环凹槽。
在本实施例中，输入接头1采用2.92mm的K接头；波导-微带过渡结构5的输出波导18与可拆卸功能模块的输入波导均采用WR-12标准波导，并在之间预留40μm的缝隙；可拆卸功能模块的输出波导采用WR-4.3标准波导；驱动腔2内放置可实现六倍频的器件；可拆卸功能模块为三倍频模块。
本实施例提出的基于扼流环的可拆卸小型化发射前端的实物图如图3所示，并与传统级联式发射前端的实物作对比，可知可拆卸小型化发射前端的体积大大缩小，仅为传统级联式发射前端体积的3％左右，在太赫兹无线通信中具有极高的应用价值。
本实施例中波导-微带过渡结构5在65～90GHz工作频带内的回波损耗和插入损耗的仿真结果分别如图6和图7所示，可以看出其回波损耗优于30dB，插入损耗小于0.05dB，表明基于楔形波导膜片实现的波导-微带过渡结构5不仅结构紧凑，体积较小，信号转换性能也十分优异。
图8为本实施例中针对WR-12标准波导设置的扼流环的模型图，图9为该模型的电场传输分布图，图中垂直于WR-12标准波导的平面代表预留的40μm缝隙，可知此时WR-12标准波导中的电磁波几乎被束缚在扼流环附近，不会出现泄露。针对WR-12标准波导设置的扼流环在55～90GHz工作频带内的回波损耗和插入损耗的仿真结果分别如图10和图11所示，表明其回波损耗均优于30dB，插入损耗小于0.02dB，几乎实现了无损耗传输。
本实施例提出的基于扼流环的可拆卸小型化发射前端可实现十八倍频的发射链路功能，其测试结果如图12所示，可知在输入功率为1dBm时，所述可拆卸小型化发射前端在220～227GHz均能实现4mW的输出，发射链路的带宽主要受制于驱动腔2放置的六倍频器件的带宽，通过优化六倍频器件，可实现220GHz的宽度输出。
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，如驱动腔和可拆卸功能模块内放置的器件/模块等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (3)

1.一种基于扼流环的可拆卸小型化发射前端，其特征在于，包括发射前端腔体，以及位于发射前端腔体内部依次连接的输入接头、基于玻珠供电的小型化前级驱动腔和可拆卸功能模块；
所述发射前端腔体包括相盖合的发射前端上腔体和发射前端下腔体；其中，发射前端上腔体对应于基于玻珠供电的小型化前级驱动腔的区域为镂空，天窗盖板设置于发射前端上腔体上方，以盖住镂空区域；发射前端下腔体的下方设有凹槽，并与直流盖板构成直流腔；发射前端下腔体的腔壁上设有矩形连接器凹槽和输入接头；
所述基于玻珠供电的小型化前级驱动腔包括相连的驱动腔和波导-微带过渡结构；所述驱动腔与输入接头连接，外部直流信号经矩形连接器凹槽传输至驱动腔背面的玻珠，为驱动腔内放置的器件供电；所述波导-微带过渡结构包括依次的输入微带结构、E面探针、加宽波导和输出波导，所述输入微带结构与驱动腔连接，输入微带结构内部放置E面探针，输出波导与可拆卸功能模块连接，加宽波导设置有楔形波导膜片，使加宽波导呈U型弯结构，将E面探针的电场方向转换至与输出波导相垂直，输出波导的末端设有扼流环；
所述可拆卸功能模块包括相盖合的可拆卸变频模块上腔体和可拆卸变频模块下腔体，分别通过螺丝与对应的发射前端上腔体和发射前端下腔体相连，其输入波导前端和输出波导末端均设置扼流环。
2.根据权利要求1所述基于扼流环的可拆卸小型化发射前端，其特征在于，所述扼流环为具有倒角结构的矩形环凹槽。
3.根据权利要求1所述基于扼流环的可拆卸小型化发射前端，其特征在于，所述基于玻珠供电的小型化前级驱动腔与可拆卸功能模块之间存在不超过40μm的缝隙。
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