專利名稱：波導(dǎo)-微帶集成功率分配器及合成器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于微波毫米波固態(tài)功率合成技術(shù)領(lǐng)域；特別涉及毫米波、亞毫米波段寬頻帶低損耗波導(dǎo)-微帶集成功率分配與合成技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著工作頻率的上升，由于材料、工藝原因，固態(tài)器件輸出能力呈指數(shù)下降，例如當(dāng)前八毫米波頻段単器件輸出能力在5W左右，三毫米波頻段固態(tài)單器件輸出能力只有100-200mW左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)需求。功率合成技術(shù)是解決單器件輸出能力不足，獲取更高功率的有效手段。功率合成實(shí)際上是各合成信號的矢量疊加，要求各合成信號為等幅同相關(guān)系；同時還要求合成時信號路徑損耗低。對于毫米波功率合成技術(shù)來說，各放大單元采用同一批次功率單片實(shí)現(xiàn)，為合成各支路信號幅度和相位一致性奠定基礎(chǔ)；采用低損耗 對稱結(jié)構(gòu)的合成網(wǎng)絡(luò)，保證各支路信號傳輸路徑等幅同相關(guān)系，同時滿足信號的低損耗傳輸要求；并且合成網(wǎng)絡(luò)要求便于集成固態(tài)功率單片。因此，設(shè)計(jì)低損耗、幅度相位一致性良好、支路便于集成固態(tài)功率器件的功率分配/合成器是獲取毫米波高功率的關(guān)鍵。對毫米波頻段來說，較短的工作波長使得這種低損耗、支路幅度相位一致、便于集成固態(tài)功率器件的功率分配/合成器設(shè)計(jì)難度更大。近年來，國內(nèi)外學(xué)采用了波導(dǎo)-微帶集成結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了毫米波功率分配/合成。這種類型的功率分配/合成器將波導(dǎo)立體傳輸線與微帶集成傳輸線有機(jī)地結(jié)合起來，同時實(shí)現(xiàn)了功率分配/合成和波導(dǎo)-微帶過度轉(zhuǎn)換，為毫米波固態(tài)功率合成實(shí)現(xiàn)奠定了一定基礎(chǔ)。其中，文獻(xiàn)[I] ( “A broad-band 3_dB in-phasedivider for millimeter-wave lengths”,作者Xiaoqiang Xie, Xiao liu, Weigan Lin.Asia-Pacific Microwave Conference, 2008)所述為一個 0° 3_dB 波導(dǎo)-微帶集成功率分配器，結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，可與波導(dǎo)電橋結(jié)合實(shí)現(xiàn)更多支路的功率分配/合成。該結(jié)構(gòu)中，兩微帶線處于面對面放置，關(guān)于波導(dǎo)中心面對稱，從波導(dǎo)寬邊同側(cè)插入波導(dǎo)。兩微帶線間距小于波導(dǎo)寬邊尺寸。在實(shí)用中，后續(xù)電路需要在該功分結(jié)構(gòu)兩微帶線金屬條帶上分別安放固態(tài)器件，兩微帶線間需預(yù)留一定間距，該間距不僅要大于固態(tài)器件高度的兩倍，還要滿足加工需要。因此，安放單個固態(tài)器件的空間高度小于波導(dǎo)寬邊尺寸一半。隨著頻率增高，波導(dǎo)尺寸變小，波導(dǎo)寬邊尺寸將不能滿足安放兩固態(tài)器件的需要，因此，這類功率分配/合成器只能用在毫米波低端以下頻率，如文獻(xiàn)[I]所述8mm頻段。文獻(xiàn)[2]( “Design of a Full Band, Compact Waveguide-MicrostripPowerSplitter Using Multilayer PCB Technology”， Hong Yi Lim, Zhicheng Wei,ZhuoLi, Geok Ing Ng, Yoke Choy Leong, Radio-Frequency Integration Technology,2009. RFIT 2009.)與文獻(xiàn)[I]中結(jié)構(gòu)相比較，兩微帶的安放方式并未變化。其改進(jìn)在于I.探針的結(jié)構(gòu)由文獻(xiàn)[I]中的3段變?yōu)?段，以獲得更好的寬帶效果，但是從仿真結(jié)果來看，改進(jìn)后效果不明顯；2.文獻(xiàn)[2]中功分結(jié)構(gòu)將文獻(xiàn)[I]中兩探針間未填充介質(zhì)的空間用介質(zhì)填滿，并采用多層PCB技術(shù)進(jìn)行制作。由于兩探針間充滿介質(zhì)，無法安裝固態(tài)器件，不能用于固態(tài)功率合成技術(shù)領(lǐng)域。因此，文獻(xiàn)[2]中功分器相對于文獻(xiàn)[I]中的功分器無實(shí)質(zhì)性、可實(shí)際運(yùn)用的改進(jìn)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種波導(dǎo)-微帶集成功率分配器及合成器。本實(shí)用新型的具體方案是波導(dǎo)-微帶集成功率分配器及合成器，包括矩形波導(dǎo)、介質(zhì)基板、嵌入介質(zhì)基板中的公共地、以公共地對稱并貼附在介質(zhì)基板上表面和下表面的兩個微帶探針，所述兩個微帶探針分別與兩組微帶線阻抗變換段、兩微帶傳輸線依次連接構(gòu)成兩組平行的并以公共地對稱的分別位于介質(zhì)基板上表面和下表面的微帶線，所述兩個微帶探針沿著矩形波導(dǎo)E面從矩形波導(dǎo)寬邊側(cè)壁開口垂直插入矩形波導(dǎo)內(nèi)，其插裝位置對稱于矩形波導(dǎo)的寬邊中心面；且兩微帶探針的中心線與矩形波導(dǎo)傳輸方向上的波導(dǎo)短路面的理論間距為四分之一波導(dǎo)波長。本實(shí)用新型的有益效果是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)所述的功率分配器/合成器損耗低、頻帶寬，支路間幅度、相位一致性好，且結(jié)構(gòu)緊湊、易于加工實(shí)現(xiàn)。相對于現(xiàn)有的同類技術(shù)，此種功率分配/合成器各支路空間獨(dú)立，集成固態(tài)功率器件時不受波導(dǎo)尺寸限制，便于在三毫米波及更高頻段的固態(tài)功率合成電路中使用，且便于與常見的波導(dǎo)環(huán)形電橋、波導(dǎo)分支電橋等配合使用，實(shí)現(xiàn)多路功率分配/合成。

圖I為本實(shí)用新型的波導(dǎo)-微帶集成功率分配器及合成器的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型的矩形波導(dǎo)寬邊側(cè)壁開口結(jié)構(gòu)示意圖。圖3a為本實(shí)用新型俯視方向結(jié)構(gòu)的截面示意圖。圖3b為本實(shí)用新型側(cè)視方向結(jié)構(gòu)的截面示意圖。圖4a、圖4b和圖4c為本實(shí)用新型在3mm整個頻段(75GHz至IlOGHz)的S11、S21及S31波形圖。附圖標(biāo)記說明矩形波導(dǎo)I、微帶探針2、微帶線阻抗變換段3、微帶傳輸線4、公共地5、介質(zhì)基板6、寬邊側(cè)壁開口 7。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說明。如圖I和圖2所示，波導(dǎo)-微帶集成功率分配器及合成器，包括矩形波導(dǎo)I、介質(zhì)基板6、嵌入介質(zhì)基板6中的公共地5、以公共地5對稱并貼附在介質(zhì)基板6上表面和下表面的兩個微帶探針2，所述兩個微帶探針2分別與兩組微帶線阻抗變換段3、兩50歐姆的微帶傳輸線4依次連接構(gòu)成兩組平行的并以公共地5對稱的分別位于介質(zhì)基板6上表面和下表面的微帶線，所述兩個微帶探針2沿著矩形波導(dǎo)E面從矩形波導(dǎo)寬邊側(cè)壁開口 7垂直插入矩形波導(dǎo)I內(nèi)，其插裝位置對稱于矩形波導(dǎo)的寬邊中心面；且兩微帶探針2的中心線與矩形波導(dǎo)傳輸方向上的波導(dǎo)短路面的理論間距為四分之一波導(dǎo)波長。上述微帶探針2用于最大限度地耦合毫米波矩形波導(dǎo)I中能量；兩微帶線阻抗變換段3用于在整個頻帶內(nèi)分別實(shí)現(xiàn)兩微帶探針2與兩微帶傳輸線4阻抗匹配；兩微帶傳輸線4之間延伸的帶公共地5的介質(zhì)基板6用于固定微帶傳輸線4。在3毫米頻段(75GHz I IOGHz)，本實(shí)例所述波導(dǎo)-微帶集成功率分配器及合成器各部分的主要尺寸如圖I、圖3a和圖3b所示，矩形波導(dǎo)I采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸R900，長邊a =I. 27毫米*短邊b = 2. 54毫米，介質(zhì)基板6采用Duroid5880，厚度H2的一半為O. 127毫米。兩微帶探針2長L2 = O. 50毫米，寬W2 = O. 29毫米；兩微帶線阻抗變換段3長L3 =O. 45毫米，寬W3 = O. 16毫米；兩50歐標(biāo)準(zhǔn)兩微帶傳輸線4寬W4 = O. 38毫米。兩微帶探針2關(guān)于公共地5對稱，公共地5位于矩形波導(dǎo)I的寬邊中心面位置。兩微帶探針2分別位于寬邊中心面上下表面，由介質(zhì)基板6 (Duroi d5880)支撐，兩微帶探針2的中心線與矩形波導(dǎo)I傳輸方向上的波導(dǎo)短路面的間距為O. 69毫米，兩微帶探針2所插入的波導(dǎo)寬邊開槽寬Wl = I毫米，高Hl = O. 8毫米,兩微帶探針2至微帶傳輸線4所在屏蔽腔長LI = O. 4毫米，高Hl = O. 8毫米，兩標(biāo)準(zhǔn)微帶傳輸線4各自所在空氣槽寬WO = I. 5毫米，高O. 8毫米，介質(zhì)基板6延伸后，寬W5 = 2毫米，高度不變，上述介質(zhì)基板6以及兩微帶探針2構(gòu)成的整體的影響區(qū)域的高度H3 = I. 60mm。 上述實(shí)施例中兩微帶探針2的形狀、構(gòu)造相同。兩微帶探針2在矩形波導(dǎo)I上的安裝方式和安裝位置是兩微帶探針2覆著于介質(zhì)基板6上下兩側(cè)，沿著矩形波導(dǎo)I的E面(波導(dǎo)TElO模式電場方向)，從矩形波導(dǎo)I的寬邊側(cè)壁中心的寬邊側(cè)壁開口 7垂直插入矩形波導(dǎo)I內(nèi)，其插裝位置對稱于矩形波導(dǎo)I的寬邊中心面，且兩微帶探針2的中心線與矩形波導(dǎo)傳輸方向上的矩形波導(dǎo)終端短路面的理論間距為四分之一波導(dǎo)波長。微帶探針2插裝位置，即距矩形波導(dǎo)終端短路面四分之一波導(dǎo)波長的波導(dǎo)寬邊中心為波導(dǎo)內(nèi)電場最強(qiáng)處，位于此處的E面探針與波導(dǎo)間可實(shí)現(xiàn)電場強(qiáng)耦合。兩微帶探針2在矩形波導(dǎo)I內(nèi)結(jié)構(gòu)尺寸相同，位置對稱，與矩形波導(dǎo)I的空間電場形成相同的耦合，從而實(shí)現(xiàn)矩形波導(dǎo)I與微帶探針2間的對稱功率分配/合成。用于微帶探針2插裝的矩形波導(dǎo)I的寬邊側(cè)壁開口 7，位于波導(dǎo)寬邊側(cè)壁中心。根據(jù)矩形波導(dǎo)壁電流分布情況可知，越靠近波導(dǎo)寬邊側(cè)壁中心，開口切斷表面電流越少，對波導(dǎo)內(nèi)電場影響越小。另一方面，開口面即為探針與微帶連接部分的屏蔽腔截面，該段屏蔽腔一個重要功能是防止能量以空間模式傳輸。本實(shí)施例中，兩微帶探針2覆著于介質(zhì)基板6兩偵牝減小了微帶探針2占用空間。寬邊側(cè)壁開口 7的寬度Wl為微帶探針2的金屬條帶寬度W2的2-4倍，寬邊側(cè)壁開口 7的高度Hl為介質(zhì)基板厚度H2的1_2倍。對任何頻率的微帶集成傳輸線來說，其尺寸遠(yuǎn)小于對應(yīng)立體波導(dǎo)傳輸線尺寸，上述開口尺寸對波導(dǎo)內(nèi)場結(jié)構(gòu)影響甚微。因此，本實(shí)用新型所述波導(dǎo)-微帶集成功率分配/合成器可用以實(shí)現(xiàn)毫米波以及更高頻率的功率分配/合成。微帶探針2與微帶線阻抗變換段3的屏蔽腔體長度LI為對應(yīng)導(dǎo)波波長的O. 5-1倍，該屏蔽腔體橫截面寬和高分別等于矩形波導(dǎo)的寬邊側(cè)壁開口的寬Wl和高H1，可有效防止矩形波導(dǎo)中的電磁波直接耦合到開槽腔中以波導(dǎo)模式傳輸。兩50歐姆微帶傳輸線4形成獨(dú)立的屏蔽腔，腔體尺寸可根據(jù)實(shí)際使用情況決定，與波導(dǎo)側(cè)壁開口無關(guān)，也與波導(dǎo)尺寸無關(guān)。因此本實(shí)施例所述波導(dǎo)-微帶集成功率分配/合成器各微帶支路集成固態(tài)有源器件時，器件安裝空間不受工作頻率限制，可應(yīng)用到更高頻率的固態(tài)功率合成技術(shù)中。上述微帶探針2、微帶線阻抗變換段3和微帶傳輸線4采用金屬條帶。本實(shí)施例所述波導(dǎo)-微帶集成功率分配/合成器在三毫米頻段的電磁場仿真結(jié)果如圖4a、圖4b和圖4c所示。圖4a中所示為該波導(dǎo)_微帶集成功率分配/合成器在3mm整個頻段(75GHz至110GHz)的S11、S21及S31，從圖中可知該結(jié)構(gòu)在整個頻段內(nèi)回波損耗非常好，優(yōu)于_30dB。從圖4a及4b可知，在整個頻段內(nèi)，兩端口輸出S21、S31均約為_3dB (等功率分配)，各自插入損耗小于O. lldB(S21、S31分別與_3dB的差值)，幅度不一致性(S21與S31大小的差值)低于O. 02dB。圖4c所示為S21與S31相位關(guān)系，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，S21與S31在整個頻段內(nèi)同相。從仿真結(jié)果可以看出，該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)低損耗、寬頻帶的同相功率等分，也可用于實(shí)現(xiàn)高效率功率合成。在三毫米波全頻段內(nèi)(75GHz IlOGHz)，端口駐波小于_29dB(在108GHz處達(dá)到最小，約_60dB);插損小于O. 15dB ;兩微帶端口具有良好的幅度、相位一致性?？梢?本實(shí)用新型所述波導(dǎo)-微帶集成功率分配/合成器在三毫米波全頻段實(shí)現(xiàn)了低損耗等功率分配，兩支路具有良好的幅度、相位一致性。該波導(dǎo)-微帶集成功率分配/合成器在實(shí)現(xiàn)以上功能同時，實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)立體傳輸線-微帶集成傳輸線過渡轉(zhuǎn)換，各微帶支路便于集成固態(tài)功率器件，可用以實(shí)現(xiàn)三毫米波固態(tài)功率合成；可與常見的波導(dǎo)環(huán)形電橋、波導(dǎo)分支電橋等配合使用，實(shí)現(xiàn)多路功率分配/合成。本實(shí)施例能夠?qū)崿F(xiàn)損耗低、頻帶寬，支路間幅度、相位一致性好，且結(jié)構(gòu)緊湊、易于加工等優(yōu)點(diǎn)的具體原因表現(xiàn)為I.本實(shí)施例所述波導(dǎo)-微帶集成功率分配/合成器，兩微帶傳輸線背靠背放置，后續(xù)電路分別處于半開放空間，用于安放固態(tài)器件的空間高度不再受波導(dǎo)寬邊尺寸限制，因此，相對于文獻(xiàn)[I]中結(jié)構(gòu)適用于更高頻段。2.本實(shí)施例所述波導(dǎo)-微帶集成功率分配/合成器，兩微帶探針關(guān)于波導(dǎo)內(nèi)電場最強(qiáng)處(波導(dǎo)寬邊中心面)對稱，且兩探針間間距僅為介質(zhì)基板厚度。因此，兩探針幾乎在同一位置實(shí)現(xiàn)了與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的緊耦合，兩輸出端副相一致行良好，具有很高的合成效率。3.本實(shí)施例所述波導(dǎo)-微帶集成功率分配/合成器，兩微帶探針覆著于介質(zhì)基板兩側(cè)，波導(dǎo)側(cè)壁處的探針插裝開口位于中心位置，且開口小，對波導(dǎo)內(nèi)電磁場影響甚微，可實(shí)現(xiàn)毫米波以及更高頻率的功率分配/合成。4.本實(shí)施例所述波導(dǎo)-微帶集成功率分配/合成器，結(jié)構(gòu)對稱性與頻率無關(guān)，保證了該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)毫米波全波導(dǎo)帶寬波導(dǎo)-微帶過渡與功率分配/合成，具有寬頻帶工作特性。5.本實(shí)施例所述波導(dǎo)-微帶集成功率分配/合成器中，微帶探針、微帶傳輸線及安裝用介質(zhì)基板的加工可由成熟的印制工藝或薄膜工藝完成，矩形波導(dǎo)加工可由一般數(shù)控機(jī)床完成，電路裝配采用精密電路裝配技術(shù)電路(與一般技術(shù)相同)，因而便于加工制作。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本實(shí)用新型的原理，應(yīng)被理解為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本實(shí)用新型公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本實(shí)用新型實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.波導(dǎo)-微帶集成功率分配器及合成器，其特征在于，包括矩形波導(dǎo)(I)、介質(zhì)基板(6)、嵌入介質(zhì)基板(6)中的公共地(5)、以公共地(5)對稱并貼附在介質(zhì)基板(6)上表面和下表面的兩個微帶探針(2)，所述兩個微帶探針(2)分別與兩組微帶線阻抗變換段(3)、兩微帶傳輸線(4)依次連接構(gòu)成兩組平行的并以公共地(5)對稱的分別位于介質(zhì)基板(6)上表面和下表面的微帶線，所述兩個微帶探針(2)沿著矩形波導(dǎo)E面從矩形波導(dǎo)寬邊側(cè)壁開口(7)垂直插入矩形波導(dǎo)(I)內(nèi)，其插裝位置對稱于矩形波導(dǎo)的寬邊中心面；且兩微帶探針(2)的中心線與矩形波導(dǎo)傳輸方向上的波導(dǎo)短路面的理論間距為四分之一波導(dǎo)波長。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的波導(dǎo)-微帶集成功率分配器及合成器，其特征在于，插入矩形波導(dǎo)上的兩微帶探針之間的間距為介質(zhì)基板厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的波導(dǎo)-微帶集成功率分配器及合成器，其特征在于，矩形波導(dǎo)的寬邊側(cè)壁開口為矩形開口，所述寬邊側(cè)壁開口的尺寸的設(shè)計(jì)規(guī)則是開口寬度Wl為微帶探針的金屬條帶寬度W2的2-4倍，開口高度Hl為介質(zhì)基板的厚度H2的1-2倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的波導(dǎo)-微帶集成功率分配器及合成器，其特征在于，所述微帶探針與微帶傳輸線連接部分屏蔽腔體長度LI為對應(yīng)導(dǎo)波波長的0. 5-1倍，所述屏蔽腔體橫截面寬和高分別等于矩形波導(dǎo)的寬邊側(cè)壁開口的寬和高。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的波導(dǎo)-微帶集成功率分配器及合成器，其特征在于，上述介質(zhì)基板及接地面向微帶傳輸線形成的獨(dú)立的屏蔽腔兩側(cè)延伸。
專利摘要本實(shí)用新型涉及波導(dǎo)-微帶集成功率分配器及合成器。包括矩形波導(dǎo)、介質(zhì)基板、嵌入介質(zhì)基板中的公共地、以公共地對稱并貼附在介質(zhì)基板上表面和下表面的兩個微帶探針，所述兩個微帶探針分別與兩組微帶線阻抗變換段、兩微帶傳輸線依次連接構(gòu)成兩組平行的并以公共地對稱的分別位于介質(zhì)基板上表面和下表面的微帶線，所述兩個微帶探針沿著矩形波導(dǎo)E面從矩形波導(dǎo)寬邊側(cè)壁開口垂直插入矩形波導(dǎo)內(nèi)，其插裝位置對稱于矩形波導(dǎo)的寬邊中心面；且兩微帶探針的中心線與矩形波導(dǎo)傳輸方向上的波導(dǎo)短路面的理論間距為四分之一波導(dǎo)波長。本實(shí)用新型的有益效果是損耗低、頻帶寬，支路間幅度、相位一致性好，且結(jié)構(gòu)緊湊、易于加工實(shí)現(xiàn)。
文檔編號H01P5/08GK202585697SQ20122016632
公開日2012年12月5日 申請日期2012年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月18日
發(fā)明者謝小強(qiáng), 趙翔, 詹銘周, 吳永倫, 周睿, 周沛翰, 謝凌霄 申請人:電子科技大學(xué)