基於磁耦合原理的波導‑微帶功率合成器的製作方法

2023-07-14 19:21:51 1

本發明屬於微波毫米波固態功率合成技術領域。特別涉及毫米波、亞毫米波段波導-微帶集成功率分配與合成技術。

背景技術：

微波毫米波固態系統的應用與發展很大程度上取決於其輸出功率，但單個固態器件的輸出功率總是有一定限度的，且隨著工作頻率的上升，由於材料、工藝原因，固態器件輸出能力呈指數下降，很難滿足實際應用的需求。因此在要得到高功率輸出的系統中，就需要使用多個固態放大器進行功率合成以滿足所需要的大功率輸出的要求或者反過來進行功率的分配。隨著微波毫米波微電子技術在系統應用的深入開展，微波毫米波功率合成/分配器在無線通信、雷達、遙控遙感、微波測量等領域中得到了越來越廣泛的應用。應用的需求推動技術的發展，設計寬頻帶、低損耗的功率合成/分配器具有日趨重大的實際意義與迫切性。

矩形波導是微波毫米波頻段的重要傳輸媒介，它具有功率容量大、損耗小、無輻射損耗、q值高等特點，在微波毫米波電路和系統中被極為廣泛地應用。另一方面，作為微波混合集成電路和微波單片集成電路基礎的微帶線，具有易於與有源功率器件銜接且製作成本低等優點，是很多應用中必不可少的傳輸線。在微波毫米波領域，先通過微帶線電路結構連接放大器等有源器件完成對單路信號功率的放大，接著將多路放大的信號在大功率容量的波導中進行合成以實現所需的大功率輸出，這種波導—微帶形式的功率分配/合成器已經成為越來越多的高功率電路應用中的迫切需求。

學術界已經對功率合成器進行了較為成熟的研究，其中不乏波導-微帶集成功率分配/合成器，但目前已有的波導-微帶集成功率分配/合成器都是基於電場耦合原理的結構。這些結構的波導開窗都在波導寬邊上，在某些場合不適用。本發明所提出的基於磁耦合原理的波導—微帶集成功率分配/合成器，其窗口開在波導的短路面上，波導埠與兩微帶埠在同一傳輸方向，性能穩定，結構緊湊，非常適用於微波毫米波寬帶功率合成系統中。

技術實現要素：

本發明目的提供一種新型的基於磁耦合原理的波導-微帶集成功率分配/合成器。此種功率分配/合成器損耗低、頻帶寬，支路間幅度、相位一致性好，且結構緊湊、易於加工實現。本發明所述功率分配/合成器的波導埠與兩微帶埠在同一傳輸方向，可彌補傳統波導-微帶集成功率分配/合成器在某些場合由於結構形式原因受限而無法應用的缺點。

本發明所述波導-微帶集成功率分配/合成器結構如圖1所示，包括：包括矩形波導、兩個耦合環、兩微帶線阻抗變換段、兩50歐姆微帶傳輸線。基片平行波導e面，在結構上實現對微帶及耦合環的支撐功能，且伸入波導內的基片與波導窄臂b同寬；耦合環由微帶線向波導內延伸彎曲而成，其末端與阻抗變換段的屏蔽腔體壁相連。耦合環是矩形波導與微帶傳輸線之間的能量過渡結構；微帶阻抗變換段主要用以實現耦合環到50歐姆微帶線的寬頻帶阻抗匹配。

兩耦合環在矩形波導上的安裝方式和安裝位置是：兩耦合環覆著於兩獨立介質基板上，沿著波導寬邊方向，從波導短路面上的兩個開口順著矩形波導的傳播方向插入波導內，且環靠近矩形波導短路面。矩形波導短路面附近為磁場最強處，位於此處的e面耦合環與波導間可實現磁場強耦合。兩耦合環在波導內結構尺寸相同，位置對稱，與波導空間磁場形成相同的耦合，從而實現波導與耦合環間的對稱功率分配/合成。

設置在耦合環前的獨立金屬條帶，其作用是改善功分器的傳輸性能。金屬條帶的長、寬以及條帶的位置可通過電磁場仿真優化得到。

用於耦合環插裝的兩個波導短路面開口，對稱於短路面的寬邊中心。這兩個對稱的開口面即為耦合環與微帶線連接部分的屏蔽腔的橫截面，開口寬度w1為阻抗變換段金屬條帶寬度w2的3－4倍，高度h1為微帶介質基片厚度h2的6－8倍，兩開口的間距d1為波導寬邊a的0.4-0.5倍。本發明中，耦合環與微帶線連接部分的屏蔽腔的長度l1為對應導波波長的0.2-0.4倍，耦合環的末端與該屏蔽腔體壁相連以實現接地，此外該段屏蔽腔體還可防止能量以空間模式傳輸。

本發明所述波導-微帶集成功率分配/合成器，可在毫米波以及更高工作頻率處實現寬帶低損耗等功率分配，同時實現了波導立體傳輸線－微帶集成傳輸線過渡轉換，且各微帶支路便於集成固態功率器件，可用以實現毫米波及更高頻率的固態功率合成。而且，本發明所述波導-微帶集成功率分配/合成器，其波導埠與兩微帶埠在同一傳輸方向、結構緊湊、便於加工實現、便於與常用的波導電橋組合使用，可廣泛地應用於微波毫米波寬帶功率合成系統中。

本發明具有以下有益效果：

1.本發明所述波導-微帶集成功率分配/合成器，結構對稱，保證了波導能量等功率的分配傳輸到兩路微帶傳輸線中去，達到等功率分配的目的。

2.本發明所述波導-微帶集成功率分配/合成器，在實現等功率分配同時，實現了波導到微帶線的過渡。電路結構上更加緊湊，且損耗也只與單個波導-微帶轉換結構相當(<0.1db)。

3.本發明所述波導-微帶集成功率分配/合成器，結構對稱性與頻率無關，保證了該結構可實現毫米波全波導帶寬波導-微帶過渡與功率分配/合成，具有寬頻帶工作特性。

4.本發明所述波導-微帶集成功率分配/合成器，採用了基於磁耦合原理的耦合環電路實現波導到微帶的能量耦合，其波導埠與兩微帶埠在同一傳輸方向，非常適用於毫米波寬帶徑向功分系統中。

5.本發明所述波導-微帶集成功率分配/合成器中，耦合環、微帶線及安裝用介質基板的加工可由成熟的印製工藝或薄膜工藝完成，波導加工可由一般數控工具機完成，電路裝配採用精密電路裝配技術電路(與一般技術相同)，因而便於加工製作。

附圖說明

圖1為本發明所述波導-微帶集成功率分配/合成器的結構示意圖；

圖2(1)為本發明所述波導-微帶集成功率分配/合成器結構尺寸(八毫米波頻段(單位：毫米)；

圖2(2)為本發明所述波導-微帶集成功率分配/合成器中矩形波導短路面開口示意圖；

圖3為本發明所述波導-微帶集成功率分配/合成器的電磁場仿真結果(八毫米波頻段)。

圖中標記說明：①是標準矩形波導，②是獨立金屬條帶，③是耦合環，④是微帶阻抗變換段，⑤是標準微帶線輸出。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明：本實施例在以本發明技術方案前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。

本實施例為一種基於磁耦合原理的八毫米波波導-微帶集成功率分配/合成器，其結構如圖1所示，包括矩形波導1、兩個獨立金屬條帶2、兩個微帶耦合環3、兩微帶線阻抗變換段4、兩50歐姆微帶傳輸線5。兩耦合環3覆著於兩獨立介質基板上，沿著矩形波導寬邊方向，從波導短路面兩對稱矩形開口6(矩形波導短路面開口6的結構如圖2所示)順著波導傳播方向插入波導內，且環靠近矩形波導短路面。兩耦合環3用於最大限度地耦合毫米波矩形波導1中能量；兩微帶線阻抗變換段4用於在整個頻帶內分別實現兩微帶耦合環3與兩標準微帶線5的阻抗匹配；微帶線兩側延伸的e面介質基板用於固定微帶線。

在8毫米頻段(26.5ghz～40ghz)，本實施例所述波導-微帶集成功率分配/合成器各部分的主要尺寸如圖2所示。矩形波導1採用標準bj320尺寸(7.112mm×3.556mm)，其長度為8mm，這裡記為埠1。兩耦合環的外半徑r1為1.42mm，內半徑r0為1.32mm。獨立金屬條帶與耦合環之間的間距a2為0.6mm，金屬條帶的長b1為1.44mm、寬a1為0.25mm。兩耦合環到波導短路面的距離d0為0.8mm。兩阻抗匹配段3長l2為1.23mm，寬w2為0.54mm。兩耦合環至微帶連接部分的屏蔽腔其橫截面尺寸與短路面開口一致，屏蔽腔l1長2.3mm，高2mm。兩微帶線阻抗匹配段後接兩路標準微帶輸出，這裡分別記為埠2與埠3。

本實施例所述波導-微帶集成功率分配/合成器在八毫米頻段的電磁場仿真結果如圖3所示。可以看出：在八毫米波全頻段內(26.5ghz～40ghz)，埠駐波小於-21db；插損小於0.05db；兩微帶埠具有良好的幅度/相位一致性。

由以上結果可以看出，本發明所述波導-微帶集成功率分配/合成器在八毫米波全頻段實現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-微帶集成功率分配/合成器在實現以上功能同時，實現了波導立體傳輸線－微帶集成傳輸線過渡轉換，各微帶支路便於集成固態功率器件，可用以實現八毫米波固態功率合成；其波導埠與兩微帶埠在同一傳輸方向，可應用於毫米波寬帶徑向功分系統中。

以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護範圍內。