CN107275738B - 基于磁耦合原理的波导-微带功率合成器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矩形波导‑微带集成功率分配/合成技术，该技术采用磁耦合原理在全波导带宽内实现两路对称的功率分配/合成和波导‑微带集成传输线转换目的。采用该技术实现的波导‑微带功率分配/合成器，具有损耗低、频带宽、支路间幅度/相位一致性好，且波导端口与两微带端口在同一传输方向、结构紧凑、便于加工实现、便于与常用的波导电桥组合使用，可广泛地应用于微波毫米波宽带功率合成系统中。

Description

基于磁耦合原理的波导-微带功率合成器

技术领域

本发明属于微波毫米波固态功率合成技术领域。特别涉及毫米波、亚毫米波段波导-微带集成功率分配与合成技术。

背景技术

微波毫米波固态系统的应用与发展很大程度上取决于其输出功率，但单个固态器件的输出功率总是有一定限度的，且随着工作频率的上升，由于材料、工艺原因，固态器件输出能力呈指数下降，很难满足实际应用的需求。因此在要得到高功率输出的系统中，就需要使用多个固态放大器进行功率合成以满足所需要的大功率输出的要求或者反过来进行功率的分配。随着微波毫米波微电子技术在系统应用的深入开展，微波毫米波功率合成/分配器在无线通信、雷达、遥控遥感、微波测量等领域中得到了越来越广泛的应用。应用的需求推动技术的发展，设计宽频带、低损耗的功率合成/分配器具有日趋重大的实际意义与迫切性。

矩形波导是微波毫米波频段的重要传输媒介，它具有功率容量大、损耗小、无辐射损耗、Q值高等特点，在微波毫米波电路和系统中被极为广泛地应用。另一方面，作为微波混合集成电路和微波单片集成电路基础的微带线，具有易于与有源功率器件衔接且制作成本低等优点，是很多应用中必不可少的传输线。在微波毫米波领域，先通过微带线电路结构连接放大器等有源器件完成对单路信号功率的放大，接着将多路放大的信号在大功率容量的波导中进行合成以实现所需的大功率输出，这种波导—微带形式的功率分配/合成器已经成为越来越多的高功率电路应用中的迫切需求。

学术界已经对功率合成器进行了较为成熟的研究，其中不乏波导-微带集成功率分配/合成器，但目前已有的波导-微带集成功率分配/合成器都是基于电场耦合原理的结构。这些结构的波导开窗都在波导宽边上，在某些场合不适用。本发明所提出的基于磁耦合原理的波导—微带集成功率分配/合成器，其窗口开在波导的短路面上，波导端口与两微带端口在同一传输方向，性能稳定，结构紧凑，非常适用于微波毫米波宽带功率合成系统中。

发明内容

本发明目的提供一种新型的基于磁耦合原理的波导-微带集成功率分配/合成器。此种功率分配/合成器损耗低、频带宽，支路间幅度、相位一致性好，且结构紧凑、易于加工实现。本发明所述功率分配/合成器的波导端口与两微带端口在同一传输方向，可弥补传统波导-微带集成功率分配/合成器在某些场合由于结构形式原因受限而无法应用的缺点。

本发明所述波导-微带集成功率分配/合成器结构如图1所示，包括：包括矩形波导(1)、两个耦合环(2、3)、两微带线阻抗变换段(4)、两50欧姆微带传输线(5)。基片(6)平行波导(1)E面，在结构上实现对微带(4、5)及耦合环(2、3)的支撑功能，且伸入波导(1)内的基片与波导窄臂b同宽；耦合环(3)由微带线(4、5) 向波导(1)内延伸弯曲而成，其末端与阻抗变换段(4)的屏蔽腔体(9)壁相连。耦合环(3)是矩形波导(1)与微带传输线(5)之间的能量过渡结构；微带阻抗变换段(4)主要用以实现耦合环(3)到50欧姆微带线(5)的宽频带阻抗匹配。

两耦合环(3)在矩形波导(1)上的安装方式和安装位置是：两耦合环(3)覆着于两独立介质基板(6)上，沿着波导宽边方向，从波导短路面(7)上的两个开口(8)顺着矩形波导(1)的传播方向插入波导(1)内，且环(1)靠近矩形波导短路面(7)。矩形波导短路面(7)附近为磁场最强处，位于此处的E面耦合环(3)与波导(1)间可实现磁场强耦合。两耦合环(3)在波导内结构尺寸相同，位置对称，与波导空间磁场形成相同的耦合，从而实现波导(5)与耦合环(3)间的对称功率分配/ 合成。

设置在耦合环前的独立金属条带(2)，其作用是改善功分器的传输性能。金属条带(2)的长、宽以及条带的位置可通过电磁场仿真优化得到。

用于耦合环(2、3)插装的两个波导短路面开口(8)，对称于短路面(7)的宽边中心。这两个对称的开口(8)即为耦合环与微带线连接部分的屏蔽腔(9)的横截面，开口(8)宽度W1为阻抗变换段(4)金属条带宽度W2的3－4倍，高度H1为微带介质基片厚度H2的6－8倍，两开口(8)的间距d1为波导(1)宽边a的0.4- 0.5倍。本发明中，耦合环(3)与微带线(4、5)连接部分的屏蔽腔(9)的长度L1 为对应导波波长的0.2-0.4倍，耦合环(3)的末端与该屏蔽腔体(9)壁相连以实现接地，此外该段屏蔽腔体(9)还可防止能量以空间模式传输。

本发明所述波导-微带集成功率分配/合成器，可在毫米波以及更高工作频率处实现宽带低损耗等功率分配，同时实现了波导立体传输线－微带集成传输线过渡转换，且各微带支路便于集成固态功率器件，可用以实现毫米波及更高频率的固态功率合成。而且，本发明所述波导-微带集成功率分配/合成器，其波导端口与两微带端口在同一传输方向、结构紧凑、便于加工实现、便于与常用的波导电桥组合使用，可广泛地应用于微波毫米波宽带功率合成系统中。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明所述波导-微带集成功率分配/合成器，结构对称，保证了波导能量等功率的分配传输到两路微带传输线中去，达到等功率分配的目的。

2.本发明所述波导-微带集成功率分配/合成器，在实现等功率分配同时，实现了波导到微带线的过渡。电路结构上更加紧凑，且损耗也只与单个波导-微带转换结构相当(<0.1dB)。

3.本发明所述波导-微带集成功率分配/合成器，结构对称性与频率无关，保证了该结构可实现毫米波全波导带宽波导-微带过渡与功率分配/合成，具有宽频带工作特性。

4.本发明所述波导-微带集成功率分配/合成器，采用了基于磁耦合原理的耦合环电路实现波导到微带的能量耦合，其波导端口与两微带端口在同一传输方向，非常适用于毫米波宽带径向功分系统中。

5.本发明所述波导-微带集成功率分配/合成器中，耦合环、微带线及安装用介质基板的加工可由成熟的印制工艺或薄膜工艺完成，波导加工可由一般数控机床完成，电路装配采用精密电路装配技术电路(与一般技术相同)，因而便于加工制作。

附图说明

图1为本发明所述波导-微带集成功率分配/合成器的结构示意图；

图2(1)为本发明所述波导-微带集成功率分配/合成器结构尺寸(八毫米波频段(单位：毫米)；

图2(2)为本发明所述波导-微带集成功率分配/合成器中矩形波导短路面开口示意图；

图3为本发明所述波导-微带集成功率分配/合成器的电磁场仿真结果(八毫米波频段)。

图中标记说明：(1)是标准矩形波导，(2)是独立金属条带，(3)是耦合环，(4) 是微带阻抗变换段，(5)是标准微带线，(6)是介质基片，(7)是矩形波导短路面， (8)是矩形波导短路面开口，(9)屏蔽腔体，(10)是波导端口，(11)微带端口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例为一种基于磁耦合原理的八毫米波波导-微带集成功率分配/合成器，其结构如图1所示，包括矩形波导(1)、两个独立金属条带(2)、两个微带耦合环(3)、两微带线阻抗变换段(4)、两50欧姆微带传输线(5)。两耦合环(3)覆着于两独立介质基板(6)上，沿着矩形波导宽边方向，从波导短路面(7)两对称矩形开口(8) (矩形波导短路面开口(8)的结构如图2所示)顺着波导(1)传播方向插入波导 (1)内，且环(3)靠近矩形波导短路面(7)。两耦合环3用于最大限度地耦合毫米波矩形波导(1)中能量；两微带线阻抗变换段(4)用于在整个频带内分别实现两微带耦合环(3)与两标准微带线(5)的阻抗匹配；微带线(4、5)延伸的E面介质基板 (6)用于固定微带线(4、5)。

在8毫米频段(26.5GHz～40GHz)，本实施例所述波导-微带集成功率分配/合成器各部分的主要尺寸如图2所示。矩形波导(1)采用标准BJ320尺寸(7.112mm× 3.556mm)，其长度为8mm，这里记为端口1(10)。两耦合环(3)的外半径R1为 1.42mm，内半径R0为1.32mm。独立金属条带(2)与耦合环(3)之间的间距a2为0.6mm，金属条带(2)的长b1为1.44mm、宽a1为0.25mm。两耦合环(3)到波导短路面(7)的距离d0为0.8mm。两阻抗匹配段(4)长L2为1.23mm，宽W2为 0.54mm。两耦合环(3)至微带连接部分的屏蔽腔(9)其横截面尺寸与短路面开口 (8)一致，屏蔽腔(9)L1长2.3mm，高2mm。两微带线阻抗匹配段(4)后接两路标准微带(5)输出，这里分别记为端口2与端口3(11)。

本实施例所述波导-微带集成功率分配/合成器在八毫米频段的电磁场仿真结果如图3所示。可以看出：在八毫米波全频段内(26.5GHz～40GHz)，端口驻波小于- 21dB；插损小于0.05dB；两微带端口(11)具有良好的幅度/相位一致性。

由以上结果可以看出，本发明所述波导-微带集成功率分配/合成器在八毫米波全频段实现了低损耗等功率分配，两支路具有良好的幅度/相位一致性。该波导-微带集成功率分配/合成器在实现以上功能同时，实现了波导立体传输线－微带集成传输线过渡转换，各微带支路便于集成固态功率器件，可用以实现八毫米波固态功率合成；其波导端口(10)与两微带端口(11)在同一传输方向，可应用于毫米波宽带径向功分系统中。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种波导-微带集成功率分配/合成器，包括：矩形波导(1)、两个独立金属条带(2)、两个耦合环(3)、两微带线阻抗变换段(4)、两50欧姆微带传输线(5)、两独立的E面介质基片(6)，其特征在于：

每一个所述介质基片(6)上覆着有一个所述金属条带(2)、一个所述耦合环(3)、一个所述微带线阻抗变换段(4)和一个所述微带传输线(5)；

所述微带线阻抗变换段(4)一端连接所述微带传输线(5)，另一端连接所述耦合环(3)，所述耦合环(3)为微带线向所述矩形波导(1)内延伸弯曲形成；

在所述耦合环(3)向所述矩形波导(1)内延伸的方向前设有独立金属条带(2)；

所述两个介质基片(6)上的微带结构背向设置；

两耦合环(3)结构尺寸相同、位置对称，两耦合环(3)经所述矩形波导(1)的短路面(7)上设置的两个开口(8)顺着所述矩形波导(1)传播方向插入所述矩形波导(1)内；

两耦合环(3)插装位置对称于所述矩形波导(1)的短路面(7)的宽边中心，且所述耦合环(3)靠近所述矩形波导(1)的短路面(7)；

波导端口(10)与两个微带端口(11)在同一传输方向。

2.根据权利要求1所述波导-微带集成功率分配/合成器，其特征在于：所述矩形波导(1)的短路面(7)上的两个开口(8)为两对称的矩形开口，所述开口(8)尺寸的设计规则是：开口宽度W1为所述微带线阻抗变换段(4)金属条带宽度W2的3－4倍，高度H1为所述介质基片(6)厚度H2的6－8倍，所述两个开口(8)的间距d1为所述矩形波导(1)宽边a的0.4-0.5倍。

3.根据权利1或2所述波导-微带集成功率分配/合成器，其特征在于所述耦合环(3)与所述微带线阻抗变换段(4)连接部分设置有屏蔽腔体(9)，所述屏蔽腔体(9)的长度L1为对应的所述微带线阻抗变换段(4)导波波长的0.2-0.4倍，所述屏蔽腔体(9)的横截面与所述开口(8)的横截面一致。

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