本發(fā)明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、亞毫米波段波導(dǎo)-微帶集成功率分配與合成技術(shù)。

背景技術(shù)：

微波毫米波固態(tài)系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展很大程度上取決于其輸出功率，但單個固態(tài)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，由于材料、工藝原因，固態(tài)器件輸出能力呈指數(shù)下降，很難滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。因此在要得到高功率輸出的系統(tǒng)中，就需要使用多個固態(tài)放大器進(jìn)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(jìn)行功率的分配。隨著微波毫米波微電子技術(shù)在系統(tǒng)應(yīng)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(dá)、遙控遙感、微波測量等領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用的需求推動技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計寬頻帶、低損耗的功率合成/分配器具有日趨重大的實(shí)際意義與迫切性。

矩形波導(dǎo)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(diǎn)，在微波毫米波電路和系統(tǒng)中被極為廣泛地應(yīng)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(chǔ)的微帶線，具有易于與有源功率器件銜接且制作成本低等優(yōu)點(diǎn)，是很多應(yīng)用中必不可少的傳輸線。在微波毫米波領(lǐng)域，先通過微帶線電路結(jié)構(gòu)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(dǎo)中進(jìn)行合成以實(shí)現(xiàn)所需的大功率輸出，這種波導(dǎo)—微帶形式的功率分配/合成器已經(jīng)成為越來越多的高功率電路應(yīng)用中的迫切需求。

學(xué)術(shù)界已經(jīng)對功率合成器進(jìn)行了較為成熟的研究，其中不乏波導(dǎo)-微帶集成功率分配/合成器，但目前已有的波導(dǎo)-微帶集成功率分配/合成器都是基于電場耦合原理的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)開窗都在波導(dǎo)寬邊上，在某些場合不適用。本發(fā)明所提出的基于磁耦合原理的波導(dǎo)—微帶集成功率分配/合成器，其窗口開在波導(dǎo)的短路面上，波導(dǎo)端口與兩微帶端口在同一傳輸方向，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)緊湊，非常適用于微波毫米波寬帶功率合成系統(tǒng)中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的提供一種新型的基于磁耦合原理的波導(dǎo)-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(jié)構(gòu)緊湊、易于加工實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明所述功率分配/合成器的波導(dǎo)端口與兩微帶端口在同一傳輸方向，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)波導(dǎo)-微帶集成功率分配/合成器在某些場合由于結(jié)構(gòu)形式原因受限而無法應(yīng)用的缺點(diǎn)。

本發(fā)明所述波導(dǎo)-微帶集成功率分配/合成器結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括：包括矩形波導(dǎo)、兩個耦合環(huán)、兩微帶線阻抗變換段、兩50歐姆微帶傳輸線?；叫胁▽?dǎo)e面，在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)對微帶及耦合環(huán)的支撐功能，且伸入波導(dǎo)內(nèi)的基片與波導(dǎo)窄臂b同寬；耦合環(huán)由微帶線向波導(dǎo)內(nèi)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(huán)是矩形波導(dǎo)與微帶傳輸線之間的能量過渡結(jié)構(gòu)；微帶阻抗變換段主要用以實(shí)現(xiàn)耦合環(huán)到50歐姆微帶線的寬頻帶阻抗匹配。

兩耦合環(huán)在矩形波導(dǎo)上的安裝方式和安裝位置是：兩耦合環(huán)覆著于兩獨(dú)立介質(zhì)基板上，沿著波導(dǎo)寬邊方向，從波導(dǎo)短路面上的兩個開口順著矩形波導(dǎo)的傳播方向插入波導(dǎo)內(nèi)，且環(huán)靠近矩形波導(dǎo)短路面。矩形波導(dǎo)短路面附近為磁場最強(qiáng)處，位于此處的e面耦合環(huán)與波導(dǎo)間可實(shí)現(xiàn)磁場強(qiáng)耦合。兩耦合環(huán)在波導(dǎo)內(nèi)結(jié)構(gòu)尺寸相同，位置對稱，與波導(dǎo)空間磁場形成相同的耦合，從而實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)與耦合環(huán)間的對稱功率分配/合成。

設(shè)置在耦合環(huán)前的獨(dú)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(yōu)化得到。

用于耦合環(huán)插裝的兩個波導(dǎo)短路面開口，對稱于短路面的寬邊中心。這兩個對稱的開口面即為耦合環(huán)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(zhì)基片厚度h2的6－8倍，兩開口的間距d1為波導(dǎo)寬邊a的0.4-0.5倍。本發(fā)明中，耦合環(huán)與微帶線連接部分的屏蔽腔的長度l1為對應(yīng)導(dǎo)波波長的0.2-0.4倍，耦合環(huán)的末端與該屏蔽腔體壁相連以實(shí)現(xiàn)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(fā)明所述波導(dǎo)-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(shí)現(xiàn)寬帶低損耗等功率分配，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，且各微帶支路便于集成固態(tài)功率器件，可用以實(shí)現(xiàn)毫米波及更高頻率的固態(tài)功率合成。而且，本發(fā)明所述波導(dǎo)-微帶集成功率分配/合成器，其波導(dǎo)端口與兩微帶端口在同一傳輸方向、結(jié)構(gòu)緊湊、便于加工實(shí)現(xiàn)、便于與常用的波導(dǎo)電橋組合使用，可廣泛地應(yīng)用于微波毫米波寬帶功率合成系統(tǒng)中。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1.本發(fā)明所述波導(dǎo)-微帶集成功率分配/合成器，結(jié)構(gòu)對稱，保證了波導(dǎo)能量等功率的分配傳輸?shù)絻陕肺鬏斁€中去，達(dá)到等功率分配的目的。

2.本發(fā)明所述波導(dǎo)-微帶集成功率分配/合成器，在實(shí)現(xiàn)等功率分配同時，實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)到微帶線的過渡。電路結(jié)構(gòu)上更加緊湊，且損耗也只與單個波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)相當(dāng)(<0.1db)。

3.本發(fā)明所述波導(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。

4.本發(fā)明所述波導(dǎo)-微帶集成功率分配/合成器，采用了基于磁耦合原理的耦合環(huán)電路實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)到微帶的能量耦合，其波導(dǎo)端口與兩微帶端口在同一傳輸方向，非常適用于毫米波寬帶徑向功分系統(tǒng)中。

5.本發(fā)明所述波導(dǎo)-微帶集成功率分配/合成器中，耦合環(huán)、微帶線及安裝用介質(zhì)基板的加工可由成熟的印制工藝或薄膜工藝完成，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。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述波導(dǎo)-微帶集成功率分配/合成器的結(jié)構(gòu)示意圖；

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

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

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

圖中標(biāo)記說明：①是標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)，②是獨(dú)立金屬條帶，③是耦合環(huán)，④是微帶阻抗變換段，⑤是標(biāo)準(zhǔn)微帶線輸出。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明：本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

本實(shí)施例為一種基于磁耦合原理的八毫米波波導(dǎo)-微帶集成功率分配/合成器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括矩形波導(dǎo)1、兩個獨(dú)立金屬條帶2、兩個微帶耦合環(huán)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(huán)3覆著于兩獨(dú)立介質(zhì)基板上，沿著矩形波導(dǎo)寬邊方向，從波導(dǎo)短路面兩對稱矩形開口6(矩形波導(dǎo)短路面開口6的結(jié)構(gòu)如圖2所示)順著波導(dǎo)傳播方向插入波導(dǎo)內(nèi)，且環(huán)靠近矩形波導(dǎo)短路面。兩耦合環(huán)3用于最大限度地耦合毫米波矩形波導(dǎo)1中能量；兩微帶線阻抗變換段4用于在整個頻帶內(nèi)分別實(shí)現(xiàn)兩微帶耦合環(huán)3與兩標(biāo)準(zhǔn)微帶線5的阻抗匹配；微帶線兩側(cè)延伸的e面介質(zhì)基板用于固定微帶線。

在8毫米頻段(26.5ghz～40ghz)，本實(shí)施例所述波導(dǎo)-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(dǎo)1采用標(biāo)準(zhǔn)bj320尺寸(7.112mm×3.556mm)，其長度為8mm，這里記為端口1。兩耦合環(huán)的外半徑r1為1.42mm，內(nèi)半徑r0為1.32mm。獨(dú)立金屬條帶與耦合環(huán)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(huán)到波導(dǎo)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(huán)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后接兩路標(biāo)準(zhǔn)微帶輸出，這里分別記為端口2與端口3。

本實(shí)施例所述波導(dǎo)-微帶集成功率分配/合成器在八毫米頻段的電磁場仿真結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯觯涸诎撕撩撞ㄈl段內(nèi)(26.5ghz～40ghz)，端口駐波小于-21db；插損小于0.05db；兩微帶端口具有良好的幅度/相位一致性。

由以上結(jié)果可以看出，本發(fā)明所述波導(dǎo)-微帶集成功率分配/合成器在八毫米波全頻段實(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)八毫米波固態(tài)功率合成；其波導(dǎo)端口與兩微帶端口在同一傳輸方向，可應(yīng)用于毫米波寬帶徑向功分系統(tǒng)中。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。