CN121172425B - 一种矩形波导微带功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矩形波导微带功分器，涉及微波器件领域，解决了现有技术在功率处理能力不足的问题。其技术方案要点是：沿矩形波导的宽边中心线方向，在上波导体和下波导体各悬置一个微带探针；其中，所述上波导体与下波导体悬置的微带探针以矩形波导的宽边中心线为对称面形成面对面的双探针结构；在两个微带探针的端面形成有波导隔离结构，以用于吸收双探针结构产生的互耦信号。

Description

一种矩形波导微带功分器

技术领域

本发明涉及微波器件领域，更具体地说，它涉及一种矩形波导微带功分器。

背景技术

微波是波长介于1 m -1 mm的电磁波，对应频率300 MHz-300 GHz。微波是当今无线信息传递的主要载体，广泛应用于通信、雷达、电子对抗、遥测遥感、工业生产等领域。功分器是微波电路中应用最多的器件之一，其主要功能是将微波信号分为2路或以上不同功率大小的相干信号，同时也可反过来将多路不同功率的微波信号合成一路输出。整个过程中微波信号的频率无变化，只有幅度与相位发生了改变。

功分器的电路形式多种多样，包括Wilkinson电桥、Lange电桥、分支线电桥、T型节和魔T等结构。根据应用需求，可采用微带线、带状线、同轴线、共面波导、基片集成波导、矩形波导等多种微波传输线独立或混合实现。其中，矩形波导与微带线混合型功率分配器具有独特优势：矩形波导作为主端口可承载高功率，而微带线分支端则便于集成半导体器件。这类功率分配器通常通过在波导内部对称布置多个微带探针，同步实现信号过渡和功率分配功能。由于采用一体化过渡与功分设计，波导—微带功分器具有结构紧凑、插入损耗小的显著优点。

根据微带探针插入波导位置的不同，可以形成多种结构形式的波导—微带功分器。其中一种典型结构是在矩形波导同一侧宽边上对称插入两个微带探针，这两个探针以波导宽边中心为镜像对称面，形成面对面的双探针结构。该结构通过耦合矩形波导中的微波信号，将其等幅同相地分配到两个微带线上。然而，这种常规结构存在明显局限：虽然实现了功率分配功能，但由于缺乏隔离电路设计，两个微带探针之间的隔离度理论上仅能达到6dB。这一性能缺陷使其难以满足相控阵馈线网络、平衡混频器以及高功率合成系统等应用场景的需求。

目前，提升矩形波导-微带双探针功分器隔离度的技术已有若干方案。例如，中国专利CN113258244A提出了一种矩形波导微带0°相差高隔离度宽带功分器，该方案通过在矩形波导内垂直于微带探针端面的位置设置非接触式薄膜电阻的方法，利用薄膜电阻吸收两个微带探针间耦合电场的垂直分量，从而改善隔离性能。然而，该方案存在两个主要技术缺陷：1）隔离电路采用悬置式结构，缺乏有效的热传导路径，导致功率处理能力受限；2）电阻非接触精度要求很高，导致结构实现难度较大，难以批量生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种矩形波导微带功分器，解决了现有技术在功率处理能力不足的问题。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

本发明提供了一种矩形波导微带功分器，沿矩形波导的宽边中心线将矩形波导微带功分器剖分为镜像对称的上波导体和下波导体，沿矩形波导的宽边中心线方向，在上波导体和下波导体各悬置一个微带探针；其中，所述上波导体与下波导体悬置的微带探针以矩形波导的宽边中心线为对称面形成面对面的双探针结构；

在两个微带探针的端面形成有波导隔离结构，以用于吸收双探针结构产生的互耦信号。

在一种实现方案中，所述波导隔离结构包括H面波导、分叉波导和AlN基薄膜电阻。

在一种实现方案中，在矩形波导的宽边处设置有与微带探针一侧端面正交的所述H面波导，以用于收集并传导双探针结构产生的互耦信号；其中，所述H面波导的窄边与双探针结构产生的互耦信号的电场力线平行；

分别在两个H面波导远离微带探针的一侧端面进行T形分叉，以分别在上波导体和下波导体中形成所述分叉波导；

在所述分叉波导上水平设置所述AlN基薄膜电阻，以用于最终吸收双探针结构产生的互耦信号。

在一种实现方案中，所述H面波导与矩形波导相互正交。

在一种实现方案中，在微带探针背面的矩形波导内开设有波导凹槽；其中，所述波导凹槽的宽度与所述矩形波导的宽度一致。

在一种实现方案中，所述H面波导的窄边壁面侧设置有膜片。

在一种实现方案中，分别在上波导体与下波导体的背面通过螺钉固连同轴连接器，矩形波导作为矩形波导微带功分器的输入端，位于上波导体与下波导体的同轴连接器作为矩形波导微带功分器的输出端。

在一种实现方案中，所述微带探针另一侧通过高阻抗变换线转换为50Ω微带线。

在一种实现方案中，在无源应用中，所述50Ω微带线远离微带探针的一端开孔供同轴连接器内导体从腔体背面穿过后焊接连接；

在有源应用中，所述50Ω微带线远离微带探针的一端与MIC通过金丝实现键合。

在一种实现方案中，所述微带探针与矩形波导的宽边中心线相互平行。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明在两个微带探针的端面形成H面波导、分叉波导以及AlN基薄膜电阻共同构成的波导隔离终端，使矩形波导微带功分器在20%相对带宽内的隔离度提升至15dB以上；同时，采用底面与金属腔体紧密接触的AlN基薄膜电阻吸收互耦信号，形成高效散热路径，显著提高了功率处理能力；此外，本发明提供的矩形波导微带功分器的结构加工与装配工艺简单，可实现批量生产。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的矩形波导微带功分器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的矩形波导微带功分器的前视图；

图3为本发明实施例提供的矩形波导微带功分器的参数仿真图。

附图标记及附图说明：

1、上波导体；2、下波导体；3、矩形波导；4、同轴连接器；5、微带探针；6、高阻抗变换线；7、50Ω微带线；8、H面波导；9、波导凹槽；10、膜片；11、分叉波导；12、AlN基薄膜电阻。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

需说明的是，可在本申请的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所申请的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本申请的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

需要理解的是，诸如术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

图1为本发明实施例提供的矩形波导3微带功分器的结构示意图，如图1所示，沿矩形波导3的宽边中心线将矩形波导3微带功分器剖分为镜像对称的上波导体1和下波导体2，沿矩形波导3的宽边中心线方向，在上波导体1和下波导体2各悬置一个微带探针5；其中，上波导体1与下波导体2悬置的微带探针5以矩形波导3的宽边中心线为对称面形成面对面的双探针结构；

在两个微带探针5的端面形成有波导隔离结构，以用于吸收双探针结构产生的互耦信号。

具体而言，矩形波导是一种用于传输微波信号（通常频率在1GHz以上）的金属空芯管，其横截面为矩形。它是微波工程中最基本、最常用的传输线结构之一。

在上波导体1、下波导体2内设置有悬置的微带探针5，如图2所示，微带探针5与矩形波导3的宽边中心线相互平行，用于耦合矩形波导3中的信号。信号经过高阻抗变换线6进行阻抗匹配后，可高效传输至50Ω微带线7。由于上波导体1与下波导体2呈镜像对称结构，因而在固连后可形成面对面的微带双探针结构。当微波信号从矩形波导3输入时，会被镜像对称布置的微带双探针同时耦合，形成两个分路，从而实现矩形波导3微带的功率分配功能。

若微波信号从任意一个微带探针5输入，则会被其镜像对称的另一个微带探针5耦合，从而在功分器的分路间形成串扰。为了解决分路间串扰问题，本发明在在矩形波导3的宽边处设置有与微带探针5一侧端面正交的H面波导8，以用于收集并传导双探针结构产生的互耦信号，由于平置的矩形波导通常称为H面波导，其特点是电场力线为垂直方向，因此H面波导8的窄边与双探针结构产生的互耦信号的电场力线平行，故而可有效收集互耦信号。并且，由于在设置时，使H面波导8与矩形波导3相互正交，故此矩形波导3中传输的微波信号不会进入H面波导8，故而不影响功分器正常的功率分配功能。

为进一步处理双探针结构产生的互耦信号，分别在两个H面波导8远离微带探针5的一侧端面进行T形分叉，以分别在上波导体1和下波导体2中形成分叉波导11；本发明在H面波导8后连接T形分叉波导11，将信号分为两路分别垂直传输至上波导体1和下波导体2。最后在分叉波导11的终端水平放置AlN基薄膜电阻12，实现对互耦信号的最终吸收。可以理解的是，本发明提出的波导隔离结构还提升了矩形波导3微带功分器的隔离度。

AlN基薄膜电阻是指在氮化铝陶瓷基板上，通过物理气相沉积等薄膜工艺制作而成的电阻元件。基板可采用氮化铝，电阻体是一层非常薄（通常几十纳米到几百纳米）的电阻薄膜。采用溅射、蒸发等薄膜工艺，即可得到AlN基薄膜电阻。其核心价值在于将AlN基板的优异性能与薄膜技术的精密特性相结合。

如图3所示，在以34.5GHz为中心频率的约20%相对带宽内，矩形波导3端口回波低于-20dB，两个微带线分支端传输为相等的-3dB等功率分配，且回波低于-13dB，隔离度高于15dB。

本发明在两个微带探针5的端面形成H面波导8、分叉波导11以及AlN基薄膜电阻12共同构成的波导隔离终端，使矩形波导3微带功分器在20%相对带宽内的隔离度提升至15dB以上；同时，采用底面与金属腔体紧密接触的AlN基薄膜电阻12吸收互耦信号，形成高效散热路径，显著提高了功率处理能力。

具体的，在微带探针5背面的矩形波导3内开设有波导凹槽9；其中，波导凹槽9的宽度与矩形波导3的宽度一致。具体的，H面波导8的窄边壁面侧设置有膜片10。

在本实施例中，波导凹槽9与膜片10的是作用是改变电路中的分布电感，进而起到抵消波导微带耦合电容的目的，从而调节矩形波导3微带功分器的阻抗匹配。

具体的，分别在上波导体1与下波导体2的背面通过螺钉固连同轴连接器4，矩形波导3作为矩形波导3微带功分器的输入端，位于上波导体1与下波导体2的同轴连接器4作为矩形波导3微带功分器的输出端。具体的，微带探针5另一侧通过高阻抗变换线6转换为50Ω微带线7。

同轴连接器4通过螺钉安装在腔体背面，等效于将同轴线的外导体与腔体连通。同轴线的内导体则顺势穿过腔体上的开孔进入腔体内部。同时，将腔体内的50Ω微带线7的终端也开孔，这样同轴内导体还可以穿过微带线。将穿过来的同轴内导体与微带线焊接在一起，即可实现微带线与同轴内导体的电连接。由此就可以将位于腔体内的射频信号传输到腔体外的同轴连接器4中，便于测试。

具体的，在无源应用中，50Ω微带线7远离微带探针5的一端开孔供同轴连接器4内导体从腔体背面穿过后焊接连接；在有源应用中，50Ω微带线7远离微带探针5的一端与MIC通过金丝实现键合。

需要说明的是，本实施例描述的焊接与键合方式是目前现有技术中是已经实现的，故此本实施例不对此部分内容的工作原理做多余的赘述。在提供的无源应用与有源应用时，本发明具有良好的工艺性和MIC集成便利性，因而兼具高功率容量与易于有源集成的双重优势。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种矩形波导微带功分器，沿矩形波导的宽边中心线将矩形波导微带功分器剖分为镜像对称的上波导体和下波导体，其特征在于，沿矩形波导的宽边中心线方向，在上波导体和下波导体各悬置一个微带探针；其中，所述上波导体与下波导体悬置的微带探针以矩形波导的宽边中心线为对称面形成面对面的双探针结构；

在两个微带探针的端面形成有波导隔离结构，以用于吸收双探针结构产生的互耦信号；其中，所述波导隔离结构包括H面波导、分叉波导和AlN基薄膜电阻；

在矩形波导的宽边处设置有与微带探针一侧端面正交的所述H面波导，以用于收集并传导双探针结构产生的互耦信号；其中，所述H面波导的窄边与双探针结构产生的互耦信号的电场力线平行；

分别在两个H面波导远离微带探针的一侧端面进行T形分叉，以分别在上波导体和下波导体中形成所述分叉波导；

在所述分叉波导上水平设置所述AlN基薄膜电阻，以用于最终吸收双探针结构产生的互耦信号；

所述H面波导与矩形波导相互正交。

2.根据权利要求1所述的一种矩形波导微带功分器，其特征在于，在微带探针背面的矩形波导内开设有波导凹槽；其中，所述波导凹槽的宽度与所述矩形波导的宽度一致。

3.根据权利要求1所述的一种矩形波导微带功分器，其特征在于，所述H面波导的窄边壁面侧设置有膜片。

4.根据权利要求1所述的一种矩形波导微带功分器，其特征在于，分别在上波导体与下波导体的背面通过螺钉固连同轴连接器，矩形波导作为矩形波导微带功分器的输入端，位于上波导体与下波导体的同轴连接器作为矩形波导微带功分器的输出端。

5.根据权利要求4所述的一种矩形波导微带功分器，其特征在于，所述微带探针另一侧通过高阻抗变换线转换为50Ω微带线。

6.根据权利要求5所述的一种矩形波导微带功分器，其特征在于，在无源应用中，所述50Ω微带线远离微带探针的一端开孔供同轴连接器内导体从腔体背面穿过后焊接连接；

在有源应用中，所述50Ω微带线远离微带探针的一端与MIC通过金丝实现键合。

7.根据权利要求1所述的一种矩形波导微带功分器，其特征在于，所述微带探针与矩形波导的宽边中心线相互平行。