專利名稱：毫米波3dB功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于毫米波集成電路技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及毫米波寬帶低損耗波導(dǎo)-微 帶3dB混合集成功率分配與合成網(wǎng)絡(luò)。
背景技術(shù)：
在毫米波固態(tài)集成技術(shù)中， 一個(gè)不可避免的話題就是毫米波系統(tǒng)傳輸結(jié)構(gòu) 與毫米波集成傳輸結(jié)構(gòu)的過渡連接問題一一即波導(dǎo)與微帶的過渡連接。經(jīng)過數(shù) 十年的發(fā)展，研究人員們已提出各種各樣的波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)，其中比較有代 表性的是波導(dǎo)-微帶E-面探針結(jié)構(gòu)。它具有低損耗、寬頻帶、便于加工、便于固 體器件集成等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用比較廣泛的一種波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)。在毫米波固態(tài)集成電路中，功率分配與合成主要依靠以Wilkinson電橋、 環(huán)形電橋等為代表的平面集成功率分配結(jié)構(gòu)，技術(shù)上主要還是要求低損耗、便 于加工以及固態(tài)器件安裝。由于采用固態(tài)集成傳輸線結(jié)構(gòu)，較高的損耗是這類 電橋突出的問題。同時(shí)，由于這類電橋中四分之一波長傳輸線段的引入，以及 尺寸上與毫米波長相比擬的拐彎、T形結(jié)、階梯變換等不連續(xù)性的引入，限制了 工作頻率帶寬。通常，毫米波集成功率分配與合成網(wǎng)絡(luò)包括波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)和微帶集成功率分 配/合成電橋兩部分，波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)毫米波系統(tǒng)傳輸線與微帶集成傳輸線的轉(zhuǎn) 換，微帶集成功率分配/合成電橋則完成功率分配/合成功能。從結(jié)構(gòu)上看，該電路網(wǎng)絡(luò) 由于包括兩部分電路單元，電路損耗也由兩部分組成；從分布參數(shù)傳輸理論來看，網(wǎng)絡(luò) 中含有兩種電路單元，工作帶寬應(yīng)該是兩者的交集。對(duì)毫米波電路而言，特別是毫米波 固態(tài)集成電路，電路損耗是一個(gè)重要的指標(biāo)。如上所述，毫米波波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)已 經(jīng)比較成熟，采用E-面微帶探針的波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)在八毫米甚至三毫米頻段都可以 實(shí)現(xiàn)全頻帶低損耗工作。限制毫米波固態(tài)集成功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)工作帶寬的是集成電橋 結(jié)構(gòu)， 一般采用單級(jí)電橋可以達(dá)到10%的工作帶寬，采用多級(jí)電橋可以達(dá)到更寬的工作 頻帶(比如30%),但其代價(jià)是可能使網(wǎng)絡(luò)損耗增加數(shù)倍。同時(shí)，由于毫米波波長短， 相應(yīng)多路電橋結(jié)構(gòu)尺寸小，集成多個(gè)大功率器件時(shí)，集中的多熱源為高功率固態(tài)器件正 常工作時(shí)的高效率散熱要求帶來了難題，也是常用毫米波多路功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)在高功 率固態(tài)系統(tǒng)應(yīng)用中難以突破的瓶頸所在。Vassilev， V.等研究了一種毫米波3-dB功率分配器["A new 3-dB power divider for millimeter —wavelengths"，作者Vassilev， V.; Belitsky, V.; Urbain， D.; Kovtonyuk, S.; Microwave and Wireless Components Letters, IEEE (see also IEEE Microwave and Guided Wave Letters) ， Volume 11， Issue 1， Jan 2001 Page(s):30 - 32]，此種功率分配器包括毫米 波矩形波導(dǎo)、兩個(gè)探針和兩條微帶傳輸線，兩個(gè)探針以矩形波導(dǎo)窄邊中心面為對(duì)稱面， 沿著矩形波導(dǎo)E—面相向垂直插入矩形波導(dǎo)，且位于波導(dǎo)的同一 E—面。由于該功率分 配器由簡潔的對(duì)稱結(jié)構(gòu)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)一微帶轉(zhuǎn)換與功率分配/合成功能，因而具有低 損耗、寬頻帶的優(yōu)點(diǎn)，但不足之處是空間利用率低，結(jié)構(gòu)松散，不便于實(shí)現(xiàn)更多路的分配/合成網(wǎng)絡(luò)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新型的毫米波3dB功率分配/合 成網(wǎng)絡(luò)。此種功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)不僅電路損耗低、頻帶寬，結(jié)構(gòu)緊湊、便于加工實(shí)現(xiàn)， 具有良好的散熱特性，便于毫米波固態(tài)高功率合成應(yīng)用，而且與波導(dǎo)魔T、波導(dǎo)分支電 橋配合使用，可方便地實(shí)現(xiàn)多路功率分配/合成。本發(fā)明所述毫米波3dB功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括毫米波矩形波 導(dǎo)、兩個(gè)探針和兩條微帶傳輸線，兩個(gè)探針是毫米波矩形波導(dǎo)與兩條微帶傳輸線之間的 過渡轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)；兩探針的形狀、構(gòu)造相同，兩探針在矩形波導(dǎo)上的安裝方式和安裝位 置是兩探針面對(duì)面沿著矩形波導(dǎo)E—面，從波導(dǎo)寬邊表面的同一開口垂直插入波導(dǎo)內(nèi)， 其插裝位置對(duì)稱于矩形波導(dǎo)的寬邊中心面，且兩探針中心線與矩形波導(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。矩形波導(dǎo)的寬邊中心面是電場強(qiáng)度最大的E—面，按上述安裝方式和安裝位置，兩 探針位于矩形波導(dǎo)的同一側(cè)、相互平行， 一探針在矩形波導(dǎo)的寬邊中心面之上的E—面， 一探針在矩形波導(dǎo)的寬邊中心面之下的E—面，兩探針?biāo)贓—面的電場強(qiáng)度相同。本發(fā)明所述毫米波3dB功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)中，插裝在矩形波導(dǎo)上的兩探針之間的 間距以滿足電路器件的裝載為限。結(jié)構(gòu)中由于探針間距即為兩微帶傳輸線之間的距離， 如果只是無源電路應(yīng)用，兩探針間距可以做得很小(0.5~lmm)，相應(yīng)可以得到較小的 開口長度b。如果在有源電路中應(yīng)用，探針間距尺寸必須計(jì)入有源器件的安裝尺寸；對(duì) 毫米波集成電路而言，以毫米波單片集成電路為主的毫米波固態(tài)集成器件尺寸厚度一般 小于0.1毫米，考慮到機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路裝配原因，探針間距可以取1 2mm。由于波導(dǎo)寬邊表面電流是順著波導(dǎo)傳輸方向周期性分布，且在波導(dǎo)寬邊中心電流流 向順著波導(dǎo)傳輸方向、分布弱，因此當(dāng)多探針由波導(dǎo)寬邊表面的開口插入時(shí)，要求所述開口盡量少、盡量小，且位于波導(dǎo)寬邊中央位置，以保證因?qū)掃叡砻骈_口而切斷的表面 電流線盡可能地少，從而減小對(duì)波導(dǎo)內(nèi)電磁場分布影響，達(dá)到全波導(dǎo)帶寬工作的目的。 鑒于上述機(jī)理，本發(fā)明所述毫米波3dB功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)只在矩形波導(dǎo)寬邊表面設(shè)置 了 一個(gè)插裝探針的開口 。插裝探針的開口為矩形開口 ，所述矩形開口尺寸的設(shè)計(jì)規(guī)則是開口寬度a (開口在波導(dǎo)傳輸方向上的尺寸)為微帶線寬與4 6倍微帶基片厚度之和； 開口長度b(開口在垂直波導(dǎo)傳輸方向上的尺寸)為兩微帶基片厚度與兩探針間距之和。本發(fā)明所述毫米波3dB功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)上巧妙地將微帶集成傳輸線與波 導(dǎo)立體傳輸線結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)與微帶能量全頻帶耦合的同時(shí)，達(dá)到了微帶等功率分配 輸出的目的。若以兩微帶為輸入接口，則能量在波導(dǎo)與微帶雙面探針轉(zhuǎn)換處同時(shí)實(shí)現(xiàn)了 波導(dǎo)全頻帶高效率的功率合成功能。 '本發(fā)明具有以下有益效果-1、 本發(fā)明所述毫米波3dB功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，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)明所述毫米波3dB功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)毫米波全波導(dǎo)帶寬波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換與功率分配/合成，具有寬頻帶工作特性。3、 本發(fā)明所述毫米波3dB功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)為混合集成功率合成/分配網(wǎng)絡(luò)，由 于波導(dǎo)微帶過渡轉(zhuǎn)換與功率分配/合成由同一結(jié)構(gòu)完成，電路損耗也只是由一個(gè)結(jié)構(gòu) 引起，經(jīng)過電磁場仿真優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)極低的電路損耗，其損耗數(shù)量上與單個(gè)波 導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)相當(dāng)(〈0.5dB)。4、 本發(fā)明所述毫米波3dB功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，兩路微帶線位于波導(dǎo)的同一邊， 呈面對(duì)面分布，結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，且可方便地與波導(dǎo)電橋如魔-T，波導(dǎo)分支電橋 等配合使用，實(shí)現(xiàn)更多支路的功率分配/合成。5、 本發(fā)明所述毫米波3dB功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)中，兩路微帶線之間具有足夠的間 距，便于固態(tài)器件集成與安裝。6、 本發(fā)明所述毫米波3dB功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)中，兩路微帶傳輸線呈面對(duì)面分布， 各自都具有獨(dú)立的散熱途徑，便于高功率固態(tài)應(yīng)用，特別是毫米波固態(tài)高功率合成應(yīng)用。7、 本發(fā)明所述毫米波3dB功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)中，探針以及微帶線加工可由成 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。


圖1為本發(fā)明所述毫米波3dB功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是插裝探針的開口在矩形波導(dǎo)寬邊表面的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明所述毫米波3dB功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)在八毫米波頻段的結(jié)構(gòu)尺寸圖(單位毫米)；圖4為本發(fā)明所述毫米波3dB功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)在八毫米波頻段的電磁場仿真結(jié)果圖。圖中，l一矩形波導(dǎo)、2—探針、3—微帶傳輸線、4一波導(dǎo)短路面、5—矩形開口、 a 一開口寬度、b—開口長度。
具體實(shí)施方式
本實(shí)施例為一種八毫米波3dB功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)如圖l所示，包括毫 米波矩形波導(dǎo)l、兩個(gè)形狀和構(gòu)造相同的探針2及兩條微帶傳輸線3;兩探針2面對(duì)面 沿著矩形波導(dǎo)E—面，從波導(dǎo)寬邊表面的矩形開口 5 (矩形開口 5的結(jié)構(gòu)如圖2所示) 垂直插入波導(dǎo)內(nèi)，其插裝位置對(duì)稱于矩形波導(dǎo)的寬邊中心面，且兩探針中心線與矩形波 導(dǎo)傳輸方向上的波導(dǎo)短路面4的理論間距為四分之一波導(dǎo)波長；兩探針2是毫米波矩形 波導(dǎo)1與兩條微帶傳輸線3之間的過渡轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。在八毫米頻段(26.5 40GHz)，本實(shí)施例所述毫米波3dB功率分配/合成網(wǎng)絡(luò) 各部分的主要尺寸如圖3所示。微帶基片采用Duroid5880,厚度為0.254毫米， 50歐姆微帶傳輸線3寬0.78毫米；兩探針2尺寸為寬0.6毫米，長1.5毫米， 由基片介質(zhì)(Duroid5880)支撐，兩探針的中心線與矩形波導(dǎo)傳輸方向上的波導(dǎo)短 路面4的間距為2.4毫米，兩探針之間的間距為2.0毫米；矩形波導(dǎo)1采用8毫 米波標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，規(guī)格為BJ-320，其短路面4倒角半徑為1毫米(以便于機(jī)械加 工，其帶來的電抗性影響已經(jīng)計(jì)入)。兩探針2與兩50歐姆微帶傳輸線3之間 由一段阻抗匹配段連接，以最小化連接不連續(xù)性，達(dá)到本地匹配的目的。根據(jù)上述尺寸，插裝探針的矩形開口5的尺寸設(shè)計(jì)開口寬度a應(yīng)滿足0.78毫 米+ 0.254毫米X (4 6) =1.796 2.304毫米，設(shè)計(jì)為2毫米；開口長度b為 0.254毫米X2 + 2.0-2.508毫米，取值2.5毫米。本實(shí)施例中所設(shè)計(jì)的開口尺寸都為實(shí)際安裝固態(tài)器件應(yīng)用時(shí)留足了余量。本實(shí)施例所述毫米波3dB功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)在八毫米頻段的電磁場仿真結(jié)果如 圖4所示，從圖4可以看出在26.5GHz 40GHz頻率范圍內(nèi)，端口 (波導(dǎo)口) 駐波小于-15dB，在33GHz處達(dá)到最小，約-32dB，兩微帶輸出口在整個(gè)頻帶內(nèi) 平分波導(dǎo)口饋入的功率，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱性， 一致性都特別地好，約-3.2dB左右。
權(quán)利要求
1、一種毫米波3dB功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，包括毫米波矩形波導(dǎo)(1)、兩個(gè)探針(2)和兩條微帶傳輸線(3)，兩個(gè)探針(2)是毫米波矩形波導(dǎo)(1)與兩條微帶傳輸線(3)之間的過渡轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其特征在于兩探針(2)的形狀、構(gòu)造相同，兩探針(2)面對(duì)面沿著矩形波導(dǎo)E-面，從波導(dǎo)寬邊表面的同一開口(5)垂直插入矩形波導(dǎo)內(nèi)，其插裝位置對(duì)稱于矩形波導(dǎo)的寬邊中心面，且兩探針中心線與矩形波導(dǎo)傳輸方向上的波導(dǎo)短路面(4)的理論間距為四分之一波導(dǎo)波長。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述毫米波3dB功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，其特征在于插裝在矩形波 導(dǎo)上的兩探針(2)之間的間距以滿足電路器件的裝載為限。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述毫米波3dB功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，其特征在于插裝在矩形波 導(dǎo)上的兩探針(2)之間的間距為0.5 2毫米。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述毫米波3dB功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，其特征在于矩形 波導(dǎo)寬邊表面的開口 (5)為矩形開口，所述矩形開口尺寸的設(shè)計(jì)規(guī)則是開口寬度a 為微帶線寬與4 6倍微帶基片厚度之和；開口長度b為兩微帶基片厚度與兩探針間距 之和。
全文摘要
一種毫米波3dB功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)，包括毫米波矩形波導(dǎo)、兩個(gè)形狀和構(gòu)造相同的探針和兩條微帶傳輸線；兩探針面對(duì)面沿著矩形波導(dǎo)E-面，從波導(dǎo)寬邊表面的同一開口垂直插入矩形波導(dǎo)內(nèi)，其插裝位置對(duì)稱于矩形波導(dǎo)的寬邊中心面，且兩探針中心線與矩形波導(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。所述毫米波3dB功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)毫米波全波導(dǎo)帶寬波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換與功率分配/合成，具有頻帶寬、損耗低、易于加工以及便于固體器件安裝、結(jié)構(gòu)緊湊、可方便地實(shí)現(xiàn)多路功率分配/合成等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01P5/12GK101242020SQ20081004486
公開日2008年8月13日 申請日期2008年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月29日
發(fā)明者波 延, 徐銳敏, 謝小強(qiáng) 申請人:電子科技大學(xué)