CN110190371B - 一种波导功分器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波导功分器，包括一段波导、刻蚀有平面电路的介质基板、两个隔离电阻、一个玻璃绝缘子和起固定作用的金属板。通过合理设计电路的尺寸，该电路可以完成功分的功能。测试结果表明，该波导功分器在34.6‑39 GHz范围内，回波损耗大于15 dB，整体电路插入损耗小于4 dB，隔离度大于20 dB。本发明可用于微波毫米波通信系统，其优点是结构紧凑、隔离度高、输出端口平面化、易于与其他平面电路集成。
Description
技术领域
本发明涉及微波毫米波电路领域，具体涉及一种波导功分器。
背景技术
功分器是现代无线通信系统如雷达、卫星通信中的关键电路，其性能对整个无线系统起着至关重要的作用。按功分器的实现形式可以将功分器分为微带功分器以及波导功分器。微带结构的功分器由于其具有平面结构，易于加工实现，近些年来，在微波电路中得到了广泛的应用。但随着工作频率的升高，基于微带结构的功分器的插损越来越大，难以满足系统的需求。而波导功分器由于其较小的插损以及较高的功率容量，在毫米波频段仍然受到大量的应用。因此，开展波导功分器的研究具有重要的意义。
近些年来，国内外众多学者对其开展了大量研究。很多波导功分器如E面波导分支线、魔T、波导T型结等纷纷见诸于报道。如文献“Qing-Xin Chu，Qiong-Sen Wu, and Da-YiMo. A ka-Band E-Plane Waveguide Magic-T With Coplanar Arms. IEEE Transactionson Microwave Theory and Techniques, vol. 62, no. 11, Nov. 2014”，报道了一个E面波导魔T结构。为了实现各个端口之间的匹配，该魔T采用了波导阶梯阻抗匹配结构和微带到波导探针过渡结构。文献“Zhengbin Xu, Jie Xu, and Yinjie Cui, etc. A NovelRectangular Waveguide T-Junction for Power Combining Application. IEEEMicrowave and Wireless Components LettersTechniques, vol. 25, no. 8, Aug.2015”报道了一个基于波导T型结的波导功分器。为了实现端口匹配和良好的隔离性能，从波导的中心面插入了一个微带探针结构。另外，采用波导阶梯阻抗的形式改善两个输出端口的阻抗匹配。以上两个功分器具有良好的端口隔离与匹配特性，是波导功分器的很好选择。但他们都存在三个共同的缺点：第一个是输出端口非平面化。由于输出端口是波导端口，这不利于与其他电路如功率放大器、低噪声放大器级联。第二个缺点是用于改善隔离措施的耦合探针一部分裸露在外，当该电路应用于系统中时会占用较大的面积，从而导致系统结构臃肿。第三个缺点是输出端口采用波导阶梯阻抗的形式，这会两个输出端口臂较长，不利于电路的小型化。
发明内容
本发明为了克服以上现有技术的不足而提出了一种波导功分器，其两个输出端口是平面化的。在两个端口之间了加入了隔离措施，因此该波导功分器具有良好的隔离性能。同时，由于隔离措施隐藏于波导腔内，因此该功分器还具有结构紧凑的优点。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种波导功分器，包括一段波导，刻蚀有平面电路的介质基板，隔离电阻，玻璃绝缘子和金属板，其中介质基板设置于金属板上，波导设置于介质基板上，在所述波导的内部对称设置两个脊波导，两个脊波导与介质基板垂直互联，两个脊波导之间设置有微带线，微带线的两端分别连接一个隔离电阻，隔离电阻设置于波导的内部并表贴于介质基板上；所述隔离电阻的一端与微带线连接，另一端接地；绝缘子设置于微带线中心处的金属板上，并从金属板的底部，经介质基板插入波导内部。
进一步的，所述波导与金属板四周通过螺丝固定，将介质基板夹在中间。
进一步的，所述波导的几何中心与介质基板的几何中心重合。
进一步的，所述绝缘子为玻璃绝缘子，包括内导体与外导体，所述内导体插入波导内部并与微带线连接；所述外导体与金属板连接。
进一步的，所述绝缘子设置于波导内部介质基板的几何中心，所述两个脊波导对称设置于所述绝缘子两边。
进一步的，所述介质基板上设置平面传输线，两个脊波导分别与对应侧的平面传输线连接。
进一步的，微带线的两端连接的两个隔离电阻的位置关于所述波导的E面对称。
更进一步的，所述平面传输线被金属屏蔽腔包围，在金属屏蔽腔和所述波导的周围有金属化过孔。
进一步的，绝缘子插入波导内部的高度优选为工作频率所对应波长的四分之一。
本发明提供的波导功分器，为了拓展工作带宽，脊波导可以采用多个阶梯过渡的形式，波导内腔形状为矩形，两个隔离电阻的位置关于波导的E面对称。隔离电阻一端接地，另一端与微带线相连，所述微带线平行于波导的宽边，位于波导的对称面上。
本发明中平面传输线可以是微带线形式，也可以是基片集成波导（SIW）的形式。该金属屏蔽腔也可以去除，但在波导与平面传输线相接触的部分需保留与金属屏蔽腔相同尺寸的窗口，以免平面传输线被短路。
本发明的优点和有益效果：
（1）两个输出端口是平面化的（可以根据电路的需要选择微带线形式，也可以是SIW的形式），易于与其他电路级联。
（2）玻璃绝缘子的内导体插入到波导场强最强处，耦合的能量传输至隔离电阻上，大大提高了隔离度。
（3）由于隔离措施隐藏于波导腔内，因此该电路的结构较为紧凑。
附图说明
图1是本发明实施例1中所述的波导功分器结构示意图；
图2是本发明实施例1中的S11、S21、 S23仿真与测试结果图；
图3是本发明实施例1中的S22、 S33仿真与测试结果图；
图4是本发明实施例1中的幅度与相位不均衡性仿真与测试结果图；
以上图1中，1为一段金属波导，2为介质基板，3为隔离电阻，4为绝缘子，5为金属板，6为平面传输线，7为微带线，8为金属化过孔，9为金属屏蔽腔。
具体实施方式：
实施例1
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明：图1所示为工作于35 GHz波导功分器的示意图。该功分器包括一段波导1，一段刻蚀有平面电路的介质基板2，两个隔离电阻3，一个玻璃绝缘子4和一个起支撑作用的金属板5。所述介质基板2设置于金属板5上，波导1设置于介质基板2上，波导1（所述波导传输线围成的腔）的尺寸为3.556mm×7.112mm，两个脊波导11对称设置于波导1内部并垂直互联于介质基板2上，脊波导11采用梯形脊波导的形式；波导1位于介质基板2的几何中心，两个脊波导11之间设置有微带线7，微带线7两端分别连接一个隔离电阻3；隔离电阻3设置于波导1内部，其一端与微带线7连接，另一端接地。绝缘子设置于微带线7中心处的金属板5上，从金属板5底部经介质基板2插入波导1内部。
进一步的，其中绝缘子4为玻璃绝缘子，该玻璃绝缘子位于波导1的几何中心，其内导体41插入波导1内部并与微带线7的中心连接，外导体42与金属板连接。两个脊波导11对称设置于玻璃绝缘子的两边，介质基板2上设置平面传输线6，两个脊波导11在各自侧分别与平面传输线6连接。本实施例中波导1的形状为矩形，该微带线7平行于波导1的宽边。微带线7的两端连接的两个隔离电阻3的设置位置关于波导1的E面对称。平面传输线6被金属屏蔽腔9包围，在金属屏蔽腔9和波导1的周围有金属化过孔8。本实施例中波导1的尺寸为3.556mm×7.112mm，脊波导11的尺寸为0.78mm×1.18mm×3.17mm，厚度为0.5mm；介质基片2使用厚0.254mm，介电常数为2.2，损耗正切角为0.0018，铜层厚度为0.018mm的Rogers 5880介质基片。两个隔离电阻的阻值均为100 欧姆。玻璃绝缘子的内导体直径为0.4mm，外导体直径为1.38mm，玻璃绝缘子插入波导1的高度为1.77mm。输出端口采用微带线的形式，线宽为0.7mm，屏蔽腔的尺寸为0.7mm×2mm。
图2-4给出了本实施例提供的波导功分器的仿真与测试结果对比，测试结果表明，采用本实施例的波导功分器，在34.6-39 GHz范围内，回波损耗大于15 dB，整体电路插入损耗小于4 dB，隔离度大于20 dB。特别地，在36.2-37.2 GHz范围内，该波导功分器的隔离度大于40 dB。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理、技术方案及有益效果，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员根据本发明公开的这些技术启示所做的任何修改、等同替换、改进等，仍然在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种波导功分器，其特征在于，包括一段波导（1），刻蚀有平面电路的介质基板（2），隔离电阻（3），绝缘子（4）和金属板（5），其中介质基板（2）设置于金属板（5）上，波导（1）设置于介质基板（2）上，在所述波导（1）的内部对称设置两个脊波导（11），两个脊波导（11）与介质基板（2）垂直互联，两个脊波导（11）之间设置有微带线（7），微带线（7）的两端分别连接一个隔离电阻（3），隔离电阻（3）设置于波导（1）的内部并表贴于介质基板（2）上；所述隔离电阻（3）的一端与微带线（7）连接，另一端接地；绝缘子（4）设置于微带线（7）中心处的金属板（5）上，并从金属板（5）的底部经介质基板（2）插入波导（1）的内部；
所述绝缘子（4）为玻璃绝缘子，包括内导体（41）与外导体（42），所述内导体（41）插入波导（1）的内部并与微带线（7）连接；所述外导体（42）与金属板（5）连接；
所述介质基板（2）上设置平面传输线（6），两个脊波导（11）分别与对应侧的平面传输线（6）连接，所述平面传输线（6）被金属屏蔽腔（9）包围，在金属屏蔽腔（9）和所述波导（1）的周围有金属化过孔（8）。
2.根据权利要求1所述的波导功分器，其特征在于，所述波导（1）的几何中心与介质基板（2）的几何中心重合。
3.根据权利要求1所述的波导功分器，其特征在于，所述绝缘子（4）设置于波导（1）内部的介质基板（2）的几何中心，所述两个脊波导（11）对称设置于所述绝缘子（4）两边。
4.根据权利要求1所述的波导功分器，其特征在于，微带线（7）的两端连接的两个隔离电阻（3）的位置关于所述波导（1）的E面对称。
5.根据权利要求1所述的波导功分器，其特征在于，绝缘子（4）插入波导（1）内部的高度是工作频率所对应波长的四分之一。
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