CN107689473A - 一种磁激励耦合机制的波导检波单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微波技术领域的一种磁激励耦合机制的波导检波单元，解决了现有波导耦合检波器体积重量大、难以集成、波导腔需特殊工艺处理等问题。本发明使用磁激励耦合机制代替传统电场激励耦合来实现对波导主模的功率监测；采用平面探针环代替同轴探针，可大大减小检波器厚度；使用低温共烧陶瓷(LTCC)一体化成型结构代替分立器件的全金属封装结构。本发明结构尺寸小、重量低、一体化陶瓷结构无需特殊表面处理且易于集成，适用于小型化、高集成微波毫米波检波电路及***。

Description

一种磁激励耦合机制的波导检波单元
技术领域
本发明涉及微波电路及***中用于微波功率监测的电路设备，具体涉及一种波导耦合检波单元
技术背景
近年来，随着移动通信、卫星通信及雷达技术的飞速发展，越来越多的新技术应用于消费级市场，不断增长的用户需求带来了爆发式的数据带宽扩张，推进了现有通信设备工作频率的提升，对于卫星通信而言，Ka频段宽带应用已经渐渐步入主流，未来5G移动通信也瞄准了毫米波频段。
对于毫米波信号传输而言，随着工作频率及功率的提高，降低各设备间的互联损耗显得尤为重要。波导互联作为超高频互联的最重要依靠，具有***损耗低、稳定性高、成本低等优点。波导耦合检波器作为一种波导器件，可以实现毫米波信号的低损耗实时监测，方便毫米波电路及***的调试和维护，广泛应用于功率放大电路监控及自动增益控制电路。
传统波导耦合检波单元大多基于两种工作方式，一种为定向耦合检波，一种为探针直接耦合检波。第一种检波方式利用低损定向耦合器将波导主路信号按一定比例耦合至输出端，再对耦合信号进行检波输出，由于定向耦合器枝节长度取决于四分之一波长，基于该方法实现的波导检波器往往体积重量大，很难与现有设备集成；探针耦合检测方法是将同轴馈线延伸至矩形波导内形成电场激励探针，通过调节探针位置实现一定功率比例输出检测。但该方法需要独立的同轴检波器与之配套使用，同时由于同轴结构的限制，难以实现小型化设计。对于轻量化高集成毫米波***应用，上述两种波导检波器均无法兼顾性能与体积重量。
发明内容
针对现有波导检波器难以克服的问题，本发明提供了一种基于磁激励耦合机制的卡片式波导检波单元。
一种磁激励耦合机制的波导检波单元，包括检波器电路，其特征在于：还包括用于封装检波器电路的低温共烧陶瓷封装结构；所述的低温共烧陶瓷封装结构包括基板和开设在基板内的矩形波导腔，在基板的两个侧面围绕矩形波导腔，各印刷有一个接地平面，两个接地平面间通过导电通孔互连；所述的检波器电路包括磁场激励耦合探针、阻抗变换器和检波芯片；磁场激励耦合探针为磁激励环结构并置于矩形波导腔的窄边一侧，磁激励环一端与接地平面相连，另一端与阻抗变换器的磁激励信号输入端相连。
进一步的，在基板内还开设电路组件腔，阻抗变换器和检波芯片置于电路组件腔内。
进一步的，所述的磁激励结构为环形。
所述的电路组件腔为盲腔，在盲腔的开口位置配置有屏蔽盖。
本发明与现有技术比较，具有下述优点：采用平面探针磁场激励代替同轴电场激励，大大减小了波导检波器的厚度；在波导壁内嵌入检波器电路，提升了波导检波器集成度；LTCC一体化封装同时实现了波导腔体结构与封装结构，采用陶瓷代替金属大大减小了波导检波器的体积重量。采用本发明设计的波导检波器厚度小于5mm，重量小于20g，对比常规波导检波器，厚度及重量可降低5倍以上，且无需对金属波导腔进行特殊工艺处理，易于组装集成。
附图说明
图1是本发明实例的平面结构原理图；
图2是本发明实例的立体结构视图；
图3是本发明实例中的检波电路图；
图4是本发明实例中磁场激励耦合探针的工作原理图；
图5是本发明实例中阻抗变换器电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图，对本发明作进一步地详细说明。
图1、2、3为本发明的实施例。本发明提出的基于磁激励耦合机制的卡片式波导检波单元由基于磁激励耦合机制的检波电路1，以及用于封装检波器电路的低温共烧陶瓷(LTCC)封装结构2组成；所述的检波器电路1主要由磁场激励耦合探针3，阻抗变换器4,检波芯片5组成；所述的低温共烧陶瓷封装结构2主要由LTCC基板10，连接器11，屏蔽盖12组成；所述的LTCC基板10包含矩形波导腔13与电路组件腔14；所述的检波电路1中的探针3位于LTCC基板10的矩形波导腔13中，检波电路1中其余电路组件位于LTCC基板10的电路组件腔14中。
本发明所述的卡片式波导检波单元通过定位固定孔16嵌入到待测波导传输***中。图2中矩形波导腔13为信号低损传输路径，波导腔13可采用普通电镀或浆料涂覆工艺处理，在腔内实现低损耗互联及屏蔽。在LTCC基板10的两个侧面，围绕波导腔13，各印刷有一个接地平面15，两个接地平面间通过导电通孔互连。磁场激励耦合探针3置于波导腔13中，并从中耦合出所需要的信号，耦合信号经过阻抗变换器4馈入检波芯片5完成信号检波，最终检波信号经由连接器11输出。
对于具体实施示例中的磁场激励耦合探针3，其工作原理可以由图4说明。图中矩形波导腔13的高度为b，对于矩形波导腔，其传输主模为TE10模，磁场分布如图4中十字星17所示。磁场激励耦合探针3以磁激励环的形式实现，并置于波导腔的窄边一侧，其一端接地，一端与后端检波电路相接。由于磁激励环垂直于磁场方向，交变的磁场会在磁激励环中形成感应电流i，且其交变电场垂直于波导的交变磁场方向。图4所示的磁场激励耦合探针3可以使用低损耗浆料印刷在LTCC基板10上，通过改变其线条宽度与半径r可以实现探针耦合系数与工作频率的调节。
对于矩形波导主模TE10模，其波阻抗可表达为：
其中k0为波数，η0为真空波阻，β为相位系数。对于上述的磁场激励耦合探针3，可以看成一微环天线，在保证耦合度等指标的前提下需要优化其特征阻抗Z1，使之与矩形波导的TE10模波阻抗Zwg相匹配。具体实施时，检波器工作频率的变化会引起磁场激励耦合探针3的特征阻抗Z1变化。从微波传输原理上讲，检波器5可以理解为磁场激励耦合探针3的终端负载，对于不同种类的检波器，其阻抗值也不尽相同，为了实现信号传输最优化，需要设计阻抗变换器4，使得磁场激励耦合探针3的阻抗Z1与检波器阻抗Z3相匹配。
对于具体实施示例中的阻抗变换器4主要由阻抗匹配电路6、7组成。其中6为微带线匹配电路，其目的是将磁场激励耦合探针3的输入阻抗Z1 *变化至Z2，对于本示例，Z2可设计为50Ohm，
具体实施可使用射频设计师熟知的电磁仿真软件，优化得到最优的微带电路结构。此后，需要实现Z2至Z3的阻抗变换，对于上述的检波芯片5，其等效电路可以简化为图5中电阻Rv与电容Cj的并联，在小信号检波工作时，检波芯片5主要体现为高阻特性，且阻抗实部Rv远大于阻抗虚部Cj。在该条件下，Z2至Z3的阻抗变换可以由并联电阻7a、7b来实现，本示例中，使用两个并联100Ohm电阻是为了降低电阻本身的寄生参数影响。至此已经完成了从磁场激励耦合探针3到检波芯片5的阻抗匹配。
检波芯片5将磁场激励耦合探针3耦合出的射频功率转化为电压信号，8a、8b为检波滤波电路，可以滤除掉检波器5输出电平的高频干扰，本示例中8a可选择千欧姆量级的电阻，8b为百皮法量级的电容，实际应用时需结合信号频率及信号类型选择具体的元件数值。
具体实施中的LTCC基板10可采用Dupont、Ferro或者其他公司相应陶瓷材料制备；上述的检波器电路1中所有电路采用图形印刷工艺成型，检波芯片5、元件7a、7b、8a、8b使用导电胶或焊锡膏焊接到LTCC基板10上；最终检波电压经连接器11输出，所述的连接器11类型可以是金属、树脂、塑料等材料，其直接焊接到图三中微带线9上；上述的屏蔽盖12直接覆盖在电路组件腔14上，可以采用粘接或焊接的方式固定，其材料可以为金属、陶瓷、树脂等类型。
综上所述，本发明的上述实施例，解决了现有波导检波器体积重量大，加工工艺复杂，难以集成的问题。本发明所提供的基于磁激励耦合机制的卡片式波导检波单元，广泛适用于高密度、高集成波导传输***及相关应用中。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了消息说明，本领域的专业技术人员应当理解，对本发明具体实施所做的任何修改、替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种磁激励耦合机制的波导检波单元，包括检波器电路，其特征在于：还包括用于封装检波器电路的低温共烧陶瓷封装结构；所述的低温共烧陶瓷封装结构包括基板和开设在基板内的矩形波导腔，在基板的两个侧面围绕矩形波导腔，各印刷有一个接地平面，两个接地平面间通过导电通孔互连；所述的检波器电路包括磁场激励耦合探针、阻抗变换器和检波芯片；磁场激励耦合探针置于矩形波导腔的窄边一侧，磁激励探针一端与接地平面相连，另一端与阻抗变换器的磁激励信号输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种磁激励耦合机制的波导检波单元，其特征在于：在基板内还开设电路组件腔，阻抗变换器和检波芯片置于电路组件腔内。
3.根据权利要求1所述的磁场激励耦合探针其特征在于：所述的磁激励结构为环形。
4.根据权利要求2所述的一种磁激励耦合机制的波导检波单元，其特征在于：所述的电路组件腔为盲腔，在盲腔的开口位置配置有屏蔽盖。
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