CN115458896B - 一种波导和端口的毫米波魔t - Google Patents

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    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/19—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port of the junction type
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Abstract

本发明涉及一种波导和端口的毫米波魔T。一种波导和端口的毫米波魔T，包括矩形波导和端口、两层介质基板和三层金属层。从两个微带线功分端口同时输入的两路信号，一方面通过耦合金属孔以及金属磁耦合微带线传输到矩形波导和端口中并叠加输出；另一方面通过第一种低阻微带线耦合到槽线中沿槽线传输并使两路信号相位差变化180°，在中心并联短路槽线叠加并耦合到第二种低阻微带线从微带线差端口输出。在现有基本理论上，采用两层介质基板与槽线结构，提供了一种矩形波导到微带结构的魔T。它具有尺寸较小，结构紧凑，集成度高的特性，实现了将三维电磁能量传递到二维电路的功能，同时易于加工，可以解决现有技术中魔T尺寸较大，集成度低的问题，同时使用了波导端口作为和端口，具有高功率特性，能广泛应用于各种微波毫米波电子***中。

Description

一种波导和端口的毫米波魔T
技术领域
本发明属微波毫米波电子***技术领域，涉及一种波导和端口的毫米波魔T。
背景技术
在微波毫米波电子***研发与生产高速发展的今天，魔T是微波、毫米波电路中的重要器件，被广泛应用于微波毫米波无线通信***、电子对抗设备、雷达收发***以及制导***等。它的性能好坏直接影响***的性能指标。
随着现代微波毫米波无线通信***的快速发展，各种仪器、设备对器件的尺寸、带宽的要求越来越苛刻，而现有的魔T普遍尺寸较大、集成度低，无法适应日益增加的小型化应用场景下的使用需求。因而研究和发展小型化、高集成度的魔T对于现代微波毫米波电子***的发展具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种波导和端口的毫米波魔T，它的功分端口与差端口均采用微带传输线，具有成本较低、结构紧凑、加工简单、装配容易、集成度高、易于与有源器件集成的特性，可以解决现有魔T结构尺寸较大、成本高、加工与装配复杂、集成度低的问题，特别适用于各种微波毫米波测量和电子***中。
为实现上述目的，本发明提出了一种波导和端口的毫米波魔T，其具体技术方案为：
一种波导和端口的毫米波魔T，包括矩形波导和端口、两层介质基板和三层金属层。
第一层金属层(13)包含两个第一层金属层磁耦合微带线(3)。每个第一层金属层磁耦合微带线(3)连接一个第一层介质基板中短路金属过孔(4)和一个从第一层金属层到第二层金属层的耦合金属过孔(5)，并分别通过一个耦合金属过孔(5)与第二层金属层的第一种低阻微带线(17)相连接，而两个第一种低阻微带线(17)分别与第二层金属层微带线功分一端口(9)和第二层金属层微带线功分二端口(10)相连接。
第一层介质基板(1)中金属化过孔围栏(6)将波导和端口(12)周围的第一层金属层(13)与中间公共金属层接地(7)相连接。
在中间公共金属层接地(7)上蚀刻中间公共金属层槽线(8)，中间公共金属层槽线(8)由两个关于中心轴对称的阶跃阻抗短路槽线(14)与一个位于中心的中心并联短路槽线(15)构成。第二层金属层的第一种低阻微带线(17)正对中间公共金属层槽线(8)两端的高阻抗短路槽线(16)，第二层金属层的第二种低阻微带线(18)正对中间公共金属层槽线(8)的中心并联短路槽线(15)。
本发明所提出的一种波导和端口的毫米波魔T，工作原理如下：
从第二层金属层微带线功分一端口(9)和第二层金属层微带线功分二端口(10)馈入等幅同相的微波信号时，一方面，信号通过两个第一种低阻微带线(17)传输到两个耦合金属过孔(5)，最终通过两个第一层金属层磁耦合微带线(3)将两路信号耦合到波导和端口(12)；由于耦合到波导和端口(12)的两路信号幅度相等，相位相同，两路信号叠加后从波导和端口(12)输出。
当从第二层金属层微带线功分一端口(9)和第二层金属层微带线功分二端口(10)馈入等幅同相的微波信号时，另一方面，信号通过两个第一种低阻微带线(17)耦合到两个高阻抗短路槽线(16)；然后两路信号传输到槽线中间的中心并联短路槽线(15)，由于在此处两路信号幅度相等，相位相反，在中心并联短路槽线(15)处没有信号；因此，没有信号从中心并联短路槽线(15)耦合到第二种低阻微带线(18)，第二层金属层微带线差端口(11)没有信号输出。此时，第二层金属层微带线差端口(11)与波导和端口(12)为隔离端口。
从第二层金属层微带线功分一端口(9)和第二层金属层微带线功分二端口(10)馈入等幅反相的微波信号时，一方面，信号通过两个第一种低阻微带线(17)传输到两个耦合金属过孔(5)，最终通过两个第一层金属层磁耦合微带线(3)将两路信号耦合到波导和端口(12)；由于耦合到波导和端口(12)的两路信号幅度相等，相位相反，两路信号叠加后，在波导和端口(12)没有信号输出。
当从第二层金属层微带线功分一端口(9)和第二层金属层微带线功分二端口(10)馈入等幅反相的微波信号时，另一方面，信号通过两个第一种低阻微带线(17)耦合到两个高阻抗短路槽线(16)；然后两路信号传输到槽线中间的中心并联短路槽线(15)，由于在此处两路信号幅度相等，相位相同，在中心并联短路槽线(15)处的信号会耦合到第二种低阻微带线(18)，最终从第二层金属层微带线差端口(11)输出信号。此时，波导和端口(12)与第二层金属层微带线差端口(11)为隔离端口。
本发明的优点和显著效果在于：
本发明所提出的一种波导和端口的毫米波魔T，具有成本低、尺寸小、结构紧凑、加工简单、装配容易、集成度高、易于与有源器件集成的特性。
本发明所提出的一种波导和端口的毫米波魔T，它采用矩形波导作为和端口，当这种波导和端口的毫米波魔T作为合成器电路使用时，由于合成的信号从波导和端口输出，具有高功率特性。
本发明所提出的一种波导和端口的毫米波魔T，主要能用于各种微波毫米波电子***中，在通信、雷达、测控、成像等微波毫米波电子***中具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明提出的一种波导和端口的毫米波魔T示意图；
图2是本发明提出的一种波导和端口的毫米波魔T的第一层金属层电路示意图；
图3是本发明提出的一种波导和端口的毫米波魔T的中间公共金属层接地示意图；
图4是本发明提出的一种波导和端口的毫米波魔T的第二层金属层电路示意图；
图5是实施范例中一种波导和端口的毫米波魔T的各端口回波损耗曲线；
图6是实施范例中一种波导和端口的毫米波魔T的各端口传输特性曲线；
图7是实施范例中一种波导和端口的毫米波魔T的隔离度曲线；
图8是实施范例中一种波导和端口的毫米波魔T的相位特性曲线；
附图中标号对应名称为：
第一层介质基板(1)、第二层介质基板(2)、第一层金属层磁耦合微带线(3)、第一层介质基板中短路金属过孔(4)、耦合金属过孔(5)、第一层介质基板中金属化过孔围栏(6)、中间公共金属层接地(7)、中间公共金属层槽线(8)、第二层金属层微带线功分一端口(9)、第二层金属层微带线功分二端口(10)、第二层金属层微带线差端口(11)、波导和端口(12)、第一层金属层(13)、阶跃阻抗短路槽线(14)、中心并联短路槽线(15)、高阻抗短路槽线(16)、第一种低阻微带线(17)、第二种低阻微带线(18)。
具体实施方式
为了使本发明要解决问题、技术方案和优点更加清晰，使本领域技术人员可通过本书明阐述的内容容易的了解到其优势和特点。下面将通过举例对本发明进行详细说明。
如图1所示为本发明提出的一种波导和端口的毫米波魔T。选择魔T的工作频段为X波段，该实例器件包括矩形波导和端口、两层介质基板和三层金属层。
当等幅同相同时从第二层介质基板上的两个微带功分端口输入时，一方面，信号经过第一种低阻微带线以及耦合金属过孔，传输到第一层介质基板的金属磁耦合微带线中并耦合到矩形波导端口。此时两路信号等幅同相，叠加后在矩形波导端口输出；
另一方面，等幅同相通过第一种低阻微带线耦合到中间公共金属层中的两个高阻抗短路槽线并沿槽线传输到达中心并联短路槽线，此时信号等幅反相，叠加并耦合到第二层金属层上的第二种低阻微带线，在微带线差端口无输出。
当等幅反相信号同时从第二层介质基板上的两个微带功分端口输入时，一方面，信号经过第一种低阻微带线以及耦合金属过孔，传输到第一层介质基板的金属磁耦合微带线中并耦合到矩形波导端口。此时两路信号反相，叠加后在矩形波导端口无输出；
另一方面，等幅反相信号通过第一种低阻微带线耦合到中间公共金属层中的两个高阻抗短路槽线并沿槽线传输到达中心并联短路槽线，此时信号同相，叠加并耦合到第二层金属层上的第二种低阻微带线，在微带线差端口输出。
其中，槽线实现的匹配电路使能量转换电路和魔T功能电路相互匹配。
其中，金属化过孔围栏作用是防止第一层介质基板中的电磁能量外泄。
其中，针对工作频率选择第一层金属磁耦合微带线的长度以及第一层介质基板的厚度。通常选择磁耦合微带线长度为二分之一工作波长，第一层介质基板厚度为四分之一工作波长。
令矩形波导端口为1端口，第二层金属层微带线功分一端口为2端口，第二层金属层微带线功分二端口为3端口，第二层金属层微带线差端口为4端口。
组合优化之后，除去矩形波导，横向尺寸约为33mm，纵向尺寸约为10mm，可见尺寸较小，结构紧凑。
图5为该波导和端口的毫米波魔T的回波损耗特性仿真结果，可以看出在工作频段内，S11、S22、S33、S44均小于-20dB，各端口的回波损耗小；
图6为该波导和端口的毫米波魔T的传输特性仿真结果，可以看出在工作频段内，S21、S31、S24、S34均约为3dB，表明该魔T传输特性良好；
图7该波导和端口的毫米波魔T的隔离度仿真结果，可以看出在工作频段内，S41、S23均小于-20dB，表明该魔T隔离性能良好；
图8该波导和端口的毫米波魔T的相位特性仿真结果，可以看出在工作频段内，deg(S21)-deg(S31)约为0°，deg(S24)-deg(S34)约为180°，表明该魔T相位特性良好。
可以看出该实例电路实现了魔T功能，并在工作频段内具有良好的匹配和隔离性能。隔离度和回波损耗优于20dB。

Claims (1)

1.一种波导和端口的毫米波魔T，其特征在于其包括第一层介质基板(1)、第二层介质基板(2)、第一层金属层磁耦合微带线(3)、第一层介质基板中短路金属过孔(4)、耦合金属过孔(5)、第一层介质基板中金属化过孔围栏(6)、中间公共金属层接地(7)、中间公共金属层槽线(8)、第二层金属层微带线功分一端口(9)、第二层金属层微带线功分二端口(10)、第二层金属层微带线差端口(11)、波导和端口(12)、第一层金属层(13)、阶跃阻抗短路槽线(14)、中心并联短路槽线(15)、高阻抗短路槽线(16)、第一种低阻微带线(17)、第二种低阻微带线(18)；
第一层介质基板(1)和第二层介质基板(2)构成背靠背结构，中间夹层为中间公共金属层接地(7)；第一层金属层(13)位于第一层介质基板(1)的相背于中间公共金属层接地(7)的另一侧，第二层金属层位于第二层介质基板(2)的相背于中间公共金属层接地(7)的另一侧；
中间公共金属层接地(7)上蚀刻有中间公共金属层槽线(8)，中间公共金属层槽线(8)由两个关于中心轴对称的阶跃阻抗短路槽线(14)与一个位于中心的中心并联短路槽线(15)构成；
第一层介质基板(1)中金属化过孔围栏(6)将波导和端口(12)周围的第一层金属层(13)与中间公共金属层接地(7)相连接；
第一层金属层(13)包含两个第一层金属层磁耦合微带线(3)；两个第一层金属层磁耦合微带线(3)的其中一个与一个第一层介质基板中短路金属过孔(4)和一个从第一层金属层到第二层金属层的耦合金属过孔(5)相连，并通过相连的耦合金属过孔(5)与两个第二层金属层的第一种低阻微带线(17)的其中一个相连；两个第一层金属层磁耦合微带线(3)中的另一个与另一个第一层介质基板中短路金属过孔(4)和另一个从第一层金属层到第二层金属层的耦合金属过孔(5)相连，并通过相连的耦合金属过孔(5)与两个第二层金属层的第一种低阻微带线(17)中的另一个相连接；
第二层介质基板(2)上有第二层金属层微带线功分一端口(9)、第二层金属层微带线功分二端口(10)、第二层金属层微带线差端口(11)；
第二金属层包含两个第二层金属层的第一种低阻微带线(17)和一个第二层金属层的第二种低阻微带线(18)；两个第二层金属层的第一种低阻微带线(17)的其中一个正对中间公共金属层槽线(8)一端的高阻抗短路槽线(16)，并与第二层金属层微带线功分一端口(9)相连；两个第二层金属层的第一种低阻微带线(17)中的另一个正对中间公共金属层槽线(8)另一端的高阻抗短路槽线(16)，并与第二层金属层微带线功分二端口(10)相连；第二层金属层的第二种低阻微带线(18)正对中间公共金属层槽线(8)的中心并联短路槽线(15)并与第二层金属层微带线差端口(11)相连。
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