一种毫米波波导-微带混合功率分配合成器的制作方法

本发明涉及微波-毫米波通信，更具体的是涉及一种毫米波波导-微带混合功率分配合成器。

背景技术：

1、在现代微波与毫米波通信系统中，功率分配器/合成器作为实现信号功率合成和分配的核心无源器件，广泛应用于相控阵雷达、卫星通信、5g/6g移动通信及无线能量传输等领域。随着工作频段向高频段扩展，系统对功分器的插入损耗、功率容量、幅相一致性及集成化水平提出了更高的要求。传统的单一传输线结构难以同时满足这些需求，因此，基于不同传输线特性的混合结构逐渐成为研究热点。

2、功率分配器/合成器的核心功能在于将输入信号按特定比例分配至多个输出端口，或反之将多路信号合成一路。早期功分器多采用同轴线、微带线或带状线结构，其中wilkinson功分器因结构简单、隔离度高而成为经典方案。然而，当工作频率进入毫米波频段，传统传输线的局限性日益凸显。微带线虽然便于平面集成，但导体损耗与介质损耗显著增加，导致插入损耗恶化；波导结构虽然具有低损耗与大功率容量的优势，但其三维立体结构导致体积庞大、加工困难且难以与现有平面电路兼容。

3、波导与微带线在物理机制与应用场景上呈现技术互补特性。波导依靠空气或低损耗介质传输电磁波，具有极低的损耗和极高的功率容量，其屏蔽性能优异，几乎可以忽略电磁泄漏问题，尤其适用于毫米波高功率传输场景。然而，波导的传输截面尺寸与工作波长呈正相关，易在阵列系统中导致结构臃肿，且其加工精度要求较高、成本高昂，与平面电路的集成转换结构（如探针、鳍线过渡）较为复杂。相比之下，微带线凭借平面化结构成为主流传输线，其介质基片上下表面的导体带与接地板设计可以通过光刻工艺批量加工，成本低廉且易与其他有源/无源器件集成，适用于多芯片模块与片上系统设计。此外，微带线尺寸远小于波导尺寸，利于小型化。但在毫米波频段，介质基片的介电损耗受限于导体表面粗糙度的趋肤效应损耗，使微带线插入损耗显著增加。

4、因此，融合波导与微带优势的过渡结构成为平衡性能与集成度的关键技术路径。除此之外，在毫米波组件中，常见的过渡结构为一路波导过渡到一路微带输出，在使用功分结构时，通常为先由波导过渡到微带电路之后，再通过微带功分电路进行功分。这种将过渡和功分结构分开设置的方式，导致电路尺寸较大，不利于小型化发展。尽管已有研究者提出将过渡与功分功能结合的方案，但现有方案仍存在体积较大、基板底部需要背短结构空间、隔离结构复杂等问题。因此，急需一种可以同时实现过渡和功分功能的结构，以推动毫米波系统的小型化发展。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：为了解决上述技术问题，本发明提供一种毫米波波导-微带混合功率分配合成器。

2、本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

3、本发明提供一种毫米波波导-微带混合功率分配合成器，包括非标扁矩形波导、介质基板、印刷金属图形以及隔离负载；

4、非标扁矩形波导垂直贴合于介质基板上表面，非标扁矩形波导包括扁矩形波导本体、波导输入端口和阶梯结构，波导输入端口设置在扁矩形波导本体的端部，阶梯结构设在扁矩形波导本体内，阶梯结构将电磁波传输方向弯折为垂直于介质基板的方向；

5、金属图形印刷在介质基板上，金属图形包含金属窗、第一微带传输线、第二微带传输线、隔离端口以及匹配微带；金属窗开设于非标扁矩形波导与介质基板的贴合区域；金属窗沿电磁波传输方向分出对称的第一微带传输线、第二微带传输线作为两路输出端口，金属窗延长线设置有与两条微带传输线垂直，共同构成t型支路，所述隔离端口设置在所述t型支路末端；所述隔离端口与所述匹配微带串联，所述隔离负载连接在所述匹配微带末端；

6、介质基板内部于第一微带传输线和第二微带传输线两侧以及隔离支路两侧排布金属通柱阵列，金属通柱贯穿介质基板上下表面；

7、介质基板上方设有相互独立的微带传输线空气腔和隔离端口空气腔，微带传输线空气腔用于包覆第一微带传输线和第二微带传输线，隔离端口空气腔用于包覆t型支路、隔离端口、匹配微带以及隔离负载。

8、在一个实施方式中，非标扁矩形波导为减高扁波导，减高扁波导的宽边垂直于介质基板平面，非标扁矩形波导的高度小于标准矩形波导的高度。

9、在一个实施方式中，阶梯结构为多级阻抗渐变阶梯，逐级缩小非标扁矩形波导垂直截面高度，平滑过渡非标扁矩形波导空气场至介质基板平面微带场。

10、在一个实施方式中，金属通柱阵列内的金属通柱等间距线性排布，相邻两根金属通柱中心间距小于器件工作频段1/4介质波长，各金属通柱等效封闭金属屏蔽壁约束电磁波传输路径。

11、在一个实施方式中，隔离负载通过接地，将端口失配产生的反射射频能量，阻断吸收并引导到地，吸收端口失配产生的反射射频能量。

12、在一个实施方式中，隔离端经过匹配微带线与50ω隔离负载进行阻抗匹配。

13、在一个实施方式中，金属窗尺寸小于非标扁矩形波导的截面尺寸，金属窗边缘设置容性裙边，金属窗容性裙边向外延伸，用于补偿波导与微带传输线之间的阻抗差，降低过渡插入损耗。

14、在一个实施方式中，器件工作频段覆盖26.3ghz~31.84ghz，输入端口回波损耗≤-20db，输出端口隔离度≥15db。

15、在一个实施方式中，微带传输线空气腔、隔离端口空气腔为分体独立金属腔体，腔体侧壁与金属通柱阵列对接，形成完整电磁屏蔽空间。

16、在一个实施方式中，能够反向作为功率合成器使用，具体如下：第一微带传输线和第二微带传输线作为射频输入端口，波导输入端口作为单路功率合成输出端口。

17、本发明的有益效果如下：

18、1、高度一体化，极致小型化：本发明将波导-微带过渡结构、两路功率分配结构、隔离匹配结构集成于单块介质基板上部，取消分体式过渡+功分两级串联架构，省去两段传输线连接空间；无需基板底部背短金属结构，仅单面光刻加工，纵向、横向尺寸同步缩减，解决传统方案模块臃肿问题，适配毫米波相控阵高密度阵列排布。相比传统双探针一体化功分，省去基板底部背短空间，整体体积降低40%以上。

19、2、低插入损耗，宽频阻抗匹配：扁波导低损耗空气传输路径搭配金属窗容性裙边、多级阶梯结构实现波导到微带平滑阻抗变换，消除两级级联带来的额外反射损耗；金属通柱阵列等效完整金属屏蔽壁，抑制电磁波侧向辐射泄露，大幅降低辐射损耗；器件在26.3~31.84ghz全频段输入回波损耗稳定在20db左右，传输损耗远低于纯微带功分器。

20、3、t型独立隔离支路，隔离性能优异：隔离支路沿金属窗中线垂直两路输出微带构成t型拓扑，失配反射能量经金属通柱引导全部耦合至隔离端口，通过匹配微带阻抗变换后由接地隔离负载完全吸收；25~31.33ghz频段内输出端口隔离度持续大于15db，两路输出通道间信号串扰微弱，保障相控阵雷达多通道幅相一致性。

21、4、加工装配简单，量产成本低：介质基板仅单面印刷金属图形，光刻工艺一次成型；扁波导、空气腔、介质基板分体装配，金属通柱可标准pcb沉铜工艺批量制备；隔离负载采用50ω标准负载，无需定制元器件；整体零部件数量少于传统分体结构，装配工序减少50%，适合大规模量产。

22、5、平面集成兼容性强：两路输出端口为标准微带传输线，可直接通过键合、贴片方式与毫米波芯片、微带滤波、移相器等平面射频器件无缝对接，无需额外转换结构，拓展器件在多芯片组件、片上射频系统中的应用场景。

23、6、高功率容量，屏蔽性能优良：输入侧采用扁矩形空气波导传输主功率，无介质损耗，耐受功率远高于纯微带功分器；分体独立空气腔全封闭包覆微带电路，配合金属通柱屏蔽阵列，电磁泄露可忽略，适用于毫米波高功率发射合成网络。