大功率微波均衡器的制作方法

1.本发明涉及微波无源器件技术领域，具体涉及一种大功率微波均衡器。


背景技术：

2.微波幅度均衡器(equalizer)通常用于通信或者雷达系统的放大器电路中，起到抚平工作频带内增益波动的作用。微波幅度均衡器能够产生与原电路增益频响曲线相反的衰减曲线，使得电路输出平坦的微波功率。
3.均衡器对不同频段、不同产品、不同工作环境都有特殊需求，很难用一般性理论和设计方法来解决所有问题。所以，往往需要构建优化的物理模型去仿真计算以弥补理论上的不足。增加均衡器衰减幅度的可调节范围，提高均衡器的工作稳定性，能够适应复杂均衡曲线调节要求，同时，插入损耗低，回波损耗小、生产成本低是均衡器设计领域的永恒追求。


技术实现要素：

4.微波幅度均衡器(equalizer)通常用于通信或者雷达系统的放大器电路中，起到抚平工作频带内增益波动的作用。微波幅度均衡器能够产生与原电路增益频响曲线相反的衰减曲线，使得电路输出平坦的微波功率。1969年e.g.cristal(e.g.cristal.theory and design of transmission line all
‑
pass equalizers.ieee transactions on microwave theory and techniques.1969；17(1):28
‑
38)首次提出传输线均衡器的一般性理论，之后研究人员用不同的技术设计出了各种均衡器。例如，e.song等人(e.song,et al.awide
‑
band passive equalizer design on pcb based on near
‑
end crosstalkand reflections for 12.5gbps serial data transmission.ieee microw.wireless compon.lett.2018；18(12):794
‑
796.)使用紧耦合传输线结构实现了能够精确控制衰减量的宽带无源均衡器，但该均衡器只能承受低功率。y.shim等人(y.shim,et al.acompact andwideband passive equalizer design using a stub with defected ground structure for high speed data transmission.ieee microw.wireless compon.lett.2010；20(5):256
‑
258.)提出用带缺陷地结构的枝节线设计紧凑型宽带无源均衡器，该设计基于慢波效应下的反射，也只能承受低功率。专利cn207992840u中公开了一种具有自我保护功能的微波均衡器设置自动断路器，防止微波均衡器本体过载导致本体损坏。该结构设置了循环散热管，复杂度高，体积偏大，稳定性较差。专利cn208226060u中公开了一种斜率可变微波均衡器，该微波均衡器包括金属地线、电介质层、薄膜电阻、金属导线、电容和金丝。该结构的幅度调节范围小，低频处s21曲线可调范围为
‑
4～
‑
9db，均衡斜率可调整(最大调整范围5db)，高频处不可调，不适用于传输曲线(s21)复杂的情况。cn208062229u中公开了一种宽带可调大功率微波均衡器，在微波传输线每隔四分之一波长加载一个微波谐振器，在主传输线上加载谐振枝节形成微波谐振器，同轴腔内加微波吸收材料传输谷点，在多级谐振枝节配合就可以形成特定的均衡曲线，该方案结构不够固定，调节繁复，在后期使用中需要经常维护，不适宜用在移动、颠簸的载体环境。专利
cn202564518u中提供了一种微波均衡器，该结构利用微机电系统(mems)开关的通断达到对微波均衡器传输线枝节长度控制的目的，从而实现不同均衡曲线之间的转换，该结构实际制作难度大，可调范围小，不能广泛适应复杂均衡曲线。
5.相关技术之中，在需要均衡器实现复杂的传输曲线时，需要级联大量足够多的同轴谐振腔才能实现，这会显著增加微波均衡器的体积，也会增加很多的调螺，带来很大的调试工作量，成本较高。
6.本发明为了解决上述技术问题，提供了一种大功率微博均衡器。
7.本发明采用的技术方案如下：
8.本发明实施例提出了一种大功率微博均衡器，包括：壳体、多个级联的可调谐振腔、多个轴向调螺、多个可调螺母、盖板、铁氧体吸波棒、顶部调螺、直通传输线、介质基板及两个同轴端口，其中，多个所述可调谐振腔、所述多个轴向调螺、所述多个可调螺母一一对应设置，所述多个级联的可调谐振腔体位于所述壳体内，所述轴向调螺设置在对应的所述谐振腔的内部，所述可调螺母设置在对应的所述轴向调螺的前端，所述盖板覆盖多个所述可调谐振腔，所述铁氧体吸波棒及所述顶部调螺设置在所述盖板上、并透过所述盖板插入所述可调谐振腔，相邻的两个所述可调谐振腔之间通过隔板间隔开来，其中，每个所述隔板与所述壳体的后壁之间具有间隙，使得多个所述可调谐振腔与所述壳体的后壁之间形成有容置空间，所述介质基板设置在所述容置空间内，所述直通传输线设置在所述介质基板上，所述直通传输线通过在微带线上刻蚀马刺线得到，所述马刺线的开槽形状为l型，两个所述同轴端口分别设置于所述壳体的左壁和右壁，所述马刺线穿过两个所述同轴端口。
9.另外，根据本发明上述实施例提出的大功率微波均衡器还可以具有如下附加的技术特征：
10.根据本发明的一个实施例，所述马刺线的谐振频率与所述马刺线的开缝长度相关，其中，所述开缝长度越长，所述谐振频率越小。
11.根据本发明的一个实施例，所述马刺线的谐振点位于可调工作频率范围的上边频。
12.根据本发明的一个实施例，所述马刺线的开缝宽度w
c
的范围为0.2mm～0.4mm、开缝长度l
c1
的范围为24mm～32mm及开缝高度l
c2
的范围为0.4mm～0.8mm。
13.根据本发明的一个实施例，所述马刺线的开缝宽度w
c
＝0.3mm、开缝长度l
c1
＝28.4mm及开缝高度l
c2
＝0.6mm。
14.根据本发明的一个实施例，每个所述谐振腔的长度l的范围为20mm～40mm、及高度h的范围为10mm～13mm，所述可调螺母的长度l
s
的范围为9mm～11mm，所述铁氧体吸波棒与所述顶部调螺间的间距l1的范围为20mm～23mm，所述顶部调螺与所述可调螺母间的间距l2的范围为14mm～16mm，所述轴向调螺的直径d的范围为2mm～3mm。
15.根据本发明的一个实施例，所述介质基板为厚度为0.508mm的rogers5880基板。
16.根据本发明的一个实施例，所述微带线的宽度w0＝1.55mm。
17.根据本发明的一个实施例，所述直通传输线的输入、输出端口的特性阻抗为50欧姆。
18.根据本发明的一个实施例，所述多个级联的可调谐振腔为13个级联的可调谐振腔。
19.本发明实施例的技术方案，将马刺线和可调谐振腔结合起来构成大功率微波均衡器、并采用马刺线作为直通传输线，可以在实现负载传输特性的同时，减少级联的可调谐振腔的数量，进而减少均衡器的体积，降低调试工作量。
附图说明
20.图1为本发明实施例的马刺线结构的俯视图。
21.图2为本发明实施例的平行耦合传输线的电路模型示意图。
22.图3为本发明实施例的马刺线的等效平行耦合传输线电路模型示意图。
23.图4为本发明实施例的大功率微波均衡器的结构分解图。
24.图5为本发明一个实施例的单腔体微波均衡器的结构示意图。
25.图6为本发明一个示例的单腔体微波均衡器内有无轴向调螺时其内部的场强分布图。
26.图7为本发明一个示例的单腔体微波均衡器的传输特性随着轴向调螺与直通传输线之间的间距g变化情况的示意图。
27.图8为本发明一个示例的马刺线的开缝长度对谐振频率的影响示意图。
28.图9为本发明一个示例的马刺线作为直通传输线与微带线作为直通传输线的实测结果比较示意图。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.需要说明的是，本发明实施例中采用的马刺线是一种简单、紧凑的共面微带线缺陷结构，经常用于滤波器设计。图1所示为马刺线的俯视图，是通过在微带线上蚀刻l形缝隙得到的，背面是覆铜接地面。
31.本发明实施例中，马刺线可以通过平行耦合传输线网络进行分析。图2所示为平行耦合传输线网络模型，根据平行耦合传输线理论，该非均匀网络的阻抗矩阵可以表示为：
[0032][0033]
其中z
0e
、z
0o
分别是偶模和奇模特性阻抗，θ
e
,、θ
o
分别是偶模和奇模电长度。
[0034]
就马刺线而言，它可以等效为如图3所示的加载了终端条件的平行耦合传输线，其端口电压、电流为：
[0035][0036]
将马刺线的终端条件代入平行耦合传输线网络的阻抗矩阵可得到二端口网络的电压、电流为
[0037][0038]
从式(3)可看出马刺线可等效为两段传输线的串联结构，其中一段传输线的特性阻抗为z
0e
/2，电长度为z
0e
/2，另一段传输线的特性阻抗为z
0o
/2，电长度为θ
o
。对于短路枝节线而言，当θ
o
＝π/2时其阻抗为无穷大，当θ
o
＝π时其阻抗为零。
[0039]
基于马刺线，本发明实施例提出了一种大功率微波均衡器。可以在实现复杂传输曲线的同时，减少谐振腔的数量，进而减小均衡器的体积，减少调试工作量、且成本较低。
[0040]
图4为本发明实施例的大功率微波均衡器的示意图。
[0041]
如图4所示，该大功率微波均衡器包括：壳体1、多个级联的可调谐振腔体、多个轴向调螺3、多个可调螺母4、盖板5、铁氧体吸波棒6、顶部调螺7、直通传输线8、介质基板9及两个同轴端口10。
[0042]
其中，多个可调谐振腔体2、多个轴向调螺3、多个可调螺母4一一对应设置，多个级联的可调谐振腔体2位于壳体1内，轴向调螺(也可称为调谐螺钉)3设置在对应的谐振腔2的内部，可调螺母4设置在对应的轴向调螺3的前端(谐振腔内的轴向方向远离壳体的后壁的一端)，可调螺母4用于调节对应的谐振腔2的腔体体积，轴向调螺3用于调节对应的谐振腔2的频率和品质因素；盖板5覆盖多个可调谐振腔体2，铁氧体吸波棒6及顶部调螺7(也可称为顶部的调谐螺钉)设置在盖板5上、并透过盖板5插入可调谐振腔2，顶部调螺7用于调节频率响应曲线的幅度；相邻的两个可调谐振腔2之间通过隔板间隔开来，其中，每个隔板与壳体1的后壁之间具有间隙，使得多个可调谐振腔2与壳体1的后壁之间形成有容置空间，介质基板9设置在容置空间内，直通传输线8(直通传输线的输入、输出端口的特性阻抗为50欧姆)采用pcb工艺印制在介质基板9(介质基板为厚度为0.508mm的rogers5880基板)上，直通传输线8通过在微带线上刻蚀马刺线得到，马刺线的开槽形状为l型，两个同轴端口10分别设置于壳体1的左壁和右壁，马刺线穿过两个同轴端口10。
[0043]
具体地，在实际应用中，在需要对传输系统的幅度进行均衡，以使传输系统输出平坦的微波功率时，采用本发明实施例提出的大功率微波均衡器，即通过控制该均衡器，使该均衡器产生与原传输系统的增益频响曲线相反的衰减曲线，使得系统输出平坦的微波功率。其中，通过调节马刺线的结构参数以及可调谐振腔的结构参数实现对均衡器的传输曲线的调节，其中在调节马刺线的结构参数时，即实现了马刺线的谐振频率的调节。
[0044]
该实施例中，参照图4，盖板5上的与每一个可调谐振腔2的纵向轴线对应的位置处均设有三个螺孔，且三个螺孔在轴向调螺3的正上方，铁氧体吸波棒6及顶部调螺7通过对应的不同位置处的螺孔插入可调谐振腔2中。
[0045]
本发明实施例中的均衡器包括多个级联的可调谐振腔2，为了说明可调谐振腔2在均衡器中的作用，本发明实施例对单腔体微波均衡器(仅具有一个可调谐振腔的均衡器)的工作原理进行说明。单腔体微波均衡器的结构如图5所示，腔体(cavity)的体积可以用可调螺母4快速改变，而轴向调螺3可以精细调节谐振频率和腔体的品质因素。顶部的铁氧体吸波棒用来吸收微波能量、增加衰减；顶部调螺可以进一步精细调节频响曲线的幅度。
[0046]
该单腔体微波均衡器的等效电路的系统函数公式为：
[0047][0048]
其中，z0是传输线的特性阻抗，ω是工作角频率，r、l、c分别是该结构的等效电阻、电感和电容。图6所示为该单腔体微波均衡器有无轴向调螺时其内部的场强分布图(左图中无轴向调螺、右图中有轴向调螺)。从图6中可看出，如果腔体内无轴向调螺时，水平方向直通的电磁场不能被耦合进腔体内，而加载了轴向调螺后，电磁场耦合进腔体内，并以te101模式谐振。参照图5可知，每个谐振腔2中的轴向调螺3与直通传输线之间的存在间距g，图7进一步给出了单腔体微波均衡器的传输特性随着轴向调螺与直通传输线之间的间距g变化的情况，从图7可以看出，在g＝1.5mm、g＝1.3mm、g＝1.1mm时对应的均衡器传输特性依次向左移动，即随着间距g的减小，均衡器的共振频率向左移动，即间距g越小，均衡器的共振频率越小，进而衰减就会增加。
[0049]
根据单腔体微波均衡器可以得到其谐振频率和传输曲线，多个这样的传输曲线进行叠加(即级联多个可调单腔体微波均衡器)就可以得到比较复杂的传输曲线。
[0050]
在本发明实施例中采用了多个级联的可调谐振腔2，其中每个可调谐振腔2对应的轴向调螺与直通传输线之间的间距g可以是相等的也可以是不相等的。当轴向调螺和直通传输线之间的间隙相等或者几乎相等时，多个共振曲线会叠加在一起，从而使得在共振频率点衰减更大。
[0051]
也就是说，本发明实施例的提出一种基于马刺线和可调谐振腔的均衡器，根据马刺线的工作原理，马刺线可以看为是一个谐振器，本发明实施例中将其作为微波均衡器的直通传输线，可通过调节马刺线的开缝长度改变其传输特性，同时可以调节可调谐振腔2的结构参数，以增加大功率微波均衡器的功率衰减可调范围，使其能够进一步适应更加复杂的微波传输曲线，进而减少均衡器的体积，使得调试流程更加简单有效。
[0052]
由此，将马刺线和可调谐振腔结合起来构成大功率微波均衡器、并采用马刺线作为直通传输线，可以在实现负载传输特性的同时，减少级联的可调谐振腔的数量，进而减少均衡器的体积，降低调试工作量。
[0053]
在本发明的一个实施例中，马刺线的谐振频率与马刺线的开缝长度相关，其中，开缝长度越长，谐振频率越小。
[0054]
具体地，马刺线可以进一步被看为是一个谐振器，其开缝的槽为电容，金属线本身为电感。因此，通过调节马刺线的开缝长度l
c1
可以改变其传输特性。图8给出了马刺线的谐振频率与开缝长度之间的关系。从图中可看出，随着开缝长度的增加，谐振频率逐渐减小。
[0055]
相关技术中，要实现微波均衡器在上边频带大衰减是很难的，要满足任意设定的传输响应，需要级联足够多的可调谐振腔，这会显著增加微波均衡器的体积，也会增加很多
的调螺，带来很大的调试工作量。
[0056]
为此，在本发明的一个实施例中，马刺线的谐振点位于可调工作频率范围的上边频，那么高频处的衰减可以得到极大提高，而所需的可调谐振腔的数量就会显著减少。
[0057]
其中，可调工作频率范围可根据具体实际需要达到的指标确定。
[0058]
具体地，可通过调节马刺线的结构参数(如图1的标注：开缝宽度w
c
、开缝长度l
c1
、开缝高度l
c2
及微带线宽度w0)及可调谐振腔2对应的结构参数(例如谐振腔的长度l、高度h、可调螺母的长度l
s
、铁氧体吸波棒与顶部调螺间的间距l1、顶部调螺与可调螺母间的间距l2、轴向调螺的直径d)来实现对马刺线的谐振点(如图5的标注：发生谐振时的频率点)进行调节，具体需要调节的谐振点根据实际需求确定，本发明实施例中为了实现微波均衡器在上边频带大衰减，将马刺线的谐振点调节至可调频率范围的上边频。例如，在可调工作频率为5ghz～6ghz时，可将谐振点设计在6ghz。
[0059]
在一个实施例中，本发明实施例中，马刺线的开缝宽度w
c
的范围为0.2mm～0.4mm、开缝长度l
c1
的范围为24mm～32mm及开缝高度l
c2
的范围为0.4mm～0.8mm。
[0060]
每个谐振腔的长度l的范围为20mm～40mm、及高度h的范围为10mm～13mm，可调螺母的长度l
s
的范围为9mm～11mm，铁氧体吸波棒与顶部调螺间的间距l1的范围为20mm～23mm，顶部调螺与可调螺母间的间距l2的范围为14mm～16mm，轴向调螺的直径d的范围为2mm～3mm。
[0061]
在一个示例中，马刺线的参数可以为：w
c
＝0.3mm、l
c1
＝28.4mm及l
c2
＝0.6mm。微带线的宽度w0＝1.55mm。
[0062]
进一步地，每个谐振腔的长度l＝30mm、及高度h＝12mm，可调螺母的长度l
s
＝10mm，铁氧体吸波棒与顶部调螺间的间距l1＝22.5mm，顶部调螺与可调螺母间的间距l2＝16mm，轴向调螺的直径d＝2.5mm。
[0063]
具体而言，通过具有该示例中的具体参数值的马刺线和可调谐振腔时，并将其谐振点设计在上边频，那么高频处的衰减可以得到极大提高，即要实现预期的复杂传输特性(例如高频处要求衰减大)，相较于现有技术，所需级联的可调谐振腔的数量就会显著减少。
[0064]
为了证明本发明实施例的大功率微波均衡器的优点，将马刺线作为直通传输线与微带线作为直通传输线进行了比较。其中马刺线和微带线都是采用pcb工艺印制在介质基板上(rogers 5880板材，厚度h＝0.508mm)，输入/输出端口的特性阻抗为50欧姆，马刺线的具体参数为w0＝1.55mm，wc＝0.3mm，lc1＝28.4mm，lc2＝0.6mm。图9给出了二者实际测试结果的比较，其中，将马刺线作为直通传输线的微波均衡器只用了13个同轴谐振腔就实现了预期的复杂传输特性(例如高频处要求衰减大)，而用微带线作为直通传输线的微波均衡器用了17个同轴谐振腔才实现预期的复杂传输特性，体积比前者大了近30％左右，可见，在能够实现预期的负载传输特性的情况下，本发明实施例的大功率微波均衡器的体积可以显著减小，从而减小成产成本、降低调试工作量。
[0065]
本发明实施例中经过软件系统仿真及实际联合调测，结果表明该基于马刺线的腔体均衡器体积小、技术性能良好，可快速、精确地得到所需的复杂传输特性。且结构简单，生产成本低廉且便于维护，具有较好的应用价值。
[0066]
综上所述，传统采用微带线、悬置线、或者金属棒作为直通传输线的基于级联同轴谐振腔的微波均衡器在高频处衰减很小，为了实现复杂传输特性(例如高频处要求衰减
大)，则必须级联很多同轴腔体，这会增加微波均衡器的体积，同时更多的调螺也会带来更加复杂的调试，成本很高。而本发明实施例的大功率微波均衡器具备如下优点和有益效果：
[0067]
(1)本发明实施例中，采用马刺线结构作为直通传输线，可以实现复杂传输特性，例如在难以实现大衰减的高频处进行谐振，可快速、有效地实现微波幅度均衡器的复杂传输特性。
[0068]
(2)本发明实施例中，采用马刺线结构与同轴谐振腔结构相结合的方式实现微波幅度均衡器，可显著减少谐振腔的个数和总体体积(约30％左右)，降低调试、生产成本。
[0069]
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0070]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0071]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0072]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0073]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。