CN103943924B - 一种基于新型拓扑结构的微波衰减器 - Google Patents

Abstract

一种基于新型拓扑结构的微波衰减器，包括若干个周期性吸收结构、薄膜电阻、匹配微带线，其中每个周期性吸收结构包括低阻抗微带线和电阻，无需打孔接地，实现了对高频率微波信号能量的均匀吸收，对工作带宽内各频率微波信号衰减值相同，同时可以将带宽内任意频率的反射信号降至极低水平，实现良好匹配。本发明与传统薄膜电阻衰减器相比，大幅提高了应用频率，改善了带内驻波，带内平坦度十分优良，并且无需打孔，工艺实现更加容易。

Description

一种基于新型拓扑结构的微波衰减器

技术领域

本发明涉及一种微波衰减器的拓扑结构，并具体涉及一种包括若干个周期性吸收结构、薄膜电阻、50欧姆特征阻抗微带线的微带衰减器，属微波设计领域。

背景技术

衰减器是微波射频系统中的常用部件。基于平面结构的衰减器是衰减器电路中一种常见的电路形式，包括Pi型衰减器和T型衰减器两种，通常工作在X以下频段。然而随着通信、遥感、导航等行业的迅猛发展和科学技术的不断进步，微波射频系统的工作频率不断提高，Ka频段甚至更高的毫米波频段微波系统已经开始应用。

在较高频率下，如在Ka波段下，传统Pi型衰减器和T型衰减器具有以下问题：电阻自身寄生参数、连接电阻的微带等影响较大，造成衰减器驻波差，需要再进行匹配电路设计，衰减值距离理论计算的偏差大；衰减值随频率倾斜，即使进行了匹配电路设计，带内平坦度依然较差；必须要有对地电阻，因此必须有接地过孔，而衰减器性能对接地过孔到电阻的距离十分敏感，造成工艺实现复杂。因此如何提高薄膜电阻衰减器应用频率，改善其带内驻波，优化其带内平坦度，就成为设计平面衰减器的关键问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有技术的不足，提供了一种基于新型拓扑结构的微带衰减器，能够大幅提高应用频率，实现了对高频率微波信号能量的均匀吸收，对工作带宽内各频率微波信号衰减值相同，同时可以将带宽内任意频率的反射信号降至极低水平，实现了良好匹配。

本发明的技术解决方案是：

一种基于新型拓扑结构的微波衰减器，包括若干级周期性吸收结构、薄膜电阻、匹配微带线，所述周期性吸收结构包括低阻抗微带线和电阻；

低阻抗微带线与电阻串联组成所述的周期性吸收结构；

匹配微带线与第一级周期性吸收结构的电阻串联，第一级至最后一级周期性吸收结构之间两两级联，最后一级周期性吸收结构低阻抗微带线连接薄膜电阻，薄膜电阻再连接所述的特征阻抗微带线；所述的级联为前一级周期性吸收结构的微带端连接后一级周期性吸收结构的电阻端。

所述若干级周期性吸收结构完全相同。

所述周期性吸收结构中的低阻抗微带线电长度均为工作带宽中心频率对应波长的四分之一。

所述周期性吸收结构中的电阻与所述薄膜电阻阻值相同。

所述薄膜电阻的宽度与匹配微带线宽度相同。

所述匹配微带线为50欧姆特征阻抗匹配微带线。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明所述微带衰减器与传统的Pi型衰减器和T型衰减器相比，应用频率可扩展至Ka频段甚至毫米波频段，在高频率下的驻波特性优良，反射信号很小。传统微带衰减器由于薄膜电阻自身电长度、连接电阻的微带、对地过孔等在高频率下影响较大，造成传统微带衰减器驻波差，距离理论计算的偏差大，必须再次进行阻抗匹配设计，而本发明采用的周期性吸收结构寄生参数少、考虑了连接微带线的匹配等因素，可以在高频率下应用，并可获得极为优良的驻波指标。

(2)本发明所述微带衰减器与传统的微带衰减器相比，在高频率下衰减值的带内平坦度优良，传统微带衰减器即使经过匹配电路设计，工作于高频率下，其衰减值随频率而倾斜，带内平坦度指标使其难以应用于宽带系统；采用本发明可以在高频率下获得优良的带内平坦度指标。

(3)本发明所述微带衰减器与传统的微带衰减器相比，工艺实现更简单。传统微带衰减器必须要有电阻接地，所以需要加工接地的过孔，然而在微波介质基板上实现过孔需要受到许多工艺条件的制约，例如孔径不能太小，孔与其他电路距离要满足大于某个数值等，这些数值受限于不同介质基板的不同工艺条件。采用本发明不需要将电阻接地，因此避免了接地过孔，工艺实现也更简单。

附图说明

图1为本发明微波电路拓扑结构示意图；

图2为传统T型微带薄膜衰减器在20GHz的反射损耗和插入损耗图；

图3为本发明采用两级周期结构时在20GHz的反射损耗和插入损耗图；

图4为本发明采用一级周期结构时在30GHz的反射损耗和插入损耗图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的描述。

如图1所示，本发明一种基于新型拓扑结构的微带，包括若干级周期性吸收结构A₁…A_n、薄膜电阻R_n+1、匹配微带线Z₀，若干级周期性吸收结构A₁…A_n包括低阻抗微带线L₁…L_n和电阻R₁…R_n,匹配微带线Z₀为50欧姆特征阻抗匹配微带线。

低阻抗微带线(L₁…L_n)与电阻(R₁…R_n)串联组成所述的周期性吸收结构A₁…A_n。

匹配微带线Z₀与第一级周期性吸收结构A₁的电阻串联，第一级至第n级周期性吸收结构之间两两级联，第n级周期性吸收结构的低阻抗微带线连接薄膜电阻R_n+1，薄膜电阻R_n+1再连接特征阻抗微带线Z₀；两两级联为前一级周期性吸收结构的微带端连接后一级周期性吸收结构的电阻端。

周期性吸收结构中的低阻抗微带线L₁…L_n电长度均为工作带宽中心频率对应波长的四分之一。

周期性吸收结构中的电阻R₁…R_n与薄膜电阻R_n+1阻值相同。

薄膜电阻R_n+1的宽度与特征阻抗微带线Z₀宽度相同。

周期性吸收结构中的低阻微带线电长度为工作带宽中心频率所对应的四分之一波长。

假设电路由n个周期性吸收结构构成，每个周期性吸收结构中电阻阻值为R，低阻抗微带线的特征阻抗为Z，所需端口阻抗为Z_p(通常为50欧姆)。根据R与Z可以计算出电路输入阻抗Z_L，由匹配要求可得等式:Z＝Z_L，从而可以得到计算Z与R的公式。

假设衰减器的衰减值Att为已知，以n＝1和n＝2为例，电阻阻值R和四分之一波长微带线的特征阻抗Z可以通过下式解出：

n＝1时，

$R=\frac{1-{10}^{-\frac{Att}{10}}}{1+{10}^{-\frac{Att}{10}}}\·Z_p$

$Z=\sqrt{Z_P^2-R^2}$

n＝2时，

$R=\frac{1-{10}^{-\frac{Att}{10}}}{1+{10}^{-\frac{Att}{10}}}\·Z_P$

$Z=\sqrt{\frac{1}{2}(Z_P^2-R^2)}$

以此设计的衰减器及其仿真结果如附图3、4所示。附图3为9-24GHz的n＝2的4dB衰减器，其电阻阻值为11.3欧姆，低阻微带线线长1.56mm，尺寸约为3mm×3.8mm，其反射损耗均优于-20dB。附图4为20-50GHz的n＝2的4dB衰减器，其电阻阻值为11.3欧姆，低阻抗微带线线长0.6mm，尺寸约为2mm×2mm，其反射损耗均优于-20dB。

与附图2所示的传统微带衰减器对比，带内反射损耗由-12dB优化到-20dB以上，带内平坦度由原来倾斜约1.5dB改善到约0.1dB，其应用频率也提高到50GHz，可以看出，本发明与传统薄膜电阻衰减器相比，提高了应用频率，改善了带内驻波，解决了衰减值倾斜，并且具有设计简单，工艺实现容易的优点。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种基于新型拓扑结构的微波衰减器，其特征在于包括：若干级周期性吸收结构、薄膜电阻、匹配微带线，所述周期性吸收结构包括低阻抗微带线和电阻；

低阻抗微带线与电阻串联组成所述的周期性吸收结构；

匹配微带线与第一级周期性吸收结构的电阻串联，第一级至最后一级周期性吸收结构之间两两级联，最后一级周期性吸收结构低阻抗微带线连接薄膜电阻，薄膜电阻再连接特征阻抗微带线；所述的级联为前一级周期性吸收结构的微带端连接后一级周期性吸收结构的电阻端；

所述若干级周期性吸收结构完全相同；

所述周期性吸收结构中的低阻抗微带线电长度均为工作带宽中心频率对应波长的四分之一；

所述周期性吸收结构中的电阻与所述薄膜电阻阻值相同。

2.根据权利要求1所述的一种基于新型拓扑结构的微波衰减器，其特征在于：所述薄膜电阻的宽度与匹配微带线宽度相同。

3.根据权利要求1所述的一种基于新型拓扑结构的微波衰减器，其特征在于：所述匹配微带线为50欧姆特征阻抗匹配微带线。