工作于w波段的双波导/多波导通道结构及tr模块
阅读说明：本技术 工作于w波段的双波导/多波导通道结构及tr模块 (Double-waveguide/multi-waveguide channel structure working in W waveband and TR module ) 是由 冯琳 丁卓富 唐耀宗 徐明昊 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种工作于W波段的双波导/多波导通道结构及TR模块。将相邻输出波导通道间的波导缝隙上,通过折弯方式沿垂直于波导缝隙法向凸起形成凸起结构,凸起解耦股上覆盖吸波材料,即得到双波导通道结构,同理扩展即得到多波导通道结构。多波导通道TR模块设置了模块主腔体,在其上相相反面设计敞口的第一侧和第二侧,第一侧通过上层气密盖板密封,其内安装波导盖板和射频供电板,第二侧内安装环形器和供电子板,环形器通过下层气密盖板密封,供电子板盖板盖设于供电子板外侧,供电绝缘子穿过模块主腔体以连接供电子板和射频供电板。本发明在W波段下能够有效避免通道间相互干扰,且能够实现模块的有效气密。(The invention discloses a double-waveguide/multi-waveguide channel structure working in a W wave band and a TR module. And (3) forming a convex structure on the waveguide gap between the adjacent output waveguide channels in a bending mode along the direction perpendicular to the waveguide gap, covering the convex decoupling strands with a wave-absorbing material to obtain a double waveguide channel structure, and expanding the structure in the same way to obtain the multi-waveguide channel structure. The multi-waveguide channel TR module is provided with a module main cavity, the opposite side of the module main cavity is provided with a first side and a second side which are open, the first side is sealed by an upper-layer airtight cover plate, a waveguide cover plate and a radio frequency power supply plate are arranged in the first side, a circulator and a power supply daughter board are arranged in the second side, the circulator is sealed by a lower-layer airtight cover plate, the power supply daughter board cover plate is arranged on the outer side of the power supply daughter board, and the power supply insulator penetrates through the module main cavity to be connected with the power supply daughter board and the radio frequency power supply plate. The invention can effectively avoid the mutual interference between the channels under the W wave band and can realize the effective air tightness of the module.)
技术领域
本发明涉及毫米波通讯及雷达领域，尤其是一种工作于W波段的防通道间干扰的双波导通道结构、一种工作于W波段的防通道间干扰的多波导通道结构，以及一种工作于W波段的气密封装的多波导通道TR模块。
背景技术
W波段电子信息设备因其体积小、重量轻、分辨率高及带宽宽等固有优势，在军民领域均具有巨大的应用潜力。W波段的技术可以应用于通信、毫米波雷达、机场异物探测、毫米波安检等领域，近年来吸引了巨大的研究投入。其中，TR模块作为W波段电子系统中重要的组成部分，在天线的后端，主要起放大信号和移相衰减的功能，是W波段的收发系统中非常关键的部件。目前，国内外很多机构和单位已经开展了W波段系统的研制，并且已取得了较大的进展，部分产品已经商业应用。
但是，在W波段多通道TR模块的研究领域中，目前还存在较大的困难，主要体现为目前的多通道TR模块很难实现气密封装，外界的水汽能够轻易进入模块内部，造成内部芯片的烧毁或者器件性能下降，因此长期可靠性较低。具体地，其难点之一在于，W波段的多通道TR模块具有多种信号接口，包括传输低频电信号的控制接口和毫米波信号的波导接口。其中，由于W波段频率较高，一般采用波导作为毫米波信号的接口形式，而波导作为一种常规的接口形式，通常采用开口形式，对内部的裸芯片等器件没有保护作用。而目前已有的波导口气密解决方案，大多解决的是单个波导通道的气密问题。但是，要实现多通道波导接口的气密问题，特别是集成度很高的TR模块，其难度甚高。难点之二在于，由于多通道TR模块的波导输出接口往往呈平行排列，其内部结构复杂；受加工手段的限制，不能一体化加工成型，必须通过在结构上对其进行剖分，然后用螺钉进行锁紧。但是这种结构存在两个问题：一是由于采用该结构，必然导致波导通道之间存在一个波导缝隙，而该波导缝隙会引起通道间的互相干扰，因此如何解决波导通道之间的互扰是个难题；二是该结构并不具备气密特性，因此对于剖分后的波导结构如何实现气密也是一大难点。难点之三在于，TR模块特别是大功率的TR模块，其内部的器件较多，涉及环行器、微带线、毫米波芯片、数字芯片、电源芯片、连接器、PCB板等多种类型的器件，且数量较多，因此如何在保证一定的集成度的同时，还能够同时实现气密封装，其难度很大。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种工作于W波段的双波导/多波导通道结构及TR模块。以避免W波段下相邻波导通道结构间的相互干扰，以及提供一种高气密性的W波段多波导通道TR模块。
本发明采用的技术方案如下：
一种工作于W波段的双波导通道结构，包括两个并排设置的输出波导通道，两个所述输出波导通道之间，存在波导缝隙，所述波导缝隙沿两个所述输出波导通道的距离方向设置；垂直于所述波导缝隙的方向上，在所述波导缝隙上通过折弯形成凸起结构，凸起方向的反方向形成敞口，所述凸起结构上覆盖吸波材料。
进一步的，所述波导缝隙为扁平的长条状，所述凸起结构的凸起方向沿所述波导缝隙的法线方向。
进一步的，所述凸起结构围成的形状为矩形。
进一步的，所述吸波材料覆盖所述敞口两侧的至少一侧面。
一种工作于W波段的多波导通道结构，包括多个并排设置的输出波导通道，相邻两个所述输出波导通道之间，均存在波导缝隙，所述波导缝隙沿各所述输出波导通道排布方向设置；垂直于各所述波导缝隙的方向上，分别在各所述波导缝隙上凸起设置有凸起结构，凸起方向的反方向形成敞口，所述凸起结构上覆盖吸波材料。
进一步的，各所述凸起结构围成的形状相同。
进一步的，各所述凸起结构凸起方向相同。
一种工作于W波段的多波导通道TR模块，包括模块主腔体，所述模块主腔体包括均敞口设计的第一侧和第二侧，所述第一侧和第二侧相互背离设置；所述第一侧内安装波导盖板和射频供电板，上层气密盖板密封所述第一侧的敞口；所述第二侧内安装环形器和供电子板，所述环形器和所述供电子板分离设置，下层气密盖板密封所述环形器的区域，供电子板盖板安装于第二侧上，且覆盖所述供电子板；供电绝缘子穿过所述模块主腔体以相互连接所述供电子板和射频供电板；模块主腔体上设置有电源与控制信号接口，该电源与控制信号接口连接所述供电子板；
所述模块主腔体上设置有输入波导接口和多个并排设计的输出波导接口；气密波导窗分别密封所述输入波导接口和各所述输出波导接口；
各所述输出波导接口处均设置有输出波导通道，相邻两个所述输出波导通道之间，均存在波导缝隙，所述波导缝隙沿各所述输出波导通道排布方向设置；垂直于各所述波导缝隙的方向上，分别在各波导缝隙上凸起设置有凸起结构，凸起方向的反方向形成敞口，所述凸起结构上覆盖吸波材料。
进一步的，所述上层气密盖板和所述下层气密盖板均为双层盖板。
进一步的，所述波导缝隙为扁平的长条状，各所述凸起结构的凸起方向均沿所述波导缝隙的法线方向。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本设计的双波导通道结构及多波导通道结构，至少在W波段下能够避免通道间的相互干扰。
2、本设计的多波导通道TR模块，相较于现有技术设计，采用气密波导窗实现多通道波导口的气密，采用上、下层气密盖板（尤其是双层设计），实现了多波导通道TR模块的气密封装，有效解决了目前多通道W波段TR模块的气密性问题。
3、本设计的多波导通道TR模块，采用腔体结构设计主框，腔体内部合理布局器件，能够有效提高TR模块的集成度，且兼顾了TR模块整体的气密性。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是现有双波导通道结构示意图。
图2是现有双波导通道结构的仿真结果图，其中（a）为直通插损仿真图，（b）为通道间隔离度仿真图。
图3是本发明设计的双波导通道结构示意图，其中（a）为凸起结构示意图，（b）为吸波材料与凸起结构的连接示意图。
图4是图3中凸起结构的示意图。
图5是本发明设计的双波导通道结构的仿真结果图，其中（a）为直通插损仿真图，（b）为通道间隔离度仿真图。
图6为四波导通道结构示意图。
图7是本发明多波导通道TR模块电路结构图。
图8是本发明多波导通道TR模块的结构分解示意图。
图9是气密波导窗安装于波导接口的示意图。
图中，1为模块主腔体，2为气密波导窗，3为波导盖板，4为上层气密盖板，5为射频供电板，6为供电绝缘子，7为供电子板，8为供电子板盖板，9为环形器，10为下层气密盖板，11为输出波导通道，12为波导缝隙，13为凸起结构，14为吸波材料，15为敞口，A为第一侧，B为第二侧，1a为输入波导接口，1b为输出波导接口，1c为电源与控制信号接口。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
多波导通道TR模块的内部波导结构涉及多处拐弯，其结构往往比较复杂。受结构加工限制，在模块内部的波导无法采用一体式加工，需要在内部进行剖分。因此必然会在并行排列的波导之间形成一个波导缝隙。如图1所示，为现有双波导通道结构，其属于无防通道间干扰措施的设计，相邻输出波导通道11间会存在一个波导缝隙12。如图2所示为对该结构的仿真结果，可以看出在85GHz~100GHz的W频段内，波导直通插损曲线和通道间隔离度曲线均有3个谐振峰存在。其中直通插损恶化至-6dB，通道间隔离度恶化至-8dB，这导致波导在该谐振峰附近的频段性能恶化，基本上不能满足系统的应用需求。
为解决上述问题，本实施例设计了一种具备特殊设计（凸起结构13）的防通道间干扰措施的多波导结构。为简要说明，此处仅以相邻输出波导通道构成的双波导通道结构进行举例说明，多通道的波导结构可类比扩展。
如图3中（a）所示，两个并排设置的输出波导通道11之间，存在波导缝隙12，该波导缝隙12沿两个输出波导通道的距离方向设置，对于多通道波导结构，即为沿各输出波导通道11的排布方向设置。在垂直于波导缝隙12的方向上，通过折弯的方式形成凸起结构13，折弯后的凸起结构13则在凸起方向的反方向上形成敞口15，如图4所示，在凸起结构13上覆盖吸波材料14。
在一些实施例中，波导缝隙12为扁平的长条状，形如一长条带，该长条带通过正、反向折弯，在长度方向上弯折出各个凸起结构，这样，凸起结构13的凸起方向同波导缝隙12的法线方向。
通常来讲，波导缝隙12可折弯出多种形状，例如三角形、扇形、矩形等，本发明的优选实施例为凸起结构13围成矩形。对应的，如图3中（b）所示，吸波材料14也设计为矩形覆盖在凸起结构13的敞口15的两侧中的一面或两面，敞口15的两侧为图4所示的两小箭头所示方向。如图5所示为对该优选实施方式的仿真结果，从图中可以看出，在85GHz~100GHz的W频段内，波导直通插损曲线和通道间隔离度均没有出现谐振峰。其中直通插损仅为-0.1dB，通道间隔离度则为-80dB，大大地优化了多波导通道TR模块的多通道波导结构的性能，解决了波导通道间的干扰问题。其工作原理可以简述为：首先，通过波导缝隙12外凸设计，可以将其本来在带内的谐振峰处理到带外，并且该凸起结构13可以加剧信号在波导通道间即波导缝隙内的传输衰减；其次，通过在凸起结构13上方引入一层吸波材料14，可加剧该信号的衰减，从而达到避免通道间干扰，提高隔离度的目的，具有较大的工程应用价值。需要说明的是，经试验发现，上述凸起结构13和吸波材料14两种措施需要同时存在才可起到良好的效果，如果只有单独实施其一，任何一种措施所起到的效果都非常有限。
实施例二
本实施例公开了一种工作于W波段的多波导通道结构。
前文说到，多波导通道结构在上述双波导通道结构基础上进行扩展即可。如图6所示为扩展为四通道的结构示意图，扩展为更多通道，则同理扩展即可。对于多波导通道结构，优选的，各相邻输出波导通道11之间的凸起结构13所围成的形状均相同，例如均为矩形，当然，并不排除可以凸起结构13所围成形状不同的情况，或者即使围成形状相同也不一定限定于矩形。并且，各凸起结构的凸起方向相同，以便于工业化上的批量生产加工，同样的，并不是说各凸起结构的凸起方向不同则无法实现既定效果，前述方式仅是一种优选实施方式，在基于相同理论设计下，也可以是其他的凸起方向组合方式。
实施例三
如图7所示，为工作于W波段的气密封装的多波导通道TR模块的电路结构图，模块为1×8路，W波段毫米波发射信号从公共波导接口-即输入波导接口1a-输入，经过1分2功分器分为两路，分别输入两个驱动TR芯片，再接入1分4功分器分为4路，两个1分4功分器共有8路输出。每一路信号输入矢量调制芯片，信号在该矢量调制芯片内移相衰减，矢量调制芯片输出连接末级TR芯片进行放大，经过放大之后的信号送入末级功放芯片进行功率放大；最终，经功率放大的信号送入环形器，然后接入输出波导通道（即输出波导接口）。对于毫米波接收信号，路径则与发射信号路径相反，只是接收信号经过环形器之后，先是送入了低噪放芯片，然后再送入末级TR芯片。供电子板将接入的电压转换为模块内部各芯片所需的工作电压，供各芯片工作。数模转换芯片将控制所需的数字信号转换为模拟信号，输出给各通道的矢量调制芯片进行移相衰减。
基于上述的电路结构，如图8所示，本实施例的工作于W波段的气密封装的多波导通道TR模块包括模块主腔体1、波导盖板3、上层气密盖板4、环行器9、下层气密盖板10、供电子板7、供电子板盖板8、射频供电板5、供电绝缘子6、毫米波传输线、毫米波芯片、数模转换芯片、石英探针、气密波导窗2。模块主腔体1包括均敞口设计的第一侧A和第二侧B，两侧的敞口方向相反，两侧的公共面位于模块主腔体1内部中央。模块主腔体1作为模块的主要载体，采用铝合金材料，用于安装模块内部的各个元器件。对模块主腔体1沿波导长边的中间进行剖分，剖分后的波导通道结构分别设置于模块主腔体1和波导盖板3上。模块主腔体1上靠第一侧A方向设置完整波导通道结构的一部分，波导盖板3包含输入波导和输出波导的盖板，其上设置有完整波导通道结构的另一部分，采用铝合金材料，与上述公共面紧密结合形成完整的波导通道结构。上述电路中的器件均布置与该模块主腔体1中。毫米波传输线、毫米波芯片、石英探针、波导盖板3和射频供电板5安装于第一侧内。毫米波传输线为基片集成波导结构的毫米波传输线，可采用duroid 5880或者TLY-5等低损耗的材料作为基片材料，能够低损耗地传输W波段的信号。毫米波芯片包含低噪声放大芯片、功放芯片、开关芯片、TR芯片、矢量调制芯片、功分器芯片，均为MMIC裸芯片，安装于模块主腔体1（的所述公共面）上。石英探针用于实现毫米波信号在微带电路结构和波导结构之间的转换过渡。射频供电板5为多层印制板，印制板材料为FR4，用于将各种供电线路和数字信号传输给模块内部的各个芯片。数模转换芯片（DAC）安装于射频供电板5上。环行器9、供电子板7均安装于模块主腔体1的第二侧B，环形器9与供电子板7分离设置，相互隔离。环形器9为波导环行器，其通过的垂直的波导与第一侧A内的波导连接。供电子板7包含DC-DC电压转换电路、LDO稳压电路、脉冲调制电路和温度采集电路。供电绝缘子6为气密的玻璃绝缘子，供电绝缘子6焊接于模块主腔体1上，穿过所述公共面，两端分别连接供电子板7与射频供电板5以传输电信号。供电子板盖板8安装于供电子板7的外侧（即远离第一侧A的一侧），连接于模块主腔体1上（的敞口边缘），密封供电子板7的区域；下层气密盖板10安装于环形器9的外侧，连接与模块主腔体1上，密封环形器的区域；上层气密盖板4密封第一侧A的敞口。上层气密盖板4和下层气密盖板10分别通过钎焊和激光封焊形成双层密封结构，两者均包括内盖板和外盖板，均采用铝合金材料制成。
如图8所示，本实例中，模块主腔体1顶面平行并排设置了8个输出波导接口1b，输入波导接口1a设置于底面，如图9所示。气密波导窗2通过钎焊的形式安装于模块主腔体1的输入波导接口1a和各输出波导接口1b（供8个），形成对波导接口的气密。该气密波导窗可以采用0.127mm厚的duroid 5880软基片或者其它低介电常数的材料作为介质基片，通过焊接与模块主腔体1连接。在模块主腔体1靠输入波导接口1a一侧，还设置有电源与控制信号接口1c，用以接入电源及控制信号，该电源与控制信号接口1c连接供电子板7。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。