本发明公开了一种小型化波导开关，包括构成矩形波导的上腔体和下腔体，以及插入到矩形波导E面中心的介质基板，所述介质基板正面金属结构包含两个对称的金属C形谐振器、两条对称的横向金属条、接地金属片一、直流馈电电路一和直流馈电电路二，所述横向金属条和C形谐振器之间连接有PIN二极管一、PIN二极管二、PIN二极管三和PIN二极管四，所述介质基板背面金属结构包含两个对称的金属弯折谐振器和接地金属片二。本发明采用谐振原理设计微波毫米波开关，相比原有行波式的鳍线开关，不需要过渡结构，输入信号直接作用于开关电路上，纵向尺寸可由一个波长缩短到四分之一个波长，实现了开关小型化。
1.一种小型化波导开关，包括构成矩形波导的上腔体（1）和下腔体（2）、以及插入到矩形波导E面中心的介质基板（3），其特征在于：所述介质基板（3）正面金属结构包含两个对称的金属C形谐振器（31）、两条对称的横向金属条（32）、直流馈电电路一（351）、直流馈电电路二（352）和接地金属片一（34），所述横向金属条（32）和金属C形谐振器（31）之间连接有PIN二极管一（51）、PIN二极管二（52）、PIN二极管三（53）和PIN二极管四（54），所述介质基板（3）背面金属结构设有两个对称的金属弯折谐振器（36）和接地金属片二（37）；
所述两个对称的所述金属C形谐振器（31）与两条对称的横向金属条（32）构成一个矩形环，所述直流馈电电路一（351）和直流馈电电路二（352）连接于横向金属条（32）中心位置且相互对立，所述PIN二极管一（51）和PIN二极管二（52）的阳极连接于一条横向金属条（32）边缘，PIN二极管一（51）和PIN二极管二（52）的阴极分别与同侧的金属C形谐振器（31）边缘连接，所述PIN二极管三（53）和PIN二极管四（54）的阴极连接于另一条横向金属条（32）边缘，PIN二极管三（53）和PIN二极管四（54）的阳极分别与同侧的金属C形谐振器（31）边缘连接；
当直流馈电电路一（351）和直流馈电电路二（352）之间施加正向电压时，所有PIN二极管导通，两个对称的金属C形谐振器（31）、两条对称的横向金属条（32）以及PIN二极管一（51）、PIN二极管二（52）、PIN二极管三（53）和PIN二极管四（54）共同构成一个矩形环谐振器，该谐振器和介质基板（3）背面的两个对称的金属弯折谐振器（36）发生耦合，形成通带，开关导通；当直流馈电电路一（351）和直流馈电电路二（352）之间施加反向电压时，所有PIN二极管截止，两个对称的金属C形谐振器（31）通过PIN二极管的截止电容相互耦合且同时与介质基板（3）背面的两个对称的金属弯折谐振器（36）发生耦合，形成阻带，开关关闭。
2.根据权利要求1所述的一种小型化波导开关，其特征在于：所述上腔体（1）和下腔体（2）构成的波导结构采用标准矩形波导、加脊波导或其他任意尺寸的矩形波导。
3.根据权利要求1所述的一种小型化波导开关，其特征在于：所述介质基板（3）的正面设置有四块接地金属片一（34），四块所述接地金属片一（34）分别设置在金属C形谐振器（31）的上下两侧，以及横向金属条（32）的左右两侧，接地金属片一（34）正面铺设有两排金属化通孔（33），每排金属化通孔（33）的数量为六个，所述介质基板（3）正面设置的接地金属片一（34）和介质基板（3）背面设置的接地金属片二（37）通过金属化通孔（33）与波导的上下波导壁相连接。
一种小型化波导开关
技术领域
[0001] 本发明涉及波导开关技术领域，具体涉及一种小型化波导开关。
背景技术
[0002] 微波开关是现代通信、传感、雷达、电子战等领域不可缺少的一部分，其主要功能是控制射频信号的通断。微波开关实现形式多样，目前主要采用MMIC工艺或平面电路工艺，利用PIN二极管或者FET进行控制，然而其插损较大，耐功率能力不足。波导开关具有损耗低、耐大功率的特点，在毫米波太赫兹频段运用较为广泛，目前波导开关有采用机械控制和电控两种方式；机械控制损耗低、耐功率最大，然而需要复杂的旋转结构切换速度慢无法满足现代雷达通信系统的要求；电控波导开关主要是在波导内部加载PIN二极管实现，切换速度可以达到纳秒级别。
[0003] 目前大多数电控波导开关采用波导过渡到鳍线，在鳍线上加载PIN二极管后，再过渡到波导的结构实现。赵宇博等人公开了一种毫米波鳍线开关馈电电路(赵宇博，范力思，荀民，李建玲，一种毫米波鳍线开关馈电电路，中国发明专利，申请号201710624001.7，公布日2018.02.13)，通过鳍线过渡结构和高阻线馈电实现毫米波开关同时抑制了高次模式。然而由于需要背靠背的两段渐变鳍线过渡，因此其体积较大不利于小型化，同时较大体积和较小的特征尺寸也对装配工艺提出了较高的要求。因此亟需一种小型化波导开关来解决上述问题。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于针对现有技术的不足而提供一种基于谐振结构的小型化波导开关，以实现波导开关结构的小型化、轻量化。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0006] 一种小型化波导开关，包括构成矩形波导的上腔体和下腔体，以及插入到矩形波导E面中心的介质基板，所述介质基板正面金属结构包含两个对称的金属C形谐振器、两条对称的横向金属条、直流馈电电路一、直流馈电电路二和接地金属片一，所述横向金属条和C形谐振器之间连接有PIN二极管一、PIN二极管二、PIN二极管三和PIN二极管四，所述介质基板背面金属结构设有两个对称的金属弯折谐振器和接地金属片二。
[0007] 所述两个对称的金属C形谐振器与两条对称的横向金属条构成一个矩形环，所述直流馈电电路一和直流馈电电路二连接于横向金属条中心位置且相互对立，所述PIN二极管一和PIN二极管二的阳极连接于横向金属条边缘，PIN二极管一和PIN二极管二的阴极连接于金属C形谐振器边缘，所述PIN二极管三和PIN二极管四的阴极连接于横向金属条边缘，PIN二极管三和PIN二极管四的阳极连接于C形谐振器边缘。
[0008] 进一步地，当所述直流馈电电路一和直流馈电电路二之间施加正向电压时，所有PIN二极管导通，当所述直流馈电电路一和直流馈电电路二之间施加反向电压时，所有PIN二极管截止，直流馈电电路一和直流馈电电路二的电路结构为在工作频带呈现开路，在直流情况下呈现短路。
[0009] 进一步地，所述上腔体和下腔体构成的波导结构采用标准矩形波导、加脊波导和任意尺寸的矩形波导中的一种。
[0010] 进一步地，所述介质基板的正面设置有四块接地金属片一和接地金属片二，四块所述接地金属片一分别设置在金属C形谐振器的上下两侧，以及横向金属条的左右两侧，接地金属片一正面铺设有两排金属化通孔，每排金属化通孔的数量为六个，所述介质基板的背面设置有接地金属片二，所述接地金属片一和接地金属片二通过金属化通孔与波导的上下波导壁相连接。并
[0011] 与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
[0012] (1)本发明采用谐振原理设计微波毫米波开关，相比原有行波式的鳍线开关，不需要过渡结构，输入信号直接作用于开关电路上，纵向尺寸可由一个波长缩短到四分之一个波长，实现了开关小型化。
[0013] (2)本发明可以通过调整谐振结构的相对尺寸和位置实现对开关的通带和阻带带宽与隔离度的自由调控，因此也能同时实现滤波效果，可以为系统节约一级滤波器，降低复杂度。
[0014] (3)本发明结构简单成本低，只需要上下两个金属腔和一个介质基板构成，所有金属结构均为形状规则的多边形，便于加工，小型化设计可以缩小腔体尺寸和高频板面积，达到降低成本的目的。
附图说明
[0015] 图1为本发明的结构展开示意图；
[0016] 图2为本发明下腔体的顶面结构示意图；
[0017] 图3为本发明的介质基板的正面结构示意图；
[0018] 图4为本发明的介质基板的背面结构示意图；
[0019] 图5为本发明实施例的传输特性示意图；
[0020] 图6为本发明波导开关的等效电路原理图。
[0021] 图中：1、上腔体；2、下腔体；3、介质基板；31、金属C形谐振器；32、横向金属条；33、金属化通孔；34、接地金属片一；351、直流馈电电路一；352、直流馈电电路二；36、金属折弯谐振器；37、接地金属片二；51、PIN二极管一；51、PIN二极管二；53、PIN二极管三；54、PIN二极管四。
具体实施方式
[0022] 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。
[0023] 如图1‑图5所示，本实施例提供的小型化波导开关包括构成矩形波导的上腔体1和下腔体2，以及插入到矩形波导E面中心的介质基板3，介质基板3正面金属结构包含两个对称的金属C形谐振器31、两条对称的横向金属条32、直流馈电电路一351、直流馈电电路二352和四块接地金属片一34，横向金属条32和C形谐振器31之间连接有PIN二极管一51、PIN二极管二52、PIN二极管三53和PIN二极管四54，四块接地金属片一34分别设置在金属C形谐振器31的上下两侧，以及横向金属条32的左右两侧，接地金属片一34正面铺设有两排金属化通孔33，每排金属化通孔33的数量为六个。介质基板3背面金属结构设有两个对称的金属弯折谐振器36和接地金属片二37，接地金属片一34和接地金属片二37与波导的上下波导壁通过金属化通孔33直接相连接。
[0024] 所述两个对称的金属C形谐振器31与两条对称的横向金属条32构成一个矩形环，直流馈电电路一351和直流馈电电路二352连接于横向金属条32中心位置且相互对立，PIN二极管一51和PIN二极管二52的阳极连接于横向金属条32边缘，PIN二极管一51和PIN二极管二52的阴极连接于金属C形谐振器31边缘，PIN二极管三53和PIN二极管四54的阴极连接于横向金属条32边缘，PIN二极管三53和PIN二极管四54的阳极连接于C形谐振器31边缘。
[0025] 当直流馈电电路一351和直流馈电电路二352之间施加正向电压时，所有PIN二极管导通，两个对称的金属C形谐振器31两条对称的横向金属条32以及PIN二极管一51、PIN二极管二52、PIN二极管三53和PIN二极管四54共同构成一个矩形环谐振器，该谐振器和介质基板3背面的两个对称的金属弯折谐振器36发生耦合，形成通带，开关导通，通过调整矩形环谐振器和两个对称的金属弯折谐振器36尺寸与相对位置可以调节通带带宽，当直流馈电电路一351和直流馈电电路二352之间施加反向电压时，所有PIN二极管截止，两个对称的金属C形谐振器31通过PIN二极管的截止电容相互耦合同时与介质基板3背面的两个对称的金属弯折谐振器36发生耦合，形成阻带，开关关闭，通过调整金属C形谐振器31和金属弯折谐振器36的相对位置可以调节阻带带宽与隔离度。
[0026] 所述直流馈电电路一351和直流馈电电路二352可以采用多种电路结构，其功能为在工作频带呈现开路，在直流情况下呈现短路。上腔体1和下腔体2构成的波导结构可采用标准矩形波导、加脊波导和任意尺寸的矩形波导中的一种。
[0027] 本实例中，小型化波导开关采用如图6所示的电路原理图，选用工作于X波段的WR‑90标准波导作为输入输出，选取MA‑COM公司型号为MA4AGP907的PIN管，仿真设计中选用的介质基板3为Rogers RT/duroid5880其介电常数为2.2，厚度0.254mm，损耗角正切为
0.0009，其中介质基板3上的电路结构和PIN管的连接方式如图2和图3所示，本实例中直流馈电结构选用高阻线加载开路四分之一波长谐振器。
[0028] 图5中全波仿真的结果表明，采用谐振结构的小型化波导开关具有低损耗，高隔离度，同具有一定的滤波特性，且该开关设计灵活方便，可以很容易的移植到其他频率，具有较高的应用价值。
[0029] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
