波导限幅滤波结构及雷达系统的制作方法

1.本发明涉及微电子技术领域，特别是涉及波导限幅滤波结构及雷达系统。


背景技术：

2.随着微电子技术的高速发展，促使电路集成度大幅提升，设备功能与性能方面也得到长足进步，随之带来了雷达、通信、导航、控制及制导等各种电子系统性能的跃升。但电路集成度增加，系统体积缩减，会随之带来敏感度提升，抗干扰能力变弱。高功率微波(hpm)作为一种新型定向能武器，已在实战中得到成功应用。hpm一般是指窄谱hpm，有时也会将uwb强电磁脉冲归类于hpm，综合分析高功率微波技术和微电子技术的现状和发展前景，在微波源输出功率和转化效率上，高功率微波仍存在较大提升空间。在强电磁瞬态脉冲环境中，各种电子系统极有可能被干扰，甚至损毁，其防护能力受到极大挑战。
3.在高科技信息时代中，雷达已在多个领域中得到实际应用，且其所扮演角色往往非常重要，极易成为高功率微波(hpm)攻击对象，特别是工作在吉赫兹频段的预警和制导雷达。矩形波导则作为雷达系统传输微波信号重要通路，具有可以单模传输、插损小、可实现滤波以及结构简单等特点，在雷达系统中得到广泛应用，因此研究矩形波导防护装置，具有非常重要的意义。然而，目前传统的波导限幅滤波结构仍存在着防护性能不强的技术问题。


技术实现要素：

4.基于此，有必要提供一种波导限幅滤波结构以及一种雷达系统，能够大幅提升波导滤波与强电磁防护性能。
5.为了实现上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：
6.一方面，提供一种波导限幅滤波结构，包括波导本体、第一销钉和第二销钉，第一销钉和第二销钉插入于波导本体的波导h面中央，第一销钉和第二销钉沿波导h面中心线排列，且两销钉之间距离为设定距离，第一销钉贯穿波导本体且销钉直径为第一设定直径，第二销钉插入波导本体的深度为设定深度且销钉直径为第二设定直径；第一设定直径大于第二设定直径；
7.第一销钉分为三段且每两段之间通过二极管连接，第一销钉设有用于销钉结构支撑的圆柱形封装层，第二销钉为圆柱形销钉。
8.另一方面，还提供一种雷达系统，包括系统本体、波导本体、第一销钉和第二销钉，第一销钉和第二销钉插入于波导本体的波导h面中央，第一销钉和第二销钉沿波导h面中心线排列，且两销钉之间距离为设定距离，第一销钉贯穿波导本体且销钉直径为第一设定直径，第二销钉插入波导本体的深度为设定深度且销钉直径为第二设定直径；第一设定直径大于第二设定直径；
9.第一销钉分为三段且每两段之间通过二极管连接，第一销钉设有用于销钉结构支撑的圆柱形封装层，第二销钉为圆柱形销钉。
10.上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：
11.上述的波导限幅滤波结构及雷达系统，通过将两种规格的销钉从波导h面，沿波导h面中线并间隔一定距离插入波导h面中央，其中一根销钉分成三段，每两段销钉使用圆柱形二极管相连，等效为电容与电感串联电路；另一根销钉则等效为电容与电感串联电路。经插入销钉后，整个限幅滤波结构等效为两支电容与电感电路并联，当信号频率处于波导滤波结构通带内，且信号能量较小，场强不足以使二极管导通时，波导内传输的信号能以低损耗穿透波导限幅滤波结构；当信号频率处于波导滤波结构通带内，且传输信号能量较大，场强足以使二极管导通时，波导限幅滤波结构通带关闭，波导内传输的能量被反射；当信号频率处于波导滤波结构通带外时，波导内传输的信号则无法通过波导限幅滤波结构，从而具有通带内低场强信号低损耗通过，强场信号反射，通带外信号均反射特性，如此在波导内部集成了滤波与限幅功能，有效的大幅提升对强电磁耦合能量的防护效果，达到了大幅提升波导滤波与强电磁防护性能的效果，而且相比传统技术而言，采用了销钉与非线性器件加载结构，加工制作工艺更简单高效，更便于生产实现。
附图说明
12.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
13.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1为一个实施例中的波导限幅滤波结构的总体结构示意图；
15.图2为一个实施例中的波导限幅滤波结构的剖面结构示意图；
16.图3为一个实施例中的波导限幅滤波结构等效电路图；
17.图4为一个实施例中不同状态下波导限幅滤波结构的传输特性图。
具体实施方式
18.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
19.目前已经有研究主体提出了波导限幅器设计方案，其内容涉及到等离子体和加载电路等，但还没有发现具有与本技术设计结构防护功能相近的波导滤波结构相关设计。现有波导限幅器设计思路主要包括三个方案：第一种方案是在波导内放入加载非线性器件的电路板，利用非线性器件在弱场入射时，呈现高阻抗，强场入射时，呈现低阻抗的特性，使得波导内阻抗随内部所传输的电磁波能量改变而变化，表现出弱场透射，强场反射或吸收特性，但是加载到波导内部的电路板位置难以固定，一旦电路板位置出现偏移，电磁波传输特性也会发生变化。第二种方案是加载外置波导盒体，在波导外置复杂的检波、限幅结构，实现波导限幅作用，但此类波导限幅器结构复杂，加工成本高，制作难度大。第三个方案是在波导内封入等离子体，利用等离子体强场电离特性，实现强场反射，弱场低损耗通过特性，
但是等离子体电离门限高，透过的电磁能量很可能超过后端敏感器件门限。
20.下面将结合本发明实施例图中的附图，对本发明实施方式进行详细说明。
21.在一个实施例中，参考图1，提供了一种波导限幅滤波结构100，包括波导本体11、第一销钉12和第二销钉13。第一销钉12和第二销钉13插入于波导本体11的波导h面中央，第一销钉12和第二销钉13沿波导h面中心线排列，且两销钉之间距离为设定距离，第一销钉12贯穿波导本体11且销钉直径为第一设定直径。第二销钉13插入波导本体11的深度为设定深度且销钉直径为第二设定直径；第一设定直径大于第二设定直径。第一销钉12分为三段且每两段之间通过二极管连接，第一销钉12设有用于销钉结构支撑的圆柱形封装层，第二销钉13为圆柱形销钉。
22.可以理解，在波导限幅滤波结构100的设计过程中，基于销钉与二极管加载的波导限幅滤波结构100是充分利用了加载二极管的销钉等效电感与电容随二极管通断状态变化而改变的特性，达到小信号滤波，大信号防护的目的。二极管可以是本领域中的pin二极管，也可以是肖特基二极管，其中若采用肖特基二极管，则只需在第一销钉12的每两段之间通过正反两只肖特基二极管并联连接，即可用于取得较好的限幅防护效果。两个销钉的整体形状采用通用的圆柱形，看可以使得其在波导限幅滤波结构100的设计过程中更容易调整其插入波导的深度，其深度调节方式可以但不限于采用螺旋调节或滑动式调节；此外，若不考虑设计过程中销钉的插入深度调节便捷性，还可以将销钉设计为圆柱形以外的其他几何形柱状销钉，理论上也能取得满足要求的限幅防护效果，但其插入波导的深度调节较为困难。
23.波导本体11也即矩形波导这一主体结构，其上用于加载上述两个销钉，波导是一种用于传输电磁波的导波结构，由导体边界限定。在波导中，电磁波在空间中通过反射和折射的方式进行传播。波导可以分为te模式(横电场模式)和tm模式(横磁场模式)两种。而h面是指波导中的一种传播模式，即横磁场模式(transverse magnetic mode)，也称为h模式。在h面模式中，磁场的磁感线与波导的传播方向垂直，而电场则存在于波导的横截面平面内。这意味着电场与波导的宽度方向垂直，而磁场与波导的高度方向垂直。h面模式的磁场与波导的传播方向垂直。沿波导h面中心线排列，是指将上述销钉布置在波导截面的中心线上，如图2所示的aa
′
中心线，其中，r0表示第一设定直径，l1表示设定距离，r1表示第二设定直径，h1表示设定深度；这种排列方式常用于设计和布置波导系统中的组件，以便实现最佳的传播特性、最小的损耗和最高的效率。通过沿波导h面中心线排列元件，可以确保电磁场分布的对称性，并降低电磁模式的交叉耦合和损耗。这对于许多波导应用，如微波电路、天线和光纤通信等领域，都非常重要。而波导h面中央则是指两个销钉以波导h面中心线中点为中心，位于波导本体11的波导h面中央附近位置，例如以波导h面中心线中点为中心位置对称设置，两销钉到该中点的距离之和即为设定距离。上述设定距离、销钉直径和插入深度等具体尺寸，可以采用本领域现有的数值方法进行拟合计算确定，也可以直接通过实验对比测试的方式进行试验选择，只要能够获取满足实际应用需要的限幅滤波防护效果均可。
24.上述的波导限幅滤波结构100，通过将两种规格的销钉从波导h面，沿波导h面中线并间隔一定距离插入波导h面中央，其中一根销钉分成三段，每两段销钉使用圆柱形二极管相连，等效为电容与电感串联电路；另一根销钉则等效为电容与电感串联电路。经插入销钉后，整个限幅滤波结构等效为两支电容与电感电路并联，当信号频率处于波导滤波结构通
带内，且信号能量较小，场强不足以使二极管导通时，波导内传输的信号能以低损耗穿透波导限幅滤波结构；当信号频率处于波导滤波结构通带内，且传输信号能量较大，场强足以使二极管导通时，波导限幅滤波结构通带关闭，波导内传输的能量被反射；当信号频率处于波导滤波结构通带外时，波导内传输的信号则无法通过波导限幅滤波结构，从而具有通带内低场强信号低损耗通过，强场信号反射，通带外信号均反射特性，如此在波导内部集成了滤波与限幅功能，有效的大幅提升对强电磁耦合能量的防护效果，达到了大幅提升波导滤波与强电磁防护性能的效果，而且相比传统技术而言，采用了销钉与非线性器件加载结构，加工制作工艺更简单高效，更便于生产实现。
25.需要说明的是，在波导限幅滤波结构100的设计过程中，在波导h面插入销钉可看做在二端口网络中并联一个电抗，随着销钉插入深度的不同，表现出不同的电抗大小。二极管正偏时，其阻值很小，接近于短路，在反偏时，其阻值很大，接近于开路，常用作射频开关和射频保护电路。
26.本发明将圆柱型封装的二极管引入波导滤波器设计中，将两种尺寸的销钉插入波导，形成滤波器结构初始结构。为固定pin二极管，在矩形谐振腔底面和顶面插入第一销钉12，从底部至顶部，销钉分为三段，相邻两段销钉之间，采用圆柱型的二极管相连；通过试验优化载入的二极管的第一销钉12尺寸，实现波导结构的滤波功能。当在矩形波导中传播的电磁能量强度不足以使二极管导通时，即未超过其门限阈值且信号频率位于滤波通带内时，信号以低损耗通过波导滤波器；当信号频率位于通带内，且信号能量强度使得二极管导通，即超过其门限阈值，通带关闭，此时信号被反射，无法通过所设计结构；当在矩形波导中传播的信号频率在通带外时，信号均被反射。
27.从h面插入的两种规格的销钉结构，沿矩形波导中心线排列，两种销钉结构相隔一定距离，所设计结构等效电路如图3所示。第一根销钉结构(也即第一销钉12)的金属部分等效为电感l1，加载圆柱型二极管后，该销钉结构等效电路为电感l1与二极管d串联电路。第二销钉13等效为电感l2与电容c串联结构，其电感大小可通过改变销钉尺寸与插入波导内部深度进行调节。两根销钉之间的波导部分等效为长度为l1、特征阻抗为z0的一段传输线。
28.当所传输信号频率位于波导限幅滤波结构通带内，且强度较小，不足使二极管导通，此时所传输信号以低损耗通过波导限幅滤波结构；当所传输信号频率位于波导限幅滤波结构通带外且强度较大，足以使二极管导通，此时波导限幅滤波结构通带关闭，信号被反射；当信号频率不在波导限幅滤波结构通带内时，无论信号强弱，均被反射，从而实现所需的波导滤波与强电磁防护性能。
29.在一个实施例中，进一步的，二极管为pin二极管。可以理解，在本实施例中，采用pin二极管作为第一销钉12每两段之间的连接元件，加载pin二极管以实现阻抗可变功能，可以利用pin二极管的通断特性更方便高效地实现所需的限幅滤波效果，结构简单且可靠性更高。
30.在一个实施例中，进一步的，圆柱形封装层为pmi泡沫层。可以理解，在本实施例中，第一销钉12的三段式结构外层包裹高强度、耐高温的pmi泡沫层，用于支撑该分段式销钉结构并充分保证销钉的结构可靠性和性能稳定发挥。
31.在一个实施例中，进一步的，设定距离为36mm。第一销钉12的第一设定直径为8mm，第二销钉13的第二设定直径为4mm。第二销钉13的设定深度为36mm。可以理解，本实施例中
选择了其中一种效果较优的设计结构，矩形波导的两端为能量输入口，端口面长a为98.06mm，宽度b为49.03mm；两根销钉结构之间的设定距离为36mm，未加载pin二极管的第二销钉13为半径2mm的圆柱结构，其插入矩形波导内深度为36mm，三段式并加载pin二极管的第一销钉12中，每段结构为半径4mm的圆柱结构，所加载的pin二极管型号可以但不限于选择ma4l021-120。通过电磁仿真验证，如图4所示，其具有相对其他尺寸更优的性能，如通带内低场强信号更低损耗通过，强场信号反射更充分，通带外信号均反射的特性更好。
32.在一个实施例中，还提供了一种雷达系统，包括系统本体、波导本体11、第一销钉12和第二销钉13。第一销钉12和第二销钉13插入于波导本体11的波导h面中央，第一销钉12和第二销钉13沿波导h面中心线排列，且两销钉之间距离为设定距离。第一销钉12贯穿波导本体11且销钉直径为第一设定直径。第二销钉13插入波导本体11的深度为设定深度且销钉直径为第二设定直径。第一设定直径大于第二设定直径。第一销钉12分为三段且每两段之间通过二极管连接，第一销钉12设有用于销钉结构支撑的圆柱形封装层，第二销钉13为圆柱形销钉。
33.可以理解，关于上述各组成部件的解释说明，可以参照上述波导限幅滤波结构100的相应特征同理理解，本实施例中不在赘述。系统本体是指雷达系统中除了上述改进的波导限幅滤波结构之外的其余既有系统结构本体。本领域技术人员可以理解，上述雷达系统除了包括上述各组成部件之外，还可以包括其他既有的附加组成部件，具体可以根据不同雷达系统既有的结构同理理解，本说明书中不再展开详述。
34.上述雷达系统，通过将两种规格的销钉从波导h面，沿波导h面中线并间隔一定距离插入波导h面中央，其中一根销钉分成三段，每两段销钉使用圆柱形二极管相连，等效为电容与电感串联电路；另一根销钉则等效为电容与电感串联电路。经插入销钉后，整个限幅滤波结构等效为两支电容与电感电路并联，当信号频率处于波导滤波结构通带内，且信号能量较小，场强不足以使二极管导通时，波导内传输的信号能以低损耗穿透波导限幅滤波结构；当信号频率处于波导滤波结构通带内，且传输信号能量较大，场强足以使二极管导通时，波导限幅滤波结构通带关闭，波导内传输的能量被反射；当信号频率处于波导滤波结构通带外时，波导内传输的信号则无法通过波导限幅滤波结构，从而具有通带内低场强信号低损耗通过，强场信号反射，通带外信号均反射特性，如此在波导内部集成了滤波与限幅功能，有效的大幅提升对强电磁耦合能量的防护效果，达到了大幅提升波导滤波与强电磁防护性能的效果，而且相比传统技术而言，采用了销钉与非线性器件加载结构，加工制作工艺更简单高效，更便于生产实现。
35.在一个实施例中，二极管为pin二极管。
36.在一个实施例中，圆柱形封装层为pmi泡沫层。
37.在一个实施例中，设定距离为36mm。第一销钉12的第一设定直径为8mm，第二销钉13的第二设定直径为4mm。第二销钉13的设定深度为36mm。
38.可以理解，关于上述雷达系统的解释说明，可以参照上述波导限幅滤波结构100的相应实施例的解释说明同理理解，此处不在赘述。
39.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
40.以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
41.此外，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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
42.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”和“连接”等术语应做广义理解，例如，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，除非另有明确的限定。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。

技术特征：
1.一种波导限幅滤波结构，其特征在于，包括波导本体、第一销钉和第二销钉，所述第一销钉和所述第二销钉插入于所述波导本体的波导h面中央，所述第一销钉和所述第二销钉沿所述波导h面中心线排列，且两销钉之间距离为设定距离，所述第一销钉贯穿所述波导本体且销钉直径为第一设定直径，所述第二销钉插入所述波导本体的深度为设定深度且销钉直径为第二设定直径；所述第一设定直径大于所述第二设定直径；所述第一销钉分为三段且每两段之间通过二极管连接，所述第一销钉设有用于销钉结构支撑的圆柱形封装层，所述第二销钉为圆柱形销钉。2.根据权利要求1所述的波导限幅滤波结构，其特征在于，所述二极管为pin二极管。3.根据权利要求1或2所述的波导限幅滤波结构，其特征在于，所述圆柱形封装层为pmi泡沫层。4.根据权利要求3所述的波导限幅滤波结构，其特征在于，所述设定距离为36mm，所述第一销钉的第一设定直径为8mm，所述第二销钉的第二设定直径为4mm，所述第二销钉的设定深度为36mm。5.一种雷达系统，其特征在于，包括系统本体、波导本体、第一销钉和第二销钉，所述第一销钉和所述第二销钉插入于所述波导本体的波导h面中央，所述第一销钉和所述第二销钉沿所述波导h面中心线排列，且两销钉之间距离为设定距离，所述第一销钉贯穿所述波导本体且销钉直径为第一设定直径，所述第二销钉插入所述波导本体的深度为设定深度且销钉直径为第二设定直径；所述第一设定直径大于所述第二设定直径；所述第一销钉分为三段且每两段之间通过二极管连接，所述第一销钉设有用于销钉结构支撑的圆柱形封装层，所述第二销钉为圆柱形销钉。6.根据权利要求5所述的波导限幅滤波结构，其特征在于，所述二极管为pin二极管。7.根据权利要求5或6所述的波导限幅滤波结构，其特征在于，所述圆柱形封装层为pmi泡沫层。8.根据权利要求7所述的波导限幅滤波结构，其特征在于，所述设定距离为36mm，所述第一销钉的第一设定直径为8mm，所述第二销钉的第二设定直径为4mm，所述第二销钉的设定深度为36mm。

技术总结
本发明涉及一种波导限幅滤波结构及雷达系统，该结构包括波导本体、第一销钉和第二销钉。第一销钉和第二销钉插入于波导本体的波导H面中央，第一销钉和第二销钉沿波导H面中心线排列，且两销钉之间距离为设定距离。第一销钉贯穿波导本体且销钉直径为第一设定直径，第二销钉插入波导本体的深度为设定深度且销钉直径为第二设定直径。第一设定直径大于第二设定直径。第一销钉分为三段且每两段之间通过二极管连接，第一销钉设有用于销钉结构支撑的圆柱形封装层，第二销钉为圆柱形销钉。大幅提升了波导滤波与强电磁防护性能。波导滤波与强电磁防护性能。波导滤波与强电磁防护性能。


技术研发人员：李基 曹旺 张博汉 黄玲 柴进 孙伟
受保护的技术使用者：湖南雷远电子科技有限公司
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/9/20