CN101496279A - 用于构造和封装用于毫米波应用的波导-平面传输线过滤器的设备和方法 - Google Patents

用于构造和封装用于毫米波应用的波导-平面传输线过滤器的设备和方法 Download PDF

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Abstract

提供了用于在微波和毫米波频率上提供宽带、高性能的功率耦合的波导－传输线过渡器。在一个方面，过渡设备(10)包括：过渡器壳体(11)，其包括矩形波导通道(C)和贯穿矩形波导通道(C)的宽壁(11a)形成的孔(13)；基片(12)，其具有第一表面和与第一表面相对的第二表面，以及在第一表面上形成的平面传输线(12a)和平面探针(12b)，其中平面传输线(12a)包括第一导电带和第二导电带，其中平面探针(12b)连接到第一导电带的末端并且从该末端伸出，第二导电带的末端以短截线结束，并且其中基片(22)被定位在孔(13)中以使得印刷探针(12b)在偏离宽壁(11a)的中心的位置上伸入矩形波导通道(C)，并且第一和第二导电带的末端与矩形波导通道(C)的宽壁(11a)的内表面对准。

Description

用于构造和封装用于毫米波应用的波导-平面传输线过渡器的设备和方法
技术领域
本申请涉及用于构造在微波和毫米波频率上提供宽带、高性能的功率耦合的波导-传输线过渡器的设备和方法。本发明进一步涉及用于构造紧凑的无线通信模块的设备和方法，在该模块中，微波集成电路芯片和/或模块与波导-传输线过渡器结构集成封装，从而提供可装配到标准波导法兰上的模块部件。
背景技术
通常，微波和毫米波(MMW)通信系统由各种部件和诸如接收器、发射器和接发模块的子部件以及利用MIC(微波集成电路)和/或MMIC(微波单片集成电路)技术制造的其他无源和有源部件构成。这些系统部件/子部件可以采用各种类型的传输介质，诸如印刷传输线(例如微带、槽线、CPW(共面波导)、CPS(共面带线)、ACPC(非对称共面带线)等)、或者同轴缆线和波导，来相互连接。
印刷传输线被广泛用于微波和MMW电路，以便在半导体芯片(RF集成电路)之间和在半导体芯片与发射器或接收器天线之间提供封装级或电路板级的互连。此外，印刷传输线非常适用于半导体集成电路表面上的信号传播。例如，CPW传输线因其单平面特性、低色散以及与有源和无源装置的高度兼容性而被广泛用于MMIC设计中。然而，印刷传输线在高频下可能会遇到寄生模和损耗变大的问题。另一方面，金属波导(例如矩形、圆形等)适于以低损耗的方式在高功率水平上进行更远距离的信号传输。此外，波导可以成形为具有强方向性的天线，或者可以用于装置的表征。
在构造微波、RF或MMW系统时，可能需要使用称作“过渡器”的耦合结构来将印刷传输线和波导耦合在一起。为了将各种部件和子部件集成到完整系统中，过渡器是必不可少的。最普遍的传输线-波导过渡器是已得到广泛研究的微带-波导过渡器。虽然已经对这种过渡器进行了相当多的研发，但是在制造合适的从CPW、CPS或ACPS传输线到矩形波导的过渡器方面的努力相对较少。CPW和CPS传输线特别适合(优于微带)用于高集成度的MIC和MMIC设计。就此，迫切需要研制波导与CPW或CPS印刷传输线或可被用来设计高性能系统的微波单片集成电路(MMICs)之间的宽带、低损耗并且匹配良好的过渡器。
发明内容
本发明的示例性实施例总体上包括用于构造在微波和毫米波频率上提供宽带、高性能的功率耦合的波导-传输线过渡器的设备和方法。更具体地，本发明的示例性实施例包括宽带、低损耗并且紧凑的CPW-矩形波导过渡器结构和ACPS(或CPS)-矩形波导过渡器结构，其尤其适于微波和毫米波应用。
更具体地，在本发明的一个示例性实施例中，过渡设备包括过渡器壳体和过渡器载体基片。过渡器壳体具有矩形波导通道和贯穿该矩形波导通道的宽壁形成的孔。基片具有平面传输线和形成于该基片的第一表面上的平面探针。平面传输线包括第一导电带和第二导电带，其中平面探针与第一导电带的末端相连并且伸出该末端，并且第二导电带的末端以短截线(stub)结束。基片被设置在过渡器壳体的孔中，以使得印刷探针在偏离宽壁中心的位置上伸入矩形波导通道，并且其中第一和第二导电带的末端与矩形波导通道的宽壁的内表面对准。
印刷传输线可以是CPS(共面带线)、ACPS(非对称共面带线)或CPW(共面波导)。矩形波导通道的一端为封闭端，并且提供探针的背向短路器(backshort)。在一个示例性实施例中，该背向短路器是可调节的。矩形波导通道的另一端在过渡器壳体的配合表面上开口。该配合表面可与矩形波导法兰对接。过渡器壳体可以由金属材料块形成。或者，该过渡器壳体可以由塑料材料形成，该塑料材料具有镀覆了金属材料的表面。
在本发明的另一个示例性实施例中，过渡器壳体的孔被设计成具有阶梯宽度式开口，以实现基片在孔和矩形波导通道中的对准和定位。
在本发明的又一个示例性实施例中，第二导电带的末端上的短截线与边缘包封金属化层相连以抑制寄生模。该边缘包封金属化层可以电连接到过渡器壳体的金属表面。该边缘包封金属化层可以连接到基片的第二表面上的接地面。该边缘包封金属化层可以与过渡器壳体电流隔离。
在本发明的又一个实施例中，过渡器壳体包括调谐腔，其形成于矩形波导通道的与孔相对的第二宽壁上并且与孔对准。该调谐腔可被可调节的背向短路器元件短路以提供阻抗匹配机构。
本发明的示例性实施例还包括用于构造紧凑的无线通信模块的设备和方法，其中微波集成电路芯片和/或模块与波导-传输线的过渡器结构集成封装，以提供可装配到标准波导法兰上的模块化部件。
本发明的这些或其他示例性实施例、方面、特征和优点将从下面结合附图阅读的示例性实施例的详细描述中得到描述或变得显而易见。
附图说明
图1A和1B是根据本发明的示例性实施例的传输线-波导的过渡设备(10)的示意性透视图；
图1C是用于说明主传播模TE10的矩形波导腔C的示意图；
图2是封装组件(20)的示意性透视图，其中组件(20)包括根据本发明的示例性实施例的与外部电路集成封装的传输线-波导过渡模块；
图3A-3D示出了根据本发明的示例性实施例的金属过渡器壳体(30)的结构细节；
图4A-4C是根据本发明的示例性实施例的传输线-波导过渡设备的示意性透视图；
图5A-5C是根据本发明的示例性实施例的传输线-波导过渡设备的示意性透视图；
图6示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的导体背衬CPW馈电结构，其中半通孔边缘包封金属化用于抑制不希望的波导模和共振；
图7示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的非导体背衬CPW馈电结构，其中半通孔边缘包封金属化用于抑制不希望的波导模和共振；
图8示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的导体背衬CPS馈电结构，其中半通孔边缘包封金属化用于抑制不希望的波导模和共振；
图9示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的非导体背衬CPS馈电结构，其中半通孔边缘包封金属化用于抑制不希望的波导模和共振。
具体实施方式
图1A和1B是根据本发明的示例性实施例的传输线-波导过渡设备(10)的示意性透视图。更具体地，图1A和1B示意性地描绘了根据本发明的示例性实施例的过渡设备(10)，其使用E面探针型过渡器耦合矩形波导(例如WR15)和印刷传输线之间的电磁信号。过渡设备(10)包括金属过渡器壳体(11)(或波导块)，其内部具有宽度为a(宽壁)、高度为b(短壁)的矩形波导腔C(或者矩形波导通道)。贯穿矩形波导腔C的宽壁在波导块(11)的前壁(11a)上形成孔(13)以提供过渡器端口PT，其用于插入和支撑具有印刷传输线(12a)和印刷E面探针(12b)的平面过渡器基片(12)。过渡器基片(12)被设置在孔(13)中以便探针(12b)通过波导腔C的宽壁伸入波导腔C中。波导腔C的一端在过渡器壳体(11)的侧壁(11b)上开口以提供波导输入端口PW。波导腔C的另一端被过渡器壳体(11)的侧壁(11c)短路，因此，金属侧壁(11c)的内表面用作探针(12b)的背向短路器B。
在本发明的一个示例性实施例中，探针(12b)是设计用于对矩形波导腔C内的电场进行采样的E面型探针，其中在波导腔C中，矩形波导工作在TE10主模下。本领域众所周知的是，在矩形波导中，电场垂直于宽侧壁而磁场线垂直于短侧壁。作为一个实例，图1c是矩形波导腔C的示意图，其中短侧壁(b)沿x方向(与x-z平面共面)延伸，宽侧壁(a)沿y方向(与y-z平面共面)延伸，并且腔C沿着z方向(即波沿波导通道传播的方向)延伸。图1C还示出TE10模的
Figure A20078001138700091
场位于x-y平面(其垂直于宽壁)上，其中该TE波的最大正和负电压峰值沿着波导宽壁(a)的中心行进，并且该电压沿着波导短壁(b)变为零。
关于这一点，在图1A和1B的示例性实施例中，将具有印刷探针(12b)的基片(12)插入穿过宽侧壁(11a)中的过渡器端口PT，以便将探针(12b)设置成关于波传播方向(即图1C中的z方向)横向(垂直)，和将基片(12)的平面设置成与波传播方向相切(即：基片(12)的平面与图1C的x-z平面共面)。金属块(11)的侧壁(11c)用作背向短路器B，因此将侧壁(11c)的内表面设置在探针(12b)后面的一定距离(接近TE10模的1/4波长)处，以便获得良好的传输特性。
应理解：图1A和1B示意性地描绘了根据本发明实施例的波导-平面传输线过渡设备的总体框架。印刷E面探头(12b)可以具有设计用于对矩形波导腔C内的电场进行采样的任何适合的形状和构造。印刷传输线(12a)可以是任何合适的馈电结构，诸如印刷CPW(共面波导)馈电、ACPS(非对称共面带线)馈电、或CPS(共面带线)馈电。例如，正如将在下文中更详细描述的那样，图4A-4C、5A-5C和6-9示出了根据本发明的不同示例性实施例的过渡器结构，其可以由具有印刷的导体背衬(conductor-backed)和非导体背衬CPW和CPS馈线和平面探针过渡器的过渡器基片构成，这些将在下文中进行更详细地解释。
在本发明的其他示例性实施例中，图1A-1B的示例性过渡器结构可以与诸如MIC或MMIC模块的电子部件集成封装，以构成紧凑的封装结构。例如，图2是封装组件(20)的示意性透视图，该封装组件(20)包括根据本发明示例性实施例的与外部电路集成封装的传输线-波导过渡模块。该示例性的封装(20)包括过渡器壳体(21)(或波导块)，其内部具有矩形波导通道C。过渡器壳体(21)具有前壁(21a)，其具有用于提供过渡器端口PT的贯穿内部矩形波导通道C的宽壁的孔。具有印刷传输线和E面探针的过渡器基片(22)通过过渡器端口PT插入波导腔中。
矩形波导通道C的一端在过渡器壳体(21)的侧壁(21c)上开口以提供背向短路器开口B0，该矩形波导通道的另一端在过渡器壳体(21)的侧壁(21b)上开口以提供波导输入端口Pw。波导壳体(21)的侧壁(21c)上的背向短路器开口B0形成为允许插入单独制造的背向短路器元件以短路波导腔C在侧壁(21c)上的暴露端，并且为阻抗匹配和调谐过渡器提供可调的E面背向短路器。
过渡器基片(22)由过渡器端口PT的开口的底部内表面和支撑块(23)支撑，支撑块(23)从过渡器壳体(21)的前壁(21a)延伸并且具有与过渡器端口PT的开口的底部内表面共面的顶部表面。过渡器壳体(21)和支撑块(23)被设置在基座结构(24)上。在一个示例性实施例中，过渡器壳体(21)、支撑块(23)和基板(24)结构形成集成的封装壳体结构，该结构可以通过对金属块进行机械加工和成形构造而成，或者，这些部件可以是粘结或以其他方式连接在一起的独立部件。
具有MMIC芯片(27)和其他RF集成电路芯片的印刷电路板(26)例如被装配在基座(24)上，以便芯片(27)的表面与过渡器基片(22)的表面大致在同一平面上。一根或多根接合线(28)在过渡器基片(22)上的传输线馈电与芯片(27)上的I/O触头之间提供I/O连接。在示例性的封装设计中，基片(22)的平面被设置成与波传播方向相切，这允许将外部电子部件放置在与基片(22)相同的平面上，从而简化这些部件的布局和集成。
封装结构(20)示意性地示出了一种根据本发明示例性实施例的将MMW或微波芯片模块与矩形波导激励源集成封装的方法。该示例性封装(20)提供一种紧凑的模块化设计，其中MMIC收发器、接收器或收发器模块例如可以与矩形波导激励源集成封装。封装(20)优选地被设计成可轻易地耦合到矩形波导装置(25)的标准法兰上，以使表面(21b)上的波导端口与矩形波导装置(25)的波导腔对准和对接。例如，封装(20)可轻易地与WR15型标准波导法兰对接。
应理解：图1A-1C和2的示例性实施例是用于构造和封装用于各种应用场合和操作频率的波导过渡器的方法的高级示意图。例如，将参见图3A-3D、4A-4C、5A-5C和6-9针对MMW应用(例如，WR15型矩形波导在50-70GHz上的宽带操作)更详细地讨论基于上述总体框架的过渡器结构。根据本发明的示例性实施例的波导过渡器具有：基于具有内部波导通道的波导块的共同构造，和插入波导通道的宽壁上的开口的具有印刷探针的基于基片的馈电结构。正如将在下文中进行解释的那样，根据本发明的示例性实施例的各种技术被用于设计这样的波导过渡器，其以坚固耐用并且对制造公差和操作环境相对不敏感的方式提供低损耗、宽带宽的操作，同时易于组装。
在一个示例性实施例中，过渡器结构被设计成沿矩形波导通道的宽面偏心定位过渡器基片(其具有印刷馈电和探针)。而采用常规的E面探针设计，过渡器被构造成具有对称的构造，在这种构造中，探针插入点位于波导的宽侧面的中心。然而，这种常规技术通常不会导致得到最佳位置，因此会产生限制带宽的高输入电抗，尤其是对于加载有厚的高介电常数的基片的E面探针。
经研究发现：偏置激励源可以在较宽的频带上获得低输入电抗，从而允许更广泛的匹配。偏置激励源的低输入电抗可归功于高阶消失模振幅的显著减小，而这是由介质加载的探针在均匀矩形波导中的滤波扰动引起的。有利地，偏置激励源可以消除对额外匹配结构的需求，这允许得到更加紧凑的方案。事实上，根据本发明的示例性过渡器结构不需要伸出波导壁的额外匹配部件。事实上，在下面描述的示例性实施例中，探针过渡器可由均匀的CPW或ACPS/CPS传输线直接馈电，同时在例如WR15的整个频带上获得需要的性能。
在本发明的其他示例性实施例中，具有印刷馈线和探针过渡器的过渡器基片被设计成具有抑制不希望的高阶传播模以及相关共振效应的特征，其中这些相关共振效应会由于金属波导壁提供的导体背衬环境而在MMW频率上引起多种类似共振的效应。具体地，示例性的过渡器被设计成抑制不希望的CSL(耦合槽线)、类微带和平行波导模，这些模是由设置在宽开口(过渡器端口PT)中的具有印刷馈线的电宽过渡器基片引起的，其中具有印刷馈线的过渡器基片的整体或大部分被过渡器端口PT的开口中的金属侧壁表面包围/环绕。如将在下面详细描述的那样，边缘包封金属化层(edge-wrap metallization)和半通孔(half-vias)或半开槽(half-slots)形式的堡状结构可用来局部包封设置在波导壁内的CPW或CPS/ACPS馈线的相对的基片表面上的上、下导体(例如接地导体)。这种方案允许有效连接设置在过渡器基片的相对表面上的顶部和底部导体，而与基片切割公差和其他制造公差(例如过渡器端口的开口内的拐角的有限半径)范围无关。
现在将参见图3A-3D、4A-4C、5A-5C和6-9针对MMW应用更详细地讨论基于上述总体框架的过渡器结构。图3A-3D总体上示出了与基于CPW的馈电结构和E面探针过渡器(图4A-4C)、或与基于微带线的馈电结构和E面探针过渡器(图5A-5C)一同使用的过渡器壳体(或波导块)的示例性实施例。此外，图6-9示出了为抑制不希望的模式和共振而使用半通孔边缘包封金属化层构造导体背衬和非导体背衬的CPW和CPS馈线的各种实施例。
更具体地，图3A-3D示出了根据本发明的示例性实施例的金属过渡器壳体(30)的结构细节。图3A示出了示例性的过渡器壳体(30)的前视图，其中壳体(30)通常包括波导壳体(31)和基片支撑块(32)。图3B是沿图3A中的线3B-3B所取的过渡器壳体(30)的横截面图，图3C是沿图3A中的线3C-3C所取的过渡器壳体(30)的横截面图。图3D是过渡器壳体(30)的后视图(与图3A的前视图相反)。过渡器壳体(30)可由铜块、铝块或黄铜块、或其他任何合适的金属或合金块形成，这些材料可以镀有银或金以增强导电性或增加抗腐蚀性。可以用公知的分块(split-block)加工技术和/或为了在毫米波频率上要求的尺寸精度而采用电火花线加工(wire EDM)或厚度(thick)EDM(电火花加工)构造过渡器壳体(30)。在其他示例性实施例中，该过渡器壳体可以通过精确注模技术用塑料材料形成，以达到降低成本的目的。在使用塑料壳体的情况下，可以利用公知技术在相关表面(例如矩形波导通道的宽壁和短壁表面)上镀覆金属材料。
如图3A-3D中总体所示，波导块(31)包括内部的矩形波导通道(在图3A和3D中以虚线示出)，其具有由波导块(31)的前/后宽壁(31a/31b)和底部/顶部短壁(31c/31d)的内表面限定的宽度a和高度b。前/后宽壁(31a)/(31b)被描绘成具有厚度t。波导通道在波导块(31)的一个侧壁上开口以提供波导端口Pw。波导通道的另一端由背向短路器B1部件封闭。在本发明的一个示例性实施例中，背向短路器B1是独立加工的部件，其被设计用于插入波导通道末端，以允许调节探针过渡器与背向短路器B1的内表面之间的背向短路距离b1(如图3B所示)，以便调谐和匹配波导与过渡器。在这种情况下，内部的矩形波导通道可在波导块(31)的每个侧壁上均形成开放端。
贯穿波导块(31)的前部宽壁(31a)形成孔(33)以提供过渡器端口PT，用于插入具有印刷传输线和探针过渡器的介质基片。孔(33)形成为具有高度h和阶梯式宽度特征，该特征包括宽度为W1的内部开口(33b)和宽度为W2的外壁开口(33a)。孔(33)的底部形成在与底部短壁(31c)的内表面相距高度为a’处。孔(33)的底部内表面与基片支撑块(32)的上表面在同一平面上，基片支撑块(32)从波导块(31)的前表面伸出距离x(见图3c)。孔(33)和支撑块提供了共面的长度为t+x的装配面，用于支撑平面过渡器基片。孔(33)的阶梯式宽度结构在不使用分块技术(不需要目视检查)的情况下提供了用于具有印刷馈电和过渡器的过渡器基片在波导孔和波导腔内的精确自对准和定位的机构。如在下文中解释的那样，过渡器基片形成为具有相匹配的阶梯式宽度形状的结构，以便能够在孔(33)中对准和定位。如果用分块技术来将具有探针的过渡器基片定位在波导孔内，那么孔(33b)可形成为均匀的狭窄开口，例如宽度为W1的内部开口(33b)。
调谐腔(34)(或调谐短截线)形成在波导通道的与过渡器端口的孔(33)相对的宽壁(31b)上。如图3D所示，调谐腔(34)实质上是形成于波导通道的宽壁(31b)上的开口，其与孔(33)的内部开口(33b)对准并且具有相同的尺寸h×W1。另外，用单独加工的背向短路器元件B2将调谐腔(34)短路，其中能够以可调节的方式将元件B2设置在与调谐腔(34)的开口(即与宽壁(31b)的内表面)相距b2处。具有可调节的背向短路器B2的调谐腔(34)为匹配波导端口的特性阻抗与印刷馈线和探针过渡器的特性阻抗提供额外的调谐机构。
在一个示例性实施例中，通过利用电火花线切割加工沿要铣成过渡器壳体(30)的金属块的整个宽度进行加工，调谐腔(34)和孔(33)的内部开口(33b)可以在单个制造步骤中一同形成。狭窄的开口(33b)(宽度为W1)可以用EDM技术来加工以确保精度，而较宽的开口(33a)(宽度为W2)可以用具有较低精度的传统技术来形成，因为W2的尺寸精度对过渡器性能造成的影响较小。当不需要调谐腔(34)时，可使用厚度EDM工艺形成开口(33)。
在示例性的过渡器设计中，在形成宽壁中的过渡器端口PT时，加工技术(甚至是如EDM那样精确的)具有一些固有限制，它们不能提供方形的开口-这种加工会得到具有有限半径拐角(在图3A中标为“R1”和“R2”)的开口。例如，电火花线加工技术产生具有半径为4-5毫英寸的拐角的开口，其中厚度EDM技术能够产生具有半径为2毫英寸的更小拐角的开口。由于这些固有限制，孔(33)的开口形成有圆角。由此，过渡器基片必须制成比孔宽度(W1、W2)小，否则过渡器基片将不能正确安放和接触内侧壁表面。
图4A-4C是根据本发明的示例性实施例的传输线-波导过渡设备的示意性透视图。具体地，图4A-4C示出了示例性的CPW-矩形波导过渡设备(40)，其由示例性的金属过渡器壳体(30)(如参见图3A-3D所描述的那样)和平面过渡器基片(41)构成，其中过渡器基片(41)包含印刷CPW传输线(42)和E面探针(43)。图4A示出了示例性过渡设备(40)的前视图，其中过渡器基片(41)放置在孔(33)(过渡器端口PT)中。图4B是沿图4A中的线4B-4B所取的过渡设备(40)的横截面图，图4C是沿图4A中的线4C-4C所取的过渡设备(40)的横截面图。
过渡器基片(41)包括具有阶梯宽度结构的平面基片，该宽度结构包括具有宽度Ws的第一部分(41a)和具有变小的宽度Ws’的第二部分(41b)，并且提供基片(41)关于阶梯宽度孔(33)的自对准定位。在该示例性实施例中，考虑到上述的内和外开口(33a)和(33b)的圆拐角，基片部分(41a)的宽度Ws略小于孔(33)的外部(33a)的宽度W2，基片部分(41b)的宽度Ws’略小于孔(33)的内部(33b)的宽度W1。
基片(41)包括顶部表面金属化层，对该金属化层进行刻蚀以在基片部分(41a)上形成CPW传输线(42)和在基片部分(41b)上形成具有E面探针(43)的平面过渡器。基片部分(41b)还包括过渡区域(44)，CPW传输线(42)在此与探针(43)耦合。在该示例性实施例中，过渡区域(44)可被认为是位于孔(33)的内部开口(33b)的壁之间并且由波导块(31)的宽壁的内表面(31a)和内部、外部开口(33b)、(33a)之间的交界面所限制的区域。
CPW传输线(42)包括三个平行导体，其包括宽度为w的中心导体(42a)，该中心导体(42a)被设置在两个宽度为g的接地导体(42b)之间并且与接地导体(42b)间隔距离s。探针(43)被描绘成宽度为Wp、长度为Lp的矩形带线，其被连接到CPW(42)的中心导体(42a)的末端并且从该末端开始延伸。基片部分(41b)的末端从波导宽壁(31)的内表面(31a)伸出距离Ls，其中Ls大于Lp。CPW(42)的接地导体(42b)在过渡区域(44)中以宽度为gs的短截线(44a)结束，在过渡区域中，这些短截线基本上形成从接地导体(42b)的末端开始朝向基片的位于孔(33)的内部开口(33b)的金属壁附近的侧壁弯曲的90度弯曲。
图5A-5C是根据本发明的另一示例性实施例的传输线-波导的过渡设备的示意性透视图。具体是，图5A-5C示出了一种示例性的ACPS-矩形波导的过渡设备(50)，其由示例性的金属过渡器壳体(30)(如参见图3A-3D所描述的那样)和平面过渡器基片(51)构成，其中过渡器基片(51)包含印刷ACPS传输线(52)和E面探针(53)。图5A示出了该示例性过渡设备(50)的前视图，其中过渡器基片(51)放置在孔(33)(过渡器端口PT)中。图5B是沿图5A中的线5B-5B所取的过渡设备(50)的横截面图，图5C是沿图5A中的线5C-5C所取的过渡设备(50)的横截面图。
过渡器基片(51)包括具有阶梯宽度结构的平面基片，该宽度结构包括具有宽度Ws的第一部分(51a)和具有变小的宽度Ws’的第二部分(51b)，其提供基片(51)关于阶梯宽度孔(33)的自对准定位。在该示例性实施例中，考虑到上述的内和外开口(33a)和(33b)的圆拐角，基片部分(51a)的宽度Ws略小于孔(33)的外部(33a)的宽度W2，基片部分(51b)的宽度Ws’略小于孔(33)的内部(33b)的宽度W1。
基片(51)包括顶部表面金属化层，对该金属化层进行刻蚀以在基片部分(51a)上形成CPS传输线(52)和在基片部分(51b)上形成具有E面探针(53)的平面过渡器。基片部分(51b)还包括过渡区域(54)，CPS传输线(52)在此与探针(53)耦合。在该示例性实施例中，过渡区域(54)可被认为是位于孔(33)的内部开口(33b)的壁之间并且由波导块(31)的宽壁的内表面(31a)和内部、外部开口(33b)、(33a)之间的交界面所限制的区域。
CPS传输线(52)包括两个平行导体，其包括宽度为w的第一导体(52a)和宽度为g的第二导体(52b)，并且两个导体间隔距离s。当导体(52a)和(52b)的宽度相同(w＝g)时，传输线(52)被称作CPS线，其可以支持差分信号，其中导体(52a)或(52b)均不处于地电势。当导体(52a)和(52b)的宽度不相同(例如w＜g)时，传输线(52)被称作非对称CPS(ACPS)线。在该示例性实施例中，示出的是ACPS馈线，其中导体(52b)为接地导体。探针(53)被描绘成宽度为Wp、长度为Lp的矩形带线，其连接到馈线(52)的第一导体(52a)的末端并且从该末端开始延伸。基片部分(51b)从波导宽壁(31)的内表面(31a)伸出距离Ls，其中Ls大于Lp。接地导体(52b)在过渡区域(44)中以宽度为gs的短截线(54a)结束，在过渡区域中，这些短截线基本上形成从导体(52b)的末端开始朝向位于孔(33)的内部开口(33b)的金属壁附近的基片侧壁弯曲的90度弯曲。
示例性的过渡器载体基片(41)和(51)可以由不与金属波导壁电流隔离的导体背衬馈线结构构成，或者由与金属波导壁电流隔离的非导体背衬馈线结构构成。例如，图6和8示意性地示出了过渡器载体基片(41)和(51)的示例性实施例，其中基片被构造成在其底部上形成完整的接地面以提供导体背衬CPW和ACPS馈线结构。此外，图7和9示意性地示出了过渡器载体基片(41)和(51)的示例性实施例，其中基片被构造成具有非导体背衬CPW和ACPS馈线结构。
具体地，参见图6，过渡器载体基片(41)具有底部接地面(45)，其形成于基片部分(41a)和过渡区域(44)下方，用于提供导体背衬CPW结构。延伸通过宽壁(31a)内表面的探针(43)下方的基片的部分(41b)没有接地面。类似地，如图8所示，过渡器基片(51)具有底部接地面(55)，其形成于基片部分(51a)和过渡区域(54)下方，用于提供导体背衬CPS结构。延伸通过宽壁(31a)内表面的探针(53)下方的基片的部分(51b)没有接地面。通过用导电环氧树脂将接地面(45)和(55)粘合到金属波导表面(无电流隔离)上，过渡器载体基片(41)和(51)可被固定装配在过渡器端口中。应理解：在图6和8示出的示例性实施例中，图4B和5B中的过渡器基片(41)和(51)例如形成为具有一致的宽度(即，不是图4B和5B所示的阶梯宽度)。
与普通CPW或ACPS相比，这些示例性的导体背衬CPW(CB-CPW)和导体背衬ACPS(CB-ACPS)设计提供了机械支撑和散热能力。此外，对于CPW或CPS馈线而言，当它们(通过金属壁)与作为金属外壳的波导相连时，背衬导体是一种自然环境。然而，导体背衬CPW和CPS设计在毫米波的频率上会激发平行波导和类微带模，从而因模式转换的不连续和相关的类似共振的效应造成具有较差的性能，其中相关的类似共振的效应是因过渡器结构的大(电性大)横向尺寸引起的。此外，CPW可支持两种主模，即CPW模和CSL(耦合槽线)模，在这种情况下后者为寄生模。关于这点，通过包封印刷在基片载体两侧的CB-CPW或CB-CPS馈电结构的接地导体和底部接地面来提供抑制高阶模和共振效应的方法。
例如，在图4B和5B的示例性实施例中，局部包封可以通过所谓“半通孔”包封或在过渡区域(44)和(54)中的基片侧壁的部分长度L1上通过电镀技术来实现。作为一个实例，图6示意性地示出了诸如图4B所示的导体背衬CPW馈电结构，其中使用半通孔边缘包封金属化层(46)使接地导体(42b)的端部在过渡区域(44)中沿着长度L1与基片的部分(41a)的底部(以虚线示出)上的接地面(45)相连。类似地，图8示意性地示出了诸如图5B所示的导体背衬CPS馈电结构，其中使用半通孔边缘包封金属化层(56)使接地导体(52b)的端部在过渡区域(54)中沿着长度L1与基片的部分(51a)的底部(以虚线示出)上的接地面(55)相连。在这些示例性的过渡器设计中，使用通孔-边缘包封(via-edge wrapping)实现过渡器基片上的顶部和底部接地元件的有效连接，从而提供一种与基片的切割公差以及孔(33)的内部和外部开口(33a)和(33b)的有限半径R1和/或R2无关的模式抑制机构。
如上所述，用于导体背衬馈线设计的示例性过渡器结构可以利用边缘包封金属化层和连接基片两侧的上、下接地元件的电连接来构造，以便实现模式抑制。在诸如图7和9所描绘的非导体背衬CPW和CPS设计中，使用非导电性胶粘剂将过渡器基片附连到金属波导壁上。
在先前描述的具有导体背衬基片的设计中，当使用非导电性环氧树脂进行附连时，金属波导壁与基片背侧上的固体金属实际上构成平行波导结构，这可能会引起能量泄漏和寄生共振效应。为了避免这种问题，利用特殊的模式抑制技术设计与金属波导块电流隔离的非导体背衬CPW和ACPS(或CPS)-矩形波导的过渡器结构，其中导电带形成在过渡器基片的底部上并且经边缘包封与馈电结构的顶部接地导体相连。这种结构阻止在上文中专门针对导体背衬设计所提及的平行波导和其他寄生模的传播。
例如，图7基于图4B所示的示例性设计示意性地示出了非导体背衬CPW馈电结构。在该实施例中，将不使用导电粘合材料将基片载体(41)电连接到金属波导壳体上，而是使用一些非导电性环氧树脂将基片载体(41)附连到金属波导壳体上，其中这些非导电性环氧树脂在关注的频率范围上具有非常公知的介电性质。在图7中，边缘包封的半通孔金属化层(46)在过渡区域(44)中被附连到基片载体(41)的底侧上的金属“接地”图形(47)上，以阻止上述寄生模的传播。实际上，由于是用非导电性环氧树脂将金属图形(47)胶粘在金属波导表面上的，因此底部金属化图形(47)将悬在孔中的波导壳体的金属表面上(与该金属表面绝缘)。金属指(47)和通孔包封(46)的数量、位置、宽度和长度将根据需要进行设计。取决于所要求的探针长度，这些设计沿着馈线长度可以具有更多的包封点。基片底部与开口底部之间的间距(填充非导电性环氧树脂)也特别重要，其在示例性设计中保持为较小值(例如在60GHz的设计中要低于50微米)。
此外，图9基于图5B所示的示例性设计示意性地示出了非导体背衬ACPS馈电结构。在该实施例中，将不使用导电粘合材料将基片载体(51)电连接到金属波导壳体上，而是使用一些非导电性环氧树脂将基片载体(51)附连到金属波导壳体上，其中这些非导电性环氧树脂在关注的频率范围上具有非常公知的介电性质。在图9中，边缘包封的半通孔金属化层(56)在过渡区域(54)被附连到基片载体(51)的底侧上的金属“接地”图形(57)上，以阻止上述寄生模的传播。实际上，由于是用非导电性环氧树脂将金属图形(57)胶粘在金属波导表面上的，因此底部金属化图形(57)将悬在孔中的波导壳体的金属表面上(与该金属表面绝缘)。金属指(57)和通孔包封(56)的数量、位置、宽度和长度将根据需要进行设计。取决于所要求的探针长度，这些设计沿着长度可以具有更多的包封点。同样要考虑基片底部与开口底部之间的间距(填充非导电性环氧树脂)，其在示例性设计中保持为较小值(例如在60GHz的设计中要低于50微米)。
在上述示例性的过渡设备(40)和(50)中，可以调节各种参数以使波导模与CPW或ACPS传输线的特征阻抗匹配。例如，可以通过调节包括例如探针(43)/(53)与背向短路器B1之间的距离b1、探针(43)/(53)在波导横截面a中的位置、探针宽度Wp和Lp在内的各种参数来使CPW或ACPS传输线与波导端口匹配。进行这种优化的目的是获得最大可能的带宽(或者最大带宽)。在史密斯圆图上，由围绕其圆心成环的与频率有关的“水滴”状输入反射系数来表征带宽。环越小，则带宽越好。探针的电抗受到储存在支撑基片中的能量的影响。基片的高度hs、宽度Ws和长度Ls或介电常数对输入阻抗的电抗部分和所获得的带宽有显著影响。在上述示例性实施例中，支撑基片不完全填满整个波导孔以使探针的负荷最小。然而，基片可以始终延伸跨过(或者如果有的话，利用背向短路器B2结构越过)波导通道。
在公差分析方面，这些示例性的过渡器的性能对波导内的探针深度Lp非常敏感。当能够利用分块技术(其允许通过目视检查精确设置具有印刷探针的过渡器基片)将该深度控制在几个微米的范围内时，这可能就不算问题了。在这种方法中，能够基于在基片载体上构图的有限尺寸的顶部接地导体来轻易地实施对准，其中基片载体的边界与波导宽侧壁(31a)的内缘对准。在不使用分块技术制造过渡器壳体时，上述阶梯宽度对准机构可合适地被用于定位目的，其中定位精度被限制为约25-30微米，并且基于孔(33)的狭窄开口(33b)的长度L1的EDM加工精度。
在馈电结构附近形成于波导宽壁中的孔(33)会扰乱探针附近的电场分布，从而影响探针的输入阻抗。关于这一点，诸如孔宽度W2和高度h、CPW和ACPS馈电的带线宽度w和槽宽s、以及ACPS馈电的探针在开口内的位置等参数是另外的对CPW和ACPS端口上的输入阻抗有影响的参数。
具有插入的馈电结构的波导宽侧壁上的开口的尺寸也非常重要，尤其对于电性较宽的基片载体。由于传统基片处理和切割上的限制，大多数基片都落入60GHz或更大的组中。因此，基片和端口的开口尺寸被选择成不激发介质加载的开口内的波导模和相关的共振效应。
需要考虑的另一个因素是馈线在顶部和底部接地导体未被包封的位置上的总宽度(包括顶部接地导体的宽度)。当馈电结构过宽时，将会因为在不连续处激励的不对称场而在某些频率上在传输线中产生稳定的类似共振的效应。
根据本发明的过渡器结构的其他示例性特征是这样的，它们可被用在金属壳体内而不会影响其性能，因为它本来就受到波导壁的屏蔽。此外，形成在宽侧壁中的孔(基片端口PT)能够可选地被密封。
为了说明所设想的过渡器的性能，针对设计用于WR15型矩形波导的宽带操作(50-70GHz)的各种CPW-波导的过渡器结构和ACPS-波导的过渡器结构进行计算机模拟。采用市场有售的用于RF、无线、封装和光电设计的3D EM模拟软件工具，具体地采用HFSS(3D full-wave FEMsolver)工具来执行这些模拟计算。所有的损耗机制(电阻损耗、介质损耗和辐射损耗)和模式之间的耦合效应均加以考虑。具有理想表面光洁度(零粗糙度)的三维的4微米厚的Au金属化层被用作导电层。表面阻抗公式用来解释电阻损耗，其在关注的频率范围内(50-70GHz)被良好地验证。具有探针的馈线被放置在300微米厚的熔融石英基片(介电常数为3.8)上，该基片对于50-70GHz的频段而言相对较厚。在本发明的示例性实施例中，可以减小位于平面探针下方的基片部分的厚度或将其移除以改善在此描述的示例性过渡器结构的性能。为了使这些设计具有更好的机械稳定性，可以选用厚基片。在下面的表1中列出了用于示例性过渡器设计的尺寸参数。模拟结果表明：这些示例性的过渡器设计在整个关注频率范围上将产生非常低的插入损耗和返回损耗。
表1用于WR15频段的过渡器设计的示例性尺寸参数
  参数(mm)   设计1(CPW)   设计2(CPW)   设计3(CPW)   设计4(CPS)
  b1   1.05   1.05   1.05   0.95
  b1   0.6   0.3   0.6   0
  W1   1.02   1.02   1.02   1.02
  L1   0.4   0.4   0.4   0.4
  W2   1.5   1.5   1.5   1.5
  t   1   1   1   1
  h   0.8   0.8   1.3   1.3
  a’   1.729   1.729   1.579   1.579
  Lp   0.88   0.88   0.88   1.18
  Wp   0.15   0.15   0.15   0.13
  Ls   1.1   1.1   1.1   1.25
  Ws’＝W1   1.02   1.02   1.02   1.02
  w   0.15   0.15   0.15   0.055
  s   0.02   0.02   0.02   0.045
  gs   0.415   0.415   0.415   0.395
  g   0.315   0.315   0.315   0.28
  Ws   1.5   1.5   1.5   1.5
虽然出于说明的目的已经参考附图描述了这些示例性实施例，但是应理解：本发明不限于这些明确的实施例，本领域技术人员可以在不脱离本发明的范围的情况下实现各种其他改变和改进。

Claims (31)

1.一种过渡设备，其包括：
过渡器壳体，其包括矩形波导通道和贯穿矩形波导通道的宽壁形成的孔；
基片，其具有第一表面和与第一表面相对的第二表面、以及在第一表面上形成的平面传输线和平面探针，其中平面传输线包括第一导电带和第二导电带，其中所述平面探针连接到所述第一导电带的末端并且从该末端延伸，以及其中，所述第二导电带的末端以短截线结束；
其中所述基片被定位在所述孔中，以使得印刷探针在偏离所述宽壁中心的位置上伸入矩形波导通道，并且所述第一和第二导电带的末端与矩形波导通道的宽壁的内表面对准。
2.如权利要求1所述的过渡设备，其中，所述矩形波导通道的一端为封闭端，并且提供探针的背向短路器。
3.如权利要求1所述的过渡设备，其中，该背向短路器是可调节的。
4.如权利要求1所述的过渡设备，其中，所述矩形波导通道的一端在所述过渡器壳体的配合表面上开口，其中该配合表面能够与矩形波导法兰对接。
5.如权利要求1所述的过渡设备，其中，所述印刷传输线是CPS(共面带线)。
6.如权利要求1所述的过渡设备，其中，所述印刷传输线是ACPS(非对称共面带线)。
7.如权利要求1所述的过渡设备，其中，所述印刷传输线是CPW(共面波导)。
8.如权利要求1所述的过渡设备，其中，所述孔具有阶梯宽度开口，以便实现基片在孔和矩形波导通道中的对准和定位。
9.如权利要求1所述的过渡设备，其中，所述短截线与用于抑制寄生模的边缘包封金属化层相连。
10.如权利要求9所述的过渡设备，其中，所述边缘包封金属化层电连接到过渡器壳体的金属表面上。
11.如权利要求9所述的过渡设备，其中，所述边缘包封金属化层电连接到基片的第二表面上的接地面上。
12.如权利要求9所述的过渡设备，其中，所述边缘包封金属化层与过渡器壳体电流隔离。
13.如权利要求1所述的过渡设备，其中，所述过渡设备与MMIC(微波单片集成电路)装置集成封装。
14.如权利要求1所述的过渡设备，其还包括：调谐腔，该调谐腔在所述矩形波导通道的与所述孔相对的第二宽壁上形成并且与孔对准。
15.如权利要求1所述的过渡设备，其中，所述过渡器壳体由金属材料块形成。
16.如权利要求1所述的过渡设备，其中，所述过渡器壳体由塑料材料形成，所述塑料材料具有涂敷金属材料的表面。
17.一种过渡设备，其包括：
过渡器壳体，其包括矩形波导通道和贯穿所述矩形波导通道的宽壁形成的孔；
基片，其具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面、以及在所述第一表面上形成的平面传输线和平面探针，其中所述平面传输线包括第一导电带和第二导电带，其中所述平面探针连接到所述第一导电带的末端并且从该末端延伸，以及其中，所述第二导电带的末端以短截线结束，并且该短截线通过边缘包封金属化层连接到基片的第二表面上的导电接地图形；
其中所述基片被定位在所述孔中，以使得所述印刷探针伸入所述矩形波导通道，并且所述第一和第二导电带的末端与矩形波导通道的宽壁的内表面对准。
18.如权利要求17所述的过渡设备，其中，所述矩形波导通道的一端为封闭端，并且提供探针的背向短路器。
19.如权利要求18所述的过渡设备，其中，该背向短路器是可调节的。
20.如权利要求18所述的过渡设备，其中，所述矩形波导通道的一端在所述过渡器壳体的配合表面上开口，其中该配合表面能够与矩形波导法兰对接。
21.如权利要求17所述的过渡设备，其中，所述印刷传输线是CPS(共面带线)。
22.如权利要求17所述的过渡设备，其中，所述印刷传输线是ACPS(非对称共面带线)。
23.如权利要求17所述的过渡设备，其中，所述印刷传输线是CPW(共面波导)。
24.如权利要求17所述的过渡设备，其中，所述孔具有阶梯宽度开口，以便实现所述基片在所述孔和矩形波导通道中的对准和定位。
25.如权利要求17所述的过渡设备，其中，所述基片的第二表面上的导电接地图形导电地接合到所述过渡器壳体的金属表面上。
26.如权利要求17所述的过渡设备，其中，所述基片的第二表面上的导电接地图形不导电地接合到所述过渡器壳体的金属表面上。
27.如权利要求17所述的过渡设备，其中，所述边缘包封金属化层与所述金属过渡器壳体电流隔离。
28.如权利要求17所述的过渡设备，其中，所述过渡设备与MMIC集成封装。
29.如权利要求17所述的过渡设备，其还包括：调谐腔，该调谐腔在所述矩形波导通道的与孔相对的第二宽壁上形成并且与孔对准。
30.如权利要求17所述的过渡设备，其中，所述过渡器壳体由金属材料块形成。
31.如权利要求17所述的过渡设备，其中，所述过渡器壳体由塑料材料形成，该塑料材料具有以金属材料涂敷的表面。
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