CN101662060A - 新型基片集成波导与矩形波导的转换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型基片集成波导与矩形波导的转换装置，该转换装置包括两个上半腔体、一个半下腔体和介质基板，上半腔体为金属板，在上半腔体的下表面设有第一条形凹槽，下半腔体为一个长方体金属块，并在下半腔体的上表面设有两条第二条形凹槽，两个上半腔体分别设置于下半腔体的两端，且上半腔体下表面的第一条形凹槽与下半腔体上的两条第二条形凹槽完全正对设置，此时第一条形凹槽和两条第二条形凹槽合并形成两条波导槽，介质基板设置于下半腔体的上表面。本发明分别在全模基片集成波导和半模基片集成波导两种情况下实现了其与矩形波导的相互转换，该装置具有电路装配简单、稳定可靠性更高、与其他平面电路更易于集成的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种导波结构之间的相互转换装置，具体地说，是涉及一种新型基片集成波导与矩形波导的转换装置。
背景技术
基片集成波导作为一种新型的导波结构，有着低损耗、高Q值、低成本和高密度平面集成微波毫米波电路及其子系统的优点。由于微波毫米波的其它导波结构(如微带线、槽线、共面线、矩形波导等)也经常得到使用，因此人们在使用基片集成波导这种导波结构的同时必然遇到该导波结构与其它导波结构的相互转换问题。在毫米波系统，经常用到标准的矩形波导接口，因此基片集成波导与标准矩形波导的相互转换问题显得尤为重要。
发明内容
本专利的目的是提供一种新型基片集成波导与矩形波导的转换装置，实现基片集成波导与矩形波导的低反射和低损耗相互转换。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种新型基片集成波导与矩形波导的转换装置，由两个上半腔体、一个下半腔体和介质基板组成，其中，上半腔体为金属块，在上半腔体的下表面设置第一条形凹槽，下半腔体为一个长方体金属块，并在下半腔体的上表面上设置两条第二条形凹槽，两条第二条形凹槽位于下半腔体上的同一直线上，两个上半腔体分别设置于下半腔体的两端，且上半腔体下表面的第一条形凹槽与下半腔体上的两条第二条形凹槽完全正对设置；介质基板设置于下半腔体上的凹槽上，在介质基板上还设有对极鳍线。
所述介质基板的上、下表面均为金属层。
所述下半腔体上表面设有用于安装对极鳍线的凹槽，所述凹槽与两条第二条形凹槽连接为一体，介质基板的两端安装于凹槽上。
所述介质基板固定在两条第二条形凹槽的凹槽上，并通过导电胶粘联在下半腔体的上表面上。
所述介质基板上设有一组或两组金属化通孔，当介质基板上只设置一组金属化通孔时，金属化通孔设置于介质基板的一个侧边边缘；当介质基板上设置两组金属化通孔时，两组金属化通孔分别设置于介质基板的两个侧边边缘，且两组金属化通孔中金属化通孔的形状、大小、数目均相同。
所述每组金属化通孔中相邻金属化通孔之间的距离等于金属化通孔自身直径的两倍，或每组金属化通孔中相邻金属化通孔之间的距离至少比金属化通孔自身直径两倍还小0.000001mm。
所述介质基板上只设置一组金属化通孔时，介质基板下表面上在该组金属化通孔内侧还设有第一非金属化槽；所述介质基板上设置两组金属化通孔时，介质基板上、下表面分别设有第二非金属化槽和第一非金属化槽，第一非金属化槽设置于介质基板下表面的一组金属化通孔内侧，第二非金属化槽设置于介质基板上表面并与第一非金属化槽相对的另一组金属化通孔内侧，且第一非金属化槽和第二非金属化槽分别从介质基板的中部延伸至介质基板的两边边沿。
所述第一非金属化槽、第二非金属化槽的长度为工作频段的中心频率波长的四分之一，且第一非金属化槽和第二非金属化槽形状大小均相同。
所述每组金属化通孔中至少包含两个金属化通孔。
所述上半腔体和下半腔体上分别设有固定螺孔，两个上半腔体分别通过固定螺钉固定于下半腔体的两端。
所述两条第二条形凹槽之间为实体，该实体的高度略小于两条第二条形凹槽的深度，这个深度差又使实体与下半腔体之间形成了凹槽，这个深度即为介质基板的厚度，介质基板通过导电胶粘联于该实体之上，通过介质基板使第二条形凹槽与下半腔体上表面连接为一体。
本发明中所述基片集成波导包括全模基片集成波导(SIW)和半模基片集成波导(HMSIW)两种。
全模基片集成波导由介质基板和设置于介质基板两侧边边缘的两组金属化通孔组成，介质基板的上、下表面上的金属层构成了波导的宽边，两组金属化通孔可等效为金属电壁，从而金属化通孔则构成了该波导的窄边，电磁波在介质基板的上、下两个金属表面和两排金属化通孔所围成的矩形区域内以类似于介质填充矩形波导中的电磁场模式进行传输。其中，电磁场模式包括TE模式和TM模式。
半模基片集成波导是从全模基片集成波导演变而来。在全模基片集成波导中，当基片集成波导工作在主模时，电场的最强处位于沿电磁波传播方向的垂直中心面，因此基片集成波导的中心面可等效为磁壁，基于此方法，我们沿着该等效的磁壁将全模基片集成波导等分成两半，每一半就成为一个半模基片集成波导，并且在它各自部分里都能保持原来的场分布以及在半开放结构中同样支持该导波模式，但尺寸的大小大则只有全模的一半。
本发明中全模基片集成波导导波结构由介质基板内的两排金属化通孔组成，如果每排金属化通孔中相邻金属化通孔之间的距离P不大于金属化通孔自身直径D2的两倍，同时金属化通孔自身直径D2不大于电路的最大工作频率的波长的十分之一，那么每排金属化通孔将等效于一个金属电壁，此时，两个金属电壁和介质基板共同形成一个用介质填充的矩形波导，两排金属化通孔之间的距离W决定了基片集成波导导波结构的工作频率范围。
其中f是波导工作频率、fc是波导的截止频率、εr是介质的介电常数、v是光速、w是两排金属化通孔之间的距离。
基于上述关于全模基片集成波导与半模基片集成波导理论，本发明中，当介质基板上设置两组金属化通孔，并在介质基板上、下表面分别设置第二非金属化槽和第一非金属化槽时，本发明就是一个全模基片集成波导与矩形波导的转换装置；当介质基板上只设置一组金属化通孔，且在介质基板下表面设置第一非金属化槽时，本发明则为一个半模基片集成波导与矩形波导的转换装置。在全模基片集成波导与矩形波导的转换装置中，第二非金属化槽和第一非金属化槽分别设置于介质基板的上、下表面，并在介质基板的上、下两个表面上走向相反。
本发明中对极鳍线与介质基板表面的金属层连接为一体，并设置于介质基板的两端，而介质基板的两端安装在下半腔体上表面的凹槽中，凹槽的高度刚好与介质基板的厚度相同，同时，应当注意凹槽的深度不能太大，以避免矩形波导原来的电磁场结构改变较大。
其转换装置的工作原理如下：
对全模基片集成波导而言，首先分别在介质基板的上下表面靠近金属化通孔的边沿内侧各腐蚀一条较浅的非金属槽，这样形成了一个边缘去掉了一部分金属表面的基片集成波导结构，其传输的是准TE模式，从而完成了TE模到准TE模的转换。其次是边缘去掉了一部分金属表面的基片集成波导结构转换为对极鳍线结构，该对极鳍线装配在下半腔体上表面的凹槽中，然后由对极鳍线过渡到矩形波导，其电磁场模式也由准TE模过渡到了TE模。由于基片集成波导或半模基片集成波导等效为一个介质填充的矩形波导或半模矩形波导，其厚度就是介质基片的厚度且其厚度很薄，故其特性阻抗较低。同时非金属槽还使对极鳍线的金属导带的宽度按余弦函数实行渐变，实现了基片集成波导的低阻抗到矩形波导的高阻抗的阻抗渐变和阻抗匹配。
对半模基片集成波导而言，首先在介质基板的下表面靠近金属化通孔的边缘内侧腐蚀一条较浅的非金属槽，这样就形成了一个边缘去掉了一部分金属表面的半模基片集成波导结构，其传输的是准TE模式，从而完成了TE模到准TE模的转换。其次是边缘去掉了一部分金属表面的半模基片集成波导结构转换为对极鳍线结构，然后由对极鳍线过渡到矩形波导，其电磁场模式也由准TE模过渡到了TE模。同时非金属槽也使对极鳍线的金属导带的宽度按余弦函数实行渐变，完成了半模基片集成波导的低阻抗到矩形波导的高阻抗的阻抗渐变和阻抗匹配，从而实现了半模基片集成波导到矩形波导的低反射低损耗转换。
为实现基片集成波导与矩形波导的相互转换，两条第二条形凹槽应分别从下半腔体的两端向中部伸展，直至与两第二条形凹槽之间的实体连为一体，第一条形凹槽也与上半腔体底面等长，本发明只需要改变波导的输入输出端，就可以改变基片集成波导与矩形波导之间的转换方向，实现两者之间的相互转换，不仅具有电路装配简单、稳定可靠性更高、与其他平面电路更易于集成的特点，同时使得基片集成波导平面电路更易于与矩形波导接口。本发明主要用于微波毫米波通信、雷达、导航制导、广播电视及其测试系统。
附图说明
图1为本发明的一种结构示意图。
图2为图1的A-A向示意图。
图3为本发明的另一种结构示意图。
图4为本发明中上半腔体的结构示意图。
图5为本发明中下半腔体的结构示意图。
图6为本发明-实施例1中介质基板的正面结构示意图。
图7为本发明-实施例1中介质基板的反面结构示意图。
图8为本发明-实施例2中介质基板的正面结构示意图。
图9为本发明-实施例2中介质基板的反面结构示意图。
附图中标号对应名称：1-上半腔体，2-下半腔体，3-介质基板，4-第一条形凹槽，5-第二条形凹槽，6-金属化通孔，7-凹槽，8-第一非金属化槽，9-第二非金属化槽，10-固定螺孔，11-对极鳍线。
具体实施方式
实施例1
实施例1为全模基片集成波导与矩形波导的转换装置。
如图3、图4、图5、图6和图7所示，一种新型基片集成波导与矩形波导的转换装置，其结构主要包括两个上半腔体1、一个下半腔体2和介质基板3，上半腔体1为一个“L”形金属块，在“L”金属板的下表面开设有第一条形凹槽4，下半腔体2为一个长方体金属柱块，并在该长方体金属柱的上表面上开设有两条第二条形凹槽5，两个上半腔体1分别设置于下半腔体2的两端，第一条形凹槽4与两条第二条形凹槽5正对放置，在两个上半腔体1和下半腔体2上分别设有固定螺孔10，两个上半腔体1分别通过固定螺钉固定于下半腔体2的两端，在正确安装并用固定螺钉紧固后，两条第一条形凹槽4和两条第二条形凹槽5就合并成了两个波导槽。介质基板3的两端安装于下半腔体2上表面的凹槽7中，并用导电胶将介质基板3与凹槽7粘联为一体。在介质基板3两侧边边缘上，分别设有一组金属化通孔6，并在介质基板3上、下表面上金属化通孔6内侧的附近设有第二非金属化槽9和第一非金属化槽8。
首先，第一非金属化槽8和第二非金属化槽9的设置，使介质基板3的两侧边边缘各自形成了一个非金属层，从而实现基片集成波导从TE模到准TE模的转换；其次，介质基板3的两端分别设有一条对极鳍线11，该对极鳍线11与介质基板3的金属层表面连接为一体，通过安装于第二条形凹槽5上表面的凹槽7中的对极鳍线11，使边缘去掉一部分金属表面的基片集成波导结构转换为对极鳍线结构，最后由对极鳍线11过渡为矩形波导结构，实现准TE模到TE模的转换，从而实现了全模基片集成波导与矩形波导的转换。
要实现矩形波导与全模基片集成波导的转换，只需要改变本发明的输入端和输出端，将全模基片集成波导与矩形波导的转换装置中的输入端变为矩形波导与全模基片集成波导的转换装置中的输出端，而全模基片集成波导与矩形波导的转换装置中的输出端则变为矩形波导与全模基片集成波导的转换装置中的输入端。因此，本发明在操作上十分方便。
本发明中，第一非金属化槽8和第二非金属化槽9的设置，不仅实现了电磁场模式从TE模到准TE模的转换，还使对极鳍线11的金属导带的宽度按余弦函数实行渐变，实现了基片集成波导的低阻抗到矩形波导的高阻抗的阻抗渐变和阻抗匹配，对极鳍线中的准TE模再转化到矩形波导的TE模。同时，还完成了基片集成波导和矩形波导二者的电磁场模式渐变。
在环境温度25℃条件下，本发明的测试结果为：两个对称的介质基板背靠背连接成一体进行测试，频率范围在26.5到40GHz，其插入损耗大约1.6dB、回波损耗低于12dB，因此单个转换装置的插损约为0.8dB、回波损耗约为12dB-28dB。
实施例2
实施例2为半模基片集成波导与矩形波导的转换装置。
如图1、图2、图4、图5、图8和图9所示，实施例2与实施例1的区别在于介质基板3上只设置一组金属化通孔6，同时，只在介质基板3反面设置第一非金属化槽8，其他结构均相同，实施效果也类似。
在环境温度25℃条件下，本发明的测试结果为：两个对称的介质基板背靠背连接成一体进行测试，频率范围在26.5到406Hz，其插入损耗大约1.4dB、回波损耗低于12dB，因此单个转换装置的插损约为0.7dB、回波损耗约为12dB-28dB。
Claims (10)
1.一种新型基片集成波导与矩形波导的转换装置，其特征在于，所述新型基片集成波导与矩形波导的转换装置包括两个上半腔体(1)、一个下半腔体(2)和介质基板(3)，上半腔体(1)为金属块，在上半腔体(1)的下表面设置第一条形凹槽(4)，下半腔体(2)为一个长方体金属块，并在下半腔体(2)的上表面上设置两条第二条形凹槽(5)，两条第二条形凹槽(5)位于下半腔体(2)上的同一直线上，两个上半腔体(1)分别设置于下半腔体(2)的两端，且上半腔体(1)下表面的第一条形凹槽(4)与下半腔体(2)上的两条第二条形凹槽(5)完全正对设置；介质基板(3)设置于下半腔体(2)上的凹槽(7)上，在介质基板(3)上还设有对极鳍线(11)。
2.根据权利要求1所述的新型基片集成波导与矩形波导的转换装置，其特征在于，所述介质基板(3)的上、下表面均为金属层。
3.根据权利要求1所述的新型基片集成波导与矩形波导的转换装置，其特征在于，所述下半腔体(2)上表面设有用于安装对极鳍线(11)的凹槽(7)，所述凹槽(7)与两条第二条形凹槽(5)连接为一体，介质基板(3)的两端安装于凹槽(7)上。
4.根据权利要求1所述的新型基片集成波导与矩形波导的转换装置，其特征在于，所述介质基板(3)固定在两条第二条形凹槽(5)的凹槽(7)上，并通过导电胶粘联在下半腔体(2)的上表面上。
5.根据权利要求1所述的新型基片集成波导与矩形波导的转换装置，其特征在于，所述介质基板(3)上设有一组或两组金属化通孔(6)，当介质基板(3)上只设置一组金属化通孔(6)时，金属化通孔(6)设置于介质基板(3)的一个侧边边缘；当介质基板(3)上设置两组金属化通孔(6)时，两组金属化通孔(6)分别设置于介质基板(3)的两个侧边边缘，且两组金属化通孔(6)中金属化通孔的形状、大小、数目均相同。
6.根据权利要求5所述的新型基片集成波导与矩形波导的转换装置，其特征在于，所述每组金属化通孔(6)中相邻金属化通孔之间的距离等于金属化通孔自身直径的两倍，或每组金属化通孔(6)中相邻金属化通孔之间的距离至少比金属化通孔自身直径两倍还小0.000001mm。
7.根据权利要求5所述的新型基片集成波导与矩形波导的转换装置，其特征在于，所述介质基板(3)上只设置一组金属化通孔(6)时，介质基板(3)下表面上在该组金属化通孔(6)内侧还设有第一非金属化槽(8)；所述介质基板(3)上设置两组金属化通孔(6)时，介质基板(3)上、下表面分别设有第二非金属化槽(9)和第一非金属化槽(8)，第一非金属化槽(8)设置于介质基板(3)下表面的一组金属化通孔(6)内侧，第二非金属化槽(9)设置于介质基板(3)上表面并与第一非金属化槽(8)相对的另一组金属化通孔(6)内侧，且第一非金属化槽(8)和第二非金属化槽(9)分别从介质基板(3)的中部延伸至介质基板(3)的两边边沿。
8.根据权利要求7所述的新型基片集成波导与矩形波导的转换装置，其特征在于，所述第一非金属化槽(8)、第二非金属化槽(9)的长度为工作频段的中心频率波长的四分之一。
9.根据权利要求5的新型基片集成波导与矩形波导的转换装置，其特征在于，所述每组金属化通孔(6)中至少包含两个金属化通孔。
10.根据权利要求1述的新型基片集成波导与矩形波导的转换装置，其特征在于，所述上半腔体(1)和下半腔体(2)上分别设有固定螺孔(10)，两个上半腔体(1)分别通过固定螺钉固定于下半腔体(2)的两端。
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