CN104241794B - 一种组合波导 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合波导，所组合波导由空隙波导和矩形波导水平转接或者垂直转接形成；或者，所组合波导由所述空隙波导和微带线水平转接形成。本发明提供的一种组合波导，解决了空隙波导与矩形波导或者微带线转接过程中的连接匹配问题，可以将空隙波导应用于现有的高频电路结构中，相比采用传统传输线可改善系统的损耗，提高传输效率，降低电路的加工难度及加工成本，改善了系统的插入损耗。

Description

一种组合波导

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种组合波导。

背景技术

现在电子设备被广泛用于各种信号的传输，这些信号分为高频信号和低频信号。对于这些信号的传输载体，低频信号通常通过有线及电缆的形式传输，高频信号主要通过无线电波形式传播。对于高频信号，其传输的硬件同时包括高频传输线和低频传输线，高频传输线用于发射和接受无线电波，低频传输线用于传输需要调制的声音或视频信息。传统的高频传输线包括：矩形波导、微带线。

随着通信技术的发展，大容量信号的传输需求越来越强烈，使得高频通信的频率越来越高，当高频通信频段上升到几十个GHz时，优选使用空隙波导(GPWG，Gap Waveguide)作为高频信号的新型平面传输线结构。

空隙波导、矩形波导、微带线的结构上存在很大差异，使得其各自传输的电磁场分布也存在较大差异，这些差异主要体现在：

一、空隙波导传输的电磁场主要分布在脊与上层板之间的的空气空隙中，同时由于空隙波导的屏蔽结构等效而成的理想导磁体结构，使得电磁场从脊与上层板之间的的空气空隙向地板方向迅速衰减，且使得所述电磁信号在所述地板中以所述脊为中心、沿与所述脊垂直的方向向两边迅速衰减；

二、矩形波导为封闭结构，其传输的电磁场均位于矩形波导内；

三、微带线由上下导体及中间的介质体构成，其传输的电磁场主要分布在上下导体间，但上导体为开放结构，使得上导体两外边缘附近仍具有较强的场分布。

由于上述差异，使得现有技术无法直接使空隙波导与矩形波导或者微带线转接。对于电磁场的转接结构，其目的主要是保证电磁信号经转接结构由输入设备顺利传输到输出设备，并且电磁信号的大部分能量都能通过所述波导转接结构输出到输出设备，而很少能量或者没有能量被反射回输入设备。由于电磁信号的矢量特性，为了使得电磁信号通过转接结构不被反射回输入设备，需要满足两点要求：

波导转接结构输入/输出两边的电磁场分布需要匹配，即场匹配；

波导转换结构输入/输出两边的场阻抗需要保持一致，即阻抗匹配。

目前现有技术中仅仅涉及微带线与矩形波导垂直转接或者水平转接的技术，并没有使空隙波导与矩形波导或者微带线转接的技术方案。

发明内容

本发明实施例提供一种组合波导，用以解决现有技术中的空隙波导与矩形波导或者微带线转接的问题。

本发明实施例提供的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供一种组合波导，所组合波导由空隙波导和矩形波导水平转接或者垂直转接形成；

或者，所组合波导由所述空隙波导和微带线水平转接形成。

在所述第一方面的第一种可能的实现方式中，所述空隙波导和所述矩形波导水平转接的结构具体包括：

所述矩形波导设有过渡结构，所述过渡结构的高度与所述空隙波导的高度相等，所述过渡结构的宽度与所述矩形波导的宽度相等，且所述过渡结构具有波导口；

所述过渡结构拼接于所述空隙波导，所述空隙波导的脊的延伸方向与所述波导口的横截面垂直，且所述脊在所述波导口的横截面的投影在所述波导口的横截面之内；

所述空隙波导具有第一矩形中空结构，所述第一矩形中空结构设于所述波导口与所述脊之间且设于所述空隙波导的上层板和地板之间，且所述第一矩形中空结构在所述波导口的横截面的投影区域覆盖所述波导口的横截面；

所述脊向所述波导口延伸方向的末端为阶梯结构或者渐变结构，且所述阶梯结构的高度或者渐变结构的高度沿所述延伸方向降低。

在所述第一方面的第二种可能的实现方式中，所述空隙波导和所述矩形波导垂直转接的结构具体包括：

所述空隙波导的上层板具有矩形口，所述矩形口的其中一边垂直于所述空隙波导的脊，所述矩形口的形状与所述矩形波导的波导口的形状相同，所述矩形波导拼接于所述矩形口且所述矩形波导的波导口与所述矩形口相对应；

所述空隙波导具有第二矩形中空结构，所述第二矩形中空结构位于所述空隙波导的上层板和地板之间，所述第二矩形中空结构在所述上层板的投影区域覆盖所述矩形波导的波导口；

所述脊具有沿其延伸方向的延伸结构，所述延伸结构延伸至所述第二矩形中空结构内，所述延伸结构的宽度小于所述脊的宽度。

结合所述第一方面的第二种可能的实现方式，在所述第一方面的第三种可能的实现方式中，所述矩形口具有长边和短边，所述长边垂直于所述脊。

在所述第一方面的第四种可能的实现方式中，所述空隙波导和微带线水平转接的结构具体包括：

所述空隙波导的上层板连接所述微带线的地板或者所述空隙波导的上层板和所述微带线的地板都设于同一个金属板上，所述微带线的阻抗匹配线的一端通过电接触性连接结构连接所述空隙波导的脊；

所述阻抗匹配线的另一端连接所述微带线的上导体线末端。

结合所述第一方面的第四种可能的实现方式，在所述第一方面的第五种可能的实现方式中，所述阻抗匹配线的宽度沿朝向所述微带线的上导体线的方向逐渐变宽且所述阻抗匹配线与所述微带线的上导体线末端相连的部分的宽度等于所述微带线的上导体线的宽度。

结合所述第一方面的第五种可能的实现方式，在所述第一方面的第六种可能的实现方式中，所述阻抗匹配线的侧面的两边是直线状或者锯齿状。

本发明实施例提供的一种组合波导，解决了空隙波导与矩形波导或者微带线转接过程中的连接匹配问题，可以将空隙波导应用于现有的高频电路结构中，相比采用传统传输线可改善系统的损耗，提高传输效率，降低电路的加工难度及加工成本，改善了系统的插入损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。

图1为现有技术的空隙波导的侧视示意图；

图2为现有技术的空隙波导的俯视示意图；

图3为本发明实施例的空隙波导与矩形波导水平转接结构的立体示意图；

图4为本发明实施例所述的矩形波导的过渡结构右侧侧视示意图；

图5为本发明实施例的空隙波导与矩形波导水平转接结构的正视示意图；

图6为本发明实施例的空隙波导与矩形波导水平转接结构的俯视示意图；

图7为本发明实施例所述脊的渐变结构的侧视示意图；

图8为本发明实施例的空隙波导与矩形波导垂直转接结构的立体示意图；

图9为本发明实施例的空隙波导与矩形波导垂直转接结构的右侧侧视示意图；

图10为本发明实施例的空隙波导与矩形波导垂直转接结构的俯视示意图；

图11为本发明实施例的空隙波导与微带线水平转接结构的立体示意图；

图12为本发明实施例的空隙波导与微带线水平转接结构的俯视示意图；

图13为本发明实施例的空隙波导与微带线水平转接结构的正视示意图；

图14为本发明实施例的锯齿状阻抗匹配线的俯视示意图。

具体实施方式

由于现有技术中没有空隙波导与矩形波导或者微带线转接的技术方案，本发明实施例提出一种组合波导，为空隙波导与矩形波导或者微带线转接提出了可行的解决方案。

下面结合各个附图对本发明实施例技术方案的主要实现原理、具体实施方式及其对应能够达到的有益效果进行详细的阐述。

本发明实施例提供一种组合波导，所组合波导由空隙波导和矩形波导水平转接或者垂直转接形成；

或者，所组合波导由所述空隙波导和微带线水平转接形成。

图1为本发明实施例所述的空隙波导的侧面示图，图2为本发明实施例所述空隙波导的俯视示图，如图1和图2所示，所述空隙波导包括：上层板101、地板102、脊103、屏蔽结构；

其中，所述屏蔽结构的材料为金属且所述屏蔽结构包括若干空气空隙(GAP)，所述空气空隙在所述上层板和所述地板之间通过所述屏蔽结构形成，所述屏蔽结构设于所述上层板和所述地板之间，与所述地板接触且与所述上层板不接触，所述屏蔽结构用于使所述脊传输的高频电磁信号集中在所述脊与所述上层板之间的空气间隙之内，且使所述高频电磁信号在所述地板中以所述脊为中心、沿与所述脊垂直的方向向两边迅速衰减；在本实施例中，所述屏蔽结构由若干金属柱104构成；上层板101和地板102通过支撑结构连接，该支撑结构在图1中未出示；

所述脊103用于传播高频信号；所述上层板与所述地板均为理想导电体(PEC，Perfect Electric Conductor)，所述屏蔽结构的上底面，即所述屏蔽结构的与上层板平行且与上层板距离最近的底面，可以等效为理想导磁体(PMC，Perfect MagneticConductor)。在屏蔽结构由金属柱构成的情况下，所述屏蔽结构的与上层板平行且与上层板距离最近的底面是由若干金属柱的上顶面共同构成。

其中，所述屏蔽结构还可以为以下任一种结构：印制电路板(PCB，PrintedCircuit Board)周期性打过孔及蚀刻特定图像结构、或具有类似屏蔽作用的电磁带隙结构(EBG，Electromagnetic Band Gap)。

以下给出三类技术方案，分别用于：

空隙波导与矩形波导按照水平方向转接：所述矩形波导的延伸方向与所述空隙波导的脊的方向平行，且所述矩形波导的一个侧面与所述空隙波导的地板平行；

空隙波导与矩形波导按照垂直方向转接：所述矩形波导的延伸方向与所述空隙波导的地板垂直；

空隙波导与微带线按照水平方向转接，所述空隙波导的上层板与所述微带线的地板位于同一平面上。

实施例1

图3为本发明实施例的空隙波导与矩形波导水平转接结构的立体示意图，图4为本发明实施例所述的矩形波导的过渡结构右侧侧视示意图，图5为本发明实施例的空隙波导与矩形波导水平转接结构的正视示意图，图6为本发明实施例的空隙波导与矩形波导水平转接结构的俯视示意图，如图3至图6所示，本发明实施例1所述的组合波导，所述空隙波导和所述矩形波导水平转接的结构具体包括：

所述矩形波导2设有过渡结构201，所述过渡结构201的高度与所述空隙波导1的高度相等，所述过渡结构201的宽度与所述矩形波导2的宽度相等，且所述过渡结构具有波导口，所述过渡结构201具有波导口2011；

所述过渡结构201拼接于所述空隙波导1，所述空隙波导1的脊103的延伸方向与所述波导口2011的横截面垂直，且所述脊103在所述波导口2011的横截面的投影在所述波导口2011的横截面之内；

所述空隙波导具有第一矩形中空结构105，所述第一矩形中空结构设于所述波导口2011与所述脊103之间且设于所述空隙波导的上层板102和地板103之间，且所述第一矩形中空结构105在所述波导口2011的横截面的投影区域覆盖所述波导口2011的横截面；优选地，第一矩形中空结构在所述波导口的横截面的投影区域的尺寸与所述波导口的横截面尺寸相等；

所述脊103向所述波导口2011延伸方向的末端为阶梯结构1031或者渐变结构，且所述阶梯结构1031的高度或者渐变结构的高度沿所述延伸方向降低。

图7为本发明实施例所述脊的渐变结构的侧视示意图，如图7所示，所述脊103向所述波导口延伸方向的末端为渐变结构1032。

将与波导口对接位置处的脊的末端加工为阶梯结构或者渐变结构，脊的宽度及高度决定了空隙波导传输电磁信号的阻抗，阶梯结构或者渐变结构用于实现阻抗变换作用，具体为将空隙波导的阻抗变高，使矩形波导和空隙波导的阻抗匹配。

将脊末端与波导口的之间的脊部分铣掉，使脊末端与两边的金属柱形成一个矩形结构的腔体。之所以能形成腔体是因为空隙波导的金属柱之间的电尺寸间距很小，通常小于波导传输的高频电磁波的工作波长的四分之一，若干金属柱可以起到类似金属壁的信号屏蔽作用，该腔体结构用于将空隙波导的场模式转化为矩形波导的场模式，从而实现矩形波导和空隙波导的场匹配。所述脊与所述上层板的距离小于高频电磁波的工作波长的四分之一，在所述脊与所述上层板之间的空隙传输所述高频电磁波时，使高频电磁波被屏蔽在空隙之内。

将空隙波导与波导口对接位置处、遮挡波导口的两边的金属柱取消掉，且只取消掉遮挡波导口的金属柱，这样就形成了第一矩形中空结构，取消金属柱的目的是为了实现腔体内的波导模式阻抗与矩形波导的过渡结构的阻抗匹配，同时与腔体结合实现与矩形波导的场匹配，这部分是该实施例的关键所在。

在空隙波导与标准的矩形波导之间加入过渡结构，该过渡结构是矩形波导的延伸结构、可以等效为一个矩形波导，过渡结构的宽度与标准的矩形波导的宽度相同，过渡结构的高度与空隙波导的高度相同，该过渡结构实现空隙波导与标准的矩形波导之间的进一步阻抗匹配。

实施例2

图8为本发明实施例的空隙波导与矩形波导垂直转接结构的立体示意图，图9为本发明实施例的空隙波导与矩形波导垂直转接结构的右侧侧视示意图，图10为本发明实施例的空隙波导与矩形波导垂直转接结构的俯视示意图，如图8至图10所示，本发明实施例2所述的组合波导，所述空隙波导和所述矩形波导垂直转接的结构具体包括：

所述空隙波导的上层板101具有矩形口1011，所述矩形口1011的其中一边垂直于所述空隙波导的脊103，所述矩形口1011的形状与所述矩形波导2的波导口202的形状相同，所述矩形波导2拼接于所述矩形口1011且所述矩形波导的波导口202与所述矩形口1011相对应；

所述空隙波导具有第二矩形中空结构106，所述第二矩形中空结构位于所述空隙波导的上层板101和地板102之间，所述第二矩形中空结构106在所述上层板101的投影区域覆盖所述矩形波导的波导口202；优选地，所述第二矩形中空结构在所述上层板的投影区域的尺寸与所述矩形波导的波导口的尺寸相等；

所述脊103具有沿其延伸方向的延伸结构1033，所述延伸结构1033延伸至所述第二矩形中空结构106内，所述延伸结构1033的宽度小于所述脊103的宽度。

在空隙波导的上层板上开一个与矩形波导同样大小的开口，开口的长边方向与空隙波导的脊方向相互垂直，该开口将空隙波导中的电磁信号引出到矩形波导。

调节与开口靠近的空隙波导的脊末端宽度，通常情况下空隙波导的信号阻抗小于与其对接的矩形波导的电磁信号传播阻抗，因此需要将脊的宽度减小使得在脊与上层板间传播的电磁信号的阻抗增大，使空隙波导与矩形波导的阻抗匹配。

将脊末端两边的金属柱取消掉，取消的金属柱的原则为取消金属柱后形成的腔体大小与波导口大小接近，所述腔体即为第二矩形中空结构；由于腔体周围金属柱具有金属壁的屏蔽作用，从而形成一个矩形形状的腔体，起到阻抗变换，及空隙波导的场模式向矩形波导的场模式转化的作用，最终使空隙波导与矩形波导的阻抗匹配，且使空隙波导与矩形波导的场匹配。

可选地，本发明实施例所述的组合波导，所述矩形口具有长边和短边，所述长边垂直于所述脊。

长边垂直于所述脊可以使所述矩形波导与所述空隙波导的场匹配和阻抗匹配。

上述第一写请求和第二写请求并不是表示顺序关系，而是为了区别不同的写请求。

实施例3

图11为本发明实施例的空隙波导与微带线水平转接结构的立体示意图，图12为本发明实施例的空隙波导与微带线水平转接结构的俯视示意图，图13为本发明实施例的空隙波导与微带线水平转接结构的正视示意图，如图11至图13所示，本发明实施例3所述的组合波导，所述空隙波导和所述微带线水平转接的结构具体包括：

所述空隙波导的上层板101连接所述微带线的地板301或者所述空隙波导的上层板101和所述微带线的地板301都设于同一个金属板上，所述微带线的阻抗匹配线302的一端通过连接结构4连接所述空隙波导的脊103，所述连接结构使所述阻抗匹配线与所述脊保持连接时的电接触性；

所述阻抗匹配线302的另一端连接所述微带线的上导体线303末端。

具体地，本发明实施例所述的组合波导，如图12所示，所述阻抗匹配线302的宽度沿朝向所述微带线的上导体线303的方向逐渐变宽且所述阻抗匹配线302与所述微带线3的上导体线303末端相连的部分的宽度等于所述微带线的上导体线303末端的宽度。

具体地，本发明实施例所述的组合波导，所述阻抗匹配线的侧面的两边是直线状或者锯齿状。

如图12所示，所述阻抗匹配线302的侧面的两边是直线状，图14为本发明实施例的锯齿状阻抗匹配线的俯视示意图，如图14所示，所述阻抗匹配线302的侧面的两边是锯齿状。

上述技术方案用于实现微带线与空隙波导的水平方向的转接。

微带线3包括：微带线地板301、阻抗匹配线302、上导体线303、绝缘基板304；绝缘基板304使地板301与阻抗匹配线302、上导体线303、连接结构4之间绝缘，进而地板301与空隙波导的脊103之间也没有电连接，通过绝缘基板304避免了微带线地板301对空隙波导和微带线转接时的干扰。

将微带线的地板301与空隙波导的上层板101接起来，或者微带线与空隙波导上层板共用同一块金属板，微带线的基板紧靠与空隙波导。

将微带线的阻抗匹配线与空隙波导的脊通过连接结构连接起来。使用连接结构是因为微带线基板的厚度与空隙波导的空隙高度不相同，需要使用连接结构将阻抗匹配线和脊电连接起来，同时必须保证连接结构、脊及阻抗匹配线之间具有很好的电接触性，以保证很好的导电性能。

阻抗匹配线连接微带线的上导体线末端，阻抗匹配线是宽度渐变的金属走线，其作用是使空隙波导的电磁信号到微带线的电磁信号的阻抗匹配和场匹配，其中，阻抗匹配线的侧面的两边是直线状或者锯齿状。

本发明实施例采用的空隙波导是屏蔽结构由若干金属柱构成的空隙波导，由于电磁缝隙结构(EBG，Electromagnetic Band Gap)也具有类此结构，都具有阻止其表面的电磁波传输的特性，因此本技术方案还可应用于其他电磁缝隙结构、及理想导磁体构成的传输线或类似结构与矩形波导及微带线的转接之中。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.一种组合波导，其特征在于，所组合波导由空隙波导和矩形波导水平转接或者垂直转接形成；

所述空隙波导和所述矩形波导水平转接的结构具体包括：

所述矩形波导设有过渡结构，所述过渡结构的高度与所述空隙波导的高度相等，所述过渡结构的宽度与所述矩形波导的宽度相等，且所述过渡结构具有波导口；

所述过渡结构拼接于所述空隙波导，所述空隙波导的脊的延伸方向与所述波导口的横截面垂直，且所述脊在所述波导口的横截面的投影在所述波导口的横截面之内；

所述空隙波导具有第一矩形中空结构，所述第一矩形中空结构设于所述波导口与所述脊之间且设于所述空隙波导的上层板和地板之间，且所述第一矩形中空结构在所述波导口的横截面的投影区域覆盖所述波导口的横截面；

所述脊向所述波导口延伸方向的末端为阶梯结构或者渐变结构，且所述阶梯结构的高度或者渐变结构的高度沿所述延伸方向降低；

所述空隙波导和所述矩形波导垂直转接的结构具体包括：

所述空隙波导的上层板具有矩形口，所述矩形口的其中一边垂直于所述空隙波导的脊，所述矩形口的形状与所述矩形波导的波导口的形状相同，所述矩形波导拼接于所述矩形口且所述矩形波导的波导口与所述矩形口相对应；

所述空隙波导具有第二矩形中空结构，所述第二矩形中空结构位于所述空隙波导的上层板和地板之间，所述第二矩形中空结构在所述上层板的投影区域覆盖所述矩形波导的波导口；

所述脊具有沿其延伸方向的延伸结构，所述延伸结构延伸至所述第二矩形中空结构内，所述延伸结构的宽度小于所述脊的宽度。

2.如权利要求1所述的组合波导，其特征在于，所述矩形口具有长边和短边，所述长边垂直于所述脊。