CN105244581A - 矩形波导-梯形减高过渡-基片集成波导转换器及其组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矩形波导-梯形减高过渡-基片集成波导转换器，包括开有减高波导槽和基片槽的特制波导以及具有梯形延伸介质的基片集成波导；所述特制波导分为上下两个金属壳体，所述上金属壳体开有减高波导槽，下金属壳体开有基片槽；基片集成波导包括有梯形延伸介质；梯形延伸介质上部分裸露，下部分覆有铜皮；将所述基片集成波导放入所述基片槽中，使梯形延伸介质横向位于基片槽中心，并用所述特制波导的上下两个金属壳体压紧所述基片集成波导，完成波导到基片集成波导的转换。本发明具有频带宽、插入损耗低、反射系数低等优点，可以为高频段微波射频电路的测试提供可靠的解决方案。

Description

矩形波导-梯形减高过渡-基片集成波导转换器及其组装方法

技术领域

本发明涉及一种特制波导与侧面有梯形延伸介质的基片集成波导进行连通后形成的矩形波导-梯形减高过渡-基片集成波导转换器，属于微波毫米波无源器件技术领域。

背景技术

1865年，麦克斯韦把法拉第的电磁近距作用思想和安培开创的电动力学规律结合在一起，用一套方程组概括电磁规律，建立了电磁场理论。微波电路基于电磁场理论发展至今，无论是在理论上，还是在材料、工艺、元器件、以及设计技术等方面，都已经发展得非常成熟，并且应用领域越来越广泛。

近十年来，在微波毫米波电路基础上提出的基片集成波导(SIW)技术迅速发展，它利用金属过孔在介质基片上实现类似于波导的场传播模式，既具有矩形金属波导高品质因数以及低辐射损耗的优势，又具备微带线体积小，易加工，成本低等特点，广泛应用于射频微波系统。

在一般情况下，射频系统的测试均采用同轴测试系统，而在V波段(50-75GHz)甚至更高频段，同轴系统在可靠性及损耗性方面相比矩形波导已无法满足要求，所以在V波段基本采用矩形金属波导测试系统。目前的矩形波导到基片集成波导的转接技术插入损耗过大，工作带宽较窄，并且结构复杂，这对微波射频电路的发展带来很大阻碍，极大限制了基片集成波导电路的设计和测试。因此，宽带、低损耗、高可靠性的金属波导到基片集成波导的转接具有非常重要的研究意义。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种矩形波导-梯形减高过渡-基片集成波导转换器，该转换器不仅具有易加工、频带宽、插入损耗低、反射系数低等优点。而且可以为V波段甚至更高频段的微波射频电路测试提供可靠的解决方案。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种矩形波导-梯形减高过渡-基片集成波导转换器，包括特制波导(1)和基片集成波导(4)，所述特制波导(1)包括上下两个金属壳体，上金属壳体(2)开设有减高波导槽(11)，而下金属壳体(3)开有与基片集成波导(4)匹配的基片槽(12)；所述基片集成波导(4)包括矩形基片和第一梯形基片，且第一梯形基片的长底边与矩形基片的一端相连接；所述第一梯形基片右上到下依次设置有梯形延伸介质(10)、梯形金属层；所述矩形基片包括右上到下依次设置的顶层金属层(5)、介质基片(6)、底层金属层(7)，且在该矩形基片上设置有金属化通孔(8)，所述金属化通孔(8)包括纵向通孔部分(13)以及横向通孔部分(14)；所述纵向通孔部分(13)包括两排相互平行的第一排金属化通孔，且第一排金属化通孔与第一梯形基片的平行边相互垂直；所述横向通孔部分(14)包括两排在同一条线上的第二排金属化通孔，所述第二排金属化通孔设置在相互平行的第一排金属化通孔的外侧，且与相邻的第一排金属化通孔的顶端相交，同时所述第二排金属化通孔与第一梯形基片的平行边相平行；所述基片集成波导(4)设置于基片槽(12)中，且上下两个金属壳体相互合上，所述减高波导槽(11)端面与基片槽(12)端面组成一个波导口，完成矩形波导到基片集成波导的转换。

优选的：所述矩形基片与第一梯形基片相连接相对的另一端设置有第二梯形基片，且在该端的矩形基片上设置有两排在同一条线上的第三排金属化通孔，所述第三排金属化通孔设置在相互平行的第一排金属化通孔的外侧，且与相邻的第一排金属化通孔的顶端相交，同时所述第三排金属化通孔与第二梯形基片的平行边相平行。

优选的：所述特制波导(1)的波导口一端截面尺寸与对应频段工作的标准波导的波导口内截面尺寸相同；所述减高波导槽(11)垂直高度从波导口端面渐变减小至零，另一端面与梯形延伸介质(10)长底边相接，而横向宽度从波导口宽度渐变至大于梯形延伸介质(10)长底边长度；所述基片槽(12)的垂直方向深度与基片集成波导(4)的厚度相同，横向宽度从波导口宽度渐变至减高波导槽(11)端面横向宽度。

优选的：用填充相同介质的矩形金属波导来等效所述的基片集成波导；所述基片集成波导与填充相同介质的矩形波导之间的等效波导宽度的计算公式为：

$\begin{array}{c}{W}_{RWG}=W_{SIW}\×\[{\mathrm{\ξ}}_1+\frac{{\mathrm{\ξ}}_2}{s/d+({\mathrm{\ξ}}_1+{\mathrm{\ξ}}_2-{\mathrm{\ξ}}_3)/({\mathrm{\ξ}}_3-{\mathrm{\ξ}}_1)}\];\\ {\mathrm{\ξ}}_1=1.0198+\frac{0.3465}{W_{SIW}/s-1.0684};\\ {\mathrm{\ξ}}_2=-0.1183-\frac{1.2729}{W_{SIW}/s-1.2010};\\ {\mathrm{\ξ}}_3=1.0082-\frac{0.9163}{W_{SIW}/s+0.2152};\end{array}$

其中，s为相邻两个金属化通孔中心距离，d为金属化通孔直径，W_SIW为所述基片集成波导(4)的纵向通孔部分(13)的两排第一排金属化通孔的两排中心线之间的距离，W_RWG为相应的等效填充介质矩形波导的内截面宽边的长度；

或者，当相邻两个金属化通孔中心距离s足够小，所述等效波导宽度的计算公式为：

$W_{RWG}=W_{SIW}-\frac{d^2}{0.95\×s}.$

优选的：当工作频率在f_c到2f_c之间时，基片集成波导单模传输，只传输准TE₁₀模；其中，主模截止频率为准TE₁₀模的截止波长λ_c＝2W_RWG，c为电磁波在自由空间的传播速度，μ_r为介质基片相对磁导率，非磁性介质μ_r＝1，ε_r为介质基片的相对介电常数。

优选的：所述梯形延伸介质(10)长底边中心与两排相互平行的第一排金属化通孔的中心线在一条直线上；所述梯形延伸介质(10)长底边长度大于所述基片集成波导(4)的纵向通孔部分(13)的两排第一排金属化通孔的两排中心线之间的距离W_SIW；且两侧各大于一个金属化通孔的距离。

一种矩形波导-梯形减高过渡-基片集成波导转换器的组装方法，首先将基片集成波导(4)放入基片槽(12)中；然后将上下两个金属壳体相互合上压紧基片集成波导(4)；完成矩形波导到基片集成波导的转换。

有益效果：本发明提供的一种矩形波导-梯形减高过渡-基片集成波导转换器，相比现有技术，具有以下有益效果：

1.所用特制波导结构紧凑，装配简单，便于连接。

2.所用基片集成波导以及梯形延伸介质可以利用普通PCB工艺加工、切割，适合低成本、大批量生产。

3.所述转换器是封闭结构，从特制波导的波导口中的进入的电磁波全部进入梯形减高过渡结构中，再全部从梯形减高过渡结构进入基片集成波导中，没有电磁波的泄露和辐射，因而受外界以及对外界的干扰都很小。

4.所述转换器工作频带宽，反射系数低，插入损耗低。在本发明的实施实例中，转换器在整个V波段内反射系数<-15dB，插入损耗<0.3dB，相对带宽达到40％。

附图说明

图1为本发明的矩形波导-梯形减高过渡-基片集成波导转换器结构示意图。

图2为实施例1中上金属壳体2的加工结构图。

图3为实施例1中下金属壳体3的加工结构图。

图4为实施例1的背靠背基片集成波导PCB结构示意图，其中图4a背靠背基片集成波导PCB俯视图，图4b为图4a中B部分的左视图。

图5为实施例1的S参数性能。

图中有：特制波导1、金属壳体2、金属壳体3、基片集成波导4、顶层金属层5、介质基片6、底层金属层7、金属化通孔8、基片集成波导介质9、梯形延伸介质10、梯形金属层101、减高波导槽11、基片槽12、纵向通孔部分13、横向通孔部分14。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种矩形波导-梯形减高过渡-基片集成波导转换器，在V波段，测试传输等往往采用金属波导，而微波集成电路芯片等仍需要键合在PCB板上，所以需要可靠的转接系统将PCB与矩形金属波导相接。如图1所示，该转换器包括特制波导1和基片集成波导4，所述基片集成波导4为基片集成波导PCB。，所述特制波导1包括上下两个金属壳体，如图2所示，上金属壳体2开设有减高波导槽11，如图3所示，下金属壳体3开有与基片集成波导4匹配的基片槽12；所述基片集成波导4包括矩形基片和第一梯形基片，且第一梯形基片的长底边与矩形基片的一端相连接；所述第一梯形基片右上到下依次设置有梯形延伸介质10、梯形金属层；所述矩形基片包括右上到下依次设置的顶层金属层5、介质基片6、底层金属层7，且在该矩形基片上设置有金属化通孔8，所述金属化通孔8包括纵向通孔部分13以及横向通孔部分(14)，两者各自连线呈90°垂直关系。所述纵向通孔部分13包括两排相互平行的第一排金属化通孔，且第一排金属化通孔与第一梯形基片的平行边相互垂直；所述横向通孔部分14包括两排在同一条线上的第二排金属化通孔，所述第二排金属化通孔设置在相互平行的第一排金属化通孔的外侧，且与相邻的第一排金属化通孔的顶端相交，同时所述第二排金属化通孔与第一梯形基片的平行边相平行；所述基片集成波导4设置于基片槽12中，且上下两个金属壳体相互合上，所述减高波导槽11端面与基片槽12端面组成一个波导口，完成矩形波导到基片集成波导的转换。

所述介质基片6利用所述顶层金属层5、所述底层金属层7以及所述金属化通孔8的纵向通孔部分13形成基片集成波导结构；

介质基片由基片集成波导介质以及梯形延伸介质构成，将所述基片集成波导放入所述基片槽中，使所述梯形延伸介质横向位于基片槽中心，再将所述特制波导的两个金属壳体压紧所述基片集成波导；梯形延伸介质伸入减高波导之中，共同构成波导到基片集成波导的过渡结构。特制波导的波导口是标准波导的波导口的大小，因此，可以很方便地实现特制波导与波导的连通；通过减高波导结构对标准波导到基片集成波导的过渡和阻抗变换作用，实现了宽带、低损耗、高可靠性的矩形波导到基片集成波导的转换。

将上下金属壳体合起来之后形成的波导口的尺寸，与国家标准中的所需工作频段的普通矩形空心金属波导的尺寸相同，其标准及规范见国标GB-T11450.2-1989；特制波导的基片槽的垂直深度与基片集成波导的厚度相同，即介质厚度加上两层金属的厚度。

所述矩形基片与第一梯形基片相连接相对的另一端设置有第二梯形基片，且在该端的矩形基片上设置有两排在同一条线上的第三排金属化通孔，所述第三排金属化通孔设置在相互平行的第一排金属化通孔的外侧，且与相邻的第一排金属化通孔的顶端相交，同时所述第三排金属化通孔与第二梯形基片的平行边相平行。

所述特制波导1的波导口一端截面尺寸与对应频段工作的标准波导的波导口内截面尺寸相同；所述减高波导槽11垂直高度从波导口端面渐变减小至零，另一端面与梯形延伸介质10长底边相接，而横向宽度从波导口宽度渐变至大于梯形延伸介质10长底边长度；所述基片槽12的垂直方向深度与基片集成波导4的厚度相同，横向宽度从波导口宽度渐变至减高波导槽11端面横向宽度，，确保合上所述上金属壳体2和下金属壳体3并压紧所述基片集成波导4后，在垂直方向上减高波导槽11的侧边与基片槽12相应侧边没有偏差。

矩形金属波导传输TE₁₀模，基片集成波导传输类TE₁₀模，两者具有相似的性质，可以用填充相同介质的矩形金属波导来等效所述的基片集成波导，该矩形金属波导填充的介质与所述基片集成波导的介质相同；按照传统矩形波导传输理论，可以计算出相应的矩形金属波导的内截面宽边的长度；根据所述长度，以及基片集成波导与填充相同介质的矩形波导之间的等效波导宽度的计算公式，计算出所述基片集成波导的两排纵向金属化通孔的中心线之间的距离，保证在所述基片集成波导中单模传输，即只传播准TE₁₀模式。用填充相同介质的矩形金属波导来等效所述的基片集成波导；所述基片集成波导与填充相同介质的矩形波导之间的等效波导宽度的计算公式为：

$\begin{array}{c}{W}_{RWG}=W_{SIW}\&times;\&lsqb;{\mathrm{\&xi;}}_1+\frac{{\mathrm{\&xi;}}_2}{s/d+({\mathrm{\&xi;}}_1+{\mathrm{\&xi;}}_2-{\mathrm{\&xi;}}_3)/({\mathrm{\&xi;}}_3-{\mathrm{\&xi;}}_1)}\&rsqb;;\\ {\mathrm{\&xi;}}_1=1.0198+\frac{0.3465}{W_{SIW}/s-1.0684};\\ {\mathrm{\&xi;}}_2=-0.1183-\frac{1.2729}{W_{SIW}/s-1.2010};\\ {\mathrm{\&xi;}}_3=1.0082-\frac{0.9163}{W_{SIW}/s+0.2152};\end{array}$

其中，s为相邻两个金属化通孔中心距离，d为金属化通孔直径，W_SIW为所述基片集成波导4的纵向通孔部分13的两排第一排金属化通孔的两排中心线之间的距离，W_RWG为相应的等效填充介质矩形波导的内截面宽边的长度；

或者，当相邻两个金属化通孔中心距离s足够小，所述等效波导宽度的计算公式为：

$W_{RWG}=W_{SIW}-\frac{d^2}{0.95\&times;s}.$

当工作频率在f_c到2f_c之间时，基片集成波导单模传输，只传输准TE₁₀模；其中，主模截止频率为基片集成波导主模，即准TE₁₀模的截止波长λ_c＝2W_RWG，c为电磁波在自由空间的传播速度，μ_r为介质基片相对磁导率，非磁性介质μ_r＝1，ε_r为介质基片的相对介电常数。

如图4所示，所述梯形延伸介质10在俯视图中呈梯形结构，底边与所述基片集成波导介质9相连，底边中心与所述金属化通孔8的纵向通孔部分13的边线中心相对，底边长度大于所述金属化通孔8的横向通孔部分13的中心线之间的距离W_SIW，两侧大于一个通孔的距离；即所述梯形延伸介质10长底边中心与两排相互平行的第一排金属化通孔的中心线在一条直线上；所述梯形延伸介质10长底边长度大于所述基片集成波导4的纵向通孔部分13的两排第一排金属化通孔的两排中心线之间的距离W_SIW；且两侧各大于一个金属化通孔的距离，这样在阻抗过渡时效果更好；顶层金属层5仅仅覆盖所述基片集成波导介质9，并未覆盖所述梯形延伸介质10，即所述梯形延伸介质10上部分裸露；底层金属层7同时覆盖所述基片集成波导介质9以及所述梯形延伸介质10。这样利于将基片集成波导中电磁波逐步扩散至减高波导；而下层仍覆盖有金属铜皮，一方面防止嵌入下层壳体时留有空气缝隙，从而增加过渡段的不连续性，使插损增加，另一方面可以增强印刷电路板的机械强度，防止介质过渡段翘起。

如图4所示，由于梯形介质过渡段底边大于两排金属化通孔的距离，为了防止电磁波泄露到两排金属通孔之外的介质中，所以增加横向的金属通孔，即增加第二、第三排金属化通孔。

一种矩形波导-梯形减高过渡-基片集成波导转换器的组装方法，首先将基片集成波导4放入基片槽12中；然后将上下两个金属壳体相互合上压紧基片集成波导4；完成矩形波导到基片集成波导的转换。

如图1、2、3所示，在垂直方向上减高波导槽11与基片槽12没有偏差，所述基片槽12的垂直方向深度与所述基片集成波导4的厚度相同，因此，将所述基片集成波导4放入所述基片槽12中，正好可以将上金属壳体2和下金属壳体3紧密贴合；将上金属壳体2和下金属壳体3压紧基片集成波导4，所述上金属壳体2和下金属壳体3共同组成所述特制波导1，所述减高波导槽11端面与基片槽12端面组成一个完成的标准矩形波导的波导口；所述标准波导指的是国家标准中所需工作频段的普通矩形金属波导，其标准及规范见国标GB-T11450.2-1989；完成上述步骤之后，实现了所述特制波导1的所述标准矩形波导到基片集成波导结构的转换。

在垂直方向上减高波导槽侧边与基片槽延伸部分相应侧边没有偏差，将基片集成波导电路板放入下金属壳体时，需要使梯形延伸介质在纵向处于基片槽中间。

为了方便所述特制波导与标准波导的连接，在特制波导的侧面需要各开4个螺纹孔和4个销钉孔，所述孔的大小和位置与标准波导法兰盘中相应孔的大小和位置相同；所述标准波导法兰盘指的是所需工作频段的普通矩形波导法兰盘，其规范的国标号是GB-T11449.2-1989。为了方便对准上下两个金属壳体，也需要在上下壳体相应位置开螺纹孔和销钉孔以紧密连接上下壳体。

实例

本实例为适用于V波段，即50GHz-75GHz的波导-梯形减高过渡-基片集成波导转换器结构。为了便于测试，本实施例设计的是背靠背结构的波导-梯形减高过渡-基片集成波导转换器。基片集成波导PCB同样也是背靠背结构，两端各有相同的梯形延伸介质。考虑到高频裸片等仍需与微带进行金丝键合，在上金属壳体增加空气腔结构，方便扩展增加基片集成波导到微带线的转接。

特制波导1的上金属壳体2尺寸为22.0mm×30.0mm×10.7mm，下金属壳体3尺寸为20.0mm×34.8mm×9.3mm，材质均为铜，上金属壳体中央增加空气腔结构，尺寸为8.0mm×8.0mm×3.5mm。减高波导槽在下底面投影呈梯形，两底边分别为3.795mm以及4.4mm，纵向长度为12mm，波导口端面垂直高度为1.61mm；特制波导1的波导口尺寸为1.88mm×3.759mm；基片集成波导4的两排金属化通孔列的中心线之间的距离为2.7mm，两侧各垂直延伸出三个金属化通孔；相邻通孔中心间距为0.6mm，通孔直径为0.4mm；顶层和底层金属层厚度均为0.018mm；梯形延伸介质的梯形面上下底边分别为1mm和4mm，高度为5.5mm；所用PCB板材为Rogers5880，介质厚度为0.254mm，相对介电常数是2.2；在特制波导1的侧面开螺纹孔和销钉孔，所述各个孔的大小和位置与V波段的标准波导法兰盘中相应孔的大小和位置相同，以便和测试波导相接，所述V波段标准波导法兰盘的规范见国标GB-T11449.2-1989；在特制波导1上下壳体相对地开螺纹孔和销钉孔以方便对准固定金属壳体2和金属壳体3。

本实施例的仿真S参数见图5。结果显示，该转换器工作频段为V波段，整个V波段内反射系数<-15dB，插入损耗<0.3dB，相对带宽达到40％(50GHz-75GHz)。本实施例实现了宽频带、低插入损耗、低反射系数的工作于V波段的矩形金属波导-梯形减高过渡-基片集成波导转换器。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种矩形波导-梯形减高过渡-基片集成波导转换器，其特征在于：包括特制波导(1)和基片集成波导(4)，所述特制波导(1)包括上下两个金属壳体，上金属壳体(2)开设有减高波导槽(11)，而下金属壳体(3)开有与基片集成波导(4)匹配的基片槽(12)；所述基片集成波导(4)包括矩形基片和第一梯形基片，且第一梯形基片的长底边与矩形基片的一端相连接；所述第一梯形基片右上到下依次设置有梯形延伸介质(10)、梯形金属层；所述矩形基片包括右上到下依次设置的顶层金属层(5)、介质基片(6)、底层金属层(7)，且在该矩形基片上设置有金属化通孔(8)，所述金属化通孔(8)包括纵向通孔部分(13)以及横向通孔部分(14)；所述纵向通孔部分(13)包括两排相互平行的第一排金属化通孔，且第一排金属化通孔与第一梯形基片的平行边相互垂直；所述横向通孔部分(14)包括两排在同一条线上的第二排金属化通孔，所述第二排金属化通孔设置在相互平行的第一排金属化通孔的外侧，且与相邻的第一排金属化通孔的顶端相交，同时所述第二排金属化通孔与第一梯形基片的平行边相平行；所述基片集成波导(4)设置于基片槽(12)中，且上下两个金属壳体相互合上，所述减高波导槽(11)端面与基片槽(12)端面组成一个波导口，完成矩形波导到基片集成波导的转换。

2.根据权利要求1所述的矩形波导-梯形减高过渡-基片集成波导转换器，其特征在于：所述矩形基片与第一梯形基片相连接相对的另一端设置有第二梯形基片，且在该端的矩形基片上设置有两排在同一条线上的第三排金属化通孔，所述第三排金属化通孔设置在相互平行的第一排金属化通孔的外侧，且与相邻的第一排金属化通孔的顶端相交，同时所述第三排金属化通孔与第二梯形基片的平行边相平行。

3.根据权利要求2所述的矩形波导-梯形减高过渡-基片集成波导转换器，其特征在于：所述特制波导(1)的波导口一端截面尺寸与对应频段工作的标准波导的波导口内截面尺寸相同；所述减高波导槽(11)垂直高度从波导口端面渐变减小至零，另一端面与梯形延伸介质(10)长底边相接，而横向宽度从波导口宽度渐变至大于梯形延伸介质(10)长底边长度；所述基片槽(12)的垂直方向深度与基片集成波导(4)的厚度相同，横向宽度从波导口宽度渐变至减高波导槽(11)端面横向宽度。

4.根据权利要求3所述的矩形波导-梯形减高过渡-基片集成波导转换器，其特征在于：用填充相同介质的矩形金属波导来等效所述的基片集成波导；所述基片集成波导与填充相同介质的矩形波导之间的等效波导宽度的计算公式为：

其中，s为相邻两个金属化通孔中心距离，d为金属化通孔直径，W_SIW为所述基片集成波导(4)的纵向通孔部分(13)的两排第一排金属化通孔的两排中心线之间的距离，W_RWG为相应的等效填充介质矩形波导的内截面宽边的长度；

或者，当相邻两个金属化通孔中心距离s足够小，所述等效波导宽度的计算公式为：

5.根据权利要求4所述的矩形波导-梯形减高过渡-基片集成波导转换器，其特征在于：当工作频率在f_c到2f_c之间时，基片集成波导单模传输，只传输准TE₁₀模；其中，主模截止频率为准TE₁₀模的截止波长λ_c＝2W_RWG，c为电磁波在自由空间的传播速度，μ_r为介质基片相对磁导率，非磁性介质μ_r＝1，ε_r为介质基片的相对介电常数。

6.根据权利要求5所述的矩形波导-梯形减高过渡-基片集成波导转换器，其特征在于：所述梯形延伸介质(10)长底边中心与两排相互平行的第一排金属化通孔的中心线在一条直线上；所述梯形延伸介质(10)长底边长度大于所述基片集成波导(4)的纵向通孔部分(13)的两排第一排金属化通孔的两排中心线之间的距离W_SIW；且两侧各大于一个金属化通孔的距离。

7.一种基于权利要求1所述的矩形波导-梯形减高过渡-基片集成波导转换器的组装方法，其特征在于，包括以下步骤：首先将基片集成波导(4)放入基片槽(12)中；然后将上下两个金属壳体相互合上压紧基片集成波导(4)；完成矩形波导到基片集成波导的转换。