CN105305057A - 一种空气集成波导的馈电结构 - Google Patents

Abstract

一种空气集成波导的馈电结构，涉及一种波导的馈电结构。解决了现有超薄波导的小型化与低损耗之间的矛盾。本发明的矩形波导板的上表面刻有波导槽和馈电槽，馈电槽的深度大于波导槽的深度；馈电槽临近波导槽设置；金属板盖设在波导槽和馈电槽的上方，且与矩形波导板之间保持电气连接；金属板与波导槽和馈电槽构成波导腔和馈电腔；馈电腔上的金属板上刻有耦合缝隙，所述耦合缝隙为矩形通孔，所述耦合缝隙的两端均刻有一个扇形通孔；微带线设置在矩形波导板的上方，微带线的始端与矩形波导板的一个短边对齐，微带线的终端位于波导腔上方，且微带线的本体位于耦合缝隙的上方。本发明适用于作为波导的电磁波馈电结构使用。

Description

一种空气集成波导的馈电结构

技术领域

本发明涉及一种波导的馈电结构。

背景技术

随着现代通信系统的发展，电子设备的集成度越来越高。金属波导作为一种微波信号的传输装置，具有结构坚固、损耗低、功率容量大的优点。然而，现有的矩形波导通常比较大，为了提高无线通信设备的集成度，需要把波导的尺寸压缩。人们曾经提出一种介质集成波导(SIW)的方法，用该方法可以制造出很薄的介质波导。但是介质集成波导中填满了介质材料，致使它比空气波导具有更大的损耗。而对于空气波导而言，当它的空气腔非常薄的时候(波导厚度只有几百微米甚至几十微米，我们称其为空气集成波导)，由于阻抗失配严重，很难进行馈电，目前还没有一种有效的馈电结构被设计出来。

发明内容

本发明是为了解决现有超薄波导的小型化与低损耗之间的矛盾，提出了一种空气集成波导的馈电结构。

本发明所述的一种空气集成波导的馈电结构，它包括矩形波导板1、微带线2、扇形区3、耦合缝隙4、波导槽5、馈电槽6和金属板7；

矩形波导板1的上表面刻有波导槽5和馈电槽6，馈电槽的深度大于波导槽的深度；波导槽5为矩形，馈电槽6临近波导槽5设置；金属板7盖设在波导槽5和馈电槽6的上方，且与矩形波导板1之间保持电气连接；金属板7与波导槽5和馈电槽6构成波导腔和馈电腔；波导腔和馈电腔构成馈电结构；馈电腔上的金属板上刻有耦合缝隙4，所述耦合缝隙4为矩形通孔，所述耦合缝隙4的两端均刻有一个扇形通孔3；

微带线2包括金属带条和介质板条，金属带条的上表面与介质板条的下表面固定连接构成一体件，且介质板条的长度大于金属带条的长度；

微带线2设置在矩形波导板1的上方，微带线2的始端与矩形波导板1的一个短边对齐，微带线2的终端端位于波导腔5上方，且微带线2的本体位于耦合缝隙4的上方。

微带线终端通过金属化过孔与矩形波导板相连，微带线上的能量通过地板上的耦合缝隙耦合到波导腔中，实现了微带至波导的转换。

由于微带线采用了终端短路结构，为保证耦合强度，耦合缝隙应位于距金属过孔约半个介质波长处，此处的微带线可以向耦合缝隙提供较大的电场。为了进一步保证耦合效果，耦合缝隙长度约为半个介质波长；由于本发明所以提出的转换结构具有两个谐振结构，因此，本发明具有较大的工作带宽。金属表面的槽型结构作为波导腔和馈电腔。波导腔宽度由工作频率决定，馈电腔用于改善结构的匹配效果，使耦合缝隙的能量高效的传输到波导腔中，馈电腔深度比波导腔略深。由仿真结果可以看出，本发明可以根据给定的工作频率设计出相应的馈电结构，通用性强；相对带宽可达33％，实现了宽频带的馈电效果。在提高微波系统集成度的同时保证它们低损耗特性，对射频器件集成技术领域有着重要意义。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的矩形波导板的结构示意图；

图2为微带线终端通过金属化过孔与矩形波导板相连的示意图；

图3为矩形波导板上的耦合缝隙的示意图；

图4为形波导板上的波导腔和馈电腔的示意图；

图5为空气集成波导的馈电结构示意图；

图6为微带长度变化频率仿真曲线图；

图7为耦合缝隙长度变化频率仿真曲线图；

图8为合缝隙宽度变化合缝隙；

图9为空气集成波导的馈电结构高次模传输特性曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述的一种空气集成波导的馈电结构，它包括矩形波导板1、微带线2、扇形区3、耦合缝隙4、波导槽5、馈电槽6和金属板7；

矩形波导板1的上表面刻有波导槽5和馈电槽6，馈电槽的深度大于波导槽的深度；波导槽5为矩形，馈电槽6临近波导槽5设置；金属板7盖设在波导槽5和馈电槽6的上方，且与矩形波导板1之间保持电气连接；金属板7与波导槽5和馈电槽6构成波导腔和馈电腔；波导腔和馈电腔构成馈电结构；馈电腔上的金属板上刻有耦合缝隙4，所述耦合缝隙4为矩形通孔，所述耦合缝隙4的两端均刻有一个扇形通孔3；

微带线2包括金属带条和介质板条，金属带条的上表面与介质板条的下表面固定连接构成一体件，且介质板条的长度大于金属带条的长度；

微带线2设置在矩形波导板1的上方，微带线2的始端与矩形波导板1的一个短边对齐，微带线2的终端端位于波导腔5上方，且微带线2的本体位于耦合缝隙4的上方。

作为具体是实施方式一所述的空气集成波导的馈电结构的一个特例，一种具体的空气集成波导馈电结构；该结构的波导腔5和馈电腔6均为矩形，波导腔5的两条长边的一端均与馈电腔6的一条长边垂直设置，馈电腔6的长边与矩形波导板1短边平行；耦合缝隙4-2为矩形通孔，其两端均刻有一个扇形通孔3，所述扇形孔3的弧边与馈电腔6的一个长边临近，该长边为与波导腔5垂直的长边，两个扇形区3之间设有间隙；微带线2包括金属带条和介质板条，金属带条的上表面与介质板条的下表面固定连接构成一体件，且介质板条的长度大于金属带条的长度；

微带线2设置在矩形波导板1的上方，微带线2的始端与矩形波导板1的一个短边对齐，微带线2的另一端位于波导腔5上方，且与波导腔5上的金属板7连接，且微带线2的本体位于耦合缝隙4的上方。微带线2上开有圆形孔，所述圆形孔位于金属带条的终端；金属带条的走向与空气集成波导中电磁波的传播方向相同，即与波导腔长边方向相同；金属带条位于耦合缝隙4的上方。

微带线2的一端到金属过孔中心的长度Lf＝21mm。

耦合缝隙4距离微带线2上金属过孔为6.1mm。

耦合缝隙4长度LS＝7mm；耦合缝隙4的宽度为ws＝1.1mm。图3为耦合缝隙与短路终端Lf(即lfeed)的间距对转换结构S11仿真结果的影响，可以看出，曲线具有两个低谷，应对于本发明存在的两个谐振结构，Lf的长度表征着微带线在耦合缝隙和短路过孔之间的谐振，由图3可知，在谐振对应于通带内的第一个谐振频点：耦合缝隙与短路终端的距离越大，第一谐振频率越低，通频带宽越大，但谐振深度越不明显。若以12.5GHz为中心频率进行优化，则最终选定Lf＝21mm，而此时耦合缝隙距离金属过孔6.1mm。

由微波传输线理论可知，为保证电磁波在矩形波导中的单模传输，需满足公式：

a<λ<2a且λ>2b(1)

其中，为介质波长，λ0为真空中电磁波波长，ε_r为波导内填充介质的相对介电常数，a波导宽边长度，b为波导短边长度如图1。

公式(1)给出了单模传输频率与矩形波导宽度a和厚度b的限制关系，一旦确定工作频率，波导宽度的取值范围就随之确定，但值得注意的是，波导厚度b的下届却没有被限制，也就是说波导厚度可以做到很小，此时仍能保证电磁波的单模传输。但是，波导的特性阻抗公式如下：

$Z_0=\frac{b}{a}\frac{\sqrt{\frac{\mathrm{\&mu;}}{\mathrm{\&epsiv;}}}}{\sqrt{1-{\left(\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0}{2a}\right)}^2}}---\left(2\right)$

可见，当厚度b很小时，阻抗会随之变得很小，这会使矩形该波导的特性阻抗与传统传输线特性阻抗(50Ω)产生严重的失配现象。

然而，现代的无线通信设备逐渐向高集成度和小型化方向发展，所有微波元件和电路集成在一块很薄(几百微米)的基板上，所以，作为高效的微波传输线，矩形波导的厚度也应该与介质基板厚度统一。但由式(2)可知，超薄波导的阻抗失配现象限制了矩形波导在该领域的应用。

本发明针对上述问题提出了一种微带线至超薄矩形波导的转换结构，该结构能够在很宽的频带内实现良好的阻抗变换效果，降低了波导损耗，波导选择空气填充。

微带的地板充当波导的上表面，微带线终端通过金属化过孔与地板相连，如图2所示)。微带线上的能量通过地板上的缝隙耦合到波导腔中，图3所示，实现了微带至波导的转换。由于微带线采用了终端短路结构，为保证耦合强度，耦合缝隙应位于距金属过孔约半个介质波长处，此处的微带线可以向耦合缝隙提供较大的电场。为了进一步保证耦合效果，耦合缝隙长度约为半个介质波长；由于本发明所以提出的转换结构具有两个谐振结构，因此，合理调节结构参数即可使本发明具有较大的工作带宽。图4所示所示，在耦合缝隙两侧蚀刻出突变的扇形结构，可以进一步扩展频带宽度。金属表面的槽型结构作为波导腔和馈电腔。波导腔宽度由工作频率决定，深度由基板厚度确定。馈电腔用于改善结构的匹配效果，使耦合缝隙的能量高效的传输到波导腔中，馈电腔深度比波导腔略深。整体结构如图图5所示。

图6为耦合缝隙与短路终端Lf(即lfeed)的间距对转换结构S11仿真结果的影响，可以看出，曲线具有两个低谷，应对于本发明存在的两个谐振结构，Lf的长度表征着微带线在耦合缝隙和短路过孔之间的谐振，由图6可知，在谐振对应于通带内的第一个谐振频点：耦合缝隙与短路终端的距离越大，第一谐振频率越低，通频带宽越大，但谐振深度越不明显。若以12.5GHz为中心频率进行优化，则最终选定Lf＝21mm，而此时耦合缝隙距离金属过孔6.1mm。

如图7所示，耦合缝隙长度LS同样影响着第一谐振频率：缝隙越长，第一谐振频率越高，最优值为LS＝7mm，略大于半个介质波长。这一差别源于扇形结构的引入，改变了耦合缝隙的等效长度。

如图8给出了耦合缝隙宽度在1.1mm附近变动时的馈电结构S11幅度曲线，可以看到即使耦合缝隙宽度变化，仍然具有很好的匹配特性。耦合缝隙的宽度影响着通带内的第二谐振频点：耦合缝隙宽越大，第二谐振频率越高，通频带宽越大，但谐振强度越弱。当ws＝1.1mm时，耦合最强。

图9为该结构的高次模传输特性，工作频率12.5GHz附近高次模的传输系数在-30dB以下，说明此结构对高次模有很好的抑制能力。

Claims (6)

1.一种空气集成波导的馈电结构，其特征在于，它包括矩形波导板(1)、微带线(2)、扇形区(3)、耦合缝隙(4)、波导槽(5)、馈电槽(6)和金属板(7)；

矩形波导板(1)的上表面刻有波导槽(5)和馈电槽(6)，馈电槽的深度大于波导槽的深度；波导槽(5)为矩形，馈电槽(6)临近波导槽(5)设置；金属板(7)盖设在波导槽(5)和馈电槽(6)的上方，且与矩形波导板(1)之间保持电气连接；金属板(7)与波导槽(5)和馈电槽(6)构成波导腔和馈电腔；波导腔和馈电腔构成馈电结构；馈电腔上的金属板上刻有耦合缝隙(4)，所述耦合缝隙(4)为矩形通孔，所述耦合缝隙(4)的两端均刻有一个扇形通孔(3)；

微带线(2)包括金属带条和介质板条，金属带条的上表面与介质板条的下表面固定连接构成一体件，且介质板条的长度大于金属带条的长度；

微带线(2)设置在矩形波导板(1)的上方，微带线(2)的始端与矩形波导板(1)的一个短边对齐，微带线(2)的终端位于波导腔(5)上方，且微带线(2)的本体位于耦合缝隙(4)的上方。

2.根据权利要求1所述的一种空气集成波导的馈电结构，其特征在于，馈电槽(6)为矩形槽。

3.根据权利要求1所述的一种空气集成波导的馈电结构，其特征在于，微带线(2)上开有圆形孔，所述圆形孔位于金属带条的终端。

4.根据权利要求2所述的一种空气集成波导的馈电结构，其特征在于，微带线(2)的一端到金属过孔中心的长度Lf＝21mm。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种空气集成波导的馈电结构，其特征在于，耦合缝隙(4)距离微带线(2)上金属过孔为6.1mm。

6.根据权利要求5所述的一种空气集成波导的馈电结构，其特征在于，耦合缝隙(4)长度LS＝7mm；耦合缝隙(4)的宽度为ws＝1.1mm。