CN105609909A - 一种用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置，从下至上依次设置的矩形波导、第一谐振腔、基片集成波导和第二谐振腔，基片集成波导包括介质基片以及设置于介质基片上、下表面的上金属片和下金属片，下金属片对应矩形波导口处设有第一耦合窗口，上金属片对应第二谐振腔处设有第二耦合窗口。该装置具有体积小、插损小以及带宽大的优点，适于Ka频段的宽带直角过渡的应用，结构简单，易于制作和大规模生产，值得在业内推广。
Description
技术领域
本发明属于微波毫米波集成技术领域，具体涉及一种用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置。
背景技术
基片集成波导(SubstrateIntegratedWaveguide)是近年来提出的一种新型波导结构，它是由左右两排金属化通孔、上下两层金属面以及中间填充的低损耗介质层构成，可实现类似于传统金属波导的传输特性。具有低损耗、高Q值、低成本、易于集成等优点，解决了传统金属波导难以集成和小型化的问题，由于整个结构完全为介质基片上的金属通孔阵列构成，因而可以利用多层印刷电路板(PCB)或低温共烧陶瓷(LTCC)工艺实现，可与微带电路实现无缝集成。近年国内外都对基片集成波导做了大量研究，在此基础上实现了滤波器、功分器等多种器件，频率进入亚毫米频段。基片集成波导符合微波毫米波电路小型化的发展趋势。
传统金属波导因其低损耗、易于测量、高Q值和大功率容量等优点，依然被广泛应用，因此，设计小型化高性能的过渡结构以实现矩形波导和基片集成波导之间的能量转换十分重要。
已有一些研究实现了矩形波导到基片集成波导的过渡，如锥形鳍线过渡、脊形阶梯式波导过渡等。目前文献报道的过渡结构主要可分为两类：直线型和直角型。直线型结构通常采用探针实现能量耦合，并采用渐变波导改善过渡结构的匹配；直角型过渡结构一般通过耦合孔或耦合腔实现工作频率附近的最大耦合；但这些结构所实现的带宽较窄。这些过渡结构难以同时满足体积、带宽、插损等多方面的要求，如锥形鳍线过渡结构电路尺寸较大，脊形阶梯式波导过渡结构虽尺寸较小，但插损较大且不易加工。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种实现宽带小型化、减小插损的用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置，包括从下至上依次设置的矩形波导、基片集成波导和底面设有矩形凹槽的上金属板，所述基片集成波导包括介质基片、设置于介质基片上、下表面的上金属片和下金属片以及连接下金属片和上金属片的金属通孔阵列，所述矩形波导宽边面上部向外凸起并与下金属片形成的空腔一为第一谐振腔，所述矩形凹槽与上金属片形成的空腔二为第二谐振腔，所述下金属片对应矩形波导口处设有第一耦合窗口，所述上金属片对应第二谐振腔处设有第二耦合窗口。
优选地，所述金属通孔阵列包括沿基片集成波导两侧且各成一排对称分布的若干个金属化通孔，以及沿第二耦合窗口三侧面呈C型分布的若干个金属化通孔。
优选地，所述基片集成波导两侧的两排金属化通孔中心间距为7.4㎜。
优选地，所述基片集成波导上还设有两个调节金属化通孔，对称分布于基片集成波导两侧的两排金属化通孔内侧。
优选地，所述两个调节金属化通孔的中心间距为5.8㎜。
优选地，所述第一谐振腔的的长度与矩形波导宽边的长度相等，宽为1.8㎜，高为0.8㎜。
优选地，所述第二谐振腔的长度与矩形波导宽边的长度相等，宽为4.6㎜，高为0.5㎜。
优选地，所述第一耦合窗口长为2.1㎜。宽为6.7㎜。
优选地，所述第二耦合窗口长为3.9㎜，宽为7.112㎜。
本发明的有益效果是：本发明提供的用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置，采用直角结构实现矩形波导到基片集成波导的过渡，在基片集成波导的上、下金属片上分别设置耦合窗口，从而实现第一谐振腔和第二谐振腔之间的能量传输，有效扩展工作带宽，同时兼具小型化与低插损的优点。经实验证明，该装置可工作于31.8～37.8GHz，工作带宽达6GHz，带内回波损耗优于13dB，插损优于2.5dB，与现有技术的小型化直角型过渡装置相比，本发明提供的装置明显扩展了带宽，且体积小结构简单，易于制作和大规模生产，值得在业内推广。
附图说明
图1是本发明用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置立体透视示意图；
图2是本发明用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置沿图1中A-A方向剖视图；
图3是本发明中基片集成波导结构示意图；
图4是本发明中基片集成波导上金属片结构示意图；
图5是本发明中基片集成波导下金属片结构示意图。
附图标记说明：1、矩形波导；2、第一谐振腔；3、第二谐振腔；4、基片集成金属；5、第一耦合窗口；6、金属化通孔阵列；7、第二耦合窗口；8、下层金属；9、介质基片；10、上层金属；11、调节金属化通孔；12、上金属板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图1-3所示，本发明的用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置，包括由下至上依次设置的矩形波导1、基片集成波导4以及底面设有矩形凹槽的上金属板12。基片集成波导4包括下层金属8、介质基片9以及上层金属10，介质基片9上设有金属连通上层金属10和下层金属8的金属化通孔阵列6。矩形波导1一宽边面的上部向外凸起并与下金属片8形成的空腔一为第一谐振腔2。矩形凹槽与上金属片12形成的空腔二为，第二谐振腔3。下层金属8对应矩形波导1口处设有第一耦合窗口5，上层金属10对于第二谐振腔处设有第二耦合窗口7。第一耦合窗口5、第二耦合窗口7是矩形波导1和第一谐振腔2与基片集成波导4和第二谐振腔3能量交换的窗口。
如图3-5所示，金属化通孔阵列6包括沿基片集成波导4两侧且各成一排对称分布的若干个金属化通孔，以及沿第二耦合窗口7三侧边缘呈C型分布的若干个金属化通孔。整个金属化通孔阵列6等效于矩形波导的金属壁，因此具有与矩形波导相似的特性。金属化通孔阵列6中金属化通孔的个数没有限定，可根据实际需求设定。介质基片9上还设有两个用于调节匹配的调节金属通孔11，两个调节金属通孔对称设置于基片集成波导4两侧的两排金属化通孔的内侧，位于基片集成波导4与第二谐振腔3的连接处。改变两个调节金属通孔11的距离可改善金属化通孔两侧的匹配，减小驻波。
以下以一具体实施例对本发明用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置的具体结构进一步进行详细的说明，以进一步展示本发明的优点：在本实施例中，矩形波导1为标准WR-28矩形波导。介质基片9采用RT/Duroid5880材料，厚度为0.254㎜。如图2所示，第一谐振腔2的长度与矩形波导1宽边的长度相同，宽L1为1.8㎜，高H1为0.8㎜；第二谐振腔的长度与矩形波导1宽边的长度相同，宽L2为4.6㎜，高H2为0.5㎜。如图4-5所示，金属化通孔阵列6中位于基片集成波导两侧的两排金属通孔的间距W1为7.4㎜；两个调节金属通孔的孔心距离W2为5.8㎜；第二耦合窗口7为矩形窗口，长L3为3.9㎜，宽W3为7.112㎜；第一耦合窗口5为矩形窗口，长L4为2.1㎜，宽W3为6.7㎜。
本发明用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置的工作过程为：能量从矩形波导1导口进入，传输至第一谐振腔2时，第一谐振腔1谐振频率附近的电磁波能量被耦合进第一谐振腔2，矩形波导1中没有被耦合的能量继续向前传播，通过第一耦合窗口5和第二耦合窗口7进入第二谐振腔3，最后，能量被耦合经基片集成波导并沿着基片集成波导传输出去。第一谐振腔2和第二谐振腔3均在工作频率附近的频段上发生谐振，可在较宽的频带内实现过渡结构的最大能量传输。
本发明提供的用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置，在基片集成波导上下两侧分别设置谐振腔，实现直角型的宽带过渡，有效扩展了工作带宽，同时兼顾了小型化与低插损的要求。实验表明，该背靠背结构可工作于31.8～37.8GHz，工作带宽达6GHz，带内回波损耗优于13dB，插损优于2.5dB，与现有技术的小型化直角型过渡装置相比，本发明提供的装置明显扩展了带宽，为过渡结构的宽带应用提供了新方法，且体积小结构简单，易于制作和大规模生产，值得在业内推广。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置，其特征在于：包括从下至上依次设置的矩形波导(1)、基片集成波导(4)和底面设有矩形凹槽的上金属板(12)，所述基片集成波导(4)包括介质基片(9)、设置于介质基片(9)上、下表面的上金属片(10)和下金属片(8)以及连接下金属片(8)和上金属片(10)的金属通孔阵列(6)，所述矩形波导(1)宽边面上部向外凸起并与下金属片(8)形成的空腔一为第一谐振腔(2)，所述矩形凹槽与上金属片(12)形成的空腔二为第二谐振腔(3)，所述下金属片(8)对应矩形波导(1)口处设有第一耦合窗口(5)，所述上金属片(10)对应第二谐振腔(3)处设有第二耦合窗口(7)。
2.根据权利要求1所述的用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置，其特征在于：所述金属通孔阵列(6)包括沿基片集成波导(4)两侧且各成一排对称分布的若干个金属化通孔，以及沿第二耦合窗口(7)三侧边缘呈C型分布的若干个金属化通孔。
3.根据权利要求2所述的用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置，其特征在于：所述基片集成波导(4)两侧的两排金属化通孔中心间距为7.4㎜。
4.根据权利要求2或3所述的用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置，其特征在于：所述基片集成波导(4)上还设有两个调节金属化通孔(11)，对称分布于基片集成波导(4)两侧的两排金属化通孔内侧。
5.根据权利要求3所述的用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置，其特征在于：所述两个调节金属化通孔(11)的中心间距为5.8㎜。
6.根据权利要求1-3任一所述的用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置，其特征在于：所述第一谐振腔(2)的长度与矩形波导(1)宽边的长度相等，宽为1.8㎜，高为0.8㎜。
7.根据权利要求1-3任一所述的用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置，其特征在于：所述第二谐振腔(3)的长度与矩形波导(1)宽边的长度相等，宽为4.6㎜，高为0.5㎜。
8.根据权利要求1-3任一所述的用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置，其特征在于：所述第一耦合窗口(5)长为2.1㎜。宽为6.7㎜。
9.根据权利要求1-3任一所述的用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置，其特征在于：所述第二耦合窗口(7)长为3.9㎜，宽为7.112㎜。
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