CN105684213A - 印刷传输线和介电波导之间的连接装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及在介电基片上的印刷传输线和矩形波导之间的过渡装置,所述矩形波导包括形成所述波导的入口的前表面、平行该前表面并形成所述波导的出口的后表面、下表面、平行于所述下表面的上表面，所述上表面和所述下表面在所述前表面和所述后表面之间延伸，所述波导是一块介电材料，其除了所述前表面和所述后表面以外的表面完全金属化，所述过渡装置包括：在加宽的同时在所述波导的容积中形成在所述波导的所述入口和所述后表面之间的三维空腔，所述入口进一步形成所述空腔的入口，所述空腔在所述波导的所述下表面的入口高度处并在大于所述入口高度的出口高度处距所述空腔的所述入口一定距离结束；沿所述波导的所述前表面从所述传输线延伸到所述三维空腔的所述入口的电连接。
Description
技术领域
本发明涉及从传输线到波导的过渡，更具体地涉及在基片上的印刷传输线与矩形波导之间的过渡。
背景技术
已知在基片上的印刷传输线与矩形波导之间有几种类型的过渡。
第一类型依靠基于在包含基片的平面和波导的纵向轴线之间的垂直配置的设定。在这种情况下，支撑传输线的基片完全阻断了波导的端部，并且在这条线与这个波导之间的电磁耦合随后由下列之中任一提供：
·布置在印刷电路的一个或多个接地平面中的一个或更多凹口，所述一个或更多凹口包括朝向波导的开窗，例如在文献US2011/0267153中；
·例如贴片天线类型的一个或更多辐射元件，所述一个或更多辐射元件定向成朝向波导内部辐射，如在文献US5793263中显著地说明的；
·相当于激励探头的元件，其定位在波导的入口处，例如像在文献US8022784中；
·或者这些元件的任意可能的组合，乃至具有插入波导的其它元件例如空腔或“脊”，例如像在文献US6794950中。
这种第一类型过渡的一个问题在于在基片和波导之间的垂直几何形状以及使用的各种耦合工具导致关于这种结构的组装的容易程度的严重问题，特别是关于在构成所述过渡的各个元件之间的定位的精细控制。
第二类型过渡包括以下配置，其中：
·要么基片被直接施加到波导的一个侧面上，典型地为它的下表面或上表面；
·要么波导自身转移到印刷电路的表面上。
在所有情况下，印刷传输线到波导的耦合是由在基片和波导的侧面上刻在一起且彼此相对定位的图案产生。这些图案可能相当于槽或电极，例如像在文献US6977560、US8368482、WO2010/130293和US7132905中。因此，所有这些解决方案需要在波导上直接蚀刻耦合图案并将它们与刻在印刷电路上的图案非常精确地对齐或隔开，所以导致在生产和组装中的真正的困难。
第三类型过渡对应于其中在传输线和波导之间的耦合由连接到线的端部并插入波导之中的探头或天线系统获得的解决方案。这个探头或天线随后与在波导内产生的其他元件例如空腔或脊相结合。文献US3146410、US6002305、US7746191是这个的一些例子。这种类型的解决方案的主要缺点是基于在波导中物理地插入柱塞的需要，具有生产、组装和定位的所有相关的困难。
第四类型同样基于在其上印有传输线的基片的波导内插入的原理。基片随后要么从波导开口端部分地插入波导，要么完全插入该波导的平面E。在基片上的印刷图案要么是天线类型要么是锥形类型(例如在微带线和槽线之间的基片上产生的过渡)。文献US3732508、US4260964和US8305280描述了这样的过渡的例子。至于所述第三类型，此类解决方案的主要困难是将支撑印刷图案的基片的全部或一部分插入波导。
最后，最终的第五类型基于与蚀刻在基片上的传输线的端部电接触的窄脊或“锥形”结构的使用，所述窄脊或“锥形”结构通常来说在空气波导内部产生。文献US6265950和JP2002344212说明了两个例子。对于这种类型的脊过渡，其中波导和基片随后以相同的介电材料共同生产的可选解决方案在文献US7382212中被描述。在文献US6265950和JP2002344212中，过渡需要所述脊和所述线的端部的精确重叠，且所述脊以延伸进入空气波导的内部容积的突出体的形式生产。在文献US7382212中，用于波导和基片的共同生产的介电材料的单一性不允许将这样的过渡与在任意其它介电基片上生产的印刷电路相结合。
考虑到各种已知类型的过渡，真正有需要简化过渡的生产并促进其表面转移到任意类型的印刷电路上。
发明内容
本发明满足了上述需要并提供了在介电基片上的印刷传输线和矩形波导之间的过渡装置，所述矩形波导包括形成该波导的入口的前表面、平行于该前表面并形成该波导的出口的后背面、下表面、平行于该下表面的上表面，所述上、下表面在所述前、后表面之间延伸，所述波导是一块介电材料，其除了前表面和后表面之外的表面完全金属化，所述过渡装置包括：
在加宽的同时在波导的容积中形成在波导的入口和后表面之间的三维空腔，所述入口进一步形成该空腔的入口，该空腔在波导的下表面的入口高度处，并且距空腔入口一段距离在大于入口高度的出口高度处结束；
沿波导的前表面从传输线延伸到三维空腔的入口的电连接。
本发明由单独采取的下列特征有利地完成，或者以下列特征的可能的技术上的组合中的任意一种有利地完成：
-空腔呈现出入口宽度和大于该入口宽度的出口宽度，使得空腔的加宽导致高度/宽度对沿波导增加；
-介电基片包括前表面和平行于该前表面的后表面，所述前表面包括形成接地平面的导电沉积物，传输线印在所述后表面上，波导布置在接地平面上，介电基片包括配置用于给空腔的入口带来电连接的凹口，波导在其下表面上包括在电连接高度处的未金属化的局部区域，用以防止在电连接和波导的下表面之间的任何电接触；
-介电基片包括前表面和平行于该前表面的后表面，所述前表面包括形成接地平面的导电沉积物，传输线印在所述后表面上，波导布置在所述后表面上，波导的下表面经由多个横贯介电基片的金属化的通孔连接到接地平面，波导的下表面包括在电连接高度处的未金属化的局部区域，用以防止在电连接和波导的下表面之间的任何电接触；
-介电基片包括其上印有传输线的前表面和形成与波导的下表面相接触的接地平面的导电沉积物，接地平面和传输线共面，电连接连接到传输线的端部，波导的下表面包括在电连接高度处的未金属化的局部区域，用以防止在电连接和波导的下表面之间的任何电接触；
-其上布置有波导的金属支撑件，波导的下表面连接到所述金属支撑件，其上还布置有介电基片的金属支撑件，导电元件连接至波导的入口；
-三维空腔包括在波导入口处的U形入口轮廓；
-三维空腔包括具有斜直线边缘、凹的边缘、凸的边缘和波形边缘的入口轮廓；
-三维空腔呈现直线的、凹的、凸的、波形的加宽轮廓，所述加宽轮廓其特征在于空腔在入口宽度和出口宽度之间的宽度的变化；
-三维空腔包括直线的、凹的、凸的、波形的侧面轮廓，所述侧面轮廓其特征在于空腔在入口高度和出口高度之间的高度的变化。
与已知的过渡装置相比较，本发明的过渡装置便于该装置的生产以及其到任意类型的印刷电路上的表面的转移。
特别地，通过在两个元件之间的简单的直接电连接，传输线和波导之间的耦合使得这个解决方案特别强健，且对技术和装配分散不是非常敏感。
由本发明所述的装置提供的其他优点如下：
-在波导容积中切出的三维空腔的生产的简易性，通过介电原材料的机械加工或模塑以及随后该结构的整体外部金属化来完成，除了在波导的端部的两个横向部分的高度处和布置在波导的下表面中的未金属化的局部区域的高度处；以及
-这样的过渡结构的设计中的自由的多个参数，特别是在空腔的三维表面的几何形状及其尺寸的选择的水平上。
此外，本发明还导致好的电性能，特别是关于设备的带宽，同时具有相对紧凑的尺寸的结构。
附图说明
本发明的其它特征、目的和优点将从下面的纯说明性的和非限制性的描述显现，这必须参照附图理解，其中：
-图1示出了根据本发明的第一实施方式的过渡装置的透视图；
-图2a、2b、2c和2d分别示出了根据本发明的第一实施方式的过渡装置的波导的底视图、前视图、侧视图和顶视图；
-图3a、3b和3c分别示出了图2d的截面AA'、截面BB'和截面CC'的视图；
-图4a、4b、4c、4d和4e示出了与本发明相符的连接装置的空腔的入口轮廓的几个变化；
-图5a，5b，5c和5d示出了与本发明相符的连接装置的空腔的加宽轮廓的几个变化；
-图6a、6b、6c和6d示出了与本发明相符的连接装置的空腔的侧面轮廓的几个变化；
-图7a和7b分别示出了根据本发明的第一实施方式的过渡装置的侧视图和前视图；
-图8a和8b分别示出了根据本发明的第二实施方式的过渡装置的侧视图和前视图；
-图9a和9b分别示出了根据本发明的第三实施方式的过渡装置的侧视图和前视图；
-图10a和10b分别示出了根据本发明的第四实施方式的过渡装置的侧视图和前视图；
-图11示出了模拟的和生产的原型的透射和反射系数，这一个包括“头-尾”安装的两个根据第一实施方式的过渡装置。
在所有附图中相同的元件具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1说明了根据本发明的第一实施方式的在介电基片20上的印刷传输线10和矩形波导30之间的过渡装置。
介电基片20包括前表面21和平行于该前表面的后表面22，所述前表面包括形成接地平面的导电沉积物210，所述后表面上印有传输线10。
介电波导30为矩形，并且包括形成波导入口的前表面31、平行于该前表面并形成波导出口的后表面32、下表面33，平行于该下表面的上表面34，下表面33和上表面34在前表面31和后表面32之间延伸。
另外，该矩形波导包括彼此平行的分别在上表面34和下表面33之间延伸的两个侧面35、36。
该波导由介电材料制成且为实心平行六面体块。该波导的材料优选为具有电特性的塑料或塑料泡沫，以使相对介电常数εr尽可能接近于1且介电损耗tgδ非常接近于零。
波导在除了其前表面和后表面以外的所有表面上进一步金属化。因而下列是金属化的：下表面33、上表面34和两个侧面35、36。该过渡装置进一步包括在波导的入口31和后表面32之间在波导30的容积中形成的沿着波导30的纵向轴线(未示出)加宽的三维空腔或“锥”40，所述入口进一步形成了空腔的入口。
三维空腔40可以通过机械加工或模塑在波导30的容积中产生。
有利地，为了耦合传输线10和波导30，该装置包括沿波导前表面从传输线10延伸到三维空腔40的入口31的电连接50。
此外，介电基片包括配置用来给空腔40的入口带来电连接50的凹口23。
如将被理解的，连接装置是SMC(表面安装部件)类型，所以它可以容易地转移到介电基片(即集成电路)或金属支撑件上。
图2a、2b、2c和2d分别说明了根据本发明的第一实施方式的过渡装置的波导的底视图、前视图、侧视图和顶视图。
在前视图中，三维空腔呈现了入口轮廓φ(具有在图2b中的竖直直线边缘)。特别地有在波导30中在其底部布置的宽度为W1的的槽，在所述槽下方波导的介电材料的厚度等于H1。
空腔在波导30的下表面33的入口高度H1处，并在大于入口高度H1的出口高度H2处距空腔入口距离L处结束。
宽度W1和高度H1的值被选择为与具有特征阻抗Zc(典型地为50Ω)的微带传输线的几何特征相匹配，这将在介电材料与波导所用相同且厚度为H1的介电基片上产生，其中微带宽度将等于W1。特征阻抗的这个选择，以及因此的尺寸W1和H1的选择，是用来确保与其自身具有特征阻抗Zc的印刷传输线的好的匹配的条件。
随后空腔沿着加宽轮廓φ'(在图2d中弯曲)沿着波导的纵向轴线在长度L上扩大。
如上所述，空腔的入口是在波导30的下表面33的入口高度H1处，并在大于入口高度H1的出口高度H2处距空腔入口距离L处结束，并且呈现出侧面轮廓φ”(在图2c中弯曲)。
在一个优选的方式中，空腔40距入口距离L处结束并具有横截面，该横截面的尺寸W2和H2与该空腔形成于其中的矩形波导的尺寸相匹配。
有利地，空腔的长度L和入口轮廓φ、侧面轮廓φ”和加宽轮廓φ'的外观逐渐与空腔的入口尺寸W1、H1及其出口尺寸W2、H2相匹配。
由此，空腔呈现沿波导30的长度L增加的高度/宽度对。
此外，为了避免在电连接50和金属化波导的下表面之间的任何电接触，围绕该电连接的局部区域37未金属化。
图3a、3b和3c分别说明在图2d中的截面AA'、截面BB'和截面CC'的视图，其再次说明了空腔的加宽。在入口处的宽度W1小于在波导30的中间截面取的宽度W甚至比在空腔40的出口处取的宽度W2更小。
类似地，在入口处的高度H1小于在中间截面中沿截面BB'取的高度H，甚至比在空腔40的出口处取的高度H2更小。因此如上所述，空腔呈现沿波导30的长度L增加的高度/宽度对。
入口轮廓，加宽轮廓和侧面轮廓可以采取几种形式。
入口轮廓可以具有竖直直线边缘(图4a)、斜直线边缘(图4b)、凹边缘(图4c)、凸边缘(图4d)、或波形边缘(图4e)。
加宽轮廓可以是直线的(图5a)、凹的(图5b)、凸的(图5c)或波形的(图5d)。
侧面轮廓可以是直线的(图6a)、凹的(图6b)、凸的(图6c)或波形的(图6d)。
现将给出与本发明相符的过渡装置的几个实施方式的描述。
图7a和7b分别说明了根据本发明的第一实施方式的过渡装置的侧视图和前视图。
根据该第一实施方式，介电基片20包括前表面21和平行于该前表面的后表面22，所述前表面包括形成接地平面的导电沉积物210，所述后表面上印有传输线10。此外，波导30布置在接地平面210上，并且介电基片包括配置用于给空腔40的入口带来电连接50的凹口23。此外，该波导在其下表面上包括在电连接50高度处的未金属化的局部区域37，用以防止在电连接和波导的下表面之间的任何电接触。
图8a和8b分别说明了根据本发明的第二实施方式的过渡装置的侧视图和前视图。
根据该第二实施方式，介电基片20包括前面21和平行于该前表面的后表面22，所述前表面包括形成接地平面的导电沉积物210，所述后表面上印有传输线10。此外，波导30布置在介电基片的后表面上。为了将波导的下表面连接至介电基片的接地平面，该装置包括多个横贯介电基片并将接地平面电连接至波导的下表面的金属化通孔70。此外，该波导在其下表面上包括在电连接50高度处的未被金属化的局部区域37，用以防止在电连接和波导的下表面之间的任何电接触。
图9a和9b分别说明了根据本发明的第三实施方式的过渡装置的侧视图和前视图。
根据该第三实施方式，介电基片20包括前表面，其上传输线10与导电沉积物210共面印刷，该导电沉积物形成与波导30的下表面相接触的接地平面。此外，该波导布置在接地平面上，并且波导的下表面在电连接50高度处包括没有导电沉积物的局部区域37，用以防止在电连接50和波导的下表面之间的任何电接触。
图10a和10b分别说明了根据本发明的第四实施方式的过渡装置的侧视图和前视图。
根据该第四实施方式，该装置包括其上布置有波导的金属支撑件60。此外，波导的下表面连接到金属支撑件，在该金属支撑上还布置有介电基片。在这种配置中，介电基片20是在波导30的延伸部中。
在上述实施方式的每一个中，以金属导体的形式生产的电连接50确保传输线10的端部和空腔40的入口之间的电连接，并且被选择为在电平面上尽可能透明。例如，它可以是电线或非常短的金属条，如果该配置允许的话，甚至可以是简单的焊点。
根据所述第一实施方式的过渡装置的原型已被开发并表征在X波段[8-12赫兹]中。特别地，通过数字模拟得到的性能与所开发的装置进行了比较。
为了能够实验性地测量所述装置，其由两个根据所述第一实施方式的过渡组成，所述过渡“头-尾”安装并被给定长度的波导部分隔开。
所述波导这里是在相对介电常数εr＝1.17和介电损耗tgδ＝0.003的聚氨酯泡沫材料中。对于单个过渡，空腔的长度L略小于0.6λg，其中λg是填有泡沫的在X波段中工作的波导中的信号的波导波长。这个长度L保持了这种类型的过渡的相对紧凑的特性。
图11说明了在X波段中工作的所述原型的透射和反射系数的测量值和仿真之间的比较。该图表明了在各个结果之间的一致性，从中可以推断出该装置在宽频带(即在大于[8-12GHz]的频带上小于-10dB的匹配级别)上匹配得好，且整体结构的插入损耗在中心频率10GHz上不会超过2.5dB，在最高频率12GHz上不会超过4dB。
这些减至简单过渡的结果导致基本过渡在整个X波段上远低于-10dB的匹配水平以及在10GHz上远低于1dB的插入损耗。
Claims (10)
1.一种在介电基片(20)上的印刷传输线(10)和矩形波导(30)之间的过渡装置，该矩形波导包括形成所述波导(30)的入口的前表面(31)、平行于所述前表面(31)并形成所述波导(30)的出口的后表面(32)、下表面(33)、平行于所述下表面(33)的上表面(34)，所述上表面和所述下表面在所述前表面(31)和所述后表面(32)之间延伸，所述波导(30)是一块介电材料，其除了所述前表面和所述后表面之外的表面完全金属化，所述过渡装置包括：
在加宽的同时在所述波导(30)的容积中形成于所述波导的所述入口(31)和所述后表面(32)之间的三维空腔(40)，所述入口进一步形成所述空腔的入口，所述空腔在所述波导(30)的所述下表面(33)的入口高度(H1)处并在大于所述入口高度(H1)的出口高度(H2)处距所述空腔的所述入口距离(L)处结束；
沿所述波导的所述前表面(31)从所述传输线(10)延伸到所述三维空腔的所述入口(31)的电连接(50)。
2.根据前述权利要求所述的装置，其中所述空腔(40)具有入口宽度(W1)和大于所述入口宽度(W1)的出口宽度(W2)，使得所述空腔的加宽导致高度/宽度对沿所述波导增加。
3.根据前述权利要求之一所述的装置，其中所述介电基片(20)包括前表面(21)和平行于所述前表面的后表面(22)，所述前表面包括形成接地平面的导电沉积物(210)，所述后表面上印有所述传输线(10)，所述波导(30)布置在所述接地平面(210)上，所述介电基片包括配置用于给所述空腔(40)的所述入口带来所述电连接(50)的凹口(23)，所述波导在其下表面上包括在所述电连接高度处的未金属化的局部区域(37)，用以防止在所述电连接和所述波导的所述下表面之间的任何电接触。
4.根据权利要求1或2中的一个所述的装置，其中所述介电基片(20)包括前表面(21)和平行于所述前表面的后表面(22)，所述前表面包括形成接地平面的导电沉积物(210)，所述后表面上印有所述传输线(10)，所述波导布置在所述后表面(22)上，所述波导的所述下表面经由多个横贯所述介电基片的金属化通孔(70)连接至所述接地平面，所述波导的所述下表面包括在所述电连接(50)高度处的未金属化的局部区域(37)，用以防止在所述电连接和所述波导的所述下表面之间的任何电接触。
5.根据权利要求1或2中的一个所述的装置，其中所述介电基片(20)包括其上印有所述传输线(10)的前表面(21)和形成与所述波导(30)的所述下表面相接触的接地平面的导电沉积物(210)，所述接地平面和所述传输线共面，所述电连接(50)连接到所述传输线(10)的端部，所述波导的所述下表面包括在所述电连接(50)高度处的未金属化的局部区域(37)，用以防止在所述电连接和所述波导的所述下表面之间的任何电接触。
6.根据权利要求1或2中的一个所述的装置，该装置包括其上布置有所述波导(30)的金属支撑件(22)，所述波导的所述下表面连接到所述金属支撑件，还包括其上还布置有所述介电基片的金属支撑件，所述导电元件(50)连接到所述波导的所述入口。
7.根据前述权利要求之一所述的过渡装置，其中所述三维空腔在所述波导的所述入口处包括U形入口轮廓。
8.根据权利要求1-6中的一个所述的装置，其中所述三维空腔包括具有斜直线边缘、凹的边缘、凸的边缘和波形边缘的入口轮廓。
9.根据权利要求1-8中的一个所述的装置，其中所述三维空腔呈现直线的、凹的、凸的、波形的加宽的轮廓，所述加宽的轮廓其特征在于所述空腔的在所述入口宽度和所述出口宽度之间的宽度的变化。
10.根据权利要求1-9中的一个所述的装置，其中所述三维空腔包括直线的、凹的、凸的、波形的侧面轮廓，所述侧面轮廓其特征在于所述空腔的在所述入口高度和所述出口高度之间的高度的变化。
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