CN106997981A - 一种Ka波段矩形波导到基片集成波导的垂直过渡装置 - Google Patents

一种Ka波段矩形波导到基片集成波导的垂直过渡装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Ka波段矩形波导到基片集成波导的垂直过渡装置，属于微波毫米波集成领域。该过渡装置包括从下至上依次设置的基片集成波导、过渡波导、矩形波导；采用直角结构实现矩形波导到基片集成波导的过渡，电磁波从基片集成波导的左侧输入，能量通过矩形凹槽从基片集成波导耦合到过渡波导中，再从过渡波导传播到标准波导中进行输出。通过引入矩形凹槽、矩形感性环、电感柱和直角梯形过渡波导等结构，有效扩展工作带宽，同时兼具小型化与低插损的优点。与现有技术的小型化直角型过渡装置相比，本发明提供的装置工作频带得到了有效扩展，且体积紧凑、结构简单，加工方便，便于大规模生产，值得推广。

Description

一种Ka波段矩形波导到基片集成波导的垂直过渡装置
技术领域
本发明属于微波毫米波集成领域，具体涉及一种ka波段的新型矩形波导到基片集成波导的过渡结构。
背景技术
基片集成波导技术是一种可集成于介质基片中的新型导波结构，具有低辐射、小型化、重量轻、易于实现无源和有源集成等特性。近年来，基片集成波导已经在滤波器、天线、过渡结构、耦合器、功分器、振荡器等微波毫米波组件或子系统得到了应用。
传统的矩形波导具有低损耗、易于测量、高Q值和功率容量高等优点，仍然在微波毫米波系统或器件中广泛应用。为便于基于基片集成波导结构的器件与基于波导结构的器件相连接，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。
目前，基片集成波导与标准矩形波导间的过渡结构主要有两种方式：垂直过渡和水平过渡。水平过渡结构具有工作频带宽、体积大等特点。垂直过渡结构具有带宽相对较窄、结构相对紧凑的特点。在导引或接收前端的应用领域，要求系统的体积尽可能紧凑。因此，设计出工作频段宽、易于实现的垂直型的过渡结构具有非常重要的实用意义。夏雷等人在专利“一种用于ka波段矩形波导转基片集成波导的装置”(申请号：201610131704.1，申请日期：2016.03.08，授权公告号：CN 105609909 A，申请公布日：2016.05.25)中提出了由矩形波导1、第一谐振腔2、基片集成波导4、第二谐振腔3组成的结构。通过谐振腔上耦合孔，可以实现电磁波从矩形波导到基片集成波导的过渡。背靠背结构测试结果表明：在31.8GHz～37.8GHz频率范围内，回波损耗优于13dB，插入损耗约为2.5dB。显然，该结构损耗较大，在工程实用具有一定的应用限制。
发明内容
本发明提出了一种Ka波段矩形波导到基片集成波导的过渡装置，具有插入损耗小、工作频带宽、结构简单紧凑等特点。
本发明采取的技术方案是：一种Ka波段矩形波导到基片集成波导的过渡装置，包括从下至上依次设置的基片集成波导、过渡波导、矩形波导。
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、以及连接上下金属片的金属化通孔阵列。
所述上金属片设置有一基片集成波导腔体，基片集成波导腔体内包含一个矩形凹槽，且矩形凹槽尺寸与过渡波导下端尺寸相同。
所述金属化通孔阵列包括沿基片集成波导两侧且各呈一排对称分布的若干个金属化通孔、围绕矩形凹槽三侧面呈C形分布的若干个金属化通孔、以及矩形凹槽正下方的构成矩形感性环的若干个金属化通孔。
进一步地，所述构成矩形感性环的若干个金属化通孔两两相交。
进一步地，所述过渡波导由下方的过渡矩形波导和截面呈倒直角梯形的波导结构组成。
进一步地，所述基片集成波导上还设置有两个电感柱，对称分布于基片集成波导两侧的两排金属化通孔内侧。
进一步地，所述矩形波导是WR-28型矩形波导，尺寸为7.112mm×3.556mm。
进一步地，所述介质基片相对介电常数为2.2，损耗正切值为0.009，厚度为0.508mm。
进一步地，所述设置于介质基片上表面和下表面的金属片为金属铜，厚度优选为18um。
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。电磁波从基片集成波导的左侧输入，能量通过矩形凹槽从基片集成波导耦合到过渡波导中，再从过渡波导传播到标准波导中进行输出。通过引入矩形凹槽、矩形感性环、电感柱和直角梯形过渡波导等结构，有效扩展工作带宽，同时兼具小型化与低插损的优点。设计结果表明：该装置在32.9GHz-39GHz频率范围内，回波损耗优于20dB，带宽较宽，达到6.1GHz，相对带宽为17.4％。与现有技术的小型化直角型过渡装置相比，本发明提供的装置工作频带得到了有效扩展，且体积紧凑、结构简单，加工方便，便于大规模生产，值得在业内推广。
附图说明
图1为引用专利的过渡装置的结构图；
图2为本实施例提供的矩形波导到基片集成波导的过渡装置的结构图；
图3为本实施例提供的过渡装置中基片集成波导的俯视图；
图4为本实施例提供的矩形波导到基片集成波导的过渡装置的侧视图；
图5为本实施例提供的过渡装置中阶梯波导和矩形波导的俯视图；
图6为本实施例提供的矩形波导到基片集成波导的过渡装置的S参数仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
参考图2，本发明一种Ka波段矩形波导到基片集成波导的过渡装置，包括基片集成波导1、过渡波导3、矩形波导4。基片集成波导1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、以及连接上下金属片的金属化通孔阵列6。所述基片集成波导1上还设置有两个电感柱7，对称分布于基片集成波导两侧的两排金属化通孔内侧。所述上金属片10设置有一基片集成波导腔体2，基片集成波导腔体内包含矩形凹槽11，且矩形凹槽尺寸与过渡波导3下端尺寸相同。所述金属化通孔阵列6包括沿基片集成波导1两侧且各呈一排对称分布的若干个金属化通孔、围绕矩形凹槽11三侧面呈C形分布的若干个金属化通孔、以及矩形凹槽11正下方的构成矩形感性环5的若干个金属化通孔。所述构成矩形感性环5的若干个金属化通孔两两相交。所述过渡波导3是由与矩形凹槽11相连的过渡矩形波导和截面呈倒直角梯形的波导结构组成。所述截面呈倒直角梯形波导下端与过渡矩形波导相接，上端与标准波导4相连，且梯形高所在边与上下波导对应的边均齐平。输出波导为标准WR-28型的标准矩形波导，尺寸为7.112mm×3.556mm。
参考图3，所述基片集成波导1的两排金属化通孔之间的宽度a为5mm，每一排内金属化通孔6的间距p为0.8mm；金属化通孔6的内径d为0.5mm，金属化通孔6的高度与基片集成波导1的高度相同，为0.544mm。基片集成波导腔体2的宽度w3为4.286mm，长度L2为8.3mm。矩形凹槽的宽度w为2.786mm，长度L为7.112mm。矩形凹槽距离基片集成波导腔体2的末端的长度d6为0.73mm。对称放置的电感柱7的内径d2为0.4mm，间距为d3为3mm，高度为0.544mm，与矩形凹槽的距离d4为0.73mm。矩形凹槽11包括10个高度一致且两两相交的金属孔5的内径为0.3mm，高度为0.526mm，总长度为1.16mm，总宽度为0.8mm。
参考图4，为本发明提供的矩形波导到基片集成波导的过渡装置的侧视图。图中h1为矩形波导的高度，大小为4.3mm；h2为阶梯波导的高度，大小为2.5mm；图中h3为1.8mm，w为阶梯波导下表面的宽度，与矩形凹槽的宽度一致，均为2.786mm。h4为基片集成波导的高度，即上下金属层的高度和介质基片的高度之和，大小为0.544mm。
本发明的工作原理：
该过渡结构基于孔耦合方式，将矩形波导中的TE1,0模式转化为基片集成波导中的TE1,0模。为了扩展工作频带以及加强耦合，过渡结构中引入了基于基片集成波导腔体、宽带波导过渡结构和金属化通孔构成的矩形感性环等结构。为方便与Ka波段波导器件连接，输出波导采用标准RW-28矩形波导，其尺寸a×b为7.112mm×3.556mm。对于基片集成波导，它的两排等间距的金属化通孔连接上层和下层的金属面。通过调整图中两排金属化通孔间距a，相邻金属化通孔间距p和金属化通孔内径d(具体参数见图3)，就能固定基片集成波导的工作频率。电磁波从基片集成波导的左侧输入，能量通过矩形凹槽从基片集成波导耦合到过渡波导中，再从过渡波导传播到标准波导中进行输出。通过调整两个对称分布的电感柱的间距d3和内径d2、电感柱与矩形凹槽的距离d4、矩形凹槽的位置及大小、矩形环的尺寸、过渡波导的长度、以及基片集成波导腔体的大小，就可以加强模式的耦合，减小电磁波的反射，在宽频带内实现基片集成波导与矩形波导较好的阻抗匹配。
以下结合仿真计算对本发明的技术效果作进一步描述：
图6为本发明提供的矩形波导到基片集成波导的过渡装置的S参数仿真图。由S参数图可以看出，在32.9-39.0GHz的频率范围内，插入损耗小于0.14dB，回波损耗优于20dB，带宽达到6.1GHz，相对带宽为17.4％。本发明提供的用于Ka波段矩形波导到基片集成波导的直角过渡装置，通过引入矩形凹槽、感性矩形环、感性柱和直角梯形波导过渡等结构，有效扩展工作带宽，同时兼具小型化与低插损的优点。与现有技术的小型化直角型过渡装置相比，本发明提供的装置工作频带得到了有效扩展，且体积紧凑、结构简单，加工方便，便于大规模生产，值得在业内推广。

Claims (5)

1.一种Ka波段矩形波导到基片集成波导的垂直过渡装置，包括从下至上依次设置的基片集成波导、过渡波导、矩形波导；
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、以及连接上下金属片的金属化通孔阵列；
所述上金属片设置有一基片集成波导腔体，基片集成波导腔体内包含一个矩形凹槽，且矩形凹槽尺寸与过渡波导下端尺寸相同；
所述金属化通孔阵列包括沿基片集成波导两侧且各呈一排对称分布的若干个金属化通孔、围绕矩形凹槽三侧面呈C形分布的若干个金属化通孔、以及矩形凹槽正下方的构成矩形感性环的若干个金属化通孔。
所述过渡波导由下方的过渡矩形波导和截面呈倒直角梯形的波导结构组成。
2.如权利要求1所述的一种矩形波导到基片集成波导的过渡装置，其特征在于：所述构成矩形感性环的若干个金属化通孔两两相交。
3.如权利要求1所述的一种矩形波导到基片集成波导的过渡装置，其特征在于：所述基片集成波导上还设置有两个电感柱，对称分布于基片集成波导两侧的两排金属化通孔内侧。
4.如权利要求1所述的一种矩形波导到基片集成波导的过渡装置，其特征在于：所述矩形波导为WR-28型矩形波导。
5.如权利要求1所述的一种矩形波导到基片集成波导的过渡装置，其特征在于：所述介质基片相对介电常数为2.2，损耗正切值为0.009，厚度为0.508mm。
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