CN107394328A - 一种d波段波导‑平面电路过渡装置 - Google Patents
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Abstract
一种D波段波导‑平面电路过渡装置，包括矩形波导、减高波导、背腔、传输线屏蔽腔和介质基片，其中，矩形波导、减高波导、背腔和传输线屏蔽腔为互通波导结构；减高波导在矩形波导的一端，背腔位于减高波导下方，所述介质基片包括介质基板以及介质基板上表面的金属层，所述金属层由传输线、阻抗匹配网络和探针组成，所述探针为顶端开槽的等腰三角形，本发明可工作于毫米波太赫兹频段，且插入损耗小，适用频带宽，电路尺寸小，加工制作方便。
Description
技术领域
本发明属于毫米波太赫兹集成技术领域，特别涉及一种D波段波导-平面电路过渡装置。
背景技术
平面电路是介于一维的传输线电路与三维的波导立体电路之间的二维分布参数电路。其主要形式为微带线结构和共面波导结构。利用它可以构成不同功能的微波元件，如滤波器、振荡器等。常用的非对称型平面电路与微带线输入、输出电路相连，这种电路沿x、y方向的尺寸与波长的数量级相当，而沿z方向的尺寸h远小于波长。因此，输入微带线激励的电磁场在中心导体片与接地板之间的空间里振荡，其电场只有z分量(不计边缘场)，磁场平行于xy平面,是TM模(对z而言),且场强仅为x、y的函数,与z无关。另外，由于空气填充的矩形波导具有高Q值和大功率容量等优点，使其成为毫米波太赫兹频段重要的传输线结构。因此，有必要涉及一种小型化高性能的过渡结构，以实现矩形波导和平面电路之间的能量转换。这类转换结构应满足的基本要求包括：
①较低的插入损耗，通常要求在工作频带内好于1dB。
②较宽的工作频带范围。
③带内损耗平坦度好。
④设计尽量简单，便于加工制作。
⑤具有良好的一致性与可重复性。
⑥易与系统电路集成。
实际应用中较为成熟的转换结构有：波导-脊波导-微带转换，波导-鳍线微带转换结构、波导-微带探针转换结构，波导-平面偶极子天线转换结构等。虽然波导-脊波导-微带线这种转换结构在宽频谱内无明显不连续点，但是在高频毫米波频段，这种转换结构较难实现，可加工性差，可靠性较低。在毫米波频段多采用波导-微带探针形式的转换结构，这种过渡结构可以在宽频段内实现低损耗传输，设计也较为简单，适用于大多数场合，其缺点是电路介质基片的宽度受限，不能超过λ/2，最合适的宽度应在λ/4，因此不适用于大规模集成电路设计，也不适用与多条功能链路功率合成。另外在文献Leong K M K H,Deal W R,Radisic V,et al.A 340–380GHz Integrated CB-CPW-to-Waveguide Transition forSub Millimeter-Wave MMIC Packaging[J].IEEE Microwave&Wireless ComponentsLetters,2009,19(6):413-415.中也提供了一种利用平面偶极子天线耦合的方式接收波导内部TE10模电磁波，这种方式一般将天线置于波导内部电场最强处，转换结构的插损能够在所设计的带内控制在1dB以内，其带宽主要受天线形式的影响，优点是不受波导尺寸限制，适用于多条功能链路进行功率合成，缺点是插入损耗较大。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种D波段波导-平面电路过渡装置，其可工作于毫米波太赫兹频段，且插入损耗小，适用频带宽，电路尺寸小，加工制作方便。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种D波段波导-平面电路过渡装置，包括矩形波导1、减高波导2、背腔3、传输线屏蔽腔4和介质基片8，其中，矩形波导1、减高波导2、背腔3和传输线屏蔽腔4为互通波导结构；减高波导2在矩形波导1的一端，背腔3位于减高波导2下方，所述介质基片8包括介质基板以及介质基板上表面的金属层，所述金属层由传输线5、阻抗匹配网络6和探针7组成，所述探针7为顶端开槽的等腰三角形。
所述减高波导2与矩形波导1的高度比即Z向长度比为0.56，顶面位于同一水平面。
所述背腔3上表面与减高波导2下表面共面，所述背腔3与减高波导2的长、宽、高之比即X向、Y向、Z向长度比分别为0.757、0.632、0.821。
所述矩形波导1为应用频段标准矩形波导，以垂直于合成装置对称轴Y轴的方向做截面，截面长度即X向尺寸为a mm，截面宽度即Z向尺寸为b mm；所述减高波导2的截面长度即X向尺寸为a mm，截面宽度即Z向尺寸为0.56b mm；所述背腔3与矩形波导1的Y向距离为0.057λg，与减高波导2两侧X向距离均为0.07λg，背腔3的长度即X向尺寸为0.45λg，宽度即Y向尺寸为0.13λg，高度即Z向尺寸为0.13λg；所述传输线屏蔽腔4下表面与减高波导2下表面共面，传输线屏蔽腔4距减高波导2两侧X向距离均为0.07λg，传输线屏蔽腔4的长度即X向尺寸为0.286λg，宽度即Y向尺寸为0.05λg，高度即Z向尺寸为0.036λg；其中，为矩形波导主模的波导波长，λ0为真空工作波长，λ为波导工作波长，λc为主模截止波长，误差±0.8％。
所述介质基片8位于屏蔽腔4及减高波导2底部，其下表面与背腔3上表面共面，介质基片8距传输线屏蔽腔4两侧的X向距离均为0.0775λg1，介质基片8的长度即X向尺寸为1.08λg1，宽度即Y向尺寸为1.11λg1，厚度即Z向尺寸h为0.0775λg1，其中，为平面电路的波导波长，λ0为真空工作波长，εr为介质相对介电常数，误差±0.8％。
所述探针7底边距介质基板边缘的Y向距离为0.16λg1，底角顶点距介质基板两侧的X向距离均为0.125λg1，底边长即X向尺寸为0.694λg1，开槽后两腰长0.59λg1，开槽宽度即X向尺寸为0.094λg1、长度即Y向尺寸为0.215λg1；所述阻抗匹配网络6包括高阻传输线与探针槽线，高阻传输线与探针槽底相连，其宽度即X向尺寸为0.039λg1，长度即Y向尺寸为0.26λg1；传输线5与高阻传输线相连，传输线5的宽度即X向尺寸为0.062λg1，长度即Y向尺寸为0.31λg1，整体结构关于中心YZ平面对称。
与现有技术相比，本发明是一种应用于波导转平面电路的过渡结构，于D波段频带范围内的仿真结果如图7、图8所示，频段内插入损耗优于1dB；在120～170GHz范围内回波损耗低于-15dB，插入损耗优于0.35dB。在中心频点140GHz处损耗约0.3dB，在125GHz及165GHz频点处取得最优值约0.1dB，如图7、8所示。于U波段仿真结果如图9、图10所示，在37GHz～57GHz频率范围内插入损耗S12优于1dB。在40GHz～55GHz频率范围内回波损耗好于-12.5dB，整体转换结构损耗在0.4dB以内，最佳值为-0.12dB，典型值-0.3dB。另外，此转换结构在带内损耗较为平坦，而在所设计的频率范围外，损耗会急剧增加。经过不同频段仿真对比，足以说明本装置的普遍适用性，且在高频应用效果更佳。
附图说明
图1是本发明整体结构图。
图2是波导结构图。
图3是介质基片结构图。
图4是过渡结构俯视图。
图5是过渡结构侧视图。
图6是介质基片俯视图。
图7是本装置D波段插入损耗仿真结果。
图8是本装置D波段回波损耗仿真结果。
图9是本装置U波段插入损耗仿真结果。
图10是本装置U波段回波损耗仿真结果。
图中：1.矩形波导，2.减高波导，3.背腔，4.屏蔽腔，5.50欧姆传输线，6.阻抗匹配网络，7.探针，8.介质基板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1、图2和图3所示，本发明一种D波段波导-平面电路过渡装置，包括矩形波导1、减高波导2、背腔3、传输线屏蔽腔4和介质基片8等，其中，矩形波导1、减高波导2、背腔3和传输线屏蔽腔4为互通波导结构；减高波导2在矩形波导1的一端，背腔3位于减高波导2下方，介质基片8包括介质基板以及介质基板上表面的金属层，金属层由传输线5、阻抗匹配网络6和探针7组成，探针7为顶端开槽的等腰三角形。
其中，矩形波导1为应用频段标准矩形波导，减高波导2与矩形波导1的高度比即Z向长度比为0.56，顶面位于同一水平面-XY面。背腔3上表面与减高波导2下表面共面-XY面，背腔3与减高波导2的长、宽、高之比即X向、Y向、Z向长度比分别为0.757、0.632、0.821。
为获取最优参数，需要在专用的电磁仿真软件中建模优化，本发明采用Ansoft公司的高频结构仿真软件(HFSS)进行建模仿真，通过对图4、图5、图6中各个参数的调谐和仿真优化，获得最优解，最终确定的主要参数尺寸为：
WAa＝a，WAb＝b，WAl＝0.36λg，WBb＝0.16λg，WBl＝0.2λg，WCa＝0.45λg，WCb＝0.13λg，WCl＝0.13λg，WDa＝0.286λg，WDb＝0.036λg，WDl＝0.05λg，d1＝0.057λg，d2＝0.07λg，d3＝0.15λg，d4＝0.0775λg1。
Wa＝1.08λg1，Wb＝1.11λg1，w1＝0.062λg1，w2＝0.039λg1，w3＝0.694λg1，w4＝0.094λg1，l1＝0.31λg1，l2＝0.26λg1，l3＝0.215λg1，l4＝0.59λg1，l5＝0.16λg1，h＝0.0775λg1，d5＝0.125λg1，。
即：
矩形波导1以垂直于合成装置对称轴Y轴的方向做截面，截面长度WAa即X向尺寸为a mm，截面宽度WAb即Z向尺寸为b mm；减高波导2的截面长度即X向尺寸为a mm，截面宽度WBb即Z向尺寸为0.56b mm；背腔3与矩形波导1的Y向距离d1为0.057λg，与减高波导2两侧X向距离d2均为0.07λg，背腔3的长度WCa即X向尺寸为0.45λg，宽度WCb即Y向尺寸为0.13λg，高度WCl即Z向尺寸为0.13λg；传输线屏蔽腔4下表面与减高波导2下表面共面，传输线屏蔽腔4距减高波导2两侧X向距离d3均为0.15λg，传输线屏蔽腔4的长度WDa即X向尺寸为0.286λg，宽度WDl即Y向尺寸为0.05λg，高度WDb即Z向尺寸为0.036λg；其中，为矩形波导主模的波导波长，λ0为真空工作波长，λ为波导工作波长，λc为主模截止波长，误差±0.8％。
介质基片8位于屏蔽腔4及减高波导2底部，其下表面与背腔3上表面共面，介质基片8距传输线屏蔽腔4两侧的X向距离d4均为0.0775λg1，介质基片8的长度Wa即X向尺寸为1.08λg1，宽度Wb即Y向尺寸为1.11λg1，厚度h即Z向尺寸为0.0775λg1，其中，为平面电路的波导波长，λ0为真空工作波长，εr为介质相对介电常数，误差±0.8％。
探针7底边距介质基板边缘的Y向距离l5为0.16λg1，底角顶点距介质基板两侧的X向距离d5均为0.125λg1，底边长w3即X向尺寸为0.694λg1，开槽后两腰长l4为0.59λg1，开槽宽度w4即X向尺寸为0.094λg1、长度l3即Y向尺寸为0.215λg1；阻抗匹配网络6包括高阻传输线与探针槽线，高阻传输线与探针槽底相连，其宽度w2即X向尺寸为0.039λg1，长度l2即Y向尺寸为0.26λg1；传输线5与高阻传输线相连，传输线5的宽度w1即X向尺寸为0.062λg1，长度l1即Y向尺寸为0.31λg1，整体结构关于中心YZ平面对称。
其中，WXa为X方向长度，WYl为Y方向长度，WZb为Z方向长度，为矩形波导主模的波导波长，为平面电路的波导波长，其中λ0为真空工作波长，λ为波导工作波长，λc为主模截止波长，εr为介质相对介电常数，误差±0.8％。
本发明工作原理：该过渡结构基于平面偶极子天线转换结构，采用开槽等腰三角形探针实现矩形波导主模TE10模到平面电路准TEM模的直接转换。探针位于矩形减高波导H面中心且为对称结构，可以有效接收空间电磁波；加入背腔使转换结构部分等效介电常数降低，实现拓宽频带的性能；阻抗匹配网络分为减高波导部分及探针槽线-高阻传输线两部分，减高波导实现矩形波导与探针输入阻抗的阻抗匹配，槽线与高阻传输线实现探针输出阻抗与50欧姆传输线的阻抗匹配；若后续电路尺寸较宽，可以将介质基片的宽度增加，对于整体性能影响不大；若宽度大于波导宽边，可以额外增加一段减宽波导匹配结构实现良好的传输性能。
于D波段频带范围内的仿真结果如图7、图8所示，频段内插入损耗优于1dB；在120～170GHz范围内回波损耗低于-15dB，插入损耗优于0.35dB。在中心频点140GHz处损耗约0.3dB，在125GHz及165GHz频点处取得最优值约0.1dB，如图7、8所示。于U波段仿真结果如图9、图10所示，在37GHz～57GHz频率范围内插入损耗S12优于1dB。在40GHz～55GHz频率范围内回波损耗好于-12.5dB，整体转换结构损耗在0.4dB以内，最佳值为-0.12dB，典型值-0.3dB。另外，此转换结构在带内损耗较为平坦，而在所设计的频率范围外，损耗会急剧增加。经过不同频段仿真对比，足以说明本装置的普遍适用性，且在高频应用效果更佳。
综上，本发明是一种新型、宽带、高效的波导转平面电路过渡结构，其主要特点为：
1，区别于传统芯片通过bondwire引线键合到低介电常数传输线上再过渡到波导中，本发明将过渡直接集成，省去了bondwire的寄生效应(这种寄生效应使得芯片的高频特性显著恶化)。
2，区别于传统的过渡形式片上E面探针过渡，E面探针结构需要探针从金属波导E面开槽插入波导内部，除了E面探针在太赫兹波段固有的波导模效应外，金属波导开槽会引入额外的波导高次模式效应，在太赫兹频段影响尤为严重。
3.本发明的过渡结构直接插入波导内部，电磁能量从过渡结构直接通过片上天线耦合到波导腔内，过渡结构的尺寸随芯片尺寸适应性强。
本发明通过天线接收的形式，将波导中的空间信号转换为平面电路中传输的导行信号，经过匹配网络以传输线的形式输出。
Claims (6)
1.一种D波段波导-平面电路过渡装置，其特征在于，包括矩形波导(1)、减高波导(2)、背腔(3)、传输线屏蔽腔(4)和介质基片(8)，其中，矩形波导(1)、减高波导(2)、背腔(3)和传输线屏蔽腔(4)为互通波导结构；减高波导(2)在矩形波导(1)的一端，背腔(3)位于减高波导(2)下方，所述介质基片(8)包括介质基板以及介质基板上表面的金属层，所述金属层由传输线(5)、阻抗匹配网络(6)和探针(7)组成，所述探针(7)为顶端开槽的等腰三角形。
2.根据权利要求1所述D波段波导-平面电路过渡装置，其特征在于，所述减高波导(2)与矩形波导(1)的高度比即Z向长度比为0.56，顶面位于同一水平面。
3.根据权利要求2所述D波段波导-平面电路过渡装置，其特征在于，所述背腔(3)上表面与减高波导(2)下表面共面，所述背腔(3)与减高波导(2)的长、宽、高之比即X向、Y向、Z向长度比分别为0.757、0.632、0.821。
4.根据权利要求2所述D波段波导-平面电路过渡装置，其特征在于，所述矩形波导(1)为应用频段标准矩形波导，以垂直于合成装置对称轴Y轴的方向做截面，截面长度即X向尺寸为amm，截面宽度即Z向尺寸为bmm；所述减高波导(2)的截面长度即X向尺寸为amm，截面宽度即Z向尺寸为0.56bmm；所述背腔(3)与矩形波导(1)的Y向距离为0.057λg，与减高波导(2)两侧X向距离均为0.07λg，背腔(3)的长度即X向尺寸为0.45λg，宽度即Y向尺寸为0.13λg，高度即Z向尺寸为0.13λg；所述传输线屏蔽腔(4)下表面与减高波导(2)下表面共面，传输线屏蔽腔(4)距减高波导(2)两侧X向距离均为0.07λg，传输线屏蔽腔(4)的长度即X向尺寸为0.286λg，宽度即Y向尺寸为0.05λg，高度即Z向尺寸为0.036λg；其中，为矩形波导主模的波导波长，λ0为真空工作波长，λ为波导工作波长，λc为主模截止波长，误差±0.8％。
5.根据权利要求2所述D波段波导-平面电路过渡装置，其特征在于，所述介质基片(8)位于屏蔽腔(4)及减高波导(2)底部，其下表面与背腔(3)上表面共面，介质基片(8)距传输线屏蔽腔(4)两侧的X向距离均为0.0775λg1，介质基片(8)的长度即X向尺寸为1.08λg1，宽度即Y向尺寸为1.11λg1，厚度即Z向尺寸为0.0775λg1，其中，为平面电路的波导波长，λ0为真空工作波长，εr为介质相对介电常数，误差±0.8％。
6.根据权利要求2所述D波段波导-平面电路过渡装置，其特征在于，所述探针(7)底边距介质基板边缘的Y向距离为0.16λg1，底角顶点距介质基板两侧的X向距离均为0.125λg1，底边长即X向尺寸为0.694λg1，开槽后两腰长0.59λg1，开槽宽度即X向尺寸为0.094λg1、长度即Y向尺寸为0.215λg1；所述阻抗匹配网络(6)包括高阻传输线与探针槽线，高阻传输线与探针槽底相连，其宽度即X向尺寸为0.039λg1，长度即Y向尺寸为0.26λg1；传输线(5)与高阻传输线相连，传输线(5)的宽度即X向尺寸为0.062λg1，长度即Y向尺寸为0.31λg1，整体结构关于中心YZ平面对称。
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