CN108711665A - 矩形波导微带气密封过渡电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种矩形波导微带气密封过渡电路，旨在提供一种具有低插损、宽频带、全气密的矩形波导微带气密封过渡电路。本发明通过下述技术方案予以实现：从波导口(8)进入的射频信号通过波导短路面(10)全反射在同轴台阶圆柱(6)中心处，形成电场最强的波腹，通过一段起耦合作用的同轴内导体探针(11)，把矩形波导(1)中的电场耦合到被气密封在微带腔(14)中的微带线(5)，完成矩形波导和微带线两者主模之间电磁场模式转换，从而实现电磁信号在两种不同传输媒介之间进行传输。本发明结构紧凑、频带宽、密封性好、可以满足实际工程中对矩形波导口密封的要求，很好地克服采用对脊鳍线与脊波导过渡所带来的问题。

Description

矩形波导微带气密封过渡电路

技术领域

本发明涉及微波/毫米波电路领域用于传送微波信号的微带线与矩形波导之间转换的密封过渡电路。具体涉及用于微波/毫米波模块与组件的矩形波导与微带电路之间气密封隔离式传输信号的矩形波导—微带气密封过渡电路。

背景技术

毫米波混合集成电路与单片集成电路多采用结构简单、尺寸小巧的微带线作为射频传输线。矩形波导因其具有功率容量大、损耗小、无辐射损耗、Q值高等特点在微波/毫米波电路和系统中被广泛应用在长距离传输系统中。波导-微带过渡电路是连接微波/毫米波系统中平面电路与波导的重要结构,直接影响系统性能。目前矩形波导-微带过渡报道很多，其中典型的形式有：矩形波导-对极鳍线-微带过渡、矩形波导-脊波导-微带过渡、矩形波导-微带探针过渡等，所有这些过渡转换电路都是基于矩形波导内电场激励的方式，完成矩形波导和微带线两者主模之间电磁场模式转换，从而实现电磁信号在两种不同传输媒介之间进行传输。在高频大功率场合，特别是毫米波频段的功放组件，为了满足低损耗，射频接口往往都是波导形式。由于波导为金属空腔结构，以此矩形波导为接口的微波/毫米波组件基本都是半开放/开放电路形式。由于半导体工艺通过在某种衬底材料上生长外延，经过光刻、腐蚀等手段最终在很小的面积内制作出需要的元器件与电路。因此，通过该方式生产出来的芯片均为裸片。对其中的射频电路部分特别是裸芯片，不能长期暴露在外部潮湿、高尘的环境中，需要进行不同形式的封装。由于微波/毫米波电路尺寸小，对加工的精度要求比较高，再加上对电子设备日趋小型化的要求，微波/毫米波组件中势必将大量采用无封装的裸芯片。如何在矩形波导形式的电路中通过自身的密封性、气密封装来保证可靠性，提升裸芯片工作的长期可靠性，成为了微波/毫米波组件开发的一个重要技术。

通常的矩形波导—微带过渡电路采用微带导带直接插入波导内形成天线的方式实现。由于微带线本身为半开放结构，外部湿气与杂质等会通过波导腔进入到模块/组件内部，进而影响裸芯片的长期可靠性。按封装方式的不同，可分为器件级密封与组件级密封两类。其中，器件级密封是对裸芯片进行直接封装，常见的手段包含塑料封装，陶瓷封装，金属管壳封装等。随着频率升高，封装管壳带来的寄生效应将极大地恶化射频芯片的性能。组件级密封可在有限恶化射频芯片性能的前提下提高芯片长期使用可靠性，由此开发出来的密封手段包括：环氧树脂粘接，焊料焊接，平行封焊，激光封焊等。无论采用何种技术手段，基本构造均为射频电路→射频内盖板(可选)→密封盖板，对外接口为易实现密封的低频绝缘子和射频同轴接头。组件级密封的优点在于可在较小的体积下实现多个裸芯片集成，不需要对单个器件进行独立封装，封焊工艺技术成熟，同轴接头损耗适中等，因此在中低功率射频组件中得到了广泛应用。

矩形波导-微带过渡发展的趋势是向低耗、宽频带、小型化、气密封、免调试、易批量生产方向发展，同时保证能在各种恶劣环境条件下性能的稳定性。目前实现波导到微带过渡转换成熟的结构形式主要有：波导-对极鳍线-微带过渡、波导-脊波导-微带过渡以及波导-探针-微带过渡等。波导-对极鳍线-微带过渡的阻抗变换器始端为标准矩形波导，末端连接阻抗为50欧的微带电路，该过渡电路的微带线与波导的转换部分采用非接触式结构。对脊鳍线过渡中由于鳍线存在各种模式，很难抑制所有不需要的模式，并且在截止频率下输入输出鳍线提供一个纯电抗源阻抗或负载阻抗，容易导致有源器件处于不稳定区域从而出现自激振荡。波导-脊波导-微带过渡中的脊波导变换器加工复杂，且装配公差要求严格，脊与微带电路之间的接触点对整个过渡电路的性能影响很大，过松会影响电路性能，过紧则可能损坏微带电路，这种过渡电路生产性差，不能多次拆装。常见的波导-探针-微带过渡是利用微带探针插入波导进行能量耦合，这种方式插入损耗低，回波损耗高，频带宽，结构紧凑。有文献提出了一种线性的扇形探针的矩形波导-微带的过渡，它利用放在矩形波导宽边中心E面介质基片上的扇形探针实现TE₁₀模到准TEM模的转换。也有文献提出了一种基于矩形波导内主模磁场激励原理实现矩形波导-微带过渡转换的新型电路，该结构利用矩形波导内面微带基片上的环形金属条带电路，以及一段部分填充介质的偏心同轴线，实现了矩形波导和微带线两者主模之间电磁场的模式过渡转换。以上所有的过渡结构均需要在波导的端面或边壁上开窗，因此都不具备密封性。

发明内容

本发明的目的是针对微波/毫米波组件矩形波导接口的难以实现密封的问题，提供一种具有低插损、宽频带、一致性好、便于加工的全气密的矩形波导微带气密封过渡电路，以达到波导形式的微波/毫米波组件整体气密封装的目的。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种矩形波导微带气密封过渡电路，包括：垂直于波导传输方向，固联在矩形波导1垂直平面上的玻璃绝缘子同轴连接器2，同轴台阶圆柱6末端连接的微带线5，其特征在于：同体轴向连接同轴台阶圆柱6的同轴内导体探针11，从矩形波导腔12同轴线穿过波导腔隔墙13、玻璃绝缘子同轴连接器2和空气介质射频同轴连接器4以及两者之间固联的空气匹配耦合环3，通过末端键合金丝7过渡延伸连接到被气密封在微带腔14中的微带线5；从波导口8进入的射频信号通过波导短路面10全反射在同轴台阶圆柱6中心处，形成电场最强的波腹，通过一段起耦合作用的同轴内导体探针11，把矩形波导1中的电场耦合到被气密封在微带腔14中的微带线5，完成矩形波导和微带线两者主模之间电磁场模式转换，从而实现电磁信号在两种不同传输媒介之间进行传输。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

具有插入气密封、损耗小、频带宽、结构紧凑、免调试等特点。本发明同轴内导体探针11从矩形波导宽边中心插入玻璃烧结的玻璃绝缘子同轴连接器2，通过空气匹配耦合环3与空气介质射频同轴连接器4装配在波导与微带线之间，构成一种密封结构。将同轴内导体探针11通过波导宽边中心的孔插入波导腔中，成为稳定的密封结构，通过一段起耦合作用的探针把矩形波导中的电场耦合到微带中，这种结构将在较宽的频率范围内，保持较小的插入损耗和反射系数，从而保证探针性能变化不明显。利用特性阻抗为50Ω的玻璃绝缘子同轴连接器2、空气匹配耦合环3与特性阻抗为50Ω的空气介质射频同轴连接器4，实现与50欧姆标准微带线的阻抗匹配，将能量约束在微带上，抑制直接通过高次模耦合到转换腔体的微带场结构。这种替代现有微带线直接过渡的结构，加强了机械强度并具备很好的密封性。位于矩形波导内侧的同轴台阶圆柱6，形成天线与矩形波导内射频信号进行耦合。通过波导短路面10全反射在同轴台阶圆柱6中心处形成电场最强的波腹，可以保证探针在波导内处于最大电压，以达到最高耦合效率。通过多段同轴线传输后，位于微带线末端的同轴内导体探针通过金丝键合与微带线实现电连接。这种过渡形式的微带基片法向与金属波导轴向一致，可以适应大多数实际使用要求，且加工更简单。最终，波导腔与微带电路在实现气密隔离的同时完成了射频信号高效率传输，实际工作频带可覆盖整个矩形波导主模波段，有利于微波/毫米波组件的通用化设计。

电路中从矩形波导宽边中心插入的同轴探针与矩形波导的连接采用非接触式结构，并且具有结构紧凑的特点。与以往的波导-微带过渡结构相比,这种结构体积小、结构紧凑、频带宽、密封性好、更利于小型化。可以满足实际工程中对矩形波导口密封的要求，很好地克服采用对脊鳍线与脊波导过渡所带来的问题。

实物测试结果表明，在WR28波导主模26.5GHz～40GHz的频率范围内，插入损耗小于0.15dB，回波损耗优于15dB，带宽特性和平坦度都很好，与仿真结果基本吻合。

本发明将插入波导中的同轴内导体探针设计为多台阶阻抗变换结构，并在波导腔隔墙中加入空气匹配耦合环同轴线组合在一起，可以使同轴线中的入射功率完全耦合到波导中，抵消50欧姆玻璃绝缘子同轴连接器与50欧姆的空气介质射频同轴连接器同轴互联时的寄生电容，保证射频信号在矩形波导与微带线间传输时的宽带匹配特性，能完满地解决微带输入、输出口与周围电路相交叉的问题，克服现有技术脊波导-微带过渡重复性不好的缺点。相比现有的波导—微带过渡，扩展了工作带宽。

附图说明

图1是本发明矩形波导微带气密封过渡电路的三维透视图。

图2是图1按波导宽边中心线的局部剖面示意图。

图3是图2按同轴中心线平行于波导口的局部剖面示意图。

图中：1矩形波导，2玻璃绝缘子同轴连接器，3空气匹配耦合环，4空气介质射频同轴连接器，5微带线，6同轴台阶圆柱，7键合金丝，8波导口，9波导短路面，10玻璃绝缘介质，11同轴内导体探针，12矩形波导腔，13波导腔隔墙，14微带腔。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中，一种矩形波导微带气密封过渡电路，包括：垂直于波导传输方向，固联在矩形波导1垂直平面上的玻璃绝缘子同轴连接器2，同轴台阶圆柱6末端连接的微带线5，其特征在于：同体轴向连接同轴台阶圆柱6的同轴内导体探针11，从矩形波导腔12同轴线穿过波导腔隔墙13、玻璃绝缘子同轴连接器2和空气介质射频同轴连接器4以及两者之间固联的空气匹配耦合环3，通过末端键合金丝7过渡延伸连接到被气密封在微带腔14中的微带线5；从波导口8进入的射频信号通过波导短路面10全反射在同轴台阶圆柱6中心处，形成电场最强的波腹，通过一段起耦合作用的同轴内导体探针11，把矩形波导1中的电场耦合到气密封微带腔中微带5，完成矩形波导和微带线两者主模之间电磁场模式转换，从而实现电磁信号在两种不同传输媒介之间进行传输。

上述玻璃绝缘子同轴连接器2和空气介质射频同轴连接器4的特性阻抗为50Ω。特性阻抗是电缆中传送波的电场强度和磁场强度之比。(伏特/米)/(安培/米)＝欧姆。欧姆定律表明，如果在一对端子上施加电压E，此电路中测量到电流I，则可以用下列等式确定阻抗的大小，这个公式总是成立：Z＝E/I，无论是直流或者是交流的情况下，这个关系都保持成立。特性阻抗一般写作Z₀。如果电缆承载的是射频信号，并非正弦波，Z₀还是等于电缆上的电压和导线中的电流比。所以特性阻抗由下面的公式定义：Z₀＝E/I电压和电流是有电缆中的感抗和容抗共同决定的。

参阅图2、图3。矩形波导腔12与微带腔14的气密封隔离通过一段烧结在波导腔隔墙13内的玻璃绝缘介质10实现，同时该玻璃介质还起到了支撑同轴内导体探针11的作用。同轴内导体探针11为一体化成型设计，由插入矩形波导1中的同轴台阶圆柱6，位于波导腔隔墙13内的玻璃绝缘子同轴连接器2以及空气介质射频同轴连接器4共同构成。

射频信号从矩形波导腔12的波导口8输入，经由λ/4波长波导短路面9反射后在同轴台阶圆柱6处进行叠加耦合。同轴台阶圆柱6采用多阶梯式阻抗变换结构可有效地扩展射频信号耦合带宽，实现射频信号由矩形波导1至同轴内导体探针11的宽带高效率过渡。

位于微带腔14中的同轴内导体探针11末端，通过键合金丝7完成与微带线5的信号传输。射频信号由矩形波导1至微带线5被气密封过渡输出。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种矩形波导微带气密封过渡电路，包括：垂直于波导传输方向，固联在矩形波导1垂直平面上的玻璃绝缘子同轴连接器(2)，同轴台阶圆柱(6)末端连接的微带线(5)，其特征在于：同体轴向连接同轴台阶圆柱(6)的同轴内导体探针(11)，从矩形波导腔(12)同轴线穿过波导腔隔墙(13)、玻璃绝缘子同轴连接器(2)和空气介质射频同轴连接器(4)以及两者之间固联的空气匹配耦合环(3)，通过末端键合金丝(7)过渡延伸连接到被气密封在微带腔(14)中的微带线(5)；从波导口(8)进入的射频信号通过波导短路面(10)全反射在同轴台阶圆柱(6)中心处，形成电场最强的波腹，通过一段起耦合作用的同轴内导体探针(11)，把矩形波导(1)中的电场耦合到被气密封在微带腔(14)中的微带线(5)，完成矩形波导和微带线两者主模之间电磁场模式转换，从而实现电磁信号在两种不同传输媒介之间进行传输。

2.如权利要求1所述的矩形波导微带气密封过渡电路，其特征在于：玻璃绝缘子同轴连接器(2)和空气介质射频同轴连接器(4)的特性阻抗为50Ω。

3.如权利要求1所述的矩形波导微带气密封过渡电路，其特征在于：矩形波导腔(12)与微带腔14的气密封隔离通过一段烧结在波导腔隔墙(13)内的玻璃绝缘介质(10)实现，同时该玻璃介质还起到了支撑同轴内导体探针(11)的作用。

4.如权利要求1所述的矩形波导微带气密封过渡电路，其特征在于：同轴内导体探针(11)为一体化成型设计，由插入矩形波导(1)中的同轴台阶圆柱(6)，位于波导腔隔墙(13)内的玻璃绝缘子同轴连接器(2)以及空气介质射频同轴连接器(4)共同构成。

5.如权利要求1所述的矩形波导微带气密封过渡电路，其特征在于：射频信号从矩形波导腔(12)的波导口(8)输入，经由λ/4波长波导短路面(9)反射后在同轴台阶圆柱(6)处进行叠加耦合。

6.如权利要求1所述的矩形波导微带气密封过渡电路，其特征在于：同轴台阶圆柱(6)采用多阶梯式阻抗变换结构可有效地扩展射频信号耦合带宽，实现射频信号由矩形波导(1)至同轴内导体探针(11)的宽带高效率过渡。

7.如权利要求1所述的矩形波导微带气密封过渡电路，其特征在于：位于微带腔(14)中的同轴内导体探针(11)末端，通过键合金丝(7)完成与微带线(5)的信号传输。

8.如权利要求1所述的矩形波导微带气密封过渡电路，其特征在于：最终，射频信号由矩形波导(1)至微带线(5)被气密封过渡输出。