CN109672012B - 应用在毫米波频段的宽带rwg与siw的差分过渡结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了应用在毫米波频段的宽带RWG与SIW的差分过渡结构。传统的矩形波导与毫米波差分电路的过渡结构整个尺寸大，损耗高。本发明包括依次叠置的第一金属层、第一介质基板、第二金属层、第二介质基板和第三金属层。所述第一金属层的中部开设有第一工字形槽。第二金属层的中部开设有第二工字形槽。第一介质基板上开设第一SIW矩形谐振腔。第二介质基板上开设第二SIW矩形谐振腔和两个SIW差分传输线结构。两个SIW差分传输线结构分别设置在第二SIW矩形谐振腔的两侧。本发明具有较宽的工作带宽，较低的损耗，较好的相位、幅度的一致性，且集成度高、加工的精度要求较低。

Description

应用在毫米波频段的宽带RWG与SIW的差分过渡结构

技术领域

本发明属于微波技术领域，具体涉及一种应用在毫米波频段的矩形波导(Rectangular Waveguide：RWG)与基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide:SIW)的差分过渡结构。

背景技术

毫米波频段具有信道容量大，抗干扰能力强等优点，是目前研究的热门频段。目前，国家工信部已将24.75GHz～27.5GHz，37GHz～42.5GHz的毫米波频段划分为第五代移动通信系统(5G)的工作频段。

基片集成波导(SIW)既具有传统矩形波导具有的低损耗，高品质因素等优点，又同时具有结构简单，制造成本低，易于集成的优点，所以被广泛应用在毫米波电路中。此外，矩形波导(RWG)由于其低传输损耗和高功率容量特性，在毫米波频段的电路中也具有举足轻重的地位。所以，在一些毫米波频段应用场景中，基片集成波导(SIW)和矩形波导(RWG)技术被同时应用，故在此时，连接两种波导的过渡结构对系统的性能起到了至关重要的作用。

差分电路在工作时往往具有良好的抗干扰的性能，所以在毫米波频段得到了广泛的研究关注。而传统的矩形波导(RWG)与毫米波差分电路的过渡结构往往需加入平衡-不平衡转换，即巴伦结构来实现。巴伦结构的加入会增大整个结构的尺寸，增加额外损耗。此外，为了实现宽带的阻抗匹配，巴伦结构的设计复杂度会大大增加，制造成本也相应增大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用在毫米波频段的宽带RWG与SIW的差分过渡结构。

本发明包括依次叠置的第一金属层、第一介质基板、第二金属层、第二介质基板和第三金属层。所述第一金属层的中部开设有第一工字形槽。所述的第一工字形槽包括第一中间槽和两个第一边缘槽。第一中间槽的两端与两个第一边缘槽的中部分别连通。两个第一边缘槽的槽宽为Da， 0.4λ_g1≤Da≤0.6λ_g1。第一中间槽的槽宽为Da-2La，0.03λ_g1≤La≤0.09λ_g1。λ_g1为中心频率在第一介质基板中的工作波长。

第二金属层的中部开设有第二工字形槽。所述的第二工字形槽包括第二中间槽和两个第二边缘槽。第二中间槽的两端与两个第二边缘槽的中部分别连通。两个第二边缘槽的槽宽为Db，0.475λ_g2≤Db≤0.6λ_g2。第二中间槽的槽宽为Db-2Lb，0.03λ_g2≤Lb≤0.05λ_g2。λ_g2为中心频率在第二介质基板中的工作波长。第一介质基板上开设第一SIW矩形谐振腔。第二介质基板上开设第二SIW矩形谐振腔和两个SIW差分传输线结构。两个SIW差分传输线结构分别设置在第二SIW矩形谐振腔的两侧。第一SIW矩形谐振腔、第二SIW矩形谐振腔及两个SIW差分传输线结构均由多个金属通孔组成。

进一步地，第一SIW矩形谐振腔包括第一长边金属通孔组和第一宽边金属通孔组。第一长边金属通孔组包括n₁个第一长边金属通孔。n₁个第一长边金属通孔依次等间距排列。第一长边金属通孔组共有两个。两个第一长边金属通孔组的n₁个第一长边金属通孔分别对齐。两个第一长边金属通孔组的中心距为Ha，0.5λ_g1≤Ha≤0.8λ_g1。第一宽边金属通孔组包括m₁个第一宽边金属通孔。m₁个第一宽边金属通孔依次等间距排列。第一宽边金属通孔组共有两个。两个第一宽边金属通孔组的m₁个第一宽边金属通孔分别对齐。两个第一宽边金属通孔组的中心距为Wa；0.8λ_g1≤Wa≤1.2λ_g1。两个第一宽边金属通孔组位于两个第一长边金属通孔组之间。第一SIW矩形谐振腔与第一工字形槽在同一水平面上的投影中，第一SIW矩形谐振腔围在第一工字形槽的四周。同一第一长边金属通孔组内相邻的两个第一长边金属通孔的中心距以及同一第一宽边金属通孔组内相邻的两个第一宽边金属通孔的中心距均为Ga。第一长边金属通孔及第一宽边金属通孔的孔径均为d。d小于中心频率对应空气的波长的十分之一，0.5≤d/Ga＜1。

进一步地，第二SIW矩形谐振腔包括两个单边孔组。单边孔组包括第二宽边金属通孔组和第二长边金属通孔组。第二长边金属通孔组包括n₂个第二长边金属通孔。n₂个长边金属通孔依次等间距排列。同一单边孔组内的两个第二长边金属通孔组的n₂个长边金属通孔分别对齐。两个第二长边金属通孔组的中心距为Hb，0.5λ_g2≤Hb≤0.8λ_g2。第二宽边金属通孔组包括m₂个第二宽边金属通孔。m₂个第二宽边金属通孔依次等间距排列。第二宽边金属通孔组位于两个第二长边金属通孔组之间。第二宽边金属通孔组内第二宽边金属通孔的排列方向与第二长边金属通孔组内第二长边金属通孔的排列方向互相垂直。

两个单边孔组对称设置。两个单边孔组内第二宽边金属通孔组的中心距为Wb，0.8λ_g2≤Wb≤1.2λ_g2。两个单边孔组的间距为Fb-d，0.45λ_g2≤Fb≤0.6λ_g2。第二SIW矩形谐振腔与第二工字形槽在同一水平面上的投影中，第二SIW矩形谐振腔围在第二工字形槽的四周。同一第二长边金属通孔组内相邻的两个第二长边金属通孔的中心距以及同一第二宽边金属通孔组内相邻的两个第二宽边金属通孔的中心距均为Ga。第二长边金属通孔及第二宽边金属通孔的孔径均为d。d小于中心频率对应空气的波长的十分之一，0.5≤d/Ga＜1。

进一步地，所述的SIW差分传输线结构包括两个输出孔组。所述的输出孔组包括依次等间距排列的m₃个输出孔。同一输出孔组内的各输出孔的排列方向与第二宽边金属通孔组的排列方向平行。输出孔的孔径为d。相邻两个输出孔的中心距为Ga。两个输出孔组内的输出孔分别对齐。两个输出孔组的中心距为Gb，0.7λ_g2≤Gb≤0.9λ_g2。d小于中心频率对应空气的波长的十分之一。 0.5≤d/Ga＜1。

进一步地，所述第一中间槽的长度为Ta，0.15λ_g1≤Ta≤0.35λ_g1。第一工字形槽的长度为Ca，0.75λ_g1≤Ca≤1.175λ_g1。所述第二中间槽的长度为Tb， 0.1λ_g2≤Tb≤0.3λ_g2。第二工字形槽的长度为Cb，0.75λ_g2≤Cb≤1.175λ_g2。

进一步地，所述第一介质基板的厚度为0.1λ_g1～0.15λ_g1。所述第二介质基板的厚度为0.1λ_g2～0.15λ_g2。

进一步地，所述的第一介质基板及第二介质基板均采用相对介电常数ε_r为1～10.2的PCB基板。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明只需在PCB基板上实现，不但使得差分过渡结构的体积大大减小，而且整个差分过渡结构与其他毫米波电路系统可实现完全平面无缝集成，提高了系统的集成度。

2、与传统金属过渡结构相比，本发明无需对空气介质矩形波导与过渡结构相连处法兰进行额外的加工，只需通过PCB加工工艺便可以实现所需功能，故降低了加工的精度要求和难度，降低了成本。

3、本发明基于基片集成技术，通过增加SIW谐振腔、设置工字形槽，实现了良好的特性，包括较宽的工作带宽，较低的损耗，较好的相位和幅度的一致性。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明中第一金属层与第一介质基板的组合示意图；

图3是本发明中第二金属层与第二介质基板的组合示意图；

图4是本发明工作在32GHz频率下的电场分布示意图；

图5是本发明的反射系数曲线图；

图6是本发明输出的一对电磁波差分信号的相位差曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2和3所示，应用在毫米波频段的宽带RWG与SIW的差分过渡结构，包括依次叠置的第一金属层M1、第一介质基板S1、第二金属层M2、第二介质基板S2和第三金属层M3。第一介质基板S1及第二介质基板S2均采用型号为Rogers5880的PCB基板。所述第一介质基板的厚度为0.1λ_g1～0.15λ_g1。所述第二介质基板的厚度为0.1λ_g2～0.15λ_g2。λ_g1为设计中心频率在第一介质基板中的工作波长。λ_g2为设计中心频率在第二介质基板中的工作波长。本实施例中，第一介质基板与第二介质基板的材质相同，设计中心频率为 32GHz，使得λ_g1、λ_g1均等于6.32mm。

第一金属层M1的中部开设有第一工字形槽C1(slot1)。第一工字形槽 C1由第一中间槽(center part1)和两个第一边缘槽(edge part1)。第一中间槽的两端与两个第一边缘槽的中部分别连通。两个第一边缘槽的槽宽为Da， Da＝0.51λ_g1。第一中间槽的槽宽为(Da-2La)，La＝0.06λ_g1；即第一金属层M1 上伸入第一工字形槽C1内的金属片宽度为La。第一中间槽的长度为Ta， Ta＝0.28λ_g1。第一中间槽与两个第一边缘槽的长度之和为Ca，Ca＝0.87λ_g1。La 的大小能够调节结构的阻抗匹配特性。

第一介质基板S1上开设第一SIW矩形谐振腔。第一SIW矩形谐振腔包括第一长边金属通孔组和第一宽边金属通孔组。第一长边金属通孔组包括n₁个第一长边金属通孔。n₁个第一长边金属通孔依次等间距排列。第一长边金属通孔组共有两个。两个第一长边金属通孔组的n₁个第一长边金属通孔分别对齐。两个第一长边金属通孔组的中心距为Ha，Ha＝0.62λ_g1。同一第一长边金属通孔组内相邻的两个第一长边金属通孔的中心距为Ga。

第一宽边金属通孔组包括m₁个第一宽边金属通孔。m₁个第一宽边金属通孔依次等间距排列。第一宽边金属通孔组共有两个。两个第一宽边金属通孔组的m₁个第一宽边金属通孔分别对齐。两个第一宽边金属通孔组的中心距为 Wa＝0.98λ_g1。两个第一宽边金属通孔组位于两个第一长边金属通孔组之间。同一第一宽边金属通孔组内相邻的两个第一宽边金属通孔的中心距为Ga。第一 SIW矩形谐振腔与第一工字形槽C1在同一水平面上的投影中，第一SIW矩形谐振腔围在第一工字形槽C1的四周。第一长边金属通孔及第一宽边金属通孔的孔径均为d。d小于设计中心频率对应空气的波长的十分之一。0.5≤d/Ga ＜1。本实施例中，d＝0.03λ；Ga＝0.06λ，λ为设计中心频率对应空气的波长。

第二金属层M2的中部开设有第二工字形槽C2(slot2)。第二工字形槽 C2由第二中间槽(center part2)和两个第二边缘槽(edge part2)。第二中间槽的两端与两个第二边缘槽的中部分别连通。两个第二边缘槽的槽宽为Db， Db＝0.51λ_g2。第二中间槽的槽宽为(Db-2Lb)，即第二金属层M2上伸入第二工字形槽C2内的金属片宽度为Lb，Lb＝0.04λ_g2。第二中间槽的长度为Tb， Tb＝0.21λ_g2。第二中间槽与两个第二边缘槽的长度之和为Cb，Cb＝0.87λ_g2。Lb 的大小能够调节结构的阻抗匹配特性。

第二介质基板S2上开设第二SIW矩形谐振腔和两个SIW差分传输线结构。第二SIW矩形谐振腔的长度和宽度影响传输结构的工作频率。在第二SIW矩形谐振腔的两长边中间各开有一个耦合窗口。第二SIW矩形谐振腔上的两个耦合窗口与两个SIW差分传输线结构的内端分别相连。第一SIW矩形谐振腔与第二 SIW矩形谐振腔的几何中心在同一水平面上的投影重合。

第二SIW矩形谐振腔包括两个单边孔组。单边孔组包括第二宽边金属通孔组和两个第二长边金属通孔组。第二长边金属通孔组包括n₂个第二长边金属通孔。n₂个长边金属通孔依次等间距排列。同一单边孔组内的两个第二长边金属通孔组的n₂个长边金属通孔分别对齐。同一单边孔组内的两个第二长边金属通孔组的中心距为Hb，Hb＝0.62λ_g2。同一第二长边金属通孔组内相邻的两个第二长边金属通孔的间距为Ga。

第二宽边金属通孔组包括m₂个第二宽边金属通孔。m₂个第二宽边金属通孔依次等间距排列。第二宽边金属通孔组位于两个第二长边金属通孔组之间。第二宽边金属通孔组内第二宽边金属通孔的排列方向与第二长边金属通孔组内第二长边金属通孔的排列方向互相垂直。第二宽边金属通孔组内相邻的两个第二宽边金属通孔的间距为Ga。

两个单边孔组对称设置，且沿着第二长边金属通孔组内第二长边金属通孔的排列方向对齐。两个单边孔组内第二宽边金属通孔组的中心距为Wb， Wb＝0.98λ_g2。两个单边孔组的间距为(Fb-d)，Fb＝0.59λ_g2，即两个单边孔组中相互最接近的第二长边金属通孔的中心距为Fb。第二长边金属通孔及第二宽边金属通孔的孔径均为d。第二SIW矩形谐振腔与第二工字形槽C2在同一水平面上的投影中，第二SIW矩形谐振腔围在第二工字形槽C2的四周。

两个SIW差分传输线结构分别设置在第二SIW矩形谐振腔的两侧。每个 SIW差分传输线结构包括两个输出孔组。输出孔组包括依次等间距排列的m₃个输出孔。同一输出孔组内的m₃个输出孔的排列方向与第二宽边金属通孔组的排列方向平行。输出孔的孔径为d。相邻两个输出孔的中心距为Ga。两个输出孔组内的输出孔分别对齐。两个输出孔组的中心距为Gb，Gb＝0.76λ_g2。

本发明通过在普通的介质基板上采用基片集成波导技术制造获得，其等效于传统闭合封闭腔的腔体结构和矩形波导结构。从而极大地减小差分过渡结构的体积。与传统的宽带过渡结构需要在法兰器件上进行加工操作相比，本发明采用普通的PCB工艺制作，制造成本大幅度降低，且易于与其他工作在毫米波频段的电路进行集成。

本发明的工作原理如下：

如图4所示，电磁波从矩形空气波导通过第一金属层的第一工字形槽C1 传输到第一介质基板S1。电磁波进入到第一介质基板的第一SIW矩形谐振腔中，从而激励第一SIW矩形谐振腔的谐振。然后电磁波经过第二金属层的第二工字形槽C2进入第二介质基板S2的第二SIW矩形谐振腔中。第二SIW矩形谐振腔产生谐振并进行电磁波能量的功分，同时将电磁波由垂直传输转换成水平传输。一对等幅反相的电磁波通过第二SIW矩形谐振腔的两条长边上的耦合窗口分别进入两个SIW差分传输线结构中，实现水平输出。

从图5中可以看出，本发明在反射系数Sdd11低于-20dB的要求下，工作频带为26.4GHz～38.2GHz，相对带宽为36.5％，损耗小于0.1dB。本发明在反射系数Sdd11低于-15dB的要求下，工作频带为25.5GHz～40.7GHz，相对带宽为45. 9％，损耗小于0.1dB。

从图6中可以看出，本发明输出的一对电磁波差分信号的相位差为180°±0. 15°，说明本发明的相位具有较好的一致性。

Claims (5)

1.应用在毫米波频段的宽带RWG与SIW的差分过渡结构，其特征在于：包括依次叠置的第一金属层、第一介质基板、第二金属层、第二介质基板和第三金属层；所述第一金属层的中部开设有第一工字形槽；所述的第一工字形槽包括第一中间槽和两个第一边缘槽；第一中间槽的两端与两个第一边缘槽的中部分别连通；两个第一边缘槽的槽宽均为Da，0.4λ_g1≤Da≤0.6λ_g1；第一中间槽的槽宽为Da-2La，0.03λ_g1≤La≤0.09λ_g1；λ_g1为中心频率在第一介质基板中的工作波长；

第二金属层的中部开设有第二工字形槽；所述的第二工字形槽包括第二中间槽和两个第二边缘槽；第二中间槽的两端与两个第二边缘槽的中部分别连通；两个第二边缘槽的槽宽为Db，0.475λ_g2≤Db≤0.6λ_g2；第二中间槽的槽宽为Db-2Lb，0.03λ_g2≤Lb≤0.05λ_g2，λ_g2为中心频率在第二介质基板中的工作波长；

第一介质基板上开设第一SIW矩形谐振腔；第二介质基板上开设第二SIW矩形谐振腔和两个SIW差分传输线结构；两个SIW差分传输线结构分别设置在第二SIW矩形谐振腔的两侧；第一SIW矩形谐振腔、第二SIW矩形谐振腔及两个SIW差分传输线结构均由多个金属通孔组成；

第一介质基板与第二介质基板的材质相同；第一SIW矩形谐振腔包括第一长边金属通孔组和第一宽边金属通孔组；第一长边金属通孔组包括n₁个第一长边金属通孔；n₁个第一长边金属通孔依次等间距排列；第一长边金属通孔组共有两个；两个第一长边金属通孔组的n₁个第一长边金属通孔分别对齐；两个第一长边金属通孔组的中心距为Ha，0.5λ_g1≤Ha≤0.8λ_g1；第一宽边金属通孔组包括m₁个第一宽边金属通孔；m₁个第一宽边金属通孔依次等间距排列；第一宽边金属通孔组共有两个；两个第一宽边金属通孔组的m₁个第一宽边金属通孔分别对齐；两个第一宽边金属通孔组的中心距为Wa，0.8λ_g1≤Wa≤1.2λ_g1；两个第一宽边金属通孔组位于两个第一长边金属通孔组之间；第一SIW矩形谐振腔与第一工字形槽在同一水平面上的投影中，第一SIW矩形谐振腔围在第一工字形槽的四周；同一第一长边金属通孔组内相邻的两个第一长边金属通孔的中心距以及同一第一宽边金属通孔组内相邻的两个第一宽边金属通孔的中心距均为Ga；第一长边金属通孔及第一宽边金属通孔的孔径均为d；d小于中心频率对应空气的波长的十分之一，0.5≤d/Ga＜1；

第二SIW矩形谐振腔包括两个单边孔组；所述的单边孔组包括第二宽边金属通孔组和两个第二长边金属通孔组；第二长边金属通孔组包括n₂个第二长边金属通孔；n₂个长边金属通孔依次等间距排列；同一单边孔组内的两个第二长边金属通孔组的n₂个长边金属通孔分别对齐；两个第二长边金属通孔组的中心距为Hb，0.5λ_g2≤Hb≤0.8λ_g2；第二宽边金属通孔组包括m₂个第二宽边金属通孔；m₂个第二宽边金属通孔依次等间距排列；第二宽边金属通孔组位于两个第二长边金属通孔组之间；第二宽边金属通孔组内第二宽边金属通孔的排列方向与第二长边金属通孔组内第二长边金属通孔的排列方向互相垂直；

两个单边孔组相互对称设置；两个单边孔组内第二宽边金属通孔组的中心距为Wb，0.8λ_g2≤Wb≤1.2λ_g2；两个单边孔组的间距为Fb-d，0.45λ_g2≤Fb≤0.6λ_g2；第二SIW矩形谐振腔与第二工字形槽在同一水平面上的投影中，第二SIW矩形谐振腔围在第二工字形槽的四周；同一第二长边金属通孔组内相邻的两个第二长边金属通孔的中心距以及同一第二宽边金属通孔组内相邻的两个第二宽边金属通孔的中心距均为Ga；第二长边金属通孔及第二宽边金属通孔的孔径均为d；d小于中心频率对应空气的波长的十分之一，0.5≤d/Ga＜1。

2.根据权利要求1所述的应用在毫米波频段的宽带RWG与SIW的差分过渡结构，其特征在于：所述的SIW差分传输线结构包括两个输出孔组；所述的输出孔组包括依次等间距排列的m₃个输出孔；同一输出孔组内的各输出孔的排列方向与第二宽边金属通孔组的排列方向平行；输出孔的孔径为d；相邻两个输出孔的中心距为Ga；两个输出孔组内的输出孔分别对齐；两个输出孔组的中心距为Gb，0.7λ_g2≤Gb≤0.9λ_g2；d小于中心频率对应空气的波长的十分之一；0.5≤d/Ga＜1。

3.根据权利要求1所述的应用在毫米波频段的宽带RWG与SIW的差分过渡结构，其特征在于：所述第一中间槽的长度为Ta，0.15λ_g1≤Ta≤0.35λ_g1；第一工字形槽的长度为Ca，0.75λ_g1≤Ca≤1.175λ_g1；所述第二中间槽的长度为Tb，0.1λ_g2≤Tb≤0.3λ_g2；第二工字形槽的长度为Cb，0.75λ_g2≤Cb≤1.175λ_g2。

4.根据权利要求1所述的应用在毫米波频段的宽带RWG与SIW的差分过渡结构，其特征在于：所述第一介质基板的厚度为0.1λ_g1～0.15λ_g1；所述第二介质基板的厚度为0.1λ_g2～0.15λ_g2。

5.根据权利要求1所述的应用在毫米波频段的宽带RWG与SIW的差分过渡结构，其特征在于：所述的第一介质基板及第二介质基板均采用相对介电常数ε_r为1～10.2的PCB基板。

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