CN110233320A - 侧馈式悬置带线波导转换结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种侧馈式悬置带线波导转换结构，旨在提供一种宽带、插入损耗小、结构紧凑的转换结构。本发明通过下述技术方案予以实现：微带介质板(3)经槽缝延伸进悬置微带腔体内的阶梯波导脊(2)上，延伸部分为微带介质板3及其上的悬置带线4、阻抗变化器7、连接焊盘6和阶梯波导脊2最终导向波导宽边内壁，通过磁耦合的方式实现能量转换，阶梯波导脊寄生固定在波导腔内的底板上，悬置带线(4)从窄槽端口沿着微带介质板的上表面延伸，从波导腔侧面进行馈电；对应连接的阻抗变换器7、连接焊盘6磁耦合过渡段结构，与阶梯波导脊间以四分之一波长阻抗变换器实现匹配，形成侧馈式馈入、馈出电磁场能量的悬置带线波导转换结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于天线、馈电网络以及微波器件的悬置带线波导转换结构。
背景技术
波导-微带过渡电路是连接毫米波、太赫兹系统中平面电路与波导的重要结构，直接影响系统性能。微带线是毫米波、太赫兹集成电路中一种重要的传输线，各个单片微波集成电路(MMIC)主要采用微带线进行连接。由于微带天线自身具备的频带窄，易引起表面波等缺点，因此在亚毫米波电子系统中，广泛采用悬置基片带线作为传输线，而亚毫米波测试系统和其它亚毫米波系统却大量使用标准矩形波导作为其输入端的射频接口。随着平面电路工作频率的上升，悬置带线因其Q值更高，损耗更小而得到了比微带线更多的关注和应用。然而，目前毫米波、太赫兹测试系统和诸多仪器的接口，以及各个毫米波、太赫兹集成系统间的连接大多使用损耗更小的波导。悬置带线同微带线、一般带线比较，它具有较小的传输损耗、较弱的色散特性和较宽的频带范围，具有更好的结构和温度稳定性；悬置带线同空气带状线比较，由于是用微带介质板采用印制技术加工成型，精度相对可以得到很好的控制，加工工艺相较而言比较容易实现；悬置带线同波导比较，它设计更灵活、布局更容易，结构更紧凑，体积更小。因此，悬置带线被广泛用于天线、馈电网络以及微波器件中，并会经常使用悬置带线到波导转换结构。
波导-微带转换设计在微波导行系统中，不同类型的传输系统互相直接连接时，由于阻抗匹配问题，将产生很大的反射，为了在矩形波导与微带两种传输系统传输射频信号，需要波导-微带转换器用以实现阻抗匹配。现有技术采用的波导-微带过渡结构主要有阶梯脊波导过渡、对脊鳍线过渡和探针耦合过渡。波导-悬置带线过渡结构与波导-微带线过渡结构类似。目前常用结构主要有二种。一种是介质面垂直于波导传输方向，称为H面探针；另一种是介质面平行于波导传输方向，称为E面探针。这两种结构都是在波导宽边中心开一个小窗口，将一段带线伸入波导腔中，把波导电场耦合到带线上，将波导中传播的TE10模转换为带线中传播的准TEM模。探针到波导短路面的距离一般为λg/4，以保证探针在波导内处于电压最大处，即电场最强处，以实现较高的能量耦合效率，但是波导壁上开的窗口尺寸必须足够小，才能避免扰乱波导中的场分布。通常采用λg/4阻抗变换线将探针与带线进行匹配。它的缺点在于匹配带宽窄，为了拓展匹配带宽，虽然可以采用多级λg/4阻抗变换线级联进行匹配，但这大大增加了匹配结构的尺寸，会增加电路损耗，同时也增加了加工难度。为了使两种传输线很好地匹配，必须设计相应的过渡电路。因此，波导-悬置带线过渡电路成为系统实现的一个关键所在。
微带天线的激励方式主要分为三类：微带线侧馈法、同轴背馈法和耦合馈电法。微带线侧馈中导体带形式的馈线虽然易匹配，易建模，但也易引起表面波和寄生辐射，从而导致天线的带宽较窄(一般为2-5％)。同轴背馈法将同轴线加载在天线介质中，连接辐射贴片和接地板的馈电形式，该类天线易制造，易匹配，寄生辐射也较低；但其带宽也较窄，建模较难，不易应用于介质板较厚的天线中。耦合馈电法即辐射贴片和馈线之间不直接接触形式馈电，如电磁耦合馈电法、缝隙耦合馈电法以及共面波导馈电法等。该馈电形式易克服因高次模的产生而造成的交叉极化严重的现象，带宽较宽，但天线结构较复杂。传统的正交馈电和端接馈电已不能满足设备集成化、小型化等需求。
选用E面探针，探针过渡设计的主要目标是实现波导与微带线间的最大效率电磁能量传输，这可以通过波导与微带线在设计频段内的良好阻抗匹配实现。这种设计的第1步是确定探针尺寸和放置位置，使探针阻抗在较宽的频带范围内随频率变化较小，这与探针宽度Wp、探针伸入波导长度Lp和探针距离波导短路面的距离D有关；然后，在优化后的探针后放置一段长L_ind、宽W_ind的高阻抗线以抵消探针的容性电抗，将阻抗变换为实数；最后，将探针阻抗变换到平面电路设计所需的阻抗值。微带线中传输的模式为准TEM波，同轴线传输的是TEM波，而波导中传输的主模式为TE10。因此，从微带到波导之间的连接转换其传输模式的不同以及阻抗的不连续性等问题，极易引起反射，造成电磁波的能量不能有效地传输。
由于悬置微带线介质基片厚度可以很薄，能量主要集中在空气介质中，其损耗低于微带线，Q值远高于微带线，一般可以达到数百；等效介电常数εr，一般趋近于空气(大多在1.1附近)，因此结构温度稳定性高；当然，低的等效介电常数也会引起电路尺寸的增加，目前矩形波导与微带、悬置带线间的过渡转换结构主要有阶梯脊波导过渡、对脊鳍线过渡耦合探针过渡。这些过渡结构都可以在10％～20％的带宽内获得良好的过渡效果(可以小于15dB)。其中脊波导过渡加工复杂，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，过紧则损坏微带电路，可重复性差，且拆装不方便。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反馈，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，这会使有源器件处于不稳定区域，容易出现自激振荡。常见的耦合探针过渡是微带探针耦合，这种方式插入损耗低，回波损耗高，频带宽，结构紧凑，但是由于要在波导的边壁上开口以插入微带探针，造成这种过渡方式的密封性较差。悬置带线一般通过侧壁金属面接地，而为了固定悬置带线基片，通常将悬置带线基片部分夹入外围腔体中。
发明内容
本发明的任务是针对现有技术存在的不足之处，提供一种结构紧凑、匹配好、宽带和插入损耗小的侧馈式悬置带线波导转换结构。
为了达到上述目的，本发明可以通过下述技术方案予以实现：一种侧馈式悬置带线波导转换结构，包括：在宽壁上开有一窄槽的矩形波导1和插入窄槽体槽缝的微带介质板3，其特征在于：微带介质板3经所述槽缝延伸进悬置微带腔体内的阶梯波导脊2上，延伸部分为微带介质板3及其上的悬置带线4、阻抗变化器7、连接焊盘6和阶梯波导脊2最终导向波导宽边内壁，通过磁耦合的方式实现能量转换，阶梯波导脊2寄生固定在波导腔内的底板上，悬置带线4从窄槽端口沿着微带介质板3的上表面延伸，从波导腔侧面进行馈电；对应连接的阻抗变换器7、连接焊盘6磁耦合过渡段结构，与阶梯波导脊间以四分之一波长阻抗变换器实现匹配的阻抗矩形波导-带线转换器，形成侧馈式馈入馈出电磁场能量的悬置带线波导转换结构。
本发明开发一种匹配好、损耗小、结构紧凑的侧馈式悬置带线波导转换结构。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
结构紧凑。本发明采用在宽壁上开有一窄槽的矩形波导1和插入窄槽体槽缝的微带介质板3，用阶梯波导脊支撑微带介质板3，波导腔与阶梯波导脊2一体加工，不仅易于加工，而且保证了阶梯波导脊在波导腔中的位置精度和尺寸精度，同时寄生在微带介质板3上的金属贴片5通过锡焊与台阶焊接，工艺简单，尺寸紧凑，保证了连接的稳定性和可靠性，同时寄生在微带介质板3上的焊盘6通过锡焊与阶梯波导脊2焊接，实现微波信号有效传输，整体结构紧凑，尺寸小，易于系统集成。
匹配好。本发明在波导腔周围壁上加工台阶，矩形波导的横截面为盖板封闭的金属框，在其横截面上不存在与静态电磁场相同的场分布，因此沿波导纵向z方向只能传播TE波或TM波而不能传播TEM波。悬置带线4从窄槽端口沿着微带介质板3的上表面延伸，对应连接的阻抗变换器7、连接焊盘6磁耦合过渡段结构，与阶梯波导脊间以四分之一波长阻抗变换器实现匹配的阻抗，实现良好匹配。这种利用对脊鳍线过渡和波导屏蔽外壳，可直接过渡到双面微带线结构，减少了过渡环节，降低了插入损耗和回波损耗，利用波导—悬置带线过渡，不仅可以实现传输线的过渡转换，同时可以实现悬置带线到波导的过渡转换，且电路方向与信号输出方向一致，便于电路的集成设计。
宽带和插入损耗小。本发明在矩形波导宽壁上开一窄槽，减小其对波导内的场强分布影响。微带介质板3经所述槽缝延伸进悬置微带腔体内的阶梯波导脊2上，延伸部分为微带介质板3及其上的悬置带线4、阻抗变化器7、连接焊盘6和阶梯波导脊2最终导向波导宽边内壁，通过磁耦合的方式实现能量转换；阶梯波导脊2寄生固定在波导腔1内的底板上，悬置带线4从窄槽端口沿着微带介质板3的上表面延伸，悬置带线4从波导腔侧面进行馈电，悬置带线4与阶梯波导脊2之间通过阻抗变换器7实现良好匹配，保证信号高效传输。悬置带线在宽边中心沿平行于电力线可馈入馈出电磁场能量，当电磁波为矩形波导截止波长时，电磁波在矩形波导内传输，可以较好地实现阻抗的过渡转换过程。悬置带线4以较小的电流密度，介质大部分是空气，具有小的电场强度，且外层有金属接地盖板，将电磁场屏蔽在内，有效阻止了能量的泄漏，插入损耗比较低。图5是X波段全带仿真结果，仿真结果验证了波导—悬置带线过渡的可行性，在较宽(达40％)的频带范围内可以实现较好的过渡性能。通过本过渡结构的设计，不仅可以解决悬置带线与其它传输线之间的过渡问题，同时采用悬置带线4匹配对应连接阻抗变换器7的结构实现宽带匹配，扩展了过渡结构工作带宽，降低了加工难度。该过渡工作频带宽，插损小，结构简单，易于加工，可以改善系统性能和应用条件。
本发明针对悬置带线与波导之间微波信号有效传输，利用现有的计算机技术结合仿真软件进行电磁仿真，完成悬置带线波导转换结构设计。该结构具有匹配好、损耗低、结构紧凑的优点，是一种比较理想的悬置带线波导转换结构。
附图说明
图1是本发明侧馈式悬置微带线波导转换的构造示意图。
图2是图1的无盖时的结构示意图。
图3是图1微带介质板的正面示意图。
图4是图1微带介质板的背面示意图。
图5是X波段(全带)仿真曲线图。
图6是矩形波导1中的TE10模场分布示意图。
图7是悬置带线侧向TEM模场分布示意图。
图8是图7的纵向TEM模场分布示意图。
图中：1.矩形波导，2.阶梯波导脊，3.微带介质板，4.悬置带线，5.金属贴片，6.焊盘，7.阻抗变换器，8.盖板，9.螺栓。
具体实施方式
参阅图1-图4。在以下描述的实施例中，一种侧馈式悬置带线波导转换结构，包括：在宽壁上开有一窄槽的矩形波导1和插入窄槽体槽缝的微带介质板3，盖板8和螺栓9。其中：微带介质板3经所述槽缝延伸进悬置微带腔体内的阶梯波导脊2上，延伸部分为微带介质板3及其上的悬置带线4、阻抗变化器7、连接焊盘6和阶梯波导脊2最终导向波导宽边内壁，通过磁耦合的方式实现能量转换，阶梯波导脊2寄生固定在波导腔内的底板上，悬置带线4从窄槽端口沿着微带介质板3的上表面延伸，从波导腔侧面进行馈电；对应连接的阻抗变换器7、连接焊盘6磁耦合过渡段结构，与阶梯波导脊间以四分之一波长阻抗变换器实现匹配的阻抗矩形波导-带线转换器，形成侧馈式馈入馈出电磁场能量的悬置带线波导转换结构。
过渡段结构主要包括微带介质板3上带线4过渡相连的阻抗变换器7、连接焊盘6，这个过渡结构对电场方向和阻抗的转换都起到重要作用。阻抗变换器7微带线的长度、宽度以及带线4到两侧屏蔽的距离，是影响过渡插入损耗和回波损耗的主要参数，在要求尺寸范围内，优化这几个变量，可以实现较低的插入损耗和回波损耗。
阶梯波导脊2寄生在波导腔1内，与波导腔1一起直接加工而成；悬置带线4、金属贴片5、焊盘6和阻抗变换器7寄生在微带介质板3上；微带介质板3通过金属贴片5与波导腔1通过焊接方式连接在一起；微带介质板3通过焊盘6与脊2通过焊接方式连接在一起；波导腔1与盖板8之间通过螺栓9连在一起。悬置带线4通过阻抗变换器7连接焊盘6，金属贴片5寄生在微带介质板3背面上，通过印制技术加工而成。阻抗变换器7和焊盘6之间通过金属化通孔连接，实现信号传输。
悬置带线4、金属贴片5、焊盘6和阻抗变换器7寄生在微带介质板3上，通过专业厂家采用印制技术加工，能保证其精度、一致性，稳定可靠。矩形波导的横截面为波导腔1与盖板8通过螺栓9连接在一起形成封闭的金属框。
在如图5所示的实现原理中，物理上，波导-带线转换实际上是两种传输线中的电磁波场型的转换，转换的机理是两种电磁波场型的高效耦合。因此，先要对两种传输线进行电磁场型分析。矩形波导1中TE10模电场和磁场分布封闭形成回路的是磁场，垂直于宽边的是电场。矩形波导1中传输的电磁波主模为TE10模，且在矩形波导中，TE10模的截止频率最低、截止波长最长，符合通过一个任意闭合曲面的电通量等于该面所包围的所有电量的代数和除以与闭合面外的电荷无S0V布的电场强度的高斯定律。表明穿过任意闭合面的磁感应强度的通量等于0，磁力线是无关尾的闭合线。
在图7、图8所示的带线中TEM模电场和磁场分布中，悬置带线4中传输的电磁波主模为TEM模，传输线上任一点处的电压或电流等于该处相应的入射波和反射波的叠加；电磁波在带线中传播时，内导体上有纵向电流，它沿着内导体走向，通过带线4、阻抗变化器7、连接焊盘6和阶梯波导脊2最终导向波导宽边内壁。内导体上的电流在波导内会激励出与波导壁平行的磁场，它的场方向与TE10模的磁场方向相一致。因此，两种波型会通过磁耦合的方式实现能量转换。
以上所述仅是本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，类似的同类结构的等效变换，均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种侧馈式悬置带线波导转换结构，包括：在宽壁上开有一窄槽的矩形波导(1)和插入窄槽体槽缝的微带介质板(3)，其特征在于：微带介质板(3)经槽缝延伸进悬置微带腔体内的阶梯波导脊(2)上，延伸部分为微带介质板3及其上的悬置带线4、阻抗变化器7、连接焊盘6和阶梯波导脊2最终导向波导宽边内壁，通过磁耦合的方式实现能量转换，阶梯波导脊寄生固定在波导腔内的底板上，悬置带线(4)从窄槽端口沿着微带介质板的上表面延伸，从波导腔侧面进行馈电；对应连接的阻抗变换器7、连接焊盘6磁耦合过渡段结构，与阶梯波导脊间以四分之一波长阻抗变换器实现匹配的阻抗矩形波导-带线转换器，形成侧馈式馈入、馈出电磁场能量的悬置带线波导转换结构。
2.如权利要求1所述的侧馈式悬置带线波导转换结构，其特征在于：过渡段结构包括微带介质板(3)上带线(4)过渡相连的阻抗变换器(7)和微带介质板(3)背面的连接焊盘(6)，这个过渡结构对电场方向和阻抗的转换都起到重要作用。
3.如权利要求1所述的侧馈式悬置带线波导转换结构，其特征在于：阻抗变换器(7)微带线的长度、宽度和带线(4)到两侧屏蔽的距离，是影响过渡插入损耗和回波损耗的主要参数。
4.如权利要求1所述的侧馈式悬置带线波导转换结构，其特征在于：阶梯波导脊(2)寄生在波导腔(1)内，与波导腔(1)一起直接加工而成；悬置带线(4)、金属贴片(5)、焊盘(6)和阻抗变换器(7)寄生在微带介质板(3)上。
5.如权利要求1所述的侧馈式悬置带线波导转换结构，其特征在于：微带介质板(3)通过金属贴片(5)与波导腔(1)通过焊接方式连接在一起；微带介质板(3)通过焊盘(6)与脊(2)通过焊接方式连接在一起；波导腔(1)与盖板(8)之间通过螺栓(9)连在一起。
6.如权利要求1所述的侧馈式悬置带线波导转换结构，其特征在于：悬置带线(4)通过阻抗变换器(7)连接焊盘(6)，金属贴片(5)寄生在微带介质板(3)背面上，通过印制技术加工而成。
7.如权利要求1所述的侧馈式悬置带线波导转换结构，其特征在于：阻抗变换器(7)和焊盘(6)之间通过金属化通孔连接，实现信号传输。
8.如权利要求1所述的侧馈式悬置带线波导转换结构，其特征在于：悬置带线(4)、金属贴片(5)、焊盘(6)和阻抗变换器(7)寄生在微带介质板(3)上；矩形波导的横截面为盖板(8)和螺栓(9)封闭的金属框。
9.如权利要求1所述的侧馈式悬置带线波导转换结构，其特征在于：矩形波导1中TE10模电场和磁场分布封闭形成回路的是磁场，垂直于宽边的是电场。
10.如权利要求1所述的侧馈式悬置带线波导转换结构，其特征在于：矩形波导1中传输的电磁波主模为TE10模，且在矩形波导中，TE10模的截止频率最低、截止波长最长，符合通过一个任意闭合曲面的电通量等于该面所包围的所有电量的代数和除以与闭合面外的电荷无S0V布的电场强度的高斯定律。
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
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|---|---|
| CN (1) | CN110233320A (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111370831A (zh) * | 2020-03-23 | 2020-07-03 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 脊波导与玻珠的连接结构及微波器件 |
| CN112397864A (zh) * | 2020-10-21 | 2021-02-23 | 中国电子科技集团公司第二十九研究所 | 一体化波导微带探针过渡结构 |
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05283915A (ja) * | 1992-03-31 | 1993-10-29 | Toshiba Corp | 導波管−マイクロストリップ線路変換器 |
| JP2015082708A (ja) * | 2013-10-21 | 2015-04-27 | 株式会社東芝 | 導波管−マイクロストリップ線路変換器 |
| CN104934676A (zh) * | 2015-06-23 | 2015-09-23 | 西安空间无线电技术研究所 | 一种毫米波频段波导-微带过渡结构的实现方法 |
-
2019
- 2019-05-17 CN CN201910414417.5A patent/CN110233320A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN113206379B (zh) * | 2021-04-06 | 2022-07-05 | 浙江大学 | 一种多层悬置带线天线馈电结构 |
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| CN114156658A (zh) * | 2021-11-26 | 2022-03-08 | 北京邮电大学 | 宽带传输线 |
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