CN110518321B - 一种基片集成波导水平过渡空气矩形波导的转接结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基片集成波导水平过渡空气矩形波导的转接结构，该转接结构基于同方向不同层电磁能量传输的基片集成波导和空气矩形波导实现水平过渡和转接，包括基片集成波导所在的介质层结构以及底部铣出空气矩形波导的金属层结构。本发明能够实现大于24％的‑10dB|S11|相对带宽，且可用于高集成板状有源天线阵的射频端到天线端低损耗空气矩形波导馈电网络的内部连接，有利于减小有源天线阵列的增益损失，并适应毫米波频段通信系统在高功率应用场景下的散热技术要求。

Description

一种基片集成波导水平过渡空气矩形波导的转接结构
技术领域
本发明属于微波毫米波无源器件，涉及具有宽带低损耗特性的波导转接结构，尤其涉及一种基片集成波导水平过渡空气矩形波导的转接结构。
背景技术
随着无线通信技术的高速发展，下一代无线通信技术等前沿技术在毫米波频段对天线阵列的规模要求更大，以此满足毫米波频段更高的增益要求和更多的通道需求等等，天线阵列的馈电网络损耗会随着天线阵列规模增大而增大，因而毫米波前端的天线端到射频端的馈电线传输损耗作为直接影响阵列增益的重要因素，是需要重点考虑的问题，此外，随着集成度高的板状毫米波前端结构(天线口径和射频板的方向一致)逐渐成为毫米波前端的应用热点，成本低以及有效的散热方法在高功率应用场景中也是需要重点研究的方向之一。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基片集成波导水平过渡空气矩形波导的转接结构，在减小天线阵列馈电网络的传输损耗的同时，提供有效的散热力。
技术方案：一种基片集成波导水平过渡空气矩形波导的转接结构，包括介质层结构和金属层结构，还包括基片集成波导、基片集成波导腔、共面波导、共面波导转接微带线结构、微带线、微带线转接基片集成波导结构、空气矩形波导以及空气矩形波导腔，所述共面波导、共面波导转接微带线结构、微带线、微带线转接基片集成波导结构、基片集成波导和基片集成波导腔通过介质层和金属层交叠设置，所述共面波导、基片集成波导和基片集成波导腔，还包括贯穿介质层的金属化过孔。
进一步的，所述金属层结构为单面铣出空气腔的金属件，金属层结构中的空气矩形波导腔及空气矩形波导由铣出空气槽的金属件和介质层结构底部金属层通过外围螺钉紧固构成。
进一步的，所述转接结构中金属层结构的空气矩形波导及空气矩形波导腔的腔体深度均为1.5mm。
所述转接结构中的介质层结构从上往下依次设置介质层结构顶部金属层、介质层结构介质层和介质层结构底部金属层。所述介质层底部金属层包括刻蚀的矩形空气槽，所述介质层结构介质层包括连接介质层顶部金属层和介质层底部金属层的若干金属化过孔。所述金属化过孔包括第一金属化过孔、第二金属化过孔及第三金属化过孔，所述介质层结构包括基片集成波导、基片集成波导腔及共面波导，其中第一金属化过孔作为基片集成波导及基片集成波导腔的等效金属壁，而第二金属化过孔作为共面波导的接地金属化过孔。
进一步的，所述转接结构中的介质层结构底部金属层设有矩形环状空气槽，所述矩形环状空气槽在垂直方向上位于空气矩形波导腔和基片集成波导腔中间。
更进一步的，空气矩形波导及空气矩形波导腔是以所述金属层结构作为主要载体，所述空气矩形波导及空气矩形波导腔还包括所述介质层结构底部金属层作为其一边的宽边金属面。
所述转接结构中的微带线可以对应板状有源天线的射频端的输出/输入微带线，空气矩形波导则相应地对应板状有源天线的天线端低损耗输入/输出波导。
有益结果：与现有技术相比，本发明所提供的转接结构为应用于Ka波段的基片集成波导水平过渡空气矩形波导的转接结构，可以作为板状毫米波前端天线层的空气矩形波导低损耗馈电网络同前端的射频电路层的转接方案，天线层的空气矩形波导所在的金属层还可以作为毫米波前端的散热层，有利于减小有源天线阵列的增益损失，同时空气波导馈电网络所在金属层的引入，结合热管内嵌技术的采用，有利于目前高集成板状射频前端的散热需求，从而适应毫米波频段通信系统在高功率应用场景下的技术要求。此外，实物测试结果显示该转接结构至少可以实现24％的-10dB|S11|相对带宽和较低的传输损耗特性。
附图说明
图1为本发明所述转接结构的背靠背结构的分层结构示意图；
图2为本发明所述转接结构的背靠背结构的介质层结构顶部金属层及介质层结构介质层的结构示意图；
图3为本发明所述转接结构的背靠背结构的介质层结构底部金属层的结构示意图；
图4为本发明所述转接结构的背靠背结构的金属层结构及介质层结构底部金属层的立体图；
图5为与本发明所述转接结构作对比的金属层换成有基片集成波导的介质层的双介质层转接结构的立体图；
图6为本发明所述转接结构的背靠背结构在图4中参数l1＝50mm及100mm两种情形下的|S11|仿真及测试结果图；
图7为本发明所述转接结构的背靠背结构在图4中参数l1＝50mm及100mm两种情形下的|S21|仿真及测试结果图；
图8为图5所示双介质层转接结构的背靠背结构在图5中参数l1＝50mm及100mm两种情形下的|S21|仿真及测试结果图。
具体实施方式
为了详细地说明本发明公开的技术方案，下面结合说明书附图及具体实施例作进一步的阐述。
本发明公开的是一种基片集成波导水平过渡空气矩形波导的转接结构。如图1所示，该转接结构包括介质层结构和金属层结构，具体的由上而下依次设置介质层结构顶部金属层1、介质层结构介质层2(厚度0.508mm)、介质层结构底部金属层3及金属层结构4。
如图2及3所示，基片集成波导5及基片集成波导腔6由介质层结构顶部金属层1、介质层结构介质层2、介质层结构底部金属层3及贯穿介质层结构介质层2的第一金属化过孔13共同组成，共面波导7由介质层结构顶部金属层1、介质层结构介质层2、介质层结构底部金属层3及贯穿介质层结构介质层2的第二金属化过孔14共同组成，共面波导转接微带线结构8、微带线9及微带线转接基片集成波导结构10均由介质层结构顶部金属层1、介质层结构介质层2及介质层结构底部金属层3共同组成。介质层结构底部金属层3上刻蚀的矩形空气槽15作为基片集成波导腔6和空气矩形波导腔12的中间层，起到腔体间电磁能量耦合的作用，其电磁能量耦合的设计是本发明所述的转接结构中关键的结构。此外，基片集成波导5和基片集成波导腔6通过一对第三金属化过孔16分离，第三金属化过孔16起到调节阻抗匹配的作用。
如图4所示，可以通过外围金属螺钉将金属层结构和介质层结构紧密固定，金属层4中空气矩形波导11和空气矩形波导腔12通过一对金属脊17分离，金属脊17和第三金属化过孔一样，起到调节阻抗匹配的作用。
如图5所示，为了验证本发明的基片集成波导水平过渡空气矩形波导的转接结构的低损耗特性，设计一个双介质层转接结构用作对比。在双介质层转接结构中，双介质层转接结构包括双介质层转接结构顶部结构38和双介质层转接结构底部结构39。双介质层转接结构第一基片集成波导25由双介质层转接结构顶部结构顶部金属层19、双介质层转接结构顶部结构介质层20、双介质层转接结构顶部结构底部金属层21和双介质层转接结构第二金属化过孔36共同组成，双介质层转接结构第二基片集成波导26由双介质层转接结构底部结构顶部金属层22、双介质层转接结构底部结构介质层23、双介质层转接结构底部结构底部金属层24和双介质层转接结构第三金属化过孔37共同组成，双介质层转接结构中共面波导27由双介质层转接结构顶部结构顶部金属层19、双介质层转接结构顶部结构介质层20、双介质层转接结构顶部结构底部金属层21和双介质层转接结构第一金属化过孔35共同组成，双介质层转接结构中共面波导转接微带线结构28、微带线29及微带线转接基片集成波导结构30均由双介质层转接结构顶部结构顶部金属层19、双介质层转接结构顶部结构介质层20、双介质层转接结构顶部结构底部金属层21共同组成。此外，双介质层转接结构顶部结构底部金属层21上刻蚀的双介质层转接结构第一矩形空气槽31和双介质层转接结构底部结构顶部金属层22上刻蚀的双介质层转接结构第二矩形空气槽33位置重合，用作双介质层转接结构顶部结构38到介质层转接结构底部结构39的电磁能量耦合，双介质层转接结构顶部结构介质层20中的双介质层转接结构第四金属化过孔32和双介质层转接结构底部结构介质层23中的双介质层转接结构第五金属化过孔34均用作阻抗匹配。此外，双介质层转接结构顶部结构38到介质层转接结构底部结构39通过外围螺钉紧密固定。
为了验证本发明提供的转接结构的真实性和可靠性，特按照本发明提供的方案制作了两个工作在Ka频段(30GHz附近)的基片集成波导水平过渡空气矩形波导的转接结构背靠背结构实施例(对应图3中参数l1分别等于50mm和100mm)以及两个如图5所示的用作传输损耗对比的双介质层转接结构背靠背结构实施例(对应图5中参数l1分别等于50mm和100mm)进行验证，其中介质层结构均可以采用厚度为0.508mm的介质基片Taconic TLY-5，金属层结构可以采用铝块作为原材料利用机床铣出。附图6给出了转接结构的背靠背结构的散射参数仿真及测试结果，测试结果可以看出，该转接结构具有较宽的-10dB|S11|测试相对阻抗带宽(l1＝50mm:28.3％和l1＝100mm:24.2％)，此外，从图7和图8的对比可以看出其具有较低的传输损耗特性，从而可以验证其适用于工作在Ka波段的毫米波前端的内部连接结构应用。

Claims (3)

1.一种基片集成波导水平过渡空气矩形波导的转接结构，包括介质层结构和金属层结构，其特征在于：还包括基片集成波导(5)、基片集成波导腔(6)、共面波导(7)、共面波导转接微带线结构(8)、微带线(9)、微带线转接基片集成波导结构(10)、空气矩形波导(11)以及空气矩形波导腔(12)，所述共面波导(7)、共面波导转接微带线结构(8)、微带线(9)、微带线转接基片集成波导结构(10)、基片集成波导(5)和基片集成波导腔(6)通过介质层和金属层交叠设置，所述共面波导(7)、基片集成波导(5)和基片集成波导腔(6)包括贯穿介质层的金属化过孔，
所述转接结构中的介质层结构从上往下依次设置介质层结构顶部金属层(1)、介质层结构介质层(2)和介质层结构底部金属层(3)，
所述转接结构中的介质层底部金属层(3)设有矩形环状空气槽(15)，所述矩形环状空气槽(15)在垂直方向上位于空气矩形波导腔(12)和基片集成波导腔(6)的中间。
2.根据权利要求1所述的基片集成波导水平过渡空气矩形波导的转接结构，其特征在于：所述金属层结构为单面铣出空气腔的金属件，金属层结构(4)中的空气矩形波导腔(12)及空气矩形波导(11)由铣出空气槽的金属件和介质层结构底部金属层(3)通过外围螺钉紧固构成，
所述转接结构中金属层结构(4)的空气矩形波导(11)及空气矩形波导腔(12)的腔体深度均为1.5mm。
3.根据权利要求1所述的基片集成波导水平过渡空气矩形波导的转接结构，其特征在于：所述转接结构中的微带线(9)对应板状有源天线的射频端的输出/输入微带线，相应地，空气矩形波导(11)对应板状有源天线的天线端低损耗输入/输出波导。
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