CN111048879A - 一种矩形波导至双端带状线的宽带等幅转换结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矩形波导至双端带状线的宽带等幅转换结构，包括：矩形波导，依次层压在一起的第一和第二介质基板，加工于各介质基板表面的两个输出端的带状线及地板覆铜层，介质基板之间的半固化片，以及贯穿各所述介质基板的金属化通孔。在第一地板覆铜层中心处设有不覆铜的第一缝隙，在所述第一缝隙的中心处设有调谐贴片。中心对称的带状线覆铜层中心形状为矩形环。金属化通孔围成的区域构成等效电磁谐振腔。通过设置缝隙和矩形环，可实现电磁波从波导到谐振腔继而至双输出端带状线的高效率等幅度转换。本发明具有宽带化、高效率、平面化、低加工成本等优点，可应用于毫米波频段的相关场景。

Description

一种矩形波导至双端带状线的宽带等幅转换结构

技术领域

本发明涉及微波器件领域，具体涉及一种矩形波导至双端带状线的宽带等幅转换结构。

背景技术

金属波导和带状线是微波领域常用的两种传输线结构。金属波导由四周的金属壁完全围成，具有场模式清晰、损耗低、无辐射损耗等优点，广泛应用于长距离的微波传输系统中。带状线结构一般采用印制电路工艺（PCB）制造，由上下两块金属地板与处于两者之间的矩形导体组成，体积小、重量轻、工艺简单、成本低廉等优点，在需要低重量、平面化的场景中有较多的应用。许多较为复杂的微波电路需要结合两者的优点，因而需要应用金属波导到带状线的高效率转换结构。

现代通信系统对带宽的要求越来越高，因而宽带特性是转换结构的重要指标。另一方面，对于大型的毫米波天线阵列，将馈电端口放置于阵列中心有利于缩短传输线整体长度，从而减小传输损耗，提升整体系统的效率。相对于波导到单输出端的带状线转换结构，双端转换的结构对称，方便放置于阵列中心。

基于上述背景，在实际应用中需要一种矩形波导至双端带状线的宽带等幅转换结构，以满足复杂微波场合中对矩形波导至带状线的宽带化、高效率电磁波转换的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽带化、高效率、平面化、低加工成本的、矩形波导至双端带状线的宽带等幅转换结构。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种矩形波导至双端带状线的宽带等幅转换结构，包括：矩形波导，依次层压在一起的第一介质基板、第二介质基板，以及贯穿各所述介质基板的若干金属化通孔，所述矩形波导与所述第一介质基板连接；其特征在于，在所述第一介质基板的下表面设有第一覆铜层地板，在所述第二介质基板的下表面设有带两个输出端的带状线覆铜层，在所述第二介质基板的上表面设有第二覆铜层地板，所述第一覆铜底板、所述第二覆铜底板与各所述金属化通孔围成谐振腔；所述带状线覆铜层包括矩形环以及从所述矩形环延伸至两侧输出端的矩形长条，所述矩形环位于所述谐振腔内。

更为优选地，所述矩形波导固定于所述第一介质基板底部与所述第一覆铜层地板接触。

更为优选地，在所述第一覆铜层地板的中心位置设有不覆铜的第一缝隙，在所述第一缝隙的中心处设有调谐贴片；所述第一缝隙和所述调谐贴片位于所述矩形波导的中心位置。所述第一缝隙可使电磁能量从所述馈电矩形波导耦合至所述谐振腔，从而实现高效率转换。

更为优选地，各所述金属化通孔围成环状结构，所述环状结构与所述第一介质基板同心设置。

更为优选地，各所述金属化通孔与所述第一覆铜底板和所述第二覆铜层地板的电气连接，与所述矩形环间隔开。

更为优选地，所述金属化通孔的相邻距离不超过1/2的介质波长。

更为优选地，所述带状线覆铜层关于中心对称，以实现两个输出端的相等幅度的功率分配。

更为优选地，所述矩形波导至双端带状线的宽带等幅转换结构应用于毫米波频段。

更为优选地，矩形波导至双端带状线的宽带等幅转换结构工作于22～32GHz的频带。

本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是。

一、带状线覆铜层由矩形环以及从所述矩形环延伸至两侧输出端的矩形长条组成，并将矩形环置于谐振腔内，不仅实现谐振腔能量到带状线覆铜层的能量耦合，而且矩形环的设置可以极大地拓展转换结构的带宽，实现了波导到双端带状线转换结构的宽带化和高效率，适用于各种毫米波频段；另外，该转换结构可使用低成本的PCB工艺，易于量产，易于平面化。

二、本发明可广泛应用于各种需要应用双输出端带状线转换的场合，如大型阵列天线设计、等幅功率分配器等。

附图说明

图1所示为本发明提供的转换结构的一个实施例的结构整体示意图。

图2所示为本发明提供的转换结构的侧视示意图。

图3所示为第一覆铜层地板的示意图。

图4所述为带状线覆铜层的示意图。

图5所示为第二覆铜层地板的示意图。

图6所示为本发明一个实施例提供的转换结构的回波损耗频率曲线图。

图7所示为本发明一个实施例提供的转换结构的两个输出端口的转换幅度频率曲线图。

图8所示为本发明一个实施例提供的转换结构的两个输出端口的转换相位频率曲线图。

附图标记说明：

1：矩形波导， 2：第一覆铜层地板， 3：带状线覆铜层， 4：第二覆铜层地板，5：金属化通孔， 601：第一介质基板， 602：第二介质基板， 611：粘贴半固化片；

201：第一缝隙， 202：调谐贴片， 301：矩形环覆铜层。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“至少”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。

在发明中，除非另有规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅是表示第一特征水平高度高于第二特征的高度。第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

下面结合说明书的附图，对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

如图1、图2所示，一种矩形波导至双端带状线的宽带等幅转换结构，包括：矩形波导1，依次层压在一起的第一介质基板601、第二介质基板602，介质基板之间的粘贴半固化片611，以及贯穿各所述介质基板的金属化通孔5；在所述第一介质基板601的下表面设有第一覆铜层地板2，在所述第二介质基板602的下表面设有两个输出端的带状线覆铜层3，在所述第二介质基板602的上表面设有第二覆铜层地板4；所述矩形波导1固定于第一介质基板601底部第一覆铜层地板2接触。

其中，所述第一覆铜层地板2和所述第二覆铜层地板4的具体结构为：除相应的缝隙外，覆铜层铺满整个介质基板的相应表面。

所述第一介质基板601、第二介质基板602作为各覆铜层的载体，各介质基板的上下表面均可加工覆铜层。为了使介质基板601和602黏贴在一起，在两块介质基板之间加入半固化片611以进行层压加工。

所述金属化通孔5环绕结构中心分布，贯穿各所述介质基板，实现覆铜层地板2和4的电气连接。金属化通孔5与带状线覆铜层3有一定间距，无电气连接。所述金属化通孔5可限制其范围内的电磁波横向扩散，围成的区域与所述第一和第二覆铜层地板2和4一同构成等效电磁谐振腔。为了提升谐振效率，相邻金属化通孔的距离一般不超过1/2的介质波长。

结合图3所示，所述第一覆铜层地板2的中心位置设有不覆铜的矩形第一缝隙201，在所述第一缝隙201的中心处设有矩形调谐贴片202。不覆铜的第一缝隙201蚀刻于第一覆铜金属层2的中心，并位于馈电波导1与第一介质基板601的接触面中心。第一缝隙201可使电磁能量从馈电矩形波导耦合至谐振腔。

结合图4所示，所述带状线覆铜层3由结构中心位置的矩形环301以及延伸至两个输出端的长条矩形组成。带状线覆铜层3关于中心对称，从而实现两个输出端的相等幅度的功率分配。矩形环301位于谐振腔内，使谐振腔能量耦合至所述带状线覆铜层，从而实现电磁能量到带状线的转换。并且采用该矩形环可以极大地拓展转换结构的带宽。

结合图5所示，所述第二覆铜层地板4铺满第二介质基板602的上表面。

各结构对于天线性能的影响是：通过调节金属化通孔5的位置、带状线矩形环301和矩形缝隙201的尺寸，可以调节谐振的频率和带宽；通过调节金属化通孔5的位置、带状线矩形环301和调谐贴片202的尺寸，可以调节转换结构的匹配。通过选择合适的尺寸参数以及介质板材料和厚度，可以实现宽带的转换结构性能。至于具体的尺寸设计，其为本领域技术人员所掌握的普通技术知识，可通过常规实验进行匹配。

根据本申请的一个实施例，设计于工作在27GHz频段的矩形波导至双端带状线的宽带等幅转换结构。矩形波导1选择为标准矩形波导BJ260。介质601至602均选用相对介电常数为3.0的介质基板，损耗角正切0.003，厚度为0.529mm，介质板的面积均为15mm×15mm。相邻介质板之间有一块0.1mm厚度的半固化片611以进行层压加工。带状线3在两个输出端的宽度选择为0.7mm，矩形缝隙201的尺寸为6.9mm×3.5mm，调谐贴片202的尺寸为4.1mm×2.0mm。矩形环301的外轮廓尺寸为4.3mm×1.1mm，环的覆铜层宽度为0.4mm。金属化通孔5的直径为0.5mm，相邻通孔距离为1mm，沿带状线方向的两排横向通孔的垂直距离为4.8mm，两列纵向通孔的水平距离为9.1mm。

本发明的效果可以通过该实施例的仿真结果进一步说明。

如图6所示，其为上述实施例所得的回波损耗S11的频率曲线图。从该图可以看到，该转换结构在23~31GHz之间都实现了-10dB以下的回波损耗性能，相对带宽超过30%，具有良好的宽带匹配特性。

如图7所示，其为上述实施例所得的两个带状线输出端相对于波导输入端的电磁波转换幅度S21及S31的频率曲线图。从该图可以看到，该天线在23~31GHz之间都实现了-3.5dB以上的幅度转换，幅度损失在0.5dB以内，并且两个输出端的幅度基本一致。说明该结构在宽频带内实现了较高的等幅度转换效率。

如图8所示，其为上述实施例所得的两个带状线输出端相对于波导输入端的电磁波转换相位∠S21及∠S31的频率曲线图。从该图可以看到，该结构的两个带状线输出端的电磁波相位差固定在180度左右，即反相。

通过上述的结构和原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，本发明的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。具体实施方式中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。

Claims (9)

1.一种矩形波导至双端带状线的宽带等幅转换结构，包括：矩形波导，依次层压在一起的第一介质基板、第二介质基板，以及贯穿各所述介质基板的若干金属化通孔，所述矩形波导与所述第一介质基板连接；其特征在于，在所述第一介质基板的下表面设有第一覆铜层地板，在所述第二介质基板的下表面设有带两个输出端的带状线覆铜层，在所述第二介质基板的上表面设有第二覆铜层地板，所述第一覆铜底板、所述第二覆铜底板与各所述金属化通孔围成谐振腔；所述带状线覆铜层包括矩形环以及从所述矩形环延伸至两侧输出端的矩形长条，所述矩形环位于所述谐振腔内。

2.根据权利要求1所述的一种矩形波导至双端带状线的宽带等幅转换结构，其特征在于，所述矩形波导固定于所述第一介质基板底部与所述第一覆铜层地板接触。

3.根据权利要求2所述的一种矩形波导至双端带状线的宽带等幅转换结构，其特征在于，在所述第一覆铜层地板的中心位置设有不覆铜的第一缝隙，在所述第一缝隙的中心处设有调谐贴片；所述第一缝隙和所述调谐贴片位于所述矩形波导的中心位置。

4.根据权利要求1所述的一种矩形波导至双端带状线的宽带等幅转换结构，其特征在于，各所述金属化通孔围成环状结构，所述环状结构与所述第一介质基板同心设置。

5.根据权利要求1所述的一种矩形波导至双端带状线的宽带等幅转换结构，其特征在于，各所述金属化通孔与所述第一覆铜底板和所述第二覆铜层地板的电气连接，与所述矩形环间隔开。

6.根据权利要求1所述的一种矩形波导至双端带状线的宽带等幅转换结构，其特征在于，所述金属化通孔的相邻距离不超过1/2的介质波长。

7.根据权利要求1所述的一种矩形波导至双端带状线的宽带等幅转换结构，其特征在于，所述带状线覆铜层关于中心对称，以实现两个输出端的相等幅度的功率分配。

8.根据权利要求1所述的一种矩形波导至双端带状线的宽带等幅转换结构，其特征在于，应用于毫米波频段。

9.根据权利要求8所述的一种矩形波导至双端带状线的宽带等幅转换结构，其特征在于，工作于22~32GHz的频带。

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