CN112382837B - 一种端接电容圆弧探针形式的波导-微带转换结构 - Google Patents

一种端接电容圆弧探针形式的波导-微带转换结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种端接电容圆弧探针形式的波导‑微带转换结构，属于射频电路技术领域。通过压接金带工艺实现圆弧形探针结构，金带一端压接在微带线上，然后跨接在波导中，另一端压接在芯片电容上，利用电场耦合的方式实现微带TEM模与波导TE10模的转换。此波导微带转换结构无需进行微带线形变换，且性能良好，结构简单，可以应用在亚毫米波段射频信号传输电路之中。

Description

一种端接电容圆弧探针形式的波导-微带转换结构
技术领域
本发明属射频电路技术领域，基于亚毫米波段电路特性，根据微带传输线原理和波导电磁波理论，设计出了一款端接电容圆弧探针形式的波导-微带转换结构。此转换结构中的对外端口一端为50欧姆微带线，另一端口为标准BJ2600波导口。
背景技术
毫米波射频信号的主要传输结构形式有微带线、波导和同轴等。其中微带线采用平面电路形式，具有形式灵活多样、易于安装、便于电路调试等优点，主要应用于射频信号的混频、倍频、放大、滤波等电路中。波导结构则具有低传输损耗、大功率容量，电磁屏蔽性能好等特点，在功率合成、信号传输等方面成为射频电路结构的主要选择形式。对于1mm射频电路来说，同轴形式由于电气尺寸的限制通常并不采用。随着毫米波电路的发展，为了保证高效的信号功率传输和复杂电路功能的实现，通常采用微带线与波导相结合的电路形式。传统的微带线与波导转换形式采用将微带线线形变化后，从波导侧壁伸入波导的内部的形式，利用电耦合方式将微带线上射频信号的TEM模式转换为波导中的TE10模式，完成波导与微带线间的转换。随着毫米波电路的发展，射频信号的频段在不断向高频拓展，波长在不断缩短，传统的微带线与波导转换形式在加工与安装过程中的精度已经不能满足性能设计要求，为了实现波导-微带间的转换功能，本设计提供了一种可以在亚毫米波段进行波导-微带垂直转换的结构形式。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种可以应用于亚毫米波段，不需要进行微带线线形变换，易于加工和装配的新型的波导微带垂直转换的结构。
技术方案
一种端接电容圆弧探针形式的波导-微带转换结构，其特征在于包括50欧姆微带线、金带探针、短路腔体、芯片电容、接地孔、安装腔体和波导；射频信号通过50欧姆微带线进行传输，经过与微带线宽度相同的金带探针，从波导的宽边进入波导内部，波导传输方向上一端为短路腔体，另一端为标准波导传输腔体，金带探针上的射频信号向波导内空间辐射，金带探针的另一端压芯片电容上，芯片电容另一端通过接地孔与安装腔体相连，实现接地功能；金带探针跨接于波导内部，通过电耦合方式实现将TEM模式转换为波导内的传输主模TE10模。
本发明技术方案更进一步的说：所述的50欧姆微带线所在的基板底面镀金，通过导电胶或焊锡，粘接/焊接在安装腔体中，芯片电容通过同样的方式安装在微带基板上。
本发明技术方案更进一步的说：所述的金带探针通过压接工艺一端压接在50欧姆微带线上，另一端压接在芯片电容上。
本发明技术方案更进一步的说：所述的芯片电容的容值为pF级。
本发明技术方案更进一步的说：所述的波导为BJ2600标准矩形波导。
本发明技术方案更进一步的说：所述的微带基板为0.05mm厚的二氧化硅石英基板。
本发明技术方案更进一步的说：所述的金带探针为100μm的等宽金带。
有益效果
本发明提出的一种端接电容圆弧探针形式的波导-微带转换结构，有益效果如下：
[1]微带线无需进行线形变换，减小了在加工过程中微带线的加工精度不够引起的电气性能的改变。
[2]探针形式采用圆弧形金带跨接结构，此结构相较于传统微带线的安装精度更高，同时采用圆弧形压接方式相较于平拉式压接方式具有更好地环境适应性。
[3]探针端接芯片电容，避免了金带直接接地，也为以后有源器件加电减小了电路中寄生参数的影响。
附图说明
图1端接电容圆弧探针形式的波导-微带转换结构三维模型图
图2端接电容圆弧探针形式的波导-微带转换结构尺寸标注图
图3端接电容圆弧探针形式的波导-微带转换结构仿真结果图
图4相同的结构形式在不同频段内的仿真结果图
1-微带线端口(port1)、2-波导端口(port2)、3-50欧姆微带线、4-金带探针、5-短路腔体、6-芯片电容、7-接地孔、8-安装腔体、9-波导。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明波导微带垂直转换结构根据微带传输线原理和波导电磁波理论，首先射频信号通过微带线进行传输，再通过压接金带工艺实现圆弧形探针结构，金带一端压接在微带线上，然后跨接在波导中，另一端压接在芯片电容上，芯片电容的另一端通过接地孔接地。此结构形式完成了微带线上TEM模向矩形波导TE10模的转换，实现了波导微带转换的功能。
在此波导微带垂直转换的结构中，用于传输射频信号的50Ω微带线采用二氧化硅石英材料作为介质基板，该材料相较于传统的微带线介质基板有着更高的加工精度。为了射频信号传输的连续性，选择与微带线宽度相近的金带，根据微带线尺寸计算公式：
Figure BDA0002763485220000031
其中，Z0为微带线特性阻抗，W为微带线宽度，h为介质基板厚度，εe为有效介电常数。选择0.05mm厚的二氧化硅石英基板，微带线宽度经计算为0.1mm，同时选择规格为100μm的等宽金带。金带从波导的宽边进入波导内部，波导传输方向上一端为短路面结构腔体，另一端为标准波导传输腔体，金带上的射频信号向波导内空间辐射，金带的另一端压接在容值为pF级的芯片电容上，芯片电容另一端通过接地孔与微带安装腔体相连，实现接地功能。金带跨接于波导内部，通过电耦合方式实现将TEM模式转换为波导内的传输主模TE10模。微带线基板底面镀金，通过导电胶或焊锡，粘接/焊接在安装腔体中，芯片电容通过同样的方式安装在微带基板上，金带通过压接工艺一端压接在50欧姆微带线上，另一端压接在芯片电容上。
此结构通过改变微带安装腔体高度，短路面腔体尺寸以及金带跨接高度和距离，可以适用于亚毫米波段不同频点的射频信号传输。其中，微带安装腔体高度一般不大于1/2射频信号波长，其对于谐振频率的影响主要体现在金带上方的腔体高度上，如图2中h_1尺寸。短路面腔体尺寸可以根据波导截止波长λ＝2a(a为波导宽边尺寸)和1/4波长短路面尺寸，即图2中l_short＝0.39mm作为初始模型设定值。金带跨接高度和距离可以按照平拉式压接方式设定，即图2中h_band＝0。通过建模仿真优化参数，最终可以实现不同频点的射频信号在波导与微带线间的转换传输的功能。
如图1所示，为端接电容圆弧探针形式的波导-微带垂直转换结构三维模型图，从图中可以清楚的看出圆弧形金带探针、50Ω微带线、芯片电容的组合方式，微带线、芯片电容安装在波导宽边两侧的腔体中，金带跨接在波导内部，金带下方为波导短路腔体结构，上方为标准波导(BJ2600)传输腔体。波导腔采用BJ2600的标准矩形波导，内尺寸为0.863mm×0.431mm；微带板使用的是0.05mm厚、介电常数3.82的二氧化硅石英板材。端接电容采用0.16mm×0.16mm，容值为10pF的芯片电容。金带采用规格为100μm宽的金带。安装方式采用导电胶粘接方式固定微带线和芯片电容，金带采用压金丝工艺连接安装在微带线和芯片电容上。波导和微带安装腔体采用线切割工艺加工，螺钉连接。
如图2所示，为沿波导宽边中心的刨面图和标准波导口方向的俯视图。此图中标注了微带线、金带、安装腔体各部分的尺寸，如表1所示。
表1波导微带垂直转换结构的部分详细尺寸表(mm)
a b a_1 b_1 a_2 b_2 h_1 h_2
0.863 0.431 0.65 0.33 0.35 0.3 0.25 0.05
l_1 l_short l_port l_3 l_4 d w_1 w_band
2.46 0.35 1 0.85 0.48 0.2 0.45 0.1
w_strip w_sub s_band h_band h_sub
0.11 0.35 0.66 0.153 0.05
如图3所示，为该结构在电磁仿真软件中的仿真结果图。由图中可以看出，按照表1的尺寸，波导微带转换结构在226GHz～230.5GHz的频段范围内回波损耗S11小于-15dB，传输损耗S21小于0.9dB。
如图4所示，相同的结构形式在不同频段内的仿真结果图。通过调整表2中的相关尺寸，该波导微带转换结构可以工作在不同的频段内，从图中可以看出，工作频段可以覆盖
表2结构尺寸调整表(mm)
Figure BDA0002763485220000051

Claims (6)

1.一种端接电容圆弧探针形式的波导-微带转换结构，其特征在于包括50欧姆微带线(3)、金带探针(4)、短路腔体(5)、芯片电容(6)、接地孔(7)、安装腔体(8)和波导(9)；射频信号通过50欧姆微带线(3)进行传输，经过与微带线宽度相同的金带探针(4)，从波导(9)的宽边进入波导内部，波导(9)传输方向上一端为短路腔体(5)，另一端为标准波导传输腔体，金带探针(4)上的射频信号向波导(9)内空间辐射，所述的金带探针(4)通过压接工艺一端压接在50欧姆微带线(3)上，另一端压接在芯片电容(6)上，芯片电容(6)另一端通过接地孔(7)与安装腔体(8)相连，实现接地功能；金带探针(4)跨接于波导(9)内部，通过电耦合方式实现将TEM模式转换为波导(9)内的传输主模TE10模。
2.根据权利要求1所述的一种端接电容圆弧探针形式的波导-微带转换结构，其特征在于所述的50欧姆微带线(3)所在的基板底面镀金，通过导电胶或焊锡，粘接/焊接在安装腔体中，芯片电容(6)通过同样的方式安装在微带基板上。
3.根据权利要求1所述的一种端接电容圆弧探针形式的波导-微带转换结构，其特征在于所述的芯片电容(6)的容值为pF级。
4.根据权利要求1所述的一种端接电容圆弧探针形式的波导-微带转换结构，其特征在于所述的波导(9)为BJ2600标准矩形波导。
5.根据权利要求2所述的一种端接电容圆弧探针形式的波导-微带转换结构，其特征在于所述的微带基板为0.05mm厚的二氧化硅石英基板。
6.根据权利要求2所述的一种端接电容圆弧探针形式的波导-微带转换结构，其特征在于所述的金带探针(4)为100μm的等宽金带。
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