CN112467326B - 一种宽带矩形波导-微带转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带矩形波导‑微带转换器，包括矩形波导、波导法兰盘、PCB四层板和基片集成波导，所述波导法兰盘含有四个安装孔，用来将矩形波导固定在PCB四层板上，所述PCB四层板包括四层金属地板、三块微波介质基板和微带电路，第一金属地板和第二金属地板开有大小相同的开窗，开窗中各有一块大小不一的金属贴片，所述开窗对应矩形波导口的位置且开窗周围有一圈金属化过孔，第三金属地板开有两条大小不一的缝隙，所述基片集成波导位于第三微波介质基板上，用于矩形波导和微带电路信号传输之间的一个过渡部分，所设计的矩形波导‑微带转换器具有宽频带、损耗小的优点，在毫米波雷达、通信领域具有广泛的应用前景。

Description

一种宽带矩形波导-微带转换器

技术领域

本发明涉及一种适用于微波毫米波电路系统的矩形波导-微带转换器，尤其涉及一种宽带矩形波导-微带转换器。

背景技术

微波毫米波系统中常常需要进行不同模式电磁波的传播，矩形波导-微带转换是最常用的微波电路转换结构之一。常用的几种矩形波导-微带转换结构包括：矩形波导-探针-微带转换结构、矩形波导-脊波导-微带转换结构、矩形波导-对脊鳍线-微带转换结构等。

常规的矩形波导微带转换结构中，矩形波导与微带线在微波介质板的同侧，当微带线末端连接射频天线时，金属矩形波导对天线的辐射方向图会产生一定的影响，导致天线方向图在波导一侧会产生畸变。

波导-基片集成波导-微带转换结构可经由基片集成波导过渡实现矩形波导和微带设计在微波板的两侧，从而大幅减小矩形波导对射频电路末端天线辐射的影响，同时该微波转换结构具有宽频带、低插入损耗并可实现多层板的信号传输转换。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种宽带矩形波导-微带转换器，以解决现有的矩形波导微带转换结构中矩形波导会影响射频电路末端天线辐射和电磁波穿过多层不同板材失配的问题。

为了达到上述目的，本发明实施例所采用的技术方案如下：一种宽带矩形波导-微带转换器，包括矩形波导、矩形波导底部的波导法兰盘、波导法兰盘底部的PCB四层板和位于PCB四层板上的基片集成波导；

所述矩形波导中央设有波导口，该波导口作为转换器的信号输入口或输出口；

所述波导法兰盘含有四个安装孔，用于将矩形波导固定在PCB四层板上；

所述PCB四层板包括四层金属地板、三块微波介质基板和微带电路，且四层金属地板和三块微波介质基板交替设置，所述四层金属地板从上往下依次为第一金属地板、第二金属地板、第三金属地板、第四金属地板，所述三块微波介质基板从上往下依次为第一微波介质基板、第二微波介质基板、第三微波介质基板；

所述第一金属地板和第二金属地板开有相同大小的矩形开窗，开窗中各设有一块矩形金属贴片，分别为第一金属贴片和第二金属贴片；

所述第一金属地板、第一微波介质基板、第二金属地板、第二微波介质基板和第三金属地板均设有大小、位置对应的第一金属化过孔，且第一金属地板和第二金属地板上的第一金属化过孔位于开窗的周围，所述开窗对应于波导口的位置且略小于波导口；

所述第三金属地板开设有第一缝隙和第二缝隙，用于将能量耦合进基片集成波导；

所述第三金属地板、第三微波介质基板和第四金属地板均设有大小、位置对应的第二金属化过孔，基片集成波导位于第三微波介质基板上第二金属化过孔围成的区域，且上下覆盖了第三金属地板和第四金属地板，所述第四金属地板与微带电路连接，该微带电路设有微带馈线口，微带馈线口作为转换器的信号输出口或输入口。

作为优选，所述的第一金属贴片的长度为半个介质波长，第一金属贴片长边与开窗长边相平行；所述的第二金属贴片位于第一金属贴片的正下方，第二金属贴片的尺寸小于第一金属贴片，且长边平行于第一金属贴片的长边。

作为优选，所述的第一缝隙和第二缝隙相邻排列在第一金属贴片的正下方，且均为矩形缝隙；所述第一缝隙长度大于第二缝隙长度，第一缝隙和第二缝隙长边均平行于第一金属贴片的长边。

作为优选，所述的第一金属化过孔和第二金属化过孔的孔径相等，孔间距相等且为金属化过孔孔径的1.8倍，所有的金属化过孔均为盲孔。

作为优选，该转换器通过基片集成波导进行过渡，使矩形波导和微带在介质板的两侧，所述的基片集成波导在电磁信号传输过程中，基片集成波导的宽度做了一次调整，用于后续连接的微带电路的阻抗匹配。

作为优选，所述微带电路包括微带过渡段和50欧姆微带线，其中微带过渡段连接基片集成波导，50欧姆微带线外端设有所述微带馈线口。

作为优选，所述微带过渡段的宽度小于基片集成波导的宽度，且微带过渡段的宽度由内向外逐渐缩小，所述微带过渡段的长度为其两端的宽度差值的5倍。

作为优选，所述的第一微波介质基板和第三微波介质基板的板材相同且厚度相等。

根据上述技术方案，与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明中矩形波导和微带转换经由基片集成波导进行过渡，矩形波导和微带分别位于微波板材的两侧，当微带射频电路末端连接天线时，可大幅度减小矩形波导对天线辐射方向图的影响；

本发明中，通过金属贴片完成了空气波导传播模式到介质传播模式的转变，采用双金属贴片实现不同板材之间电磁波的传播，通过第二金属贴片的调谐减少了电磁信号的反射，从而降低了插入损耗；

本发明中，通过采用双缝隙耦合的方式，将介质板中传播的电磁波耦合到基片集成波导中，由于两个缝隙的长度不等，可在传输过程中产生双谐振，从而拓宽了矩形波导-微带转换结构的频带。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种宽带矩形波导-微带转换器结构的爆炸图；

图2为本发明实施例提供的一种宽带矩形波导-微带转换器结构图；

图3为本发明实施例提供的一种宽带矩形波导-微带转换器微带一侧的结构图；

图4为本发明实施例提供的一种宽带矩形波导-微带转换器的回波损耗和插入损耗图；

图1中：1-矩形波导，101-波导口，2-波导法兰盘，201-安装孔，3-PCB四层板，301-第一金属底板，3011-第一金属贴片，302-第二金属地板，3021-第二金属贴片，303-第三金属地板，3031-第一缝隙，3032-第二缝隙，304-第四金属地板，305-第一微波介质基板，306-第二微波介质基板，307-第三微波介质基板，308-开窗，309-第一金属化过孔，310-第二金属化过孔，311-微带电路，3111-微带过渡段，3112-50欧姆微带线，3113-微带馈线口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例附图，对本发明中的技术方案作进一步说明。基于本发明中的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不需要创造性劳动的前提下所获得的其他实施例均属于本发明的保护范围。

如图1、图2和图3所示，本实施例提供一种宽带矩形波导-微带转换器，包括矩形波导1、波导法兰盘2、PCB四层板3和基片集成波导4；所述波导法兰盘含有四个安装孔201，用于将矩形波导1固定在PCB四层板3上；所述矩形波导-微带转换器的信号输出输入口为矩形波导1上的波导口101和微带电路上的微带馈线口3113，两者均可作为输入或输出，当一方作为输入时另一方则作为输出。

所述PCB四层板包括四层金属地板、三块微波介质基板和微带电路311，且四层金属地板和三块微波介质基板交替设置，所述四层金属地板从上往下依次为第一金属地板301、第二金属地板302、第三金属地板303、第四金属地板304，所述三块微波介质基板从上往下依次为第一微波介质基板305、第二微波介质基板306、第三微波介质基板307，所述第一微波介质基板305和第三微波介质基板307均采用Rogers3003板材，介电常数为3.0（本实施例工作在W频段，介电常数取为3.16），介电损耗为0.0013，厚度均为5mil；第二微波介质基板为PP层，采用Rogers4450F，介电常数为3.52，介电损耗为0.004，厚度为6.948mil。

所述第一金属地板301和第二金属地板302开有相同大小的矩形开窗308，开窗308中各设有一块矩形金属贴片，分别为第一金属贴片3011和第二金属贴片3021；

所述第一金属地板301、第一微波介质基板305、第二金属地板302、第二微波介质基板306和第三金属地板303均设有对应的第一金属化过孔309，且第一金属地板301和第二金属地板302上的第一金属化过孔309位于开窗308的周围，所述开窗308对应于波导口101的位置且略小于波导口101；

所述第三金属地板303开设有第一缝隙3031和第二缝隙3032，用于将能量耦合进基片集成波导4；

在本申请一实施例中，所述的第一金属地板301开窗中的第一金属贴片3011的长度为半个介质波长，第一金属贴片3011长边与开窗308长边相平行；所述的第二金属地板302开窗中的第二金属贴片3021位于第一金属贴片3011的正下方，第二金属贴片3021尺寸小于第一金属贴片3011，且长边平行于第一金属贴片3011的长边。通过金属贴片完成了空气波导传播模式到介质传播模式的转变，采用双金属贴片实现不同板材之间电磁波的传播，通过第二金属贴片3021的调谐减少了电磁信号的反射，从而降低了插入损耗。

在本申请一实施例中，所述的第三金属地板上的两条缝隙位于第一金属贴片3011的正下方；所述两条缝隙为矩形缝隙，相邻排列，长度不等。所述第一缝隙3031长度大于第二缝隙3032的长度，第一缝隙3031和第二缝隙3032长边均平行于第一金属贴片3011的长边。通过缝隙的耦合，将介质中传播的电磁波耦合到基片集成波导4中，由于缝隙的长度不同，可在传输过程中产生双谐振，拓宽了矩形波导-微带转换结构的频带。

在本申请一实施例中，所述的第一金属化过孔309和第二金属化过孔310的孔径相等，其值为0.25mm，小于中心频点处空间自由波长的1/10。金属化过孔的孔间距也相等且为金属化过孔孔径的1.8倍，其值为0.45mm，所有的金属化过孔均为盲孔，用来引导电磁信号传输和防止电磁能量泄漏。

在本申请一实施例中，矩形波导-微带转换结构通过基片集成波导4进行过渡，从而可使矩形波导1和微带电路311在介质板的两侧，所述的基片集成波导4在电磁信号传输过程中，其宽度做了一次调整，以便于其后连接的微带电路311的阻抗匹配；

在本申请一实施例中，所述的基片集成波导4与50欧姆微带线3112中间有一段直线型微带渐变式过渡结构-微带过渡段3111，微带过渡段3111的长度为微带过渡段3111两端宽度差值的5倍。这种直线型微带渐变式过渡结构，插入损耗小且匹配良好，可实现基片集成波导和微带线宽频带匹配。

在本申请一实施例中，所述微带电路311包括微带过渡段3111和50欧姆微带线3112，其中微带过渡段3111连接基片集成波导4，50欧姆微带线3112外端设有所述微带馈线口3113，微带馈线口3113可作为转换器的信号输入端或输出端。

在本申请一实施例中，所述微带过渡段3111的宽度小于基片集成波导4的宽度，且微带过渡段3111的宽度由内向外逐渐缩小，所述微带过渡段3111的长度为其两端的宽度差值的5倍。

在本申请一实施例中，所述的三块微波介质基板中，第一微波介质基板305和第三微波介质基板307板材相同且介质基板厚度相等，由于在PCB多层板的加工工艺中，若板材不对称，在混压过程中容易产生板材翘曲变形，这对射频电路影响很大，因此采用上下板材相同，厚度相等来避免这个问题。

如图4所示，本发明实施例提供的一种宽带矩形波导-微带转换器的回波损耗和插入损耗图，矩形波导口101为信号输入口，微带馈线口3113为信号输出口，驻波S11小于-15dB的带宽为11.2GHz，在该频带内插入损耗S21小于0.35dB。

以上对本发明的具体实施例进行了描述，需要指出的是，本发明并不限于上述特定的实施方式。本领域的技术人员可以在权利要求的范围内做出各种修改和变化，仍然在本发明的保护范围内。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意组合。

Claims (7)

1.一种宽带矩形波导-微带转换器，其特征在于，包括矩形波导、矩形波导底部的波导法兰盘、波导法兰盘底部的PCB四层板和位于PCB四层板上的基片集成波导；

所述矩形波导中央设有波导口，该波导口作为转换器的信号输入口或输出口；

所述波导法兰盘含有四个安装孔，用于将矩形波导固定在PCB四层板上；

所述PCB四层板包括四层金属地板、三块微波介质基板和微带电路，且四层金属地板和三块微波介质基板交替设置，所述四层金属地板从上往下依次为第一金属地板、第二金属地板、第三金属地板、第四金属地板，所述三块微波介质基板从上往下依次为第一微波介质基板、第二微波介质基板、第三微波介质基板；

所述第一金属地板和第二金属地板开有相同大小的矩形开窗，开窗中各设有一块矩形金属贴片，分别为第一金属贴片和第二金属贴片；

所述第一金属地板、第一微波介质基板、第二金属地板、第二微波介质基板和第三金属地板均设有大小、位置对应的第一金属化过孔，且第一金属地板和第二金属地板上的第一金属化过孔位于开窗的周围，所述开窗对应于波导口的位置且略小于波导口；

所述第三金属地板开设有第一缝隙和第二缝隙，用于将能量耦合进基片集成波导，所述的第一缝隙和第二缝隙相邻排列在第一金属贴片的正下方，且均为矩形缝隙；所述第一缝隙长度大于第二缝隙长度，第一缝隙和第二缝隙长边均平行于第一金属贴片的长边；

所述第三金属地板、第三微波介质基板和第四金属地板均设有大小、位置对应的第二金属化过孔，基片集成波导位于第三微波介质基板上第二金属化过孔围成的区域，且上下覆盖了第三金属地板和第四金属地板，所述第四金属地板与微带电路连接，该微带电路设有微带馈线口，微带馈线口作为转换器的信号输出口或输入口。

2.根据权利要求1所述的一种宽带矩形波导-微带转换器，其特征在于，所述的第一金属贴片的长度为半个介质波长，第一金属贴片长边与开窗长边相平行；所述的第二金属贴片位于第一金属贴片的正下方，第二金属贴片的尺寸小于第一金属贴片，且长边平行于第一金属贴片的长边。

3.根据权利要求1所述的一种宽带矩形波导-微带转换器，其特征在于，所述的第一金属化过孔和第二金属化过孔的孔径相等，孔间距相等且为金属化过孔孔径的1.8倍，所有的金属化过孔均为盲孔。

4.根据权利要求1所述的一种宽带矩形波导-微带转换器，其特征在于，该转换器通过基片集成波导进行过渡，使矩形波导和微带在介质板的两侧，所述的基片集成波导在电磁信号传输过程中，基片集成波导的宽度做了一次调整，用于后续连接的微带电路的阻抗匹配。

5.根据权利要求4所述的一种宽带矩形波导-微带转换器，其特征在于，所述微带电路包括微带过渡段和50欧姆微带线，其中微带过渡段连接基片集成波导，50欧姆微带线外端设有所述微带馈线口。

6.根据权利要求5所述的一种宽带矩形波导-微带转换器，其特征在于，所述微带过渡段的宽度小于基片集成波导的宽度，且微带过渡段的宽度由内向外逐渐缩小，所述微带过渡段的长度为其两端的宽度差值的5倍。

7.根据权利要求1所述的一种宽带矩形波导-微带转换器，其特征在于，所述的第一微波介质基板和第三微波介质基板的板材相同且厚度相等。

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