CN112736394B - 一种用于太赫兹频段的h面波导探针过渡结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于太赫兹频段的H面波导探针过渡结构，属于太赫兹器件技术领域，具体包括介质基板，和设置在介质基板上的一体成型的探针分叉结构及一对分别与探针分叉结构的两个分叉端相连的平行探针，平行探针的探针长宽比大于10，探针分叉结构的开口角度为90～180°；H面波导探针过渡结构位于太赫兹矩形波导内的矩形腔中，与太赫兹矩形波导垂直，探针分叉结构的主干端连接微带电路，使得从微带电路输入的太赫兹信号耦合至太赫兹矩形波导，具有优异的回波损耗特性，拥有更宽的频带，可应用于基于硅微加工技术的太赫兹电路封装领域。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹器件技术领域，具体涉及一种用于太赫兹频段的H面波导探针过渡结构。
背景技术
太赫兹波(THz)是介于微波频段与红外之间的电磁波频段，其频率范围一般定为0.1THz～10THz。太赫兹波因其在电磁频谱中所处的特殊位置，决定了其既具有电子学的特性，又具有光子学的特征。太赫兹波还对陶瓷、塑料、碳板、布料、脂肪等非极性物质具有高穿透性。因此，太赫兹波在安检、材料物理、生命科学、行星探测、尤其是在卫星通讯和军事雷达等军事领域具有重大科研应用价值。
由于太赫兹波波长较短，对工作环境的尺寸变化极为敏感，因此降低太赫兹波在传输过程中的电磁损耗是极为重要的。太赫兹系统一般使用波导封装，由于电路在太赫兹频段的特征尺寸极小，传统的计算机数控铣削工艺难以制作满足公差要求的金属波导结构，可以使用硅微加工等技术制作波导结构，以保证精度。而基于太赫兹矩形波导的三维垂直架构系统集成封装涉及层间过渡结构和有源电路的封装集成，将太赫兹矩形波导与有源电路封装相结合可减少过渡数量，降低电磁能量损失，因此需要一种将太赫兹信号直接传输到太赫兹矩形波导的探针过渡结构。
当过渡结构的探针从波导的宽侧面插入，电路平面与电场方向平行时，可以实现波导和过渡结构间的最大效率模式转换，插入损耗最小。电路平面与电场方向平行的方式有两种，一种是平行于波导传输方向插入，称为E面波导探针；一种是垂直于波导传输方向插入，称为H面波导探针。由于E面波导探针结构更加容易加工和装配，因此目前采用E面波导探针实现有源电路中微带电路与太赫兹矩形波导的能量转换的研究已有不少。对于H面波导探针过渡结构目前也有一定研究，本发明提出了一种新型的H面波导探针过渡结构。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出了一种用于太赫兹频段的H面波导探针过渡结构，实现有源电路与垂直波导的能量转换，具有频带宽、损耗低、结构简单紧凑等优点。
本发明所采用的技术方案如下：
一种用于太赫兹频段的H面波导探针过渡结构，其特征在于，包括介质基板，和设置在介质基板上的一体成型的探针分叉结构及一对分别与探针分叉结构的两个分叉端相连的平行探针，所述H面波导探针过渡结构位于太赫兹矩形波导内的矩形腔中，与太赫兹矩形波导垂直，所述探针分叉结构的主干端连接微带电路，使得从微带电路输入的太赫兹信号耦合至太赫兹矩形波导。
进一步地，所述H面波导探针过渡结构应用于混合集成电路和单片集成电路中。
进一步地，所述探针分叉结构和平行探针的材料为导电金属，介质基板为玻璃纤维环氧树脂(FR4)、Rogers系列材料、氧化铝、石英、蓝宝石、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料等。
进一步地，所述探针分叉结构和平行探针的尺寸决定了H面波导探针的能量耦合中心频点，通过调整探针分叉结构的开口角度、分叉端宽度及分叉处的厚度，平行探针的长度、宽度和间距，实现微带电路与太赫兹矩形波导的电磁能量耦合。
进一步地，所述平行探针的探针长宽比大于10。
进一步地，所述探针分叉结构的开口角度为90～180°。
进一步地，所述H面波导探针过渡结构沿太赫兹信号传输方向呈轴对称。
进一步地，所述太赫兹矩形波导为减高四分之一的标准矩形波导。
进一步地，所述矩形腔的尺寸略大于H面波导探针过渡结构的尺寸。
进一步地，所述微带电路包括依次连接的50欧姆微带传输线、渐变微带线和微带高阻线，所述微带高阻线与探针分叉结构的主干端相连；通过调整50欧姆微带传输线、渐变微带线和微带高阻线的结构，拓展耦合频率带宽。
本发明所述用于太赫兹频段的H面波导探针过渡结构的原理为：通过调整平行探针的位置、尺寸及到波导短路面的距离，可以实现阻抗匹配，达到最大功率传输，实现太赫兹矩形波导与平行探针的高效耦合；太赫兹矩形波导中传播的波导模式电磁波在两根平行探针上分别激励起准TEM模式，电磁场从平行探针传输至探针分叉结构处进行功率合成，由于平行探针的探针长宽比大于10，表面积很小，在耦合波导的电磁能量时，具有较小的能量反射，进而使得H面波导探针过渡结构具备优异的回波损耗特性；在太赫兹波段，微带电路的两侧会出现边缘效应，场强最大的位置分布在微带电路的导带两侧边缘，这正对应于H面波导探针过渡结构的平行探针，使得电磁波可以自然地从H面波导探针过渡结构过渡到微带电路，并且平行探针的两探针对称分布，使得微带电路两侧的场耦合情况完全一致，保证H面波导探针过渡结构与微带电路的耦合效率。
本发明的有益效果为：
本发明提出一种平行探针与探针分叉结构相结合的特殊H面波导探针过渡结构，通过调整H面波导探针过渡结构中探针分叉结构的开口角度、分叉端宽度及分叉处的厚度，平行探针的长度、宽度和间距，实现微带电路与太赫兹矩形波导的电磁能量高效耦合，具有优异的回波损耗特性，拥有更宽的频带，可应用于基于硅微加工技术的太赫兹电路封装领域。
附图说明
图1为本发明实施例1中采用H面波导探针过渡结构的微带电路和太赫兹矩形波导的立体结构图；
图2为本发明实施例1中采用H面波导探针过渡结构的微带电路和太赫兹矩形波导的电路平面剖视图；
图3为本发明实施例1中采用H面波导探针过渡结构的微带电路和太赫兹矩形波导的侧视图；
图4为本发明实施例1中连接微带电路的H面波导探针过渡结构的俯视图；
图5为本发明实施例1中采用H面波导探针过渡结构的微带电路和太赫兹矩形波导的场分布示意图；
图6为本发明实施例1中采用H面波导探针过渡结构的微带电路和太赫兹矩形波导，应用于WR-2.2波段时的S11、S21仿真结果图；
图7为本发明实施例1中采用H面波导探针过渡结构的微带电路和太赫兹矩形波导，与采用单根探针过渡结构的微带电路和太赫兹矩形波导，应用于WR-3波段时的S11仿真结果图。
附图标记说明如下：
101：连接微带电路的H面波导探针过渡结构；102：太赫兹矩形波导；1：50欧姆微带传输线；2：渐变微带线；3：微带高阻线；4：探针分叉结构；5：平行探针；6：石英。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，结合以下具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明。
实施例1：
本实施例提供了一种用于太赫兹频段的H面波导探针过渡结构，包括30μm厚的混合集成电路的介质基板石英6，和设置在石英6上的一体成型的探针分叉结构4及一对分别与探针分叉结构4的两个分叉端相连的平行探针5，所述探针分叉结构4的开口角度为140°，分叉端的宽度为10μm，分叉处的厚度为10μm，所述平行探针5的探针间距为80μm，每根探针的长度为106μm，宽度为10μm；所述探针分叉结构4和平行探针5的材料为金。
将本实施例所述H面波导探针过渡结构应用于微带电路和太赫兹矩形波导之间，具体为：如图1～4所示，所述设置在石英6上的探针分叉结构4的主干端连接微带电路，并且连接微带电路的H面波导探针过渡结构101位于太赫兹矩形波导102内的矩形腔中，与太赫兹矩形波导102的垂直，使得从微带电路输入的太赫兹信号耦合至太赫兹矩形波导102；其中，所述矩形腔的尺寸略大于H面波导探针过渡结构的尺寸；
所述微带电路包括依次连接的50欧姆微带传输线1、渐变微带线2和微带高阻线3，所述50欧姆微带传输线1的线宽为62μm，渐变微带线2的长度为14μm，微带高阻线3的长度为22μm，宽度为28μm，所述微带高阻线3的另一端与探针分叉结构4的主干端相连；所述H面波导探针过渡结构和微带电路沿太赫兹信号传输方向呈中心轴对称。
由图5所示的采用H面波导探针过渡结构的微带电路和太赫兹矩形波导102的场分布示意图，可知平行探针5上的场分布与微带电路两侧的场分布相一致，可以使得电磁波自然地从H面波导探针过渡结构过渡到微带电路，保证H面波导探针过渡结构与微带电路的耦合效率。
对上述所得采用H面波导探针过渡结构的微带电路和太赫兹矩形波导102进行WR-2.2波段的S11、S21仿真，结果如图6所示，在410～540GHz频率范围内，插入损耗优于0.4dB，回波优于20dB。
将本实施例所得采用H面波导探针过渡结构的微带电路和太赫兹矩形波导102，与采用单根探针过渡结构的微带电路和太赫兹矩形波导做对比，应用于WR-3波段时的S11仿真结果对比图如图7所示，可知本实施例所得结构能在-40dB以下实现更大的带宽，表明具有更好的回波特性。
Claims (9)
1.一种用于太赫兹频段的H面波导探针过渡结构，其特征在于，包括介质基板，和设置在介质基板上的一体成型的探针分叉结构及一对分别与探针分叉结构的两个分叉端相连的平行探针，所述H面波导探针过渡结构位于太赫兹矩形波导内的矩形腔中，与太赫兹矩形波导垂直，所述探针分叉结构的主干端连接微带电路，使得从微带电路输入的太赫兹信号耦合至太赫兹矩形波导。
2.根据权利要求1所述用于太赫兹频段的H面波导探针过渡结构，其特征在于，所述平行探针的探针长宽比大于10。
3.根据权利要求1所述用于太赫兹频段的H面波导探针过渡结构，其特征在于，所述探针分叉结构的开口角度为90~180°。
4.根据权利要求1所述用于太赫兹频段的H面波导探针过渡结构，其特征在于，所述H面波导探针过渡结构应用于混合集成电路和单片集成电路中。
5.根据权利要求1所述用于太赫兹频段的H面波导探针过渡结构，其特征在于，所述H面波导探针过渡结构沿太赫兹信号传输方向呈轴对称。
6.根据权利要求1所述用于太赫兹频段的H面波导探针过渡结构，其特征在于，所述太赫兹矩形波导为减高四分之一的标准矩形波导。
7.根据权利要求1所述用于太赫兹频段的H面波导探针过渡结构，其特征在于，所述微带电路包括依次连接的50欧姆微带传输线、渐变微带线和微带高阻线，所述微带高阻线与探针分叉结构的主干端相连；通过调整50欧姆微带传输线、渐变微带线和微带高阻线的结构，拓展耦合频率带宽。
8.根据权利要求1所述用于太赫兹频段的H面波导探针过渡结构，其特征在于，所述探针分叉结构和平行探针的材料为导电金属，介质基板为玻璃纤维环氧树脂、Rogers系列材料、氧化铝、石英、蓝宝石或Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料。
9.根据权利要求1所述用于太赫兹频段的H面波导探针过渡结构，其特征在于，通过调整探针分叉结构的开口角度、分叉端宽度及分叉处的厚度，平行探针的长度、宽度和间距，实现微带电路与太赫兹矩形波导的电磁能量耦合。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| A 340–380 GHz Integrated CB-CPW-to-Waveguide Transition for Sub Millimeter-Wave MMIC Packaging;Kevin M. K. H. Leong等;《IEEE Microwave and Wireless Components Letters》;20090526;第19卷(第6期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112736394A (zh) | 2021-04-30 |
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