CN112886159B - 一种宽带硅基金属波导矩-圆模式变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种宽带硅基金属波导矩‑圆模式变换器。所述模式变换器采用三段式结构，同时实现矩形TE01模到圆形TE11之间的电磁场波形变换和阻抗匹配。该模式变换器总长度小于四分之一波长，是目前已知长度最小的矩‑圆模式变换器结构之一。该模式变换器具有99％能量转化效率的工作带宽为28％，对高次模的抑制度大于115dBc。

Description

一种宽带硅基金属波导矩-圆模式变换器
技术领域
本发明涉及一种硅基金属波导模式变换器，尤其涉及一种将矩形波导TE01模变换成圆波导TE11模的电路结构。
背景技术
由于具有很低的传输损耗，金属波导是微波电路系统，尤其是大功率微波电路必不可少的器件之一。传统上波导采用机械加工的方法，具体包括计算机数控(CNC)加工和电铸加工等。这些加工方法的精度较高，但对于结构复杂的波导部件如波纹喇叭天线等采用以上方法则存在加工困难、成本高，并且难以直接与其他部件进行集成的缺点。此外，为了保证加工精度，传统机械加工通常采用逐个进行加工的方法。当需要加工阵列天线或者诸如和差网络等复杂结构时，这种方式的效率就十分低下。硅刻蚀是半导体工业中一项重要技术，随着硅刻蚀工艺的发展，硅衬底加工已经不再限制于表面，而是向着三维立体加工方向发展，可以实现高深宽比的深硅刻蚀技术更是广泛的应用于各类微机电系统(MEMS)制备过程中。这种工艺很容易实现优于1微米的加工精度。因而，如果采用深硅刻蚀技术对硅基片进行孔洞、通道、腔体等复杂结构加工，并将其像三明治一样多层堆叠起来构成一个整体，就可以实现满足从微波直到太赫兹以上工作频率的应用需求的硅基金属波导。这种堆叠金属波导结构的实现方法在一定程度上克服了直接机械加工的很多缺点，同时可以方便的和波导结构或者单片微波集成电路(MMIC)进行集成。
硅基金属波导需要的工艺流程基本步骤包括：1)在体硅片表面涂上光刻胶；2)通过紫外线照射，将掩膜板的图形转移至体硅片的光刻胶层；3)转移的图形处光刻胶已溶解，将其洗去；4)将上一步处理好的体硅片根据实际要求进行氢氧化钾(KOH)溶液或深反应离子刻蚀(DRIE)刻蚀，形成喇叭、波纹、波导、盲文标记、划片槽以及定位槽等功能结构；5)将刻蚀完毕的体硅片进行清洗，并对表面溅金；6)将对应的体硅片进行键合；7)按照划片槽将键合好的体硅片划开；8)对划片侧壁进行金属化。
硅基金属波导的一个重要应用领域是波导喇叭天线，尤其是圆锥波导喇叭天线。由于绝大多数毫米波/太赫兹模块都采用矩形波导作为输入/输出端口，尤其是各种标准测试仪器如矢量网络分析仪等的输入/输出端口也都采是矩形波导。因此，圆锥波导喇叭天线必须经过矩-圆模式变换器才能与这些模块或者设备相连。
发明内容
本发明的目的是：提出一种面向硅基金属波导应用的宽带矩-圆模式变换器。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种宽带硅基金属波导矩-圆模式变换器，其特征在于，由输入端矩形波导、输出端圆波导以及位于输入端矩形波导及输出端圆波导之间的变换器结构组成，其中：
输入端矩形波导与输出端圆波导分别与外部模块或者设备的波导接口尺寸保持一致；
变换器结构则采用三段式结构：
变换器结构的第一段为一段矩形波导，该矩形波导的宽度与输入端矩形波导的宽度a相等、高度H1高过输入端的矩形波导的高度b，用于提高从输入端矩形波导看到的基模TE01模等效阻抗，实现与圆波导基模TE11模之间的阻抗匹配，提高模式转换能量转换的效率和工作带宽；
变换器结构的第三段为一段截顶圆波导一，截顶圆波导一的圆弧直径与输出端圆波导的直径相同，用于降低从输出端圆波导看到的基模TE11模等效阻抗，并部分实现圆TE11模和矩TE01模之间的电磁场波型过渡，进一步提高模式转换能量转换的效率和工作带宽；
变换器结构的第二段为一段截顶圆波导二，截顶圆波导二的高度与矩形波导的高度持平，截顶圆波导二的圆弧直径则与矩形波导的对角线长度相等，用于实现圆TE11模和矩TE01模之间的电磁场波型过渡，并再一次扩展变换器结构的工作带宽。
优选地，所述输出端圆波导、所述变换器结构及所述输入端矩形波导采用晶圆硅片经过金属化处理实现，或者直接采用各类金属或各类金属合金或者表面金属化实现的导电薄片材质。
优选地，所述输出端圆波导、所述变换器结构及所述输入端矩形波导采用同样厚度的晶圆硅片加工而成，或者根据其实际工作频率，选择采用不同厚度的晶圆硅片或者总数多于3片的晶圆硅片堆叠而成。
优选地，三段式结构的变换器结构的每一段硅基厚度的小于1/12波长。
优选地，所述截顶圆波导一及所述截顶圆波导二的高度经由电磁场仿真优化结果确定。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明提出的矩-圆模式变换器采用硅基金属波导加工工艺制作，具有加工精度高，插入损耗小等优点。同时，也可易于与同样采用硅基金属波导工艺制造的圆锥喇叭天线等器件实现无缝衔接。
2、本发明提出的硅基金属波导矩-圆模式变换器，同时实现了矩形结构到圆形结构的物理结构递次渐变，以及电磁场波形模式的渐变。从而避免产生过多的高次模，实现了矩形TE01模到圆形TE11模的高效转换和宽的工作带宽。
3、本发明提出的矩-圆模式变换器采用三段式结构，每段结构的可变参数为其高度及其长度，与其等效阻抗和电长度分别具有明确的对应关系，便于进行电磁场等效电路建模和仿真优化。
4、本发明提出的矩-圆模式变换器部分总长度小于四分之一波长，是目前已知长度最小的矩-圆模式变换器结构之一。
5、本发明提出的矩-圆模式变换器经过优化以后的典型工作带宽为28％，工作频带内能量转化效率大于99％，中心频率处能量转换效率大于99.99936％。
附图说明
图1为矩形波导(左)和圆波导(右)的电场分布图；
图2为硅基金属波导矩-圆模式变换器结构示意简图；
图3a及图3b为硅基金属波导矩-圆模式变换器电磁场仿真结果，其中，图3a为矩TE01到圆TE11模式变换结果；图3b为矩TE01到圆TM01/TE21模式变换结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
矩形波导和圆波导的电场分布可如图1所示，两者都具有左右对称、中心强度大、两侧依次减小的特点。这种分布结构上的类似性是两种电磁场模式可以直接进行模式变换的工作基础。另一方面，矩形波导基模TE01模的等效阻抗Zr和圆波导的基模TE11模Zc可以采用下式计算：
Figure GDA0003238264640000041
Figure GDA0003238264640000042
式(1)及(2)中，a、b分别为标准矩形波导的宽度和高度，η0为真空波阻抗，λ0为真空波长，r为圆波导半径。由于标准矩形波导的宽度a和高度b的比值一般为2:1，从式(1)、(2)可知圆波导和标准矩形波导之间的等效阻抗具有明显不同的阻值和色散特性。因此，要高效率的实现宽频带矩TE01模到圆TE11模的模式变换，必须同时实现电磁场的波型转换和等效阻抗匹配。
本发明提出的硅基金属波导矩-圆模式变换器结构如图2所示，由三部分组成，即由输入端的矩形波导、输出端的圆波导以及两者之间的变换器结构组成。其中，矩形波导与圆波导分别与外部模块或者设备的波导接口尺寸保持一致。变换器结构则采用三段式结构：
第一段为一段矩形波导，其宽度与输入端的矩形波导的宽度a相等，但高度H1高过输入端的矩形波导的高度b。其主要功能是提高从矩形波导输入端看到的基模TE01模等效阻抗，初步实现与圆波导基模TE11模之间的阻抗匹配，提高模式转换能量转换的效率和工作带宽。
第三段为一段截顶圆波导，可以看成是输出端的圆波导的上下两端被削平了一部分。其圆弧直径与输出端的圆波导的直径相同，其高度为H2。这段截顶圆波导主要功能是降低从圆波导输出端看到的基模TE11模等效阻抗，并部分实现圆TE11模和矩TE01模之间的电磁场波型过渡。进一步提高模式转换能量转换的效率和工作带宽。
第二段也是一段截顶圆波导，它的高度与第一段矩形波导高度持平，其圆弧直径则与第一段矩形波导的对角线长度相等。这一段截顶圆波导的主要功能是实现圆TE11模和矩TE01模之间的电磁场波型过渡，并再一次扩展变换器的工作带宽。
三段式结构的每段厚度L1、L2、L3和高度H1、H2由单片晶圆硅片厚度和电磁场仿真优化结果共同决定。
本发明提出的矩-圆模式变换器结构的材质优选采用晶圆硅片经过金属化处理实现，采用同样厚度的晶圆硅片加工而成，但也可根据其实际工作频率，选择采用不同厚度的晶圆硅片或者总数多于3片的晶圆硅片堆叠而成。其他各种直接采用各类金属或金属合金以及使用塑料、高分子材料等表面金属化实现的导电薄片材质，亦在本专利的保护范围内。
以中心工作频率为43GHz圆锥波纹喇叭天线矩-圆模式变换器为例。其矩形波导为WR19直波导，其内侧横截面的宽度a和高度b分别为4.8mm和2.4mm。圆波导半径r根据圆锥波纹喇叭天线设计要求确定为3.25mm，根据电磁场仿真结果进行电磁场建模和仿真优化，一个较好的结果，其结构尺寸为L1＝L2＝L3＝0.635mm(考虑到镀金层厚度，实际厚度为0.64mm)，H1＝3.85mmH2＝4.25mm。其总长度为1.92mm小于(矩形波导/圆波导)四分之一波长。
电磁场仿真结果可以参加下图3a及图3b，该模式变换器具有99％能量转化效率的工作带宽为28％，对TM01、TE21等高次模的抑制度大于115dBc。

Claims (5)

1.一种宽带硅基金属波导矩-圆模式变换器，其特征在于，由输入端矩形波导、输出端圆波导以及位于输入端矩形波导及输出端圆波导之间的变换器结构组成，其中：
输入端矩形波导与输出端圆波导分别与外部模块或者设备的波导接口尺寸保持一致；
变换器结构则采用三段式结构：
变换器结构的第一段为一段矩形波导，该矩形波导的宽度与输入端矩形波导的宽度a相等、高度H1高过输入端的矩形波导的高度b，用于提高从输入端矩形波导看到的基模TE01模等效阻抗，实现与圆波导基模TE11模之间的阻抗匹配，提高模式转换能量转换的效率和工作带宽；
变换器结构的第三段为一段截顶圆波导一，截顶圆波导一的圆弧直径与输出端圆波导的直径相同，用于降低从输出端圆波导看到的基模TE11模等效阻抗，并部分实现圆TE11模和矩TE01模之间的电磁场波型过渡，进一步提高模式转换能量转换的效率和工作带宽；
变换器结构的第二段为一段截顶圆波导二，截顶圆波导二的高度与矩形波导的高度持平，截顶圆波导二的圆弧直径则与变换器结构的第一段的矩形波导的对角线长度相等，用于实现圆TE11模和矩TE01模之间的电磁场波型过渡，并再一次扩展变换器结构的工作带宽；
其中，截顶圆波导一及截顶圆波导二可以看成是输出端的圆波导的上下两端被削平了一部分。
2.如权利要求1所述的一种宽带硅基金属波导矩-圆模式变换器，其特征在于，所述输出端圆波导、所述变换器结构及所述输入端矩形波导采用晶圆硅片经过金属化处理实现。
3.如权利要求2所述的一种宽带硅基金属波导矩-圆模式变换器，其特征在于，所述输出端圆波导、所述变换器结构及所述输入端矩形波导采用同样厚度的晶圆硅片加工而成，或者根据其实际工作频率，选择采用不同厚度的晶圆硅片或者总数多于3片的晶圆硅片堆叠而成。
4.如权利要求1所述的一种宽带硅基金属波导矩-圆模式变换器，其特征在于，三段式结构的变换器结构的每一段硅基厚度的小于1/12波长。
5.如权利要求1所述的一种宽带硅基金属波导矩-圆模式变换器，其特征在于，所述截顶圆波导一及所述截顶圆波导二的高度经由电磁场仿真优化结果确定。
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