CN113328228B - 一种w波段脊间隙波导到微带线的超宽带过渡结构 - Google Patents
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Abstract
该发明公开了一种W波段脊间隙波导到微带线的超宽带过渡结构，涉及毫米波无源器件技术领域。本发明输入输出微带线特性阻抗采用标准50欧姆，可直接与MMIC通过金丝键合线互连；微带线屏蔽腔为微带线预留了足够的空间，不会因上下腔体间的物理压力破坏电路性能；所述介质基板采用石英玻璃材料，为硬质基板，在高频结构中能够更好地保证加工精度，且损耗角正切值较小，降低了微带线部分的介质损耗；所述过渡结构覆盖整个W波段，可支持所有W波段内的频点工作；所述过渡结构完全集成在下腔体与上盖板的金属腔体结构中，无辐射泄露；并且，由于脊间隙波导特殊的场分布，在W波段相较于传统的矩形波导器件具有更低的欧姆损耗。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波无源器件技术领域，具体为一种基于石英基板微带探针的W波段脊间隙波导到微带线的超宽带过渡结构。
背景技术
随着微波毫米波技术的不断发展，毫米波中高频段的频谱资源受到了学者们和市场的重视，但是目前的毫米波功率放大芯片不能在W波段提供足够的输出功率，目前最优的一种解决方案是能够将多个功放芯片的输出功率合成后输出的功率合成技术。由于W波段功放芯片的输出通常只有1瓦或更低，在功率合成的过程中要追求尽量低的传输损耗，然而传统的基于矩形波导的功率合成网络在W波段因标准矩形波导尺寸过小，欧姆损耗增加，对功率合成效率影响较大，不适合用来制作低损耗的功率合成网络。文章("LocalMetamaterial-Based Waveguides in Gaps Between Parallel Metal Plates,"in IEEEAntennas and Wireless Propagation Letters,vol.8,pp.84-87,2009)中提出了一种新型导波结构脊间隙波导，该波导两侧为EBG结构组成的PMC表面，中间的金属脊与上盖板之间为一条空气间隙，波导内电磁场集中在该气隙内，其余边界处场强很小，降低了因壁电流引起的欧姆损耗，且该波导传输的主模为准TEM模，适合用来设计宽带低损耗的功率合成网络。功率合成网络中功放芯片的输入输出端都需要使用金丝键合线连接50欧姆微带线作为传输结构，然而目前国内外设计的脊间隙波导到微带线的转换结构都集中在微波及毫米波低频段，例如文章(“A Novel Wideband Microstrip Line to Ridge Gap WaveguideTransition Using Defected Ground Slot,”in IEEE Microwave and WirelessComponents Letters,vol.25,no.2,pp.91-93,Feb.2015)中提出的一种基于缝隙耦合的过渡结构，工作在微波Ku频段(11.8-18.8GHz),该结构在脊间隙波导上盖板开缝，结合一个T型的微带耦合线，将脊间隙波导中的电磁场耦合至介质基板中，再通过微带线输出；由于波长限制，用于耦合的缝隙随着工作频率的升高会逐渐减小，若要设计工作于W波段的缝隙耦合结构，所开缝隙的宽度大约仅有0.1mm或更小，且传输特性对缝隙的尺寸、位置变化都十分敏感，对加工和装配精度要求过于严苛。能够工作在W波段的宽带低损耗过渡结构鲜有报道，因此，设计制作宽带低损耗的W波段脊间隙波导到微带线的过渡结构是十分必要的。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种基于石英基板微带探针的W波段新型超宽带脊间隙波导到微带线的过渡结构。
为实现上述目标，本发明采用了以下技术方案：一种W波段脊间隙波导到微带线的超宽带过渡结构，该结构包括：金属下腔体、上盖板，所述金属下腔体为对称结构，包括横对称轴和竖对称轴，所述金属下腔体中部开设有下凹式脊间隙波导腔，两侧的凸起开设有微带线屏蔽腔；两侧开设的微带线屏蔽腔位于金属下腔体的横对称轴上，且走向一致；各微带线屏蔽腔贯穿侧边凸起，微带线屏蔽腔的下底面高于脊间隙波导腔的下底面；所述脊间隙波导腔内设置有金属脊，金属脊位于金属下腔体的对称轴上，且不与微带线屏蔽腔接触；位于脊间隙波导腔内、金属脊两侧阵列设置有金属圆柱，金属圆柱的上表面高于金属脊的上表面；所述两侧微带线屏蔽腔与金属脊处都还设置有金属导带结构，该金属导带结构包括介质基板和设置于介质基板上的微带线；所述介质基板分为两部分，一部分为与微带线屏蔽腔形状相同的矩形区域，另一部分为梯形区域，该矩形区域与梯形区域下底边连接，矩形区域位于微带线屏蔽腔内，紧贴微带线屏蔽腔下底面，梯形区域位于脊间隙波导腔内，且延伸到金属脊上方；所述介质基板的梯形区域上设置有梯形微带线，该梯形微带线的上底与介质基板的梯形区域的下底齐平，梯形微带线的下底延伸到金属脊的上方，介质基板的矩形区域上设置有矩形微带线，该矩形微带线与梯形微带线连通；所述上盖板中部区域设置有与脊间隙波导腔尺寸相同的凸起，当上盖板盖合于金属下腔体上时，该凸起与金属圆柱的上表面接触；金属导带结构不与上盖板接触。
进一步的，所述金属脊与微带线屏蔽腔的间距小于四分之一波长。
进一步的，所述矩形微带线为50欧姆微带线，与梯形微带线之间采用四分之一波长阻抗变换段实现阻抗匹配。
进一步的，所述介质基板为石英材料，厚度为0.127mm，矩形部分宽度为1mm，梯形部分两底长度分别为1.2mm、2mm，两底间距1.76mm；
进一步的，所述矩形微带线特性阻抗为50欧姆，线宽为0.24mm，四分之一波长阻抗变换段长0.27mm，宽0.06mm，梯形微带线两底长度分别为0.28mm、0.45mm，两底相距1.54mm；
所述金属脊宽度和高度均为0.8mm，金属圆柱圆心距金属脊边缘1mm，金属圆柱直径0.7mm，高1.1mm，圆柱圆心间距1.2mm；
所述微带线屏蔽腔宽1mm，高0.6mm；
所述上盖板中心凸起高0.3mm的凸起，装配后与金属脊之间形成0.3mm的电磁波传输气隙。
本发明的优点在于：
输入输出微带线特性阻抗采用标准50欧姆，可直接与MMIC通过金丝键合线互连；微带线屏蔽腔为微带线预留了足够的空间，不会因上下腔体间的物理压力破坏电路性能；所述介质基板采用石英玻璃材料，为硬质基板，在高频结构中能够更好地保证加工精度，且损耗角正切值较小，降低了微带线部分的介质损耗；所述过渡结构覆盖整个W波段，可支持所有W波段内的频点工作；所述过渡结构完全集成在下腔体与上盖板的金属腔体结构中，无辐射泄露；并且，由于脊间隙波导特殊的场分布，在W波段相较于传统的矩形波导器件具有更低的欧姆损耗。
附图说明
图1是本发明所述的脊间隙波导到微带线过渡结构的实施例三维示意图。
图2是实施例分解示意图。
图3是所述过渡结构反射系数与传输系数仿真结果。
图4是与所述过渡结构内相同且等长的微带线和脊间隙波导传输系数。
图5是减去了微带线插损后的过渡结构传输系数。
图中，1.金属脊，2.金属圆柱，3.脊间隙波导腔，4.微带线屏蔽腔，5.金属导带结构，6.下腔体，7.上盖板。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提出的技术方案作进一步详细的说明。所述整体过渡结构如图1、2所示，图1中上盖板7设为透明用以显示其内部装配关系，其余部分为：金属脊1，电磁带隙(EBG)结构，脊间隙波导腔3，微带线屏蔽腔4，介质基板及其上的金属导带5，下腔体6。
所述脊间隙波导到微带线过渡结构，毫米波信号由微带线输入，经四分之一波长阻抗变换段实现与梯形微带探针的阻抗匹配，再由梯形微带探针实现介质基板内的准TEM模式与脊间隙波导内的准TEM模式电磁场的耦合，经脊间隙波导传输后再经过相反的过程由微带线输出。所述介质基板为石英玻璃材料，为硬质基板，具有较高的加工精度，在对加工精度要求较为严格的W波段是很好的选择。介质基板为石英，相对介电常数εr＝3.78，厚度为0.127mm，矩形部分宽度与微带线屏蔽腔宽度相同，为1mm，梯形部分两底长度分别为1.2mm、2mm，两底间距1.76mm。
所述矩形微带线特性阻抗为50欧姆，可以通过金丝键合线与MMIC电路实现互联。其中50欧姆微带线线宽为0.24mm，四分之一波长阻抗变换段长0.27mm，宽0.06mm，梯形微带探针两底长度分别为0.28mm、0.45mm，两底相距1.54mm，其上底与梯形介质基板的下底重合。
所述脊间隙波导部分经仿真软件计算，得到了合适的尺寸用以保证在整个W波段内单模工作，其中金属脊宽度和高度均为0.8mm，金属圆柱圆心距金属脊边缘1mm，金属圆柱直径0.7mm，高1.1mm，圆柱圆心间距1.2mm。
所述微带线屏蔽腔经仿真软件优化得到了合适的尺寸以保证不会出现高次模干扰，具体尺寸为宽1mm，高0.6mm。
所述上盖板中心部分具有一块与脊间隙波导腔尺寸相同，高0.3mm的凸起，装配后与金属圆柱的上表面接触，与金属脊之间形成0.3mm的电磁波传输气隙。
图3为所述脊间隙波导到微带线过渡结构仿真的反射系数与传输系数，在W波段(75GHz-110GHz)范围内，输入端口的回波损耗小于-15dB，大部分频点小于-20dB，其-15dB相对带宽为37.84％，属于超宽带结构。背靠背结构的插入损耗小于0.2dB，即单侧过渡结构的插入损耗小于0.1dB，表明该过渡结构具有良好的能量传输性能。
值得一提的是，图3给出的插入损耗是包含了6.7mm的脊间隙波导和2.46mm的50欧姆微带线的插入损耗，为了说明单独的过渡结构插入损耗，给出图4。图4为所述脊间隙波导与50欧姆微带线仿真的传输系数，由图可知脊间隙波导的插入损耗极小，在整个W波段均小于0.001dB，相较于微带线的插入损耗可以忽略。将图3整体过渡结构的插入损耗和图4微带线的插入损耗对应频点相减，得到图5，即单独的过渡结构引入的插损。可见该过渡结构在W波段引入的插损小于0.14dB，计算得到平均插损为0.078dB，即单侧过渡结构平均插损为0.039dB。
值得注意的是，图4显示微带线引入的插损随频率的增加逐渐增大，因此在进行设计时要在不影响整体性能和保证加工可行性的情况下尽量减短微带线的长度，以减小微带线引入的介质损耗。
综上所述，该实施例可在W波段全频段稳定工作，实现脊间隙波导到50欧姆微带线之间的低损耗、超宽带过渡。
以上所述仅为本发明较佳实施例而已，并不足以作为本发明的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的修改、替换、改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (4)
1.一种W波段脊间隙波导到微带线的超宽带过渡结构，该结构包括：金属下腔体、上盖板，所述金属下腔体为对称结构，包括横对称轴和竖对称轴，所述金属下腔体中部开设有下凹式脊间隙波导腔，两侧的凸起开设有微带线屏蔽腔；两侧开设的微带线屏蔽腔位于金属下腔体的横对称轴上，且走向一致；各微带线屏蔽腔贯穿侧边凸起，微带线屏蔽腔的下底面高于脊间隙波导腔的下底面；所述脊间隙波导腔内设置有金属脊，金属脊位于金属下腔体的对称轴上，且不与微带线屏蔽腔接触；位于脊间隙波导腔内、金属脊两侧阵列设置有金属圆柱，金属圆柱的上表面高于金属脊的上表面；所述两侧微带线屏蔽腔与金属脊处都还设置有金属导带结构，该金属导带结构包括介质基板和设置于介质基板上的微带线；所述介质基板分为两部分，一部分为与微带线屏蔽腔形状相同的矩形区域，另一部分为梯形区域，该矩形区域与梯形区域下底边连接，矩形区域位于微带线屏蔽腔内，紧贴微带线屏蔽腔下底面，梯形区域位于脊间隙波导腔内，且延伸到金属脊上方；所述介质基板的梯形区域上设置有梯形微带线，该梯形微带线的上底与介质基板的梯形区域的下底齐平，梯形微带线的下底延伸到金属脊的上方，介质基板的矩形区域上设置有矩形微带线，该矩形微带线与梯形微带线连通；所述上盖板中部区域设置有与脊间隙波导腔尺寸相同的凸起，当上盖板盖合于金属下腔体上时，该凸起与金属圆柱的上表面接触；金属导带结构不与上盖板接触。
2.如权利要求1所述的一种W波段脊间隙波导到微带线的超宽带过渡结构，其特征在于，所述金属脊与微带线屏蔽腔的间距小于四分之一波长。
3.如权利要求1所述的一种W波段脊间隙波导到微带线的超宽带过渡结构，其特征在于，所述矩形微带线为50欧姆微带线，与梯形微带线之间采用四分之一波长阻抗变换段实现阻抗匹配。
4.如权利要求3所述的一种W波段脊间隙波导到微带线的超宽带过渡结构，其特征在于，所述介质基板为石英，厚度为0.127mm，矩形部分宽度为1mm，梯形部分两底长度分别为1.2mm、2mm，两底间距1.76mm；
所述矩形微带线特性阻抗为50欧姆，线宽为0.24mm，四分之一波长阻抗变换段长0.27mm，宽0.06mm，梯形微带线两底长度分别为0.28mm、0.45mm，两底相距1.54mm；
所述金属脊宽度和高度均为0.8mm，金属圆柱圆心距金属脊边缘1mm，金属圆柱直径0.7mm，高1.1mm，圆柱圆心间距1.2mm；
所述微带线屏蔽腔宽1mm，高0.6mm；
所述上盖板中心凸起高0.3mm的凸起，装配后与金属脊之间形成0.3mm的电磁波传输气隙。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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