CN113540732A

CN113540732A - 一种微带线到矩形波导的宽带转换结构

Info

Publication number: CN113540732A
Application number: CN202110736692.6A
Authority: CN
Inventors: 范奎奎; 谭青权; 罗国清
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2021-10-22
Anticipated expiration: 2041-06-30
Also published as: CN113540732B

Abstract

本发明公开了一种微带线到矩形波导的宽带转换结构，该转换结构使用微带偶极子激励的方案，采用金属化通孔对微带偶极子的单臂进行折叠，折叠后的偶极子结构更加紧凑，而且可以激励介质基板的介质谐振器模式。通过合理的设置金属化通孔的位置、介质基板的宽度和偶极子的长度，折叠偶极子结构可以同时工作在半波偶极子模式和介质谐振器模式，实现微带线到矩形波导的宽带转接。

Description

一种微带线到矩形波导的宽带转换结构

技术领域

本发明属于毫米波技术领域，涉及一种微带线到矩形波导的宽带转换结构，可用于具有微带到矩形波导转接结构的电路系统中。

背景技术

随着毫米波、太赫兹科学技术的飞速发展，各种毫米波、太赫兹集成电路的需求日趋增加。微带线是毫米波、太赫兹集成电路中一种重要的传输线，各个单片微波集成电路(MMIC)单片主要采用微带线进行连接。然而，目前毫米波、太赫兹测试系统和诸多仪器的接口，以及各个毫米波、太赫兹集成系统间的连接大多使用损耗更小的波导。为了使这两种传输线很好地匹配，必须设计相应的转化电路。因此，微带线-波导的转换电路成为系统实现的一个关键所在。

波导-微带过渡转换结构主要有阶梯脊波导过渡、对脊鳍线过渡和耦合探针过渡等，其中，脊波导过渡加工复杂且不好装配，其他过渡结构则存带宽不足的缺点。因此，需要一种宽带低损耗微带线到矩形波导的转换结构。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种微带线到波导的宽带转换结构，该设计具有宽带宽，插入损耗小，结构紧凑的特点。

本发明的微带线到波导的宽带转换结构，使用微带偶极子激励方案，包括：

矩形波导，为在金属块内的矩形槽；其终端为一金属短路面，该短路面上开孔，该孔与矩形波导连通；

微带偶极子，其一端从矩形波导的短路面开孔处插入；

其中，所述微带偶极子为单臂折叠微带偶极子，包括微带偶极子上臂、微带偶极子下臂、第一金属化通孔、两列第二金属化通孔阵列、微带偶极子折叠单元，以及从上至下依次设置的第一金属面、第一介质基板、第二金属面、第二介质基板、第三金属面、第三介质基板、第四金属面；其中微带偶极子上臂、微带偶极子下臂、微带偶极子折叠单元位于矩形波导内；

所述第一金属面包括两平行设置的第一金属地、位于两第一金属地间的第一微带线；第一微带线的一端作为馈电端，另一端与微带偶极子上臂连接；所述第一金属地的靠近微带偶极子上臂端与矩形波导短路面开孔的与矩形波导连通处位置相同，且位于微带偶极子未伸入矩形波导侧；所述的第一微带线与两第一金属地不接触；所述的微带偶极子上臂与第一金属地间的最近距离为d1，其长度满足d1+w1≥0.25λ_g，λ_g为最高频率对应的介质波长，其中w1表示微带偶极子上臂的宽度；所述的第一介质基板的伸入矩形波导部分长度d2满足d2＞w1+d1；

所述的第一微带线与矩形波导短路面开孔不接触；

所述第二金属面M2为一体成型结构，包括位于未伸入矩形波导部分的矩形金属、位于伸入矩形波导部分的金属过渡结构；金属过渡结构的一端与矩形金属连接，另一端通过第二微带线与微带偶极子下臂连接；第二金属面M2长度等于第一金属地，宽度与第二介质板相同；第二微带线的x轴向中轴线与第一微带线的x轴向中轴线重合；微带偶极子上臂中心所在的y轴向线与微带偶极子下臂中心所在的y轴向线重合；

作为优选，所述的金属过渡结构采用喇叭状，较大开口端与矩形金属的一端连接，较小开口端与第二微带线的一端连接；较大开口端的宽度小于等于第二介质板的宽度。

所述第三金属面M3位于未伸入矩形波导部分，其长度等于第一金属地，宽度与第三介质板相同；

所述第四金属面M4位于未伸入矩形波导部分，其长度等于第一金属地，宽度与第四介质板相同；

所述的第一金属化通孔贯穿第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、微带偶极子下臂、微带偶极子折叠单元；

所述的每列第二金属化通孔阵列贯穿其中一个第一金属地、第一介质基板、第二金属面、第二介质基板、第三金属面、第三介质基板、第四金属面；用于阻止能量的泄漏以及减少表面波损耗。

所述的微带偶极子折叠单元的宽度与微带偶极子上臂相同。

作为优选，第一至三介质基板的总厚度小于矩形波导的长边长度Lr的一半。

作为优选，介质基板的宽度应小于等于波导窄边宽度Wr。

作为优选，第一金属化通孔的直径d1＜w1。

作为优选，偶极子上下两臂做切角处理。

作为优选，微带偶极子上臂与矩形波导上表面的距离d5＝Lr/2。

具体工作原理：在矩形波导终端短路面上开孔，该孔与矩形波导连通，矩形波导的TE₁₀模式电场沿着y轴方向，在中心处电场最强。将微带偶极子通过该开孔放置在矩形波导平面中心，充当模式转换器。微带偶极子辐射为端射，其电流方向为y轴方向，与矩形波导TE10模式方向相同，因此可以将微带线的准TEM模式转换为矩形波导的TE₁₀模式，同时，用第一金属化通孔折叠后的微带偶极子能激发起介质基板的TE_11δ介质谐振模式，该介质谐振模式电场方向同样为y方向，这使得该结构能够同时工作在偶极子模式和介质谐振模式，形成双谐振点，拓展工作带宽。

本发明的微带线到波导的转换结构具有以下优点：

本发明的转换结构通过将偶极子的单臂进行折叠，使得结构更紧凑。折叠偶极子单元可以同时工作在半波偶极子模式和介质谐振器模式，大大拓展了阻抗带宽，提高了模式转换效率，获得更低的插入损耗。

附图说明

图1是本发明的三维结构示意图；

图2是本发明的微带偶极子示意图；

图3是本发明的三维结构侧视示意图；

图4是本发明的第一金属面的俯视示意图；

图5是本发明的第二金属面的俯视示意图；

图6是本发明的第三金属面的俯视示意图；

图7是本发明的第四金属面的俯视示意图；

图8是本发明仿真的介质板在64GHz时的电场矢量图；

图9是本发明仿真的S参数图；

图中标记：矩形波导-Rw、第一金属面-M1、第一介质基板-S1、第二金属面-M2、第二介质基板-S2、第三金属面-M3、第三介质基板-S3、第四金属面-M4、矩形波导-RW、第一金属化通孔-V₁、第二金属化通孔阵列–V₂、第一金属地-1-1、第一微带线-1-2、未伸入矩形波导部分的矩形金属-2-1、伸入矩形波导部分的金属过渡结构-2-2、微带偶极子上臂-3、位于第一介质板上表面的额外金属面-4、第二微带线-5、微带偶极子下臂-6、位于第四介质基板下表面的额外金属面-7、微带偶极子折叠单元-8。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。

如图1、2、3所示，该微带线到波导的宽带转换结构包括微带偶极子和矩形波导Rw；矩形波导为在矩形金属块内的矩形槽，终端为短路面，在短路面开孔，该孔与矩形波导连通；微带偶极子从矩形波导的短路面开孔处插入，置入于矩形波导长边中心。

所述微带偶极子结构为三层介质基板层叠，包括微带偶极子上臂3、微带偶极子下臂6、第一金属化通孔V₁、两列第二金属化通孔阵列V₂、微带偶极子折叠单元8，以及从上至下依次设置的第一金属面M1、第一介质基板S1、第二金属面M2、第二介质基板S2、第三金属面M3、第三介质基板S3、第四金属面M4；其中微带偶极子上臂、微带偶极子下臂、微带偶极子折叠单元8位于矩形波导内；微带偶极子上臂和下臂分别印刷在第一介质基板S1的上表面和下表面，为了有效激励矩形波导TE₁₀模式，对位于微带偶极子下臂做单臂折叠处理，微带偶极子下臂与印刷在第三介质基板S3下表面的微带偶极子折叠单元用第一金属化通孔V₁连接。微带偶极子上臂和下臂在中心出各设有一切角，微带偶极子折叠单元的宽度与微带偶极子上臂相同。

如图4、5所示，所述第一金属面M1包括第一微带线1-2、以及第一微带线两侧的两平行设置第一金属地1-1，第一微带线一端连接微带偶极子上臂，另一端为馈电口，端口阻抗为50欧姆；第一金属地的靠近微带偶极子上臂端与矩形波导短路面开孔的与矩形波导连通处位置相同，且位于微带偶极子未伸入矩形波导侧；第一微带线与两第一金属地不接触；第一微带线与矩形波导短路面开孔不接触；

所述第二金属面M2为一体成型结构，包括包括位于未伸入矩形波导部分的矩形金属2-1、位于伸入矩形波导部分的金属过渡结构2-2，金属过渡结构的一端与矩形金属连接，另一端通过第二微带线5与微带偶极子下臂连接。第二金属面M2长度等于第一金属地，宽度与第二介质板相同；第二微带线的x轴向中轴线与第一微带线的x轴向中轴线重合；微带偶极子上臂中心所在的y轴向线与微带偶极子下臂中心所在的y轴向线重合。

所述的金属过渡结构采用喇叭状，较大开口端与矩形金属的一端连接，较小开口端与第二微带线的一端连接；较大开口端的宽度小于等于第二介质板的宽度。

如图6、7所示，所述第三金属面、第四金属面为矩形金属面；微带偶极字折叠单元位于第三介质基板下表面与第四金属面在同一平面；第三金属面M3位于未伸入矩形波导部分，其长度等于第一金属地，宽度与第三介质板相同；第四介质板与第三介质板长宽尺寸相同；第四金属面M4与第三金属面M3形状尺寸相同；

所述的第一金属化通孔贯穿第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、微带偶极子下臂、微带偶极子折叠单元；同时为了满足多层PCB加工工艺，第一金属化通孔实现各介质基板贯穿，故而在第一介质基板上表面和第四介质基板下表面各设有额外的金属面4、7充当焊盘，第一金属化通孔V₁将其贯穿。

为了减少介质波损耗和放置能量泄漏，通过第二金属化通孔阵列V₂连接所有第一金属地和第二、三、四金属面，除第二金属面外，其余金属面止于波导短路面，不进入波导内部。

选择好合适的介质接片宽度、伸入波导内的介质基板长度以及第一金属化通孔V₁的位置，该结构可以同时工作在微带偶极子模式和介质谐振器模式，从图8的电场矢量图可以看出，介质基板内的电场类似于TE_11δ介质谐振模式电场。

本例实施中，矩形波导为标准WR-12波导，尺寸为3.1mm×1.5mm；第一、第三介质基板采用Rogers RO4450F,厚度0.1mm，第二介质基板采用Rogers RO3003,厚度0.25mm，三者长宽尺寸相同；偶极子两臂紧贴介质基板两侧，连接偶极子的平行双线宽为0.12mm，长度为0.4mm；第一金属地与50Ω微带线的间隙宽度为0.15mm；第二金属化通孔阵列的单元通孔中心距离为0.4mm；所有金属化通孔直径均为0.2mm。使用电磁仿真软件HFSS进行仿真优化，详细尺寸位于表1中(表中各参数定义见附图说明)。

表1本发明实施例中微带线到波导的宽带转换结构的详细尺寸

参数	数值(mm)	参数	数值(mm)
				d<sub>1</sub>	0.53	w<sub>1</sub>	0.35
d<sub>2</sub>	1.2	w<sub>2</sub>	1.3
				d<sub>3</sub>	0.25	x<sub>1</sub>	0.35
d<sub>4</sub>	0.4	y<sub>1</sub>	0.3
				d<sub>5</sub>	1.55	Lr	3.1
Wr	1.5

其中d₁表示带偶极子折叠单元与矩形波导的短路面间距，d₂表示第一介质基板长度减去第一金属地空白部分的长度，d₃表示金属过渡结构的长度，d₄表示带偶极子折叠单元的长度，d₅表示微带偶极子上臂与矩形波导上表面的距离，w₁表示微带偶极子上臂的宽度，w₂表示第一介质基板的宽度，x₁、y₁表示微带偶极子上臂和下臂切角的两垂直边的尺寸，Lr、Wr表示矩形波导的长宽尺寸。

图9是本发明仿真的S参数图；该微带到波导的转换结构-10dB阻抗带宽为56.2-89GHz(相对带宽为45.5％)，几乎覆盖了整个E波段，在工作频带内插入损耗小于0.35dB。

本发明的宽带微带线到矩形波导的转换可以应用于毫米波单片集成电路和混合电路的检测以及波导与平面电路的连接中。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，而并非对本发明的实施方式做出限定。应当指出对于本技术领域的术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种微带线到矩形波导的宽带转换结构，其特征在于包括：

微带偶极子，其一端从矩形波导的短路面开孔处插入；

所述第一金属面包括两平行设置的第一金属地、位于两第一金属地间的第一微带线；第一微带线的一端作为馈电端，另一端与微带偶极子上臂连接；所述的第一微带线与矩形波导短路面开孔不接触；第一金属地位于微带偶极子未伸入矩形波导侧；

所述第二金属面M2为一体成型结构，包括位于未伸入矩形波导部分的矩形金属、位于伸入矩形波导部分的金属过渡结构；金属过渡结构的一端与矩形金属连接，另一端通过第二微带线与微带偶极子下臂连接；

所述第三金属面M3、第四金属面M4位于未伸入矩形波导部分。

2.根据权利要求1所述的一种微带线到矩形波导的宽带转换结构，其特征在于所述第一金属地的靠近微带偶极子上臂端与矩形波导短路面开孔的与矩形波导连通处位置相同；所述的第一微带线与两第一金属地不接触；所述的微带偶极子上臂与第一金属地间的最近距离为d1，其长度满足d1+w1≥0.25λ_g，λ_g为最高频率对应的介质波长，其中w1表示微带偶极子上臂的宽度；所述的第一介质基板的伸入矩形波导部分长度d2满足d2＞w1+d1。

3.根据权利要求1所述的一种微带线到矩形波导的宽带转换结构，其特征在于第二金属面M2长度等于第一金属地，宽度与第二介质板相同；第二微带线的x轴向中轴线与第一微带线的x轴向中轴线重合；微带偶极子上臂中心所在的y轴向线与微带偶极子下臂中心所在的y轴向线重合。

4.根据权利要求1所述的一种微带线到矩形波导的宽带转换结构，其特征在于所述的金属过渡结构采用喇叭状，较大开口端与矩形金属的一端连接，较小开口端与第二微带线的一端连接；较大开口端的宽度小于等于第二介质板的宽度。

5.根据权利要求1所述的一种微带线到矩形波导的宽带转换结构，其特征在于所述第三金属面M3长度等于第一金属地，宽度与第三介质板相同；所述第四金属面M4长度等于第一金属地，宽度与第四介质板相同。

6.根据权利要求1所述的一种微带线到矩形波导的宽带转换结构，其特征在于所述的第一金属化通孔贯穿第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、微带偶极子下臂、微带偶极子折叠单元。

7.根据权利要求1所述的一种微带线到矩形波导的宽带转换结构，其特征在于所述的每列第二金属化通孔阵列贯穿其中一个第一金属地、第一介质基板、第二金属面、第二介质基板、第三金属面、第三介质基板、第四金属面；用于阻止能量的泄漏以及减少表面波损耗。

8.根据权利要求1所述的一种微带线到矩形波导的宽带转换结构，其特征在于所述的微带偶极子折叠单元的宽度与微带偶极子上臂相同。

9.根据权利要求1所述的一种微带线到矩形波导的宽带转换结构，其特征在于所述的第一至三介质基板的总厚度小于矩形波导的长边长度Lr的一半；介质基板的宽度小于等于波导窄边宽度Wr。

10.根据权利要求1所述的一种微带线到矩形波导的宽带转换结构，其特征在于所述的微带偶极子上臂与矩形波导上表面的距离d5＝Lr/2。