CN113764850A - 一种接地共面波导-矩形波导滤波过渡结构 - Google Patents

Abstract

一种接地共面波导‑矩形波导滤波过渡结构，包括：基板(1)，上下表面均镀有金属层；接地共面波导传输线(2)，印制在基板上表面金属层(1‑1)上，用于输入电磁波；宽带滤波过渡结构(3)，刻蚀在基板下表面金属层(1‑2)上，与矩形波导(5)连接，包括馈电枝节(3‑1)、短路枝节(3‑3)、耦合枝节(3‑2)和谐振腔，用于电磁波的宽带传输和带外抑制性能；第一金属化过孔(4)，贯穿基板(1)，将接地共面波导传输线(2)的输出端与馈电枝节(3‑1)相连。该过渡结构一方面可以通过将宽带滤波过渡结构(3)设于基板(1)底部接地，以避免较大的辐射损耗，另一方面可以通过多种谐振结构之间相互耦合(3)，增大了电磁波传输的工作带宽，并具有良好的带外抑制滤波性能。

Description

一种接地共面波导-矩形波导滤波过渡结构

技术领域

本公开涉及毫米波太赫兹研究技术领域，尤其涉及一种接地共面波导-矩形波导滤波过渡结构。

背景技术

随着太赫兹技术在无线通信领域中的发展，单片集成电路、混合集成电路以及集成微系统在通信、雷达等领域具有广阔的应用前景。接地共面波导(Grounded CoplanarWaveguide，缩写GCPW)是一种色散小、损耗低的平面电路传输线，非常容易实现与无源、有源器件的串联和并联，可以显著提高电路密度以及传输效率；矩形波导(RectangularWaveguide，缩写RWG)具有结构简单、机械性能稳定、低损耗等特点，成为了太赫兹器件或者测试系统最常用的封装接口。在毫米波太赫兹系统中，这两种低损耗传输线之间的互连转换决定着整个系统的传输效率，因此，在GCPW与RWG之间实现高性能的过渡结构成为了毫米波太赫兹系统的关键技术研究。此外，滤波器也是通信系统前端中不可或缺的重要器件，在过渡结构中集成滤波功能可以省略额外的滤波器结构使用，进一步降低系统的损耗和复杂性。

传统的GCPW到RWG的过渡由探针激励、脊波导过渡和缝隙耦合等方式实现。在太赫兹波段，波导探针存在易碎、加工微组装难度大的问题，且需要四分之一波长的短路背腔。通过脊波导过渡的方式则需要在波导内部加工渐变的金属脊，增加了加工难度，且金属脊需要与平面电路具有良好的电接触，增加了装配难度。缝隙耦合的过渡方式虽然能够提供简易的微组装过程，但是由于其谐振模式会带来一定的辐射损耗，导致该结构的插入损耗大。因此有必要开发一种降低微组装难度以及损耗低的过渡结构，实现太赫兹GCPW平面电路与波导器件的高效率互连。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种接地共面波导-矩形波导滤波过渡结构，以至少部分解决目前GCPW-RWG过渡结构在毫米波太赫兹频段传输损耗大以及加工装配难度高的问题。

本公开的一个方面提供了一种接地共面波导-矩形波导滤波过渡结构，包括：基板，上下表面均镀有金属层；接地共面波导传输线，印制在所述基板上表面金属层上，用于输入电磁波；宽带滤波过渡结构，刻蚀在所述基板下表面金属层上，与矩形波导连接，包括馈电枝节、短路枝节、耦合枝节和谐振腔，用于所述电磁波的宽带传输和带外抑制性能；第一金属化过孔，贯穿所述基板，将所述接地共面波导传输线的输出端与所述馈电枝节相连。

根据本公开的实施例，该过渡结构还包括：多个第二金属化过孔，贯穿所述基板，分设于所述接地共面波导传输线和所述宽带滤波过渡结构周围，用于防止所述电磁波在所述基板的上下表面的金属层之间产生平行板模式。

根据本公开的实施例，所述谐振腔包括：U形膜片，相对于所述接地共面波导传输线对称设置；短路金属化过孔，设于所述U形膜片上，且位于所述U形膜片的中线上；所述U形膜片和所述短路金属化过孔具有电容和电感特性，构成所述谐振腔。

根据本公开的实施例，所述馈电枝节数量为二，位于所述U形膜片内的凹形区域内，对称设于所述U形膜片的中线两侧。

根据本公开的实施例，所述耦合枝节位于所述馈电枝节与所述U形膜片之间，用于控制着所述馈电枝节与所述U形膜片之间的耦合水平。

根据本公开的实施例，所述短路枝节数量为二，对称设于所述U形膜片的中线两侧，分别与所述U形膜片的一端连接。

根据本公开的实施例，所述馈电枝节与所述第一金属化过孔的交接处设有两个半径不同的匹配半圆结构。

根据本公开的实施例，所述U形膜片的横向尺寸与所述矩形波导的横截面宽边尺寸相同。

根据本公开的实施例，所述矩形波导与所述宽带滤波过渡结构垂直连接。

根据本公开的实施例，所述第二金属化过孔的间距大于过所述第二金属化过孔的直径。

在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

本公开提出了一种GCPW-RWG滤波过渡结构，该结构不但具有宽带低损耗过渡性能，同时还具备良好带外抑制滤波特性，实现了太赫兹频段宽带过渡与滤波融合技术，装配工艺要求也低。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了本公开实施例提供的一种接地共面波导-矩形波导滤波过渡结构的结构示意图；

图2示意性示出了本公开实施例提供的一种接地共面波导-矩形波导滤波过渡结构的基板上表面的示意图；

图3示意性示出了本公开实施例提供的一种接地共面波导-矩形波导滤波过渡结构的基板下表面的示意图；

图4示意性示出了本公开实施例提供的一种接地共面波导-矩形波导滤波过渡结构的仿真S参数图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

图1示意性示出了本公开实施例提供的一种接地共面波导-矩形波导滤波过渡结构的结构示意图。

如图1所示，本公开实施例提供的一种接地共面波导-矩形波导滤波过渡结构，包括：基板1，接地共面波导传输线2，宽带滤波过渡结构3，第一金属化过孔4。

其中，基板上下表面均镀有金属层；接地共面波导传输线2印制在所述基板上表面金属层1-1上，用于输入电磁波；宽带滤波过渡结构3刻蚀在所述基板下表面金属层1-2上，与矩形波导5连接，包括馈电枝节3-1、短路枝节3-3、耦合枝节3-2和谐振腔，用于所述电磁波的额高带宽和带外抑制性能；第一金属化过孔4贯穿所述基板1，将所述接地共面波导传输线2的输出端与所述馈电枝节3-1相连。

在本公开实施例中，一方面，宽带滤波过渡结构3设置在基板1底部接地层，可以避免较大的辐射损耗；另一方面，宽带滤波过渡结构3包括了多个枝节谐振结构，用于提高带宽和带外抑制性能，具备良好滤波特性。

图2示意性示出了本公开实施例提供的一种接地共面波导-矩形波导滤波过渡结构的基板上表面的示意图。

如图2所示，接地共面波导传输线2印制在所述基板上表面金属层1-1上，在接地共面波导传输线2的末端为第一金属化过孔4，参考图1，第一金属化过孔4穿过基板1，连接到基板表面的宽带滤波过渡结构3上。结合图1、图2，在接地共面波导传输线2和所述宽带滤波过渡结构3的周围，还设有多个第二金属化过孔6，贯穿基板1，用于防止所述电磁波在所述基板1的上下表面的金属层之间产生平行板模式。

优选的，所述第二金属化过孔6的间距大于过所述第二金属化过孔6的直径，以降低加工难度，提高制造加工成品率。

图3示意性示出了本公开实施例提供的一种接地共面波导-矩形波导滤波过渡结构的基板下表面的示意图。

如图3所示，宽带滤波过渡结构3刻蚀在所述基板下表面金属层1-2上，包括为馈电枝节3-1、短路枝节3-3、耦合枝节3-2和谐振腔。除了来自馈电枝节3-1和谐振腔的两个谐振之外，另一个谐振来自耦合枝节3-2，耦合短截线宽度控制着馈电枝节3-1和谐振腔之间的耦合水平。此外，短路枝节3-3会产生一个传输零点。宽带滤波过渡结构3可以通过石英薄膜电路工艺制造。

具体的，所述谐振腔包括：U形膜片8和短路金属化过孔7。其中，U形膜片8相对于所述接地共面波导传输线2对称设置；短路金属化过孔7设于所述U形膜片8上，且位于所述U形膜片8的中线(U形膜片8的中线与接地共面波导传输线2平行)上。所述U形膜片8和所述短路金属化过孔7分别具有电容和电感特性，从而构成谐振腔。所述馈电枝节3-1数量为二，位于所述U形膜片8内的凹形区域内，对称设于所述U形膜片8的中线两侧。所述耦合枝节3-2位于所述馈电枝节3-1与所述U形膜片8之间，用于控制着所述馈电枝节3-1与所述U形膜片8之间的耦合水平。所述短路枝节3-3数量为二，对称设于所述U形膜片8的中线两侧，分别与所述U形膜片8的一端连接。

特别的，第一金属化过孔4设于所述U形膜片8内的凹形区域中间，与馈电枝节3-1连接，所述馈电枝节3-1与所述第一金属化过孔4的交接处设有两个半径不同的匹配半圆结构3-4，以提升阻抗匹配。

如图3所示，U形膜片8实际为半封闭式矩形，横向尺寸与所述矩形波导5的横截面宽边尺寸相同。所述矩形波导5与所述宽带滤波过渡结构3垂直连接，连接时，矩形波导5与U形膜片8对齐。

图4示意性示出了本公开实施例提供的一种接地共面波导-矩形波导滤波过渡结构的仿真S参数图。

如图4所示，仿真结果表明，本公开的接地共面波导-矩形波导过渡结构在0.182THz至0.227THz(22％)的频率范围内，回波损耗S11优于15dB，插入损耗S21低于0.4dB，带外抑制水平在阻带上超过15dB，在特定频率点抑制水平为40dB，该结构的S11及S21参数均具有良好的表现，达到设计目标。

综上，本公开提出了一种接地共面波导-矩形波导过渡结构，该新结构不但具有宽带低损耗过渡性能，同时还具备良好的带外抑制滤波特性，可以实现太赫兹频段宽带过渡与滤波融合技术，其装配工艺要求电低。本公开所提出的滤波过渡方案可以适用于单片集成电路、波导和天线馈电应用中的高效高集成滤波互连。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (10)

1.一种接地共面波导-矩形波导滤波过渡结构，其特征在于，包括：

基板(1)，上下表面均镀有金属层；

接地共面波导传输线(2)，印制在所述基板的上表面金属层(1-1)上，用于输入电磁波；

宽带滤波过渡结构(3)，刻蚀在所述基板下表面金属层(1-2)上，与矩形波导(5)连接，包括馈电枝节(3-1)、短路枝节(3-3)、耦合枝节(3-2)和谐振腔，用于所述电磁波的宽带传输和带外抑制性能；

第一金属化过孔(4)，贯穿所述基板(1)，将所述接地共面波导传输线(2)的输出端与所述馈电枝节(3-1)相连。

2.根据权利要求1所述的接地共面波导-矩形波导滤波过渡结构，其特征在于，还包括：

多个第二金属化过孔(6)，贯穿所述基板(1)，分设于所述接地共面波导传输线(2)和所述宽带滤波过渡结构(3)周围，用于防止所述电磁波在所述基板(1)的上下表面的金属层之间产生平行板模式。

3.根据权利要求1所述的接地共面波导-矩形波导滤波过渡结构，其特征在于，所述谐振腔包括：

U形膜片(8)，相对于所述接地共面波导传输线(2)对称设置；

短路金属化过孔(7)，设于所述U形膜片(8)上，且位于所述U形膜片(8)的中线上；

所述U形膜片(8)和所述短路金属化过孔(7)分别具有电容和电感特性。

4.根据权利要求3所述的接地共面波导-矩形波导滤波过渡结构，其特征在于，所述馈电枝节(3-1)数量为二，位于所述U形膜片(8)内的凹形区域内，对称设于所述U形膜片(8)的中线两侧。

5.根据权利要求4所述的接地共面波导-矩形波导滤波过渡结构，其特征在于，所述耦合枝节(3-2)位于所述馈电枝节(3-1)与所述U形膜片(8)之间，用于控制着所述馈电枝节(3-1)与所述U形膜片(8)之间的耦合水平。

6.根据权利要求3所述的接地共面波导-矩形波导滤波过渡结构，其特征在于，所述短路枝节(3-3)数量为二，对称设于所述U形膜片(8)的中线两侧，分别与所述U形膜片(8)的一端连接。

7.根据权利要求1所述的接地共面波导-矩形波导滤波过渡结构，其特征在于，所述馈电枝节(3-1)与所述第一金属化过孔(4)的交接处设有两个半径不同的匹配半圆结构(3-4)。

8.根据权利要求3所述的接地共面波导-矩形波导滤波过渡结构，其特征在于，所述U形膜片(8)的横向尺寸与所述矩形波导(5)的横截面宽边尺寸相同。

9.根据权利要求8所述的接地共面波导-矩形波导滤波过渡结构，其特征在于，所述矩形波导(5)与所述宽带滤波过渡结构(3)垂直连接。

10.根据权利要求2所述的接地共面波导-矩形波导滤波过渡结构，其特征在于，所述第二金属化过孔(6)的间距大于过所述第二金属化过孔(6)的直径。

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