CN114050407B - 波导模式激励结构、方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波导模式激励结构、方法及其应用。该波导模式激励结构包括：第一金属层、介质层和第二金属层，其中，贯穿介质层形成有过孔；第一金属层，包括平面传输线、短路末端；介质层，位于所述第一金属层上侧；第二金属层，位于所述介质层上侧，包括耦合窗口，其中，所述耦合窗口的内侧边缘靠近所述短路末端；其中，所述耦合窗口内部包括U形膜片和紧耦合枝节阵列，所述U形膜片的开口侧朝向所述平面传输线，所述紧耦合枝节阵列位于所述U形膜片的开口侧。

Description

波导模式激励结构、方法及其应用

技术领域

本发明涉及无线雷达通信领域，具体涉及波导传输激励结构领域，尤其涉及一种波导模式激励结构、方法及其应用。

背景技术

近年来，由于对高速无线通信的需求不断增长，新的频率资源正在被开发。在射频前端中起关键作用的太赫兹单片微波集成电路(MMIC)也得到了大量的研究。共面波导(CPW)作为MMIC的关键电路特性之一，广泛应用于平面微波电路中，具有较低的高频辐射损耗。CPW典型的变形是加上一个额外的底部接地面，称为接地共面波导(GCPW)，可以提供与其他电路和组件更好的集成。另一方面，矩形波导喇叭天线以其结构简单、性能好、交极化率低、频带宽等优点在高增益太赫兹天线中得到了广泛的应用。矩形波导与平面传输线之间互连的插入损耗高，微组装过程复杂，降低了太赫兹收发器和天线的性能，限制了太赫兹技术的应用。

传统矩形波导传输主模激励结构的方法有多种，主要包括探针、脊波导过渡和缝隙耦合。微带探针是目前最常用的激励结构，四分之一波长短路波导必不可少，以提高带宽和过渡效率，但增加了太赫兹波段微组装过程的复杂性。另一种类似的激励结构采用波导金属脊渐变结构，金属脊必须安装在波导内部，在毫米波太赫兹频段应用中，制备和微组装复杂，难度大。缝隙耦合激励方式利用地面上的缝隙将电磁场从GCPW耦合到矩形波导，当激励用于宽带应用时，结构的辐射损失明显。因此在太赫兹频段，需要开发一种降低微组装难度以及损耗低的矩形波导传输主模的激励结构，实现太赫兹GCPW平面电路与波导器件的高效率传输。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种波导模式激励结构、方法及其应用，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面的实施例，提供了一种波导模式激励结构，包括：第一金属层、介质层和第二金属层，其中，贯穿介质层形成有过孔；其中，第一金属层包括平面传输线、短路末端，其中，短路末端形成于平面传输线的第一侧，平面传输线的第二侧与平面传输线的第一侧相对应，位于第一金属层的边缘；介质层位于第一金属层上侧；第二金属层位于介质层上侧，包括耦合窗口，其中，所述耦合窗口的内侧边缘靠近短路末端；其中，所述耦合窗口内部包括U形膜片和紧耦合枝节阵列，U形膜片的开口侧朝向平面传输线，紧耦合枝节阵列位于U形膜片的开口侧。

根据本发明的实施例，其中，U形膜片与耦合窗口整体贴合，且关于平面传输线左右对称。

根据本发明的实施例，其中，紧耦合枝节阵列包括多个紧耦合枝节，多个紧耦合枝节沿着紧耦合枝节的长边方向以相同的距离错开；以及多个紧耦合枝节的个数大于等于3，且紧耦合枝节阵列关于平面传输线左右对称。

根据本发明的实施例，波导模式激励结构还包括短路过孔，短路过孔贯穿介质层，与U形膜片的未开口侧接触，且位于平面传输线的中心轴延长线上，短路过孔为金属化过孔。

根据本发明的实施例，波导模式激励结构还包括波导，其中，耦合窗口的尺寸与波导的尺寸相同，波导与耦合窗口垂直端接。

作为本发明的另一个方面的实施例，还提供了一种波导模式激励结构的制备方法，包括：在介质层的两侧分别形成第一金属层和第二金属层，其中，贯穿介质层形成有过孔；在第一金属层上形成平面传输线，以及位于平面传输线的第一侧的短路末端，其中，短路末端形成于平面传输线的第一侧，平面传输线的第二侧与平面传输线的第一侧相对应，位于第一金属层的边缘；在第二金属层上形成耦合窗口，以使耦合窗口的内侧边缘靠近短路末端；在耦合窗口内形成U形膜片和紧耦合枝节阵列，以使U形膜片的开口侧朝向平面传输线，紧耦合枝节阵列位于U形膜片的开口侧。

根据本发明的实施例，其中，在耦合窗口内形成U形膜片，以使U形膜片与耦合窗口整体贴合，且关于平面传输线左右对称。

根据本发明的实施例，其中，在耦合窗口内形成紧耦合枝节阵列，包括：形成多个紧耦合枝节，多个紧耦合枝节沿着紧耦合枝节的长边方向以相同的距离错开；以及形成的多个紧耦合枝节个数大于等于3，且紧耦合枝节阵列关于平面传输线左右对称。

根据本发明的实施例，其中，贯穿介质层形成有短路过孔，以使短路过孔与U形膜片的未开口侧接触，且位于平面传输线的中心轴延长线上；以及对短路过孔进行金属化，形成金属化短路过孔。

作为本发明的另一个方面的实施例，还提供了一种波导模式激励器件，包括采用如上所述的波导模式激励结构的集成器件。

根据本发明上述实施例提供的波导模式激励结构，通过在第一金属层设置耦合窗口，并在耦合窗口内形成U形膜片和紧耦合枝节阵列，使波导只支持一种传播模式。同时，该波导模式激励结构还能够在不增加加工装配难度的同时，减少毫米波太赫兹频段传输产生的损耗。此外，耦合窗口内形成的紧耦合枝节阵列还能够激励起多种谐振模式，提高激励带宽并进一步改善工作频带，实现超宽带波导模式激励结构。因此，本发明提供的波导模式激励结构具有效率高、制作方便和宽带性能好等特点。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的波导模式激励结构的3D示意图；

图2是图1所示的波导模式激励结构的俯视图；

图3是图1所示的波导模式激励结构的紧耦合枝节阵列的激励示意图；

图4是图1所示的波导模式激励结构的仰视图；

图5是采用图1所示的波导模式激励结构的具体实施例的仿真S参数图。

附图标记：

1-第一金属层

101-平面传输线 102-短路末端

2-介质层

3-第二金属层

301-耦合窗口 302-U形膜片 303-紧耦合枝节阵列

4-过孔

5-短路过孔

6-波导

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本申请的范围。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申请的概念。在附图中示出了根据本申请实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。

根据本发明的一个方面的总体上的发明构思，提供了一种波导模式激励结构，包括：第一金属层、介质层和第二金属层，其中，贯穿介质层形成有过孔；其中，第一金属层包括平面传输线、短路末端，其中，短路末端形成于平面传输线的第一侧，平面传输线的第二侧与平面传输线的第一侧相对应，位于第一金属层的边缘；介质层位于第一金属层上侧；第二金属层位于介质层上侧，包括耦合窗口，其中，所述耦合窗口的内侧边缘靠近短路末端；其中，所述耦合窗口内部包括U形膜片和紧耦合枝节阵列，U形膜片的开口侧朝向平面传输线，紧耦合枝节阵列位于U形膜片的开口侧

图1是根据本发明的实施例的波导模式激励结构的3D示意图。

如图1所示，波导模式激励结构包括：第一金属层1、介质层2、第二金属层3和过孔4。过孔4贯穿介质层2。过孔4为金属化过孔，设置于耦合窗口301和平面传输线101的周围，且关于平面传输线101对称，可以防止电磁波在第一金属层1和第二金属层3产生平行板模式的表面波泄露。金属化过孔(过孔4)之间的间距大于等于金属化过孔的直径。每个金属化过孔之间相互不接触，由此降低加工难度，提高加工成品率。

第一金属层1包括平面传输线101、短路末端102。

根据本发明的实施例，平面传输线101包括接地共面波导传输线，微带线。

平面传输线101的第二侧位于第一金属层1的边缘，与平面传输线101的第二侧相对应的第一侧形成了短路末端102。介质层2位于第一金属层1的上侧。第二金属层3位于介质层2的上侧，包括耦合窗口301，耦合窗口301靠近短路末端102，且短路末端102位于耦合窗口301的内侧边缘，靠近耦合窗口301。耦合窗口301内部包括U形膜片302和紧耦合枝节阵列303，U形膜片302的开口侧朝向平面传输线101，紧耦合枝节阵列303位于U形膜片302的开口侧。位于第一金属层1的平面传输线101通过短路末端102直接激励位于第二金属层3的紧耦合枝节阵列303，将主要激励结构从第一金属层1转移到第二金属层3。将主要激励结构从第一金属层1转移到第二金属层3，可以减少由于平面传输线101造成的传输过程的辐射损耗。加入的紧耦合枝节阵列303能够将主要激励结构转移到第二金属层3，配合短路末端102减少辐射损耗；紧耦合枝节阵列303还具有多个谐振模频率，能够实现宽带激励的效果。

根据本发明上述实施例提供的波导模式激励结构，通过在第一金属层设置耦合窗口，并在耦合窗口内形成U形膜片和紧耦合枝节阵列，使波导只支持一种传播模式。同时，该波导模式激励结构还能够在不增加加工装配难度的同时，减少毫米波太赫兹频段传输产生的损耗。此外，耦合窗口内形成的紧耦合枝节阵列还能够激励起多种谐振模式，提高激励带宽并进一步改善工作频带，实现超宽带波导模式激励结构。因此，本发明提供的波导模式激励结构具有效率高、制作方便和宽带性能好等特点。

图2是图1所示的波导模式激励结构的俯视图。

根据本发明的实施例，结合图1和图2，其中，U形膜片302与耦合窗口301整体贴合，且关于平面传输线101左右对称。U形膜片302与耦合窗口301整体贴合，包括U形膜片302的未开口侧和U形膜片302的两侧壁都与耦合窗口301紧密贴合。U形膜片302还关于平面传输线101左右对称。

根据本发明的实施例，结合图1和图2，其中，紧耦合枝节阵列303包括多个紧耦合枝节，所述多个紧耦合枝节沿着紧耦合枝节的长边方向以相同的距离错开。多个紧耦合枝节的个数大于等于3，并且紧耦合枝节阵列关于平面传输线101左右对称。紧耦合枝节阵列303与U形膜片302之间不接触。多个紧耦合枝节末端部分重叠后形成电容耦合结构，重叠长度控制相邻枝节之间的耦合水平，用于调节阻抗匹配和工作带宽。通过设计多个紧耦合枝节的形状、结构，紧耦合枝节阵列303可以宽频带波导模式激励。

根据本发明的实施例，多个紧耦合枝节形状包括但不限于矩形，且多个紧耦合枝节单元的长度、间距、形状均可不同，只需保证关于平面传输线101左右对称。此外，紧耦合枝节阵列303在关于平面传输线101左右对称的同时，也可与U形膜片侧壁呈一定角度设置，该角度小于等于10°。

图3是图1所示的波导模式激励结构的紧耦合枝节阵列的激励示意图。

如图1、图2和图3所示，多个紧耦合枝节末端部分重叠后形成电容耦合结构，多个紧耦合枝节之间的电容耦合结构允许电磁场在相邻紧耦合枝节之间传播。紧耦合枝节阵列303中每个枝节上的电流分布与独立存在的枝节上的电流分布不同。只存在一个枝节时，单枝节没有电荷存储功能，单枝节两端的电流趋于零。如图3所示，形成电容耦合结构的紧耦合枝节阵列303能够在多个紧耦合枝节之间引入电容，存储电荷，使得紧耦合枝节阵列303的电流沿着竖直方向稳定为常数。紧耦合枝节阵列303关于平面传输线101对称，紧耦合枝节阵列303也关于设置在平面传输线101一侧的短路末端102对称。如图3所示，通过短路末端102馈电，紧耦合枝节阵列303在水平方向的电流正弦分布。

在更宽的频带范围内，紧耦合枝节阵列303的理想电流分布能够使波导内部只存在一种传播模式，没有其他消逝模式的耦合，高阶模式产生的电抗最小。此外，多个紧耦合枝节本身通常与电感相关联，该电感与多个紧耦合枝节之间的耦合电容相结合，可以中和高阶模式带来的电抗分量。因此，波导模式激励结构的工作频带得到了进一步的改善，可以得到一种实用的超宽带激励结构。

此外，对于横电磁模式(TEM)或准TEM传输线来说，通常只有一个由给定源激发的传播模式，但在非TEM传输线波导的情况下，可以同时激发多个横电(TE)和横磁(TM)传播模式和消逝模式。因此，在波导的实际单模应用中，需要限定波导横截面几何参数和工作频带，使波导只支持一种传播模式。本发明不需要通过限定波导横截面几何参数和工作频带，通过加入紧耦合枝节阵列就能使波导只支持一种传播模式。本发明通过在紧耦合枝节阵列旁边设置U形膜片和短路过孔，减小其他消逝模式的电抗所增加的阻抗匹配难度，在不增加加工装配难度的同时减少毫米波太赫兹频段传输产生的损耗。

图4是图1所示的波导模式激励结构的仰视图。

根据本发明的实施例，结合图1、图2和图4，其中，波导模式激励结构还包括短路过孔5，短路过孔5贯穿介质层2，与U形膜片302的未开口侧接触，且位于平面传输线101的中心轴延长线上，短路过孔5为金属化过孔。在波导模式激励结构中引入了短路过孔5，短路过孔5与U形膜片302匹配共同调节波导模式激励结构的阻抗匹配。短路过孔5引入了电感特性，U形膜片302引入了电容特性。短路过孔5与U形膜片302未开口侧接触，且此处U形膜片302的未开口侧还与耦合窗口301贴合，使得短路过孔5还与耦合窗口301相接触。通过调节短路过孔5的中心与贴合U形膜片302的耦合窗口301接触边之间的距离，可以调节整个波导模式激励结构的阻抗匹配。

根据本发明的实施例，如图1、图2和图4所示，波导模式激励结构还包括波导6。耦合窗口301的尺寸与波导6的尺寸相同，波导6与耦合窗口301垂直端接。在示例中，波导6为矩形波导，耦合窗口301的形状和尺寸与波导6的形状和尺寸均相同，利用导电胶将波导6垂直端接在尺寸相同的耦合窗口301上。通过波导模式激励结构能够实现宽频带毫米波太赫兹频段的电磁波在波导6和接地共面波导之间的传输。由于波导模式激励结构具有较低的辐射损耗，因此矩形波导-平面传输线之间的整体互连具有较高的过渡效率。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种波导模式激励结构的制备方法，包括：

如图1、图2和图4所示，在介质层2的两侧分别形成第一金属层1和第二金属层3，其中，贯穿介质层2形成有过孔，对过孔进行金属化处理，形成金属化过孔。第一金属层1、第二金属层3和金属化过孔都是由电导率高、损耗低的金属制成，包括铜、金。其中，在介质层2上形成的第一金属层1和第二金属层3覆盖于贯穿介质层2形成的金属化过孔上。

在第一金属层1上形成平面传输线101，以及位于平面传输线101的第一侧的短路末端102。其中，短路末端102形成于平面传输线101的第一侧，平面传输线101的第二侧与平面传输线101的第一侧相对应，位于第一金属层1的边缘。

在第二金属层3上形成耦合窗口301和，以使耦合窗口301的内侧边缘靠近短路末端102。短路末端102位于耦合窗口301的内侧，保证平面传输线101可以通过短路末端102向波导6馈电。

在耦合窗口301内形成U形膜片302和紧耦合枝节阵列303，以使U形膜片302的开口侧朝向平面传输线101，紧耦合枝节阵列303位于U形膜片302的开口侧。紧耦合枝节阵列303位于U形膜片302的开口侧，不与U形膜片302接触，使得紧耦合枝节阵列303能够激励电磁场，实现宽带太赫兹波的波导模式激励。

根据本发明的实施例，其中，在耦合窗口301内形成U形膜片302，以使U形膜片302与耦合窗口301整体贴合，且关于平面传输线101左右对称。

根据本发明的实施例，其中，在耦合窗口301内形成紧耦合枝节阵列303，包括：形成多个紧耦合枝节，多个紧耦合枝节沿着紧耦合枝节的长边方向以相同的距离错开；以及形成的多个紧耦合枝节个数大于等于3，且紧耦合枝节阵列303关于平面传输线101左右对称。多个紧耦合枝节形状包括但不限于矩形，且多个紧耦合枝节单元的长度、间距、形状均可不同，只需保证关于平面传输线101左右对称。此外，紧耦合枝节阵列303在关于平面传输线101左右对称的同时，也可与U形膜片侧壁呈一定角度设置，该角度小于等于10°。

根据本发明的实施例，其中，贯穿介质层2形成有短路过孔5，以使短路过孔5与U形膜片302的未开口侧接触，且位于平面传输线101的中心轴延长线上；以及对短路过孔5进行金属化，形成金属化短路过孔。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种波导模式激励器件，包括采用上述波导模式激励结构的集成器件，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互联。

根据本发明的具体实施例，采用标准WR4波导，介质层材质为石英，厚度为100μm，介电常数为3.82。第一金属层1和第二金属层3由金制成。

对石英介质层进行打孔并金属化过孔，防止电磁波在第一金属层和第二金属层之间产生平行板模式的表面波泄露。

金属化过孔的间距应不小于过孔的直径，降低加工难度，提高制造加工成品率。

在第一金属层印制有接地共面波导(GCPW)传输线，GCPW短路末端靠近耦合窗口301的内侧边缘。

在第二金属层，刻蚀与WR4波导口相同尺寸的耦合窗口，同时窗口内设置有U形膜片和紧耦合枝节阵列。形成的GCPW传输线和耦合窗口被上述金属化过孔包围。

U型膜片较长的一边与波导口的宽边完全重合，且关于GCPW传输线对称放置。

紧耦合枝节末端进行部分重叠形成电容耦合结构，重叠长度控制相邻枝节之间的耦合水平，用于调节阻抗匹配以及工作带宽。

相邻紧耦合枝节沿着紧耦合枝节的长边方向以相同的距离错开，形成电容耦合的紧耦合枝节阵列。

紧耦合枝节阵列的位置关于GCPW传输线对称放置。

U形膜片的正中间放置一个金属化短路过孔，与U型膜片共同用于调节阻抗匹配。

WR4波导与石英介质层进行垂直端接，WR4波导对准在第二金属层刻蚀的耦合窗口。

图5是采用图1所示的波导模式激励结构的具体实施例的仿真S参数图。S11是GCPW传输线端的回波损耗，S22是矩形波导端的回波损耗，S21是传输过程中的插入损耗。

如图5所示，在0.182THz至0.238THz(26％)的频率范围内，S11以及S21参数都有良好的表现，回波损耗S11优于15dB，插入损耗S21低于0.4dB。本发明能够在提高宽带激励的情况下，减少波导模式主模激励结构在毫米波太赫兹频段的传输损耗。

本发明提出了一种波导模式激励结构，该激励结构不但具有低损耗传输性能，同时还具备宽带特性，装配工艺要求也低。能够解决矩形波导主模激励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。本发明提出的波导模式激励结构还适用于单片集成电路、波导和天线馈电应用中的宽带高效高集成互连。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种波导模式激励结构，包括：

第一金属层、介质层和第二金属层，其中，贯穿介质层形成有过孔；

其中，第一金属层包括平面传输线、短路末端，其中，所述短路末端形成于所述平面传输线的第一侧，所述平面传输线的第二侧与所述平面传输线的第一侧相对应，位于所述第一金属层的边缘；

介质层位于所述第一金属层上侧；

第二金属层位于所述介质层上侧，包括耦合窗口，所述耦合窗口的内侧边缘靠近所述短路末端；

其中，所述耦合窗口内部包括U形膜片和紧耦合枝节阵列，所述U形膜片的开口侧朝向所述平面传输线，所述紧耦合枝节阵列位于所述U形膜片的开口侧，所述紧耦合枝节阵列与所述U形膜片不接触；

其中，所述紧耦合枝节阵列包括多个紧耦合枝节，所述紧耦合枝节的长边方向以相同的距离错开；以及

所述多个紧耦合枝节的个数大于等于3，且所述紧耦合枝节阵列关于所述平面传输线左右对称；

短路过孔，所述短路过孔贯穿所述介质层，与所述U形膜片的未开口侧接触，且位于所述平面传输线的中心轴延长线上，所述短路过孔为金属化过孔。

2.根据权利要求1所述的波导模式激励结构，其中，所述U形膜片与所述耦合窗口整体贴合，且关于所述平面传输线左右对称。

3.根据权利要求1所述的波导模式激励结构，还包括波导，其中，所述耦合窗口的尺寸与所述波导的尺寸相同，所述波导与所述耦合窗口垂直端接。

4.一种波导模式激励结构的制备方法，包括：

在介质层的两侧分别形成第一金属层和第二金属层，其中，贯穿介质层形成有过孔；

在所述第一金属层上形成平面传输线，以及位于所述平面传输线的第一侧的短路末端，其中，所述短路末端形成于所述平面传输线的第一侧，所述平面传输线的第二侧与所述平面传输线的第一侧相对应，位于所述第一金属层的边缘；

在所述第二金属层上形成耦合窗口，以使所述耦合窗口的内侧边缘靠近所述短路末端；

在所述耦合窗口内形成U形膜片和紧耦合枝节阵列，以使所述U形膜片的开口侧朝向所述平面传输线，所述紧耦合枝节阵列位于所述U形膜片的开口侧，所述紧耦合枝节阵列与所述U形膜片不接触；

其中，在所述耦合窗口内形成所述紧耦合枝节阵列，包括：

形成多个紧耦合枝节，所述多个紧耦合枝节沿着所述紧耦合枝节的长边方向以相同的距离错开；以及

形成的所述多个紧耦合枝节个数大于等于3，且所述紧耦合枝节阵列关于所述平面传输线左右对称；

贯穿所述介质层形成有短路过孔，以使所述短路过孔与所述U形膜片的未开口侧接触，且位于所述平面传输线的中心轴延长线上；以及对所述短路过孔进行金属化，形成金属化短路过孔。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其中，在所述耦合窗口内形成所述U形膜片，以使所述U形膜片与所述耦合窗口整体贴合，且关于所述平面传输线左右对称。

6.一种波导模式激励器件，包括采用如权利要求1-3中任一项所述的波导模式激励结构的集成器件。