CN114464976A - Ku频段微带波导转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Ku频段微带波导转换装置，包括：波导同轴转换连接器、上腔体、PCB板、下腔体、定位销钉和紧固件，所述波导同轴转换连接器的波导端口通过所述紧固件与所述上腔体连接并锁定，所述波导同轴转换连接器还设置有用于与仪器设备连接、测试微波毫米波电路性能的同轴端口；所述PCB板设置于所述上腔体与所述下腔体之间；所述定位销钉贯穿于所述下腔体和所述PCB板，并嵌入所述上腔体，实现所述上腔体、所述PCB板和所述下腔体之间的安装；所述紧固件完成所述上腔体、所述PCB板、所述下腔体和所述波导同轴转换连接器之间的装配。本发明可拓宽微带波导转换结构的带宽，降低插入损耗，实现Ku频段超宽带低损耗微带波导转换结构。

Description

Ku频段微带波导转换装置

技术领域

本发明涉及微波毫米波电路设计及测试测量技术领域，尤其涉及一种Ku频段微带波导转换装置。

背景技术

随着微波毫米波技术在现代无线通信系统中的大力发展和应用，通信设备也逐渐向小体积、轻重量、低功耗、高频宽带方向发展，这对通信系统的平面化、模块化和可靠性都提出了更高的要求。传输线作为微波毫米波电路与系统最基本的组成部分，其尺寸大小、损耗、工作频带、传输特性等都直接或间接地决定着通信系统的性能指标。为了满足小体积、轻重量、高可靠性及易加工集成等要求，微带传输线系统成为首要选择，微带线可方便实现微波毫米波集成电路板间传输及阻抗匹配，其传输损耗小，传输带宽宽。为了满足插损小、功率容量大、高频宽带等要求，金属波导导波系统成为最好的选择，波导导波系统的导体损耗、介质损耗、辐射损耗都较小，且结构简单易于制造。

对于大多数微波毫米波无线通信系统，其对外输入输出接口均为波导口，这可降低输入输出损耗，从而对降低系统功耗及提高系统性能都有着积极的意义。而系统内部电路多为同轴或微带传输系统。为了实现两者间的信号传输，就需要一种宽带、低损耗的微带波导转换过渡结构。微带波导转换结构有多种多样，使用最为广泛的转换结构为微带探针结构，该结构设计灵活且易于加工集成、一致性好，具有插入损耗低、带宽宽、回波损耗小等特点，可灵活应用于各收发机模块及微波毫米波测试测量系统中。其中，为了进一步拓展带宽及减小回波损耗，需对微带探针与50欧姆传输线之间的阻抗转换结构进行研究分析；为了进一步减小插入损耗，需对波导与PCB板连接处的辐射损耗进行分析研究；对于微波毫米波传输系统，对安装精度提出了更高的要求，需通过提高各模块的定位安装精度，来减小安装误差导致的性能下降。

发明内容

为克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种Ku频段微带波导转换装置，可进一步拓宽微带波导转换结构的带宽，降低微带波导转换结构的插入损耗，实现Ku频段超宽带低插损微带波导转换装置，提高装置安装的精度及一致性，从而提高产品测试指标的可信度及通用性。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

本发明提供一种Ku频段微带波导转换装置，包括：波导同轴转换连接器、上腔体、PCB板、下腔体、定位销钉和紧固件，

所述波导同轴转换连接器的波导端口通过所述紧固件与所述上腔体连接并锁定，所述波导同轴转换连接器还设置有用于与仪器设备连接、测试微波毫米波电路性能的同轴端口；

所述PCB板设置于所述上腔体与所述下腔体之间；

所述定位销钉贯穿于所述下腔体和所述PCB板，并嵌入所述上腔体，实现所述上腔体、所述PCB板和所述下腔体之间的安装；

所述紧固件完成所述上腔体、所述PCB板、所述下腔体和所述波导同轴转换连接器之间的装配。

根据本发明的一个方面，所述上腔体包括：上盖板，所述上盖板设置垂直波导管、波导宽面开窗、微带屏敝槽、定位孔和螺纹孔，

所述微带屏蔽槽呈阶梯状设置，并与所述垂直波导管通过所述波导宽面开窗连通，所述波导同轴转换连接器的波导端口与所述上腔体上表面的垂直波导管口通过所述紧固件固定连接，所述紧固件与所述螺纹孔螺纹连接，所述定位孔与所述定位销钉配合使用。

根据本发明的一个方面，所述垂直波导管为标准矩形波导WR75，其内截面尺寸为19.05mm×9.525mm，主模频率范围为9.84～15GHz；

所述波导宽面开窗的内截面尺寸为2.5mm×2mm。

根据本发明的一个方面，所述PCB板嵌入垂直波导管，所述PCB板朝向上腔体的表面设置微带电路、第一定位通孔和贯穿孔，所述微带电路布设微带探针、多圈错位设置的金属化过孔屏蔽墙、宽带阻抗变换渐变微带线和微带传输线，所述微带探针与所述PCB板下表面的垂直波导管口连接；

所述宽带阻抗变换渐变微带线和所述微带传输线设置在所述PCB板与所述微带屏敝槽接触的部分，并位于所述微带屏敝槽内；

所述紧固件连接于所述贯穿孔内。

根据本发明的一个方面，所述PCB板采用RO4000系列高频线路板材RO4003C，其基板厚度为0.305mm，铜厚为0.035mm；

所述微带探针的尺寸为1.58mm×4.8mm；

所述微带阻抗变换渐变线的宽边尺寸为0.66mm，窄边尺寸为0.42mm，开槽尺寸为2.5mm×2mm×2mm；

所述微带传输线的宽度为0.66mm，开槽尺寸为3mm×3mm。

根据本发明的一个方面，所述微带传输线为50欧姆微带传输线。

根据本发明的一个方面，所述下腔体包括：下底座，所述下底座设置垂直波导管短路面槽、第二定位通孔和台阶通孔，

所述垂直波导管短路面槽通过1/4波长的垂直波导管短路面的反射信号与所述微带探针进行电磁耦合传输；

所述定位销钉贯穿于所述第二定位通孔；

所述台阶通孔与所述紧固件螺纹连接。

根据本发明的一个方面，所述垂直波导管短路面槽的开槽深度为4.95mm。

根据本发明的一个方面，所述定位销钉为圆柱形销钉，其直径为3mm，长度为20mm，标准符合EN 22338-1992。

根据本发明的一个方面，所述紧固件为螺钉紧固件。

有益效果：

根据本发明的方案，通过微带阻抗变换渐变线结构以实现宽带匹配；通过多圈错位金属化过孔屏蔽墙结构来减小辐射损耗，通过PCB板铜层表面及金属波导管腔体内表面沉镀银工艺来减小趋肤效应，以实现低插损微带波导转换结构；该结构通过对角销钉定位技术提高各结构与电路安装精度，减小了安装过程中产生的误差因素，保证产品测试生产装配的一致性及测试数据的可靠性。为了方便测量该微带波导转换结构的性能指标，本发明采用背靠背对称结构，即波导-微带-波导结构，该结构可应用于Ku频段微带与波导导波系统转换及电路测试测量，也可扩展应用于更高频段的微波毫米波产品微带与波导导波系统转换及电路测试测量。

附图说明

图1示意性表示本发明实施例提供的Ku频段微带波导转换装置的结构图；

图2示意性表示本发明实施例提供的Ku频段微带波导转换装置的上腔体结构示意图；

图3示意性表示本发明实施例提供的Ku频段微带波导转换装置的PCB板结构示意图；

图4示意性表示本发明实施例提供的Ku频段微带波导转换装置的下腔体结构示意图；

图5示意性表示本发明实施例提供的Ku频段微带波导转换装置的定位销钉结构示意图；

图6示意性表示本发明实施例提供的Ku频段微带波导转换装置的实测结果图。

附图标记：A-波导同轴转换连接器，B-上腔体，C-PCB板，D-下腔体，E-定位销钉，F-紧固件；

B1-上盖板，B2-垂直波导管，B3-垂直波导管宽面开窗，B4-微带屏蔽槽，B5-定位孔，B6-螺纹孔；

C1-微带探针，C2-金属化过孔屏蔽墙，C3-宽带阻抗变换渐变微带线，C4-微带传输线，C5-第一定位通孔，C6-贯穿孔；

D1-下底座，D2-垂直波导管短路面槽，D3-第二定位通孔，D4-台阶通孔。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

图1为本实施例的Ku频段微带波导转换装置的结构示意图。参见图1，该装置包括：波导同轴转换连接器A、上腔体B、PCB板C、下腔体D、定位销钉E和紧固件F。波导同轴转换连接器A的波导端口通过紧固件(F)与上腔体B连接并锁定，波导同轴转换连接器A还设置有用于与仪器设备连接、测试评估微波毫米波电路性能指标的同轴端口；PCB板C设置于上腔体B与下腔体D之间；定位销钉E贯穿于下腔体D和PCB板C，并嵌入上腔体(B)，实现上腔体B、PCB板C和下腔体D之间的安装；紧固件F完成上腔体B、PCB板C、下腔体D和波导同轴转换连接器A之间的装配。

图2为本实施例的Ku频段微带波导转换装置的上腔体结构示意图。参见图1和图2，上腔体B包括上盖板B1，上盖板B1设置垂直波导管B2、波导宽面开窗B3、呈阶梯状设置的微带屏敝槽B4、定位孔B5和螺纹孔B6。上腔体B提供波导微带输入输出接口。

具体的，微带屏敝槽B4与垂直波导管B2通过波导宽面开窗B3连通，波导同轴转换连接器A的波导端口与上腔体B上表面的垂直波导管口通过紧固件F固定连接，紧固件F与螺纹孔B6螺纹连接，定位孔B5与定位销钉E配合使用。垂直波导管B2为标准矩形波导WR75，其内截面尺寸为19.05mm×9.525mm，其主模频率范围为9.84～15GHz。为方便机械加工，垂直波导管B2采用倒圆角工艺处理，其倒圆角半径r为1mm。

波导宽面开窗B3的内截面尺寸为2.5mm×2mm，开窗大小对该装置的过渡转换性能有一定的影响，主要设计原则为：尽量减小开窗尺寸，以降低对波导内主模传输影响，以抑制高次模的传输，但也不能小到影响微带传输线的场分布，这可通过HFSS仿真验证其在通频带内的传输特性。

定位孔B5是直径为3mm的盲孔，螺纹孔适配M4的螺钉紧固件安装。定位孔B5的加工尺寸应与定位销钉E的加工尺寸配合，满足精密定位需求。

为了进一步减小装配误差及插入损耗，对上腔体B的加工精度、平整度及表面粗糙度需严格控制。

图3为本实施例的Ku频段微带波导转换装置的PCB板结构示意图。参见图3，PCB板C安装于上腔体B与下腔体D之间，并嵌入垂直波导管B2，PCB板C朝向上腔体B表面设置微带电路、第一定位通孔C5和贯穿孔C6。其中，微带电路上布设有微带探针C1、多圈错位设置的金属化过孔屏蔽墙C2、宽带阻抗变换渐变微带线C3和微带传输线C4。上腔体B下表面的垂直波导管口与微带探针C1连接。宽带阻抗变换渐变微带线C3和微带传输线C4设置在PCB板C与微带屏敝槽B4接触的部分，并位于微带屏敝槽B4内。紧固件F安装在贯穿孔C6内。

具体的，为了减小插入损耗，PCB板C采用RO4000系列高频线路板材RO4003C，其基板厚度为0.305mm，铜厚为0.035mm。微带探针C1的尺寸为1.58mm×4.8mm，微带探针C1从波导宽边插入，距离波导短路面为1/4个波长长度左右，此处的电场强度最大，耦合出来的能量最大，微带探针C1的长宽尺寸和位置决定阻抗和场的匹配，从而决定频带的宽度、插入损耗和驻波特性等性能指标。微带阻抗变换渐变线C3的宽边尺寸为0.66mm，窄边尺寸为0.42mm，开槽尺寸为2.5mm×2mm×2mm。微带传输线C4的开槽尺寸为3mm×3mm，其开槽大小也需满足抑制高次模的同时不能破坏场的分布结构，需将传输的能量主要集中在微带传输线C4上。为了方便加工及减小反射，微带传输线C4内部采用倒圆角工艺处理，其倒圆角半径r为：0.25mm。微带传输线C4的宽度为0.66mm。微带传输线C4的表面采用沉银工艺，减小趋肤效应，从而可进一步减小插损。优选地，微带传输线C4为50欧姆微带传输线。由于微带探针C1过渡会产生附加电抗，用此阻抗变换渐变线C3可以抵消过渡探针带来的附加电抗效应，从而就可实现过渡探针到50欧姆微带传输线之间的阻抗匹配。

PCB板C中多圈错位设置的金属化过孔屏蔽墙C2就是在上下腔体开槽边缘对应处制作N排(N≥2)周期性金属化通孔阵列，这样几圈错位排列的金属化通孔与上下腔体紧密接触，垂直波导管B2就类似于一个完整的矩形金属波导，与阶梯状的微带屏敝槽B4及垂直波导管短路面槽D2一起可看成一个完整的腔体结构，电磁波被限制在该腔体结构中，其对外的电磁辐射可减至最低，从而可进一步可降低转换装置的插入损耗。PCB板C中有第一定位通孔C5及用来安装螺钉紧固件的贯穿孔C6，其可保证安装精度。

图4为本实施例的Ku频段微带波导转换装置的下腔体结构示意图。参见图4，下腔体D包括下底座D1。下底座D1设置垂直波导管短路面槽D2、第二定位通孔D3和台阶通孔D4。用于放置PCB板C。

具体的，垂直波导管短路面槽D2通过λ/4(1/4波长)垂直波导管短路面的反射信号与微带探针C1进行电磁耦合传输。定位销钉E贯穿于第二定位通孔D3，台阶通孔D4与紧固件F螺纹连接。下腔体D的垂直波导管短路面槽D2的开槽深度为4.95mm。

第二定位通孔D3是直径为3mm的通孔，台阶通孔D4的形状为台阶沉孔，适配M4螺钉安装。第二定位通孔D3的加工尺寸应与定位销钉E的加工尺寸配合，满足精密定位需求。

为了进一步减小装配误差及插入损耗，对下腔体D的加工精度、平整度及表面粗糙度需严格控制。

图5为本实施例的Ku频段微带波导转换装置的定位销钉结构示意图。参见图5，定位销钉E为圆柱形销钉，其直径为3mm，长度为20mm，标准符合EN 22338-1992。定位销钉E与上述定位孔或定位通孔的配合尺寸误差控制在0.03mm内，在微波毫米波高频应用场合中，对电路的尺寸误差及安装误差特别敏感，对角定位销钉E可减小安装误差，降低装配工艺难度，满足高精度安装需求，避免安装误差带来性能指标的下降。

优选地，紧固件F为螺钉紧固件。

图6为本实施例的Ku频段微带波导转换装置的实测结果图。参见图6，为方便测量本实施例的微带波导转换装置的性能指标，采用背靠背对称结构，即波导-微带-波导结构。从实测结果图中可知该背靠背对称结构在其通频带9.84～15GHz带宽内，插入损耗≤0.5dB，回波损耗≤-20dB，从而可知单个微带波导转换装置的插入损耗及回波损耗更小。

从上述技术方案及实测结果可知，该微带波导转换装置具有操作简单方便、安装误差小、通用性强、通频带带宽宽、插入损耗小、回波损耗小等特点，可应用于Ku频段微带与波导导波系统转换及电路测试测量，同时也可扩展应用于更高频段的微波毫米波产品微带与波导导波系统转换及电路测量。

以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种Ku频段微带波导转换装置，其特征在于，包括：波导同轴转换连接器(A)、上腔体(B)、PCB板(C)、下腔体(D)、定位销钉(E)和紧固件(F)，

所述波导同轴转换连接器(A)的波导端口通过所述紧固件(F)与所述上腔体(B)连接并锁定，所述波导同轴转换连接器(A)还设置有用于与仪器设备连接、测试微波毫米波电路性能的同轴端口；

所述PCB板(C)设置于所述上腔体(B)与所述下腔体(D)之间；

所述定位销钉(E)贯穿于所述下腔体(D)和所述PCB板(C)，并嵌入所述上腔体(B)，实现所述上腔体(B)、所述PCB板(C)和所述下腔体(D)之间的安装；

所述紧固件(F)完成所述上腔体(B)、所述PCB板(C)、所述下腔体(D)和所述波导同轴转换连接器(A)之间的装配。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上腔体(B)包括：上盖板(B1)，所述上盖板(B1)设置垂直波导管(B2)、波导宽面开窗(B3)、微带屏敝槽(B4)、定位孔(B5)和螺纹孔(B6)，

所述微带屏蔽槽(B4)呈阶梯状设置，并与所述垂直波导管(B2)通过所述波导宽面开窗(B3)连通，所述波导同轴转换连接器(A)的波导端口与所述上腔体(B)上表面的垂直波导管口通过所述紧固件(F)固定连接，所述紧固件(F)与所述螺纹孔(B6)螺纹连接，所述定位孔(B5)与所述定位销钉(E)配合使用。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述垂直波导管(B2)为标准矩形波导WR75，其内截面尺寸为19.05mm×9.525mm，主模频率范围为9.84～15GHz；

所述波导宽面开窗(B3)的内截面尺寸为2.5mm×2mm。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述PCB板(C)嵌入垂直波导管(B2)，所述PCB板(C)朝向上腔体(B)的表面设置微带电路、第一定位通孔(C5)和贯穿孔(C6)，所述微带电路布设微带探针(C1)、多圈错位设置的金属化过孔屏蔽墙(C2)、宽带阻抗变换渐变微带线(C3)和微带传输线(C4)，所述微带探针(C1)与所述PCB板(C)下表面的垂直波导管口连接；

所述宽带阻抗变换渐变微带线(C3)和所述微带传输线(C4)设置在所述PCB板(C)与所述微带屏敝槽(B4)接触的部分，并位于所述微带屏敝槽(B4)内；

所述紧固件(F)连接于所述贯穿孔(C6)内。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述PCB板(C)采用RO4000系列高频线路板材RO4003C，其基板厚度为0.305mm，铜厚为0.035mm；

所述微带探针(C1)的尺寸为1.58mm×4.8mm；

所述微带阻抗变换渐变线(C3)的宽边尺寸为0.66mm，窄边尺寸为0.42mm，开槽尺寸为2.5mm×2mm×2mm；

所述微带传输线(C4)的宽度为0.66mm，开槽尺寸为3mm×3mm。

6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述微带传输线(C4)为50欧姆微带传输线。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述下腔体(D)包括：下底座(D1)，所述下底座(D1)设置垂直波导管短路面槽(D2)、第二定位通孔(D3)和台阶通孔(D4)，

所述垂直波导管短路面槽(D2)通过1/4波长的垂直波导管短路面的反射信号与所述微带探针(C1)进行电磁耦合传输；

所述定位销钉(E)贯穿于所述第二定位通孔(D3)；

所述台阶通孔(D4)与所述紧固件(F)螺纹连接。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述垂直波导管短路面槽(D2)的开槽深度为4.95mm。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述定位销钉(E)为圆柱形销钉，其直径为3mm，长度为20mm，标准符合EN 22338-1992。

10.根据权利要求1-9任一项所述的装置，其特征在于，所述紧固件(F)为螺钉紧固件。

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