CN114566778B - 一种基于宽导带的直通式波导微带过渡结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于宽导带的直通式波导微带过渡结构，包括波导，覆盖宽导带的介质基片和微带线。波导由标准波导、减高波导、减高减宽波导、减宽波导、约束腔、微带屏蔽腔由左往右紧贴级联而成，介质基片位于减宽波导下壁上，并与下壁紧密贴合，上方紧密覆盖宽导带。利用减高波导和减高减宽波导促使电场集中在宽导带与减高波导、减高减宽波导的下壁之间，逐渐把电场集中到微带线介质内，利用减高减宽波导和减宽波导抑制微带线端口可能出现的高次模，最后实现直通式、无隔直问题、无谐振、低反射、低损耗的波导微带过渡结构。同时本发明结构紧凑，体积小，易加工，适合在微波集成电路中推广应用。

Description

一种基于宽导带的直通式波导微带过渡结构
技术领域
本发明属于微波毫米波传输技术领域，涉及一种直通式的波导微带过渡结构。
背景技术
随着现代微波毫米波电路系统的迅猛发展，系统对各个部件提出了更复杂的功能需求和更高的电性能指标。在较早的微波毫米波电路系统中，大部分传输线和无源电路结构都是基于金属波导做成的。其中矩形波导在0.3～300GHz的微波频段以及毫米波的雷达、电子信息对抗、微波遥感还有通信中得到了非常广泛地应用，该结构导体损耗小、功率容量大、没有辐射损耗、Q值高、结构简单、方便大批量生产，但是加工和调试都较为复杂；因此为了适应现代微波毫米波电路系统提出的小型化、集成化的需求，再加上毫米波技术领域的不断突破，出现了平面集成传输线，而其中微带线结构得到了较高的关注和广泛的研究。相比于金属波导传输线，微带线具有体积小、易加工、成本低和易集成的优点。
基于微带线的种种优点，在毫米波领域中，微带线正逐渐取代传统金属波导，开始作为毫米波集成电路中的主要传输线出现。在现在的微波单片集成电路中，往往采用微带线来连接各个微波单片集成电路，但是在毫米波的测试系统中，矩形波导式的接口依旧占据主流。为了方便测试和使用，需要采用一种低成本、低损耗、结构方便、易于加工的过渡系统来实现矩形波导到微带线的转变。为了实现这一目标，众多学者对此展开了深入研究。目前毫米波领域中常用的过渡系统主要有三种。
第一种是波导-探针-微带过渡，它具有插入损耗小、驻波比小、重复性能强的优点，其中E面探针结构是目前为止毫米波集成电路中使用最为频繁的结构。微带上的金属导带以探针的形式从金属波导宽边插入到金属波导内部，距离矩形波导短路面约四分之一波长，从而确保了矩形波导中探针处具有最大的电压以及电场强度。波导内基片上的金属导带取名为“探针”，是因为其宽度较窄，与50欧姆微带线上的金属导带宽度相当，比标准矩形波导的高度小很多，同样也远小于标准波导的宽度。在探针和标准微带结构之间引入一段高阻抗线，实现匹配，同时介质基片固定在腔体上，实现矩形波导和微带线之间的过渡。但是波导-探针-微带的过渡也存在一些缺陷，由于微带线和矩形波导成垂直排列，不便于实现直通，难以实现与之后MMIC电路的集成。为了解决这一问题，往往需要对波导进行90度弯曲，使实际波导的入口方向和微带线平行；但是这样又会引入新的不连续性，产生一定的反射，并且增加了损耗和体积，不利于布局。插入波导内壁的探针能够将波导内部的电场能量耦合至微带线上，但是这样的波导-探针耦合会产生容性电抗，需要在探针之后级联一段具有高感抗特性的细微带线来抵消容性电抗的影响，实现与微带线之间的阻抗匹配；高阻抗微带线单位长度的损耗大于微带线，从而增加了该结构的插入损耗。(Y.-C.Leong,S.Weinreb,"Full band waveguide-to-microstrip probe transitions",IEEE MTT-SMicrowave Symposium Diges,Vol.4,pp.1435–1438,June 1999)。
第二种是波导-脊波导-微带过渡。和标准矩形波导相比，脊波导由于凸缘电容的作用，其TE10波相对于相同横截面尺寸的矩形波导中TE10波而言，其截止波长更长，与TE20波截止波长的差值也更大，因此脊波导拥有更宽的单模传输频段，能够实现更高的带宽；同时更加集中的波导内电场分布，也使得脊波导能够实现标准波导到标准微带过渡的场和阻抗匹配。但是在实际应用中，由于装配公差的限制和要求，其可重复性较差，而且波导的脊需要和微带电路硬接触，接触点会直接影响整个电路的性能，连接较松会导致电路性能变差，连接较紧则有可能损坏微带线。同时由于脊波导与金属导带接触，满足直流的传输条件，因此实际工程中还需要进行隔直处理，从而对交流信号引入较大的隔直损耗。并且为了实现更宽的转换频段，往往采用多级脊波导逐渐过渡的方式，级数与频段宽度成正相关；实际工程中四级波导段组成的加脊波导最为常见，且每级脊波导长度约为四分之一波长，导致过渡结构长度偏长，体积较大，对实际加工要求高，为系统的小型化增加了难度。(林勇等，“Ka频段宽带微带-波导转换”，太赫兹科学与电子信息学报，2017年第二期，2017年4月)。
第三种是波导-对极鳍线-微带过渡，对脊鳍线式的过渡优势在于加工简单、插入损耗小、方便装配，同时过渡方向和微带线方向相同，方便和单片集成电路的连接。同时其加工要求相对较低、频带宽、是准平面电路，所以经常在毫米波电路中使用。在过渡段中，两层的金属鳍线分别位于介质基片的上下表面，鳍线槽宽逐渐过渡到与金属波导相同。但是介质基片两侧的对脊金属鳍会将金属波导TE10模的电场旋转90度，导致场的不连续性较大，不利于匹配；同时渐变过渡部分长度较长，不利于系统的小型化设计。实际工程中还需要添加隔直，引入较大的隔直损耗，且有谐振问题。(王梓睿，“微波波导—微带转换与滤波天线的设计”，硕士论文，华中科技大学，2019)。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种基于宽导带的直通式波导微带过渡结构，在小型化和低成本的前提下，同时实现直通式、隔直(或接地)、无谐振、低反射、低损耗。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种基于宽导带的直通式波导微带过渡结构，包括波导、覆盖宽导带的介质基片以及微带线；其特征在于：所述波导由标准波导、减高波导、减高减宽波导、减宽波导、约束腔、微带屏蔽腔由左往右紧贴级联而成；所述的覆盖宽导带的介质基片分为介质基片和宽导带，介质基片铺于减宽波导下壁上方并与减宽波导下壁紧贴，并且延伸至减高减宽波导和减高波导中，在减高减宽波导和减高波导中处于悬空状态，宽度始终不小于宽导带，宽导带左侧宽度接近于标准波导的宽度，甚至可以穿过波导侧壁从而方便固定，之后宽度减小，以适应减高减宽波导、减宽波导的宽度变化，右侧宽度接近于匹配微带线部分的金属导带宽度；所述的微带线由主微带线和匹配微带线组成，微带线的金属导带与宽导带相连，介质部分与宽导带下方的介质基片相连，所述的主微带线导带，通过一段匹配微带线进行匹配，便于和宽导带相连。
进一步的，中间层的介质基片在俯视图中呈现出来的宽度大于或等于宽导带的宽度，且介质基片与宽导带的起始边界需要超前于减宽波导的左侧，且与减高波导的长度有关；介质基片超出减宽波导的部分下方没有紧贴的导地金属板，其余部分下表面与减宽波导底面紧贴；所述介质基片可以采用多种规格的介质基板实现，也可以根据工作频段的不同而有所变化。
进一步的，宽导带的形状、尺寸、起始点以及约束腔的宽度可以根据所需要达到的反射系数和带宽进行调整，并且宽导带宽度较宽，接近甚至大于波导宽度。
本发明的技术方案的原理是：在矩形波导TE10模单模传输的前提下，宽导带将标准波导内的TE10模分隔成上下两部分，为了避免微带线端口出现TE10高次模的情况，添加减高减宽波导和减宽波导，使得TE10模截止，实现单模传输。通过适当调节减高波导、减高减宽波导和减宽波导的位置、长度、变化类型，使得减高部分和宽导带上方的减宽部分引起的反射波在矩形波导输入端口处等幅反相、相互抵消，从而降低该结构的反射系数。减高波导和减高减宽波导促使电场集中在宽导带和减高波导、减高减宽波导的下壁之间。再通过减小宽导带和波导的宽度，把电场集中到微带线介质内，从而减小反射。调节波导宽度变化后的值即约束腔的宽度，在便于加工的前提条件下实现该结构所希望的频带宽度。在约束腔内加入一段匹配微带线，减小反射。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：本发明是在传统波导到微带过渡结构的基础上，在不影响波导到微带过渡电磁能量传输特性的前提下，基于波导和微带线理论及其电场分布，结合三种主流过渡类型的原理以及结构特点，通过宽导带的耦合使其实现直通式的波导微带过渡。与传统脊波导过渡相比，减少了减高波导的阶梯级数，从而缩短过渡结构的长度并可以避免波导与导带的接触，便于系统的小型化和低插损设计。与传统的窄探针过渡相比，宽导带减小了耦合部分的损耗，避免了波导和微带线的垂直排列，消除了为了解决该问题而引入的波导转弯这一不连续性，降低了损耗和体积，方便布局；与传统对脊鳍线过渡相比，不会产生谐振，可以避免导带与金属波导的接触，缩短了过渡结构；从而避免了消除谐振结构的引入和隔直带来的附加损耗并降低了系统小型化的难度。
附图说明
图1是本发明的总体结构展开示意图；
图2是本发明结构的俯视图；
图3是本发明在75GHz～110GHz的S参数曲线图；
图中标记说明：波导1、覆盖宽导带的介质基片2、微带线3、标准波导10、减高波导11、减高减宽波导12、减宽波导13、约束腔14、微带屏蔽腔15、介质基片20、宽导带21、主微带线30、匹配微带线31。
具体实施方式
为了使本发明的目的、解决的技术问题以及技术方案更加清晰，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。
实施例一：
图1为本发明的一个具体实施例总体结构示意图，图2为本发明结构的俯视图，包括波导1、覆盖宽导带的介质基片2、微带线3。所述波导从左往右分别由标准波导10、减高波导11、减高减宽波导12、减宽波导13、约束腔14、微带屏蔽腔15紧贴级联而成；所述的标准波导10可以采用多种规格的矩形波导或其它类型的波导实现，例如对于W波段的波导到微带过渡来讲，所述标准波导10采用WR-10标准矩形波导，其主模频率范围为75GHz～110GHz，宽度为2.54mm，高度为1.27mm；减高波导11采用单级阶梯的方式实现，其宽度与标准矩形波导10一致，高0.87mm，长0.73mm，其金属上壁与标准矩形波导10上壁对齐相连；减高减宽波导12高度与减高波导11一致，一起组成了单级阶梯且上壁对齐相连，减高减宽波导12高度为0.87mm，长度为0.24mm；减宽波导13和减高减宽波导12采用宽度渐变的方式把波导的宽度逐渐变为1.05mm，在减小反射的同时使矩形波导主模TE10截止。在该实例中采用直线形式的宽度渐变，渐变部分的总长度为1.32mm，渐变的起始点位于减高减宽波导12和减高波导11的交界处，减宽波导13总长度为1.08mm；约束腔14宽度为1.05mm，高度为0.51mm，长度为0.56mm，连接减宽波导13和微带屏蔽腔15；微带屏蔽腔15宽度为1.05mm，高度为0.927mm，长度为1.94mm，远离不连续性超过四分之一波导波长，从而避免不连续性对输出端口的影响。覆盖宽导带的介质基片2由介质基片20和覆盖在其上面的宽导带21组成，这里介质材料选择Duroid5880，相对介电常数为2.2，厚度为0.127mm，且位于减宽波导13底面上，并与减宽波导13下壁和边壁紧贴；宽导带21采用材料金来设置导体边界条件，形状采用等腰梯形，上底为0.52mm，下底为2.24mm，高为1.59mm，左侧等腰梯形下底与介质基片边界平齐，上底与减宽波导13与约束腔14的交界处位于同一横截面。微带线3由匹配微带线31和主微带线30级联而成，匹配微带线31将覆盖宽导带的介质基片2和主微带线30相连，以减少反射；匹配微带线31上金属导带宽度为0.41mm，长度为0.43mm；主微带线30上金属导带宽度为0.38mm，长度为2.07mm；微带线3上的金属导带采用材料金来设置导体边界条件。
图3给出了本具体实施例在75GHz～110GHz工作时的插入损耗和反射系数曲线图，反射系数在全频带宽度内低于-21dB，具有良好的低反射性能。插入损耗最差为0.32dB，75GHz～107GHz频带内好于0.3dB。
本结构对于实际加工中无法加工成直角的部分进行了倒角处理，模拟半径为0.5mm的铣刀加工后形成的圆角，最大限度地贴近实际加工。且实际工程中没有波导转弯或者添加隔直带来的附加损耗，实现了低损耗的要求。
实施例二：
本实施例中将宽导带21从等腰梯形转化为其它任何形状，同时保证宽度始终小于或等于介质基片20，左侧宽度接近甚至超过标准波导10，右侧宽度接近匹配微带线31金属导带宽度，其它部分结构与实施例一相同，仍可实现本发明的功能。
实施例三：
本实施例中将匹配微带线31金属导带变成宽度渐变形式，其它部分结构与实施例一相同，仍可实现本发明的功能。
实施例四：
本实施例中将减高减宽波导12、减宽波导13宽度变化从直线式变成抛物线、双曲线、指数、余弦、余弦平方和阶梯等形式，其它部分结构与实施例一相同，仍可实现本发明的功能。
实施例五：
本实施例中将减高波导11和减高减宽波导12的高度变化从单级阶梯变成多级阶梯，或者变为高度渐变的形式，包括抛物线、双曲线、指数、余弦、余弦平方和直线等方式，其它部分结构与实施例一相同，仍可实现本发明的功能。
实施例六：
本实施例中所述单层软介质基片20变成硬介质基片，可以为单层介质或多层介质，其它部分结构与实施例一相同，仍可实现本发明的功能。
实施例七：
本实施例中将标准波导10从矩形波导变为圆波导，脊波导，半圆波导或者椭圆波导，其它部分结构与实施例一相同，仍可实现本发明的功能。
实施例八：
本实施例中将宽导带21的材料从金变成铜，银等其它金属材料，其它部分结构与实施例一相同，仍可实现本发明的功能。
实施例九：
本实施例中的约束腔14宽度偏离1.05mm，其它部分结构与实施例一相同，仍可实现本发明的功能。
实施例十：
本实施例中的宽导带21宽度与波导宽度相等，即宽导带与波导边壁接触，其它部分结构与实施例一相同，仍可实现本发明的功能。
实施例十一：
本实施例中的波导边壁进行开槽处理，基片深入槽中，用槽支撑基片，其它部分结构与实施例一相同，仍可实现本发明的功能。
实施例十二：
本实施例中的宽导带21与波导上壁之间的距离进行调整，甚至宽导带21与波导上壁接触，约束腔14的高度也进行对应的调整，其它部分结构与实施例一相同，仍可实现本发明的功能。
实施例十三：
本实施例中的微带线3偏离中心，或直接将特性阻抗合适的主微带线30连接到宽导带21上，不使用微带匹配线31，其它部分结构与实施例一相同，仍可实现本发明的功能。
从上述十三个实施例可以看出，本发明具有以下的优点：
反射小、插损低、频带宽。本发明利用宽导带的电场耦合实现了波导到微带线的直通式过渡，通过对过渡结构以及减宽和减高部分尺寸与位置的调整，实现了与传统过渡方式一样甚至更好的反射系数，同时避免了三种传统方式在工程运用中的主要问题，实现了低插损，能覆盖整个波导频段，可以实现隔直或者接地，改变该结构的尺寸还可以运用到其它频段。
结构紧凑、体积小、易加工。本发明中将波导和微带线理论与它们的电场分布相结合，使得该结构避免了传统过渡方式中波导与微带线垂直，过渡结构较长和会出现谐振的缺点。用更短的过渡部分的长度实现了更好的指标，并且设计过程中一直坚持理论与实际加工相结合的理念，结构设计紧凑，用突变的方式实现波导高度变化，降低加工难度；对于实际加工中无法加工成直角的部分进行了倒角处理，模拟半径为0.5mm的铣刀加工后的圆角，使模型更贴近实际；约束腔和微带线屏蔽腔宽度设置为1.05mm，在满足微带线屏蔽腔宽度要求和整体结构带宽要求的前提下，进一步降低了加工的难度。
实现方式多样化，结构适应性广。本发明中宽导带和波导宽度、高度变化部分可以利用多种方式来实现，包括利用直线、抛物线、双曲线、指数、余弦、余弦平方等，或者利用单级或多级阶梯实现；该结构可以适应多种形式的主波导，如矩形波导、圆波导、脊波导等规则金属波导以及其它各种波导结构的变形结构。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于宽导带的直通式波导微带过渡结构，包括波导(1)、覆盖宽导带的介质基片(2)以及微带线(3)；
其特征在于：所述波导(1)由标准波导(10)、减高波导(11)、减高减宽波导(12)、减宽波导(13)、约束腔(14)、微带屏蔽腔(15)由左往右紧贴级联而成；
所述的覆盖宽导带的介质基片(2)分为介质基片(20)和宽导带(21)，介质基片(20)铺于减宽波导(13)下壁上方并与减宽波导(13)下壁紧贴，并且延伸至减高减宽波导(12)和减高波导(11)中，在减高减宽波导(12)和减高波导(11)中处于悬空状态，宽度始终不小于宽导带(21)，宽导带(21)左侧宽度接近于标准波导(10)的宽度，甚至可以穿过波导侧壁从而方便固定，之后宽度减小，以适应减高减宽波导(12)、减宽波导(13)的宽度变化，右侧宽度接近于匹配微带线(31)部分的金属导带宽度；
所述的微带线(3)由主微带线(30)和匹配微带线(31)组成，微带线(3)的金属导带与宽导带(21)相连，介质部分与宽导带(21)下方的介质基片(20)相连，所述的主微带线(30)导带，通过一段匹配微带线(31)进行匹配，便于和宽导带(21)相连。
2.如权利要求1所述的一种基于宽导带的直通式波导微带过渡结构，其特征在于：中间层的介质基片(20)在俯视图中呈现出来的宽度大于或等于宽导带(21)的宽度，且介质基片(20)与宽导带(21)的起始边界需要超前于减宽波导(13)的左侧，且与减高波导(11)的长度有关；介质基片(20)超出减宽波导(13)的部分下方没有紧贴的导地金属板，其余部分下表面与减宽波导(13)底面紧贴；所述介质基片(20)可以采用多种规格的介质基板实现，也可以根据工作频段的不同而有所变化。
3.如权利要求1所述的一种基于宽导带的直通式波导微带过渡结构，其特征在于：宽导带(21)的形状、尺寸、起始点以及约束腔(14)的宽度可以根据所需要达到的反射系数和带宽进行调整，并且宽导带(21)宽度较宽，接近甚至大于波导宽度。
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