CN115656580A - 一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针,属于微波射频技术领域,包括GSG针尖、矩形微同轴线和微同轴线‑矩形波导转换结构,矩形微同轴线包括外导体、内导体和1/4波长短路枝节支撑结构,内导体设置在外导体中,矩形微同轴线沿外导体中心线设置在外导体内,矩形微同轴线的后端接微同轴线‑矩形波导转换结构,微同轴线‑矩形波导转换结构处设置矩形波导接口,矩形微同轴线中内导体上伸出1/4波长短路枝节支撑结构,GSG针尖用于将TEM模转化为共面波导TEM模式,微同轴线‑矩形波导转换结构用于实现TEM模和TE10模的转换;GSG针尖的内导体厚度大于外导体厚度10μm。本发明给出了三种不同的设计,工作频段分别为W波段(75‑110GHz)、D波段(110‑170GHz)和G波段(140‑220GHz)。
Description
技术领域
本发明属于微波射频技术领域,尤其涉及一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针的设计方法。
背景技术
近年来毫米波设备广泛用于通信和雷达系统。由于这些设备的小尺寸和高工作频率,由于性能、成本和空间限制,很难在这些设备上放置同轴或波导连接器,因此,片上探针已成为晶圆级测试不可或缺的工具。现阶段常用的探针为商业ACP探针,但是商业ACP探针有价格昂贵,灵活度低等缺点,为不同频段的片上测试带来了不便。
微同轴是由悬空的内导体和将其包围的接地外导体组成。微同轴采用微细加工技术,采用增材制造的思路,通过将原材料逐层叠加方法加工而成。与传统的平面微带器件相比,基于微同轴工艺研制的毫米波器件具有宽频带、高隔离度、低损耗、高功率容量等特点,同时又保留了平面器件的集成度高等优势。利用铜基空气微同轴技术制备的射频器件在小型化、传输损耗、合成效率等方面性能优异,该技术在毫米波系统微型化、高密度集成等领域拥有其独特优势和巨大的应用潜力。
金属微加工技术融合了光刻、电镀和化学机械抛光等多种工艺,在电镀过程中,电镀速度并非总能保持均匀,电场总是集中于被大块绝缘区域所包围的导电图形和靠近边缘的图形处,电场的非均匀性在这些区域的阴极表面产生了更高的局部电流密度,通常称之为电流丛聚。这个现象会导致电镀时版图表面静电场分布差异比较大,造成镀铜的厚度分布不均匀,从而增加后续抛光的难度,影响到整体的加工精度。
本发明人团队之前申请过一种基于多材料增材制造工艺的微同轴射频探针,该探针具有良好的射频性能,但在力学性能方面有待提高,并且探针体积较大,单个探针成本较高。
发明内容
为了解决上述问题,实现上述目的,本发明提供了一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针,在铜基空气微同轴技术的基础上,加入了镍层,提高了探针的力学性能,旨在设计一种低成本、高灵活性的射频探针。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是,一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针,包括GSG针尖、矩形微同轴线和微同轴线-矩形波导转换结构,矩形微同轴线包括外导体、内导体和1/4波长短路枝节支撑结构,内导体设置在外导体中,矩形微同轴线沿外导体中心线设置在外导体内,矩形微同轴线的后端接微同轴线-矩形波导转换结构,微同轴线-矩形波导转换结构处设置矩形波导接口,矩形微同轴线中内导体上伸出1/4波长短路枝节支撑结构,GSG针尖用于将TEM模转化为共面波导TEM模式,微同轴线-矩形波导转换结构用于实现TEM模和TE10模的转换;GSG针尖的内导体厚度大于外导体厚度10μm;矩形微同轴线为铜镍复合层结构,镍层位于内导体所在层。
1/4波长短路枝节支撑结构的枝节前端与微同轴传输线内导体相连,1/4波长短路枝节支撑结构的枝节后端与微同轴传输线外导体相连,用于支撑微同轴传输线的内导体。在短路枝节连接处进行倒角处理,减小所受应力,改善探针的力学性能。
其中镍层的厚度为25μm。
铜镍复合层结构,包括五层结构,内导体位于第三层结构,外导体位于一到五层,第三层中前两层为镍层,第三层为铜层,第一层厚度L1=50μm,第二层厚度L2=100μm,第三层又被分为三层,其中L3-1=10μm,L3-2=15μm,L3-3=50μm,第四层厚度L4=100μm,第五层厚度L5=50μm。
工作频段分别为W波段75-110GHz、D波段110-170GHz和G波段140-220GHz。
外导体绝缘区域的位置设置陪镀片或陪镀孔。
探针外导体上开设定位孔。
1/4波长短路枝节支撑结构的短路枝节长度l2为0.6mm~0.93mm,其宽度w2为0.10mm,探针针尖间距w3为0.10mm或0.075mm。
1/4波长短路枝节支撑结构包括第一短路枝节支撑结构、第二短路枝节支撑结构和第三短路枝节支撑结构,第一短路枝节支撑结构、第二短路枝节支撑结构和第三短路枝节支撑结构沿着内导体轴向依次布置,第一短路枝节支撑结构对称设置在内导体两侧,第二短路枝节支撑结构和第三短路枝节支撑结构分别设置在内导体两侧。
与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:
本发明提出的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针,在铜基空气微同轴技术的基础上,加入了镍层,提高探针的力学性能,由于镍的硬度高,因此不适合采用介质支撑结构,本发明使用1/4短路枝节代替介质支撑结构,在保证射频性能的同时,达到了同样的对内导体的支撑效果,提高了力学性能,去掉螺丝孔,减小了探针体积,进一步降低了单个探针的成本;
本发明在基于多材料增材制造工艺的微同轴射频探针的基础上进行改进而来,该探针具有良好的射频性能,但在力学性能方便有待提高,本发明加工材料采用铜镍复合材料,使得探针针尖发生形变时,待测器件与探针之间获得足够的接触力,并具有较好的力学性能。
进一步的,大块绝缘区域的位置设置陪镀片或陪镀孔,承担部分电流,从而降低实际版图中的高电流密度,增加镀层的均匀性,降低后续抛光的难度,提高整体设计的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术方案,下面将对实施例或现有技术方案中所使用的附图作简单介绍。需要注意的是,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域技术人员而言,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它的附图。
图1a为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针A的斜轴测图;图1b为图1a的局部结构示意图;
图2为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针A的半剖视图;
图3为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针A的剖视图;
图4为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针A的回波损耗和插入损耗仿真结果;
图5为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针B的斜轴测图;图5b为图5a的局部结构示意图;
图6为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针B的半剖视图;
图7为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针B的剖视图;
图8为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针B的回波损耗和插入损耗仿真结果;
图9a为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针C的斜轴测图;图9b为图9a的局部结构示意图;
图10为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针C的半剖视图;
图11为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针C的剖视图;
图12为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针C的回波损耗和插入损耗仿真结果;
图13为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针夹具的斜轴测图;
图14为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针夹具的半剖视图;
图15为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针夹具的左视图;
图16为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针夹具的右视图;
图17为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针加工工艺微同轴传输线的剖视图;
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清晰完整地描述。需要注意的是,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而非全部实施例。基于本发明中的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中,需要理解的是,术语“顶面”、“底面”、“左侧”、“右侧”、“水平方向”和“竖直方向”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系,仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述,而不能认定为所指示的元件或者装置是特定的方位。
在本发明实施例的描述中,所给出的结构尺寸为优选参数,参照本发明实施例,修改各个部件的尺寸参数可以进一步得到实际所需的性能。
本发明提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针,包括GSG针尖1、矩形微同轴线2和微同轴线-矩形波导转换结构3,矩形微同轴线2包括外导体、内导体和1/4波长短路枝节支撑结构,内导体设置在外导体中,矩形微同轴线2沿外导体中心线设置在外导体内,矩形微同轴线2的后端接微同轴线-矩形波导转换结构3,微同轴线-矩形波导转换结构3处设置矩形波导接口,矩形微同轴线2中内导体上伸出1/4波长短路枝节支撑结构,GSG针尖1用于将TEM模转化为共面波导TEM模式,微同轴线-矩形波导转换结构3用于实现TEM模和TE10模的转换。本发明给出了三种不同的设计,工作频段分别为W波段(75-110GHz)、D波段(110-170GHz)和G波段(140-220GHz)。本发明所述微同轴射频探针外导体开设定位孔4。
1/4波长短路枝节支撑结构的枝节前端与微同轴传输线内导体相连,1/4波长短路枝节支撑结构的枝节后端与微同轴传输线外导体相连,用于支撑微同轴传输线的内导体。在短路枝节连接处进行倒角处理,减小所受应力,改善探针的力学性能。
1/4波长短路枝节支撑结构包括第一短路枝节支撑结构、第二短路枝节支撑结构和第三短路枝节支撑结构,第一短路枝节支撑结构、第二短路枝节支撑结构和第三短路枝节支撑结构沿着内导体轴向依次布置,第一短路枝节支撑结构对称设置在内导体两侧,第二短路枝节支撑结构和第三短路枝节支撑结构分别设置在内导体两侧。
作为优选实施例,GSG针尖的内导体厚度大于外导体厚度10μm;镍层厚度为25μm。
微同轴线外导体和内导体之间设有空气介质层。
请参阅图1a、图1b、图2和图3,图1a为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针A的斜轴测图,图1b为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针A的针尖细节图,图2为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针A的半剖视图,图3为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针A的剖视图。
所述的射频探针A包括:GSG针尖1、矩形微同轴线2和微同轴线-WR-10矩形波导转换结构3以及用于探针与夹具定位的定位孔4。
所述的基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针A内导体长度l1为3.88mm,w1宽度为0.10mm,t1厚度为0.05mm。短路枝节长度l2为0.93mm,w2为0.10mm,探针针尖间距w3为0.10mm,探针总长度a1为5.75mm,宽度b1为7.60mm,波导接口长度a2为0.310mm,b2为0.438mm,定位孔半径r1为0.825mm,陪镀孔长度r2为0.25mm,尺寸为0.25mm×0.25mm。
图4为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针A的回波损耗和插入损耗仿真与测试结果,工作频段为W波段(75-110GHz),可以看出工作频段内回波损耗全部保持在-20dB以下,说明探针性能良好。
请参阅图5a、图5b、图6和图7,图5a为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针B的斜轴测图,图5b为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针B的针尖细节图,图6为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针B的半剖视图,图7为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针B的剖视图。
所述的射频探针B包括:GSG针尖1、矩形微同轴线2和微同轴线-WR-6矩形波导转换结构3以及用于探针与夹具定位的定位孔4。
所述的基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针B内导体长度l1为5.06mm,w1宽度为0.10mm,t1厚度为0.05mm。短路枝节长度l2为0.73mm,w2为0.10mm,探针针尖间距w3为0.10mm,探针总长度a1为6.42mm,宽度b1为7.60mm,波导接口长度a2为0.245mm,b2为0.333mm,定位孔半径r1为0.825mm,陪镀孔长度r2为0.25mm,尺寸为0.25mm×0.25mm。
图8为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针B的回波损耗和插入损耗仿真与测试结果,工作频段为D波段(110-170GHz),可以看出工作频段内回波损耗全部保持在-20dB以下,说明探针性能良好。
请参阅图1a、图1b、图2和图3,图9a为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针C的斜轴测图,图9b为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针C的针尖细节图,图10为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针C的半剖视图,图11为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针C的剖视图。
所述的射频探针C包括:GSG针尖1、矩形微同轴线2和微同轴线-WR-5矩形波导转换结构3以及用于探针与夹具定位的定位孔4。
所述的基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针C内导体长度l1为4.12mm,w1宽度为0.10mm,t1厚度为0.05mm。短路枝节长度l2为0.60mm,w2为0.10mm,探针针尖间距w3为0.075mm,探针总长度a1为6.00mm,宽度b1为7.60mm,波导接口长度a2为0.373mm,b2为0.244mm,定位孔半径r1为0.825mm,陪镀孔长度r2为0.25mm,尺寸为0.25mm×0.25mm。
图12为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针C的回波损耗和插入损耗仿真与测试结果,工作频段为G波段(140-220GHz),可以看出工作频段内可以看出回波损耗全部保持在-15dB以下,说明探针性能良好。
图13为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针夹具的斜轴测图,图14为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针夹具的半剖视图,图15为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针夹具的左视图,图16为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针夹具的右视图。所述的射频探针夹具包括:弯波导11,波导法兰盘12,底座13与支撑结构14。其中,法兰是波导口与波导口之间相互连接的零件,而波导法兰盘是按设计固定在波导终端上的法兰,并可安装上为了与配对法兰对准和夹紧用的配件。本发明实施例中的所有波导法兰盘的尺寸均为探针工作频段下标准矩形波导法兰盘尺寸,射频探针A的波导接口的尺寸分别为2.54mm×1.27mm,射频探针B的波导接口的尺寸分别为1.651mm×0.826mm,射频探针C的波导接口的尺寸分别为1.295mm×0.648mm,波导法兰盘的厚度为4mm。
支撑结构与底座底面的夹角为30°,保证探针在测试过程中与待测件的夹角rot1为30°,弯波导一端与波导法兰盘相连,另一端与支撑结构相连。支撑结构上设计螺丝孔,支撑结构与底座通过螺纹相连。射频探针A底座中背腔深度h为0.61mm,射频探针B底座中背腔深度h为0.32mm,射频探针C底座中背腔深度h为0.21mm,后部螺丝孔与标准探针台针座螺丝孔尺寸相同。
图17为本发明实施例提供的一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针加工工艺微同轴传输线的剖视图,其中白色部分为铜,黑色部分为镍,矩形微同轴线(2)为铜镍复合层结构,铜镍复合层结构,包括五层结构,内导体位于第三层结构,外导体位于一到五层,第三层中前两层为镍层,第三层为铜层,第一层厚度L1=50μm,第二层厚度L2=100μm,第三层又被分为三层,其中L3-1=10μm,L3-2=15μm,L3-3=50μm,第四层厚度L4=100μm,第五层厚度L5=50μm。其中L3-1用于加工针尖处内外导体10μm的高度差,镍的总厚度为25μm,保证了探针的力学性能。
以上为对本发明所提供的一种微同轴射频探针及其制造方法的描述,对于本领域的技术人员,依据本发明实施例的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针,其特征在于,包括GSG针尖(1)、矩形微同轴线(2)和微同轴线-矩形波导转换结构(3),矩形微同轴线(2)包括外导体、内导体和1/4波长短路枝节支撑结构,内导体设置在外导体中,矩形微同轴线(2)沿外导体中心线设置在外导体内,矩形微同轴线(2)的后端接微同轴线-矩形波导转换结构(3),微同轴线-矩形波导转换结构(3)处设置矩形波导接口,矩形微同轴线(2)中内导体上伸出1/4波长短路枝节支撑结构,GSG针尖(1)用于将TEM模转化为共面波导TEM模式,微同轴线-矩形波导转换(3)结构用于实现TEM模和TE10模的转换;GSG针尖(1)的内导体厚度大于外导体厚度10μm;矩形微同轴线(2)为铜镍复合层结构,镍层位于内导体所在层。
2.根据权利要求1所述基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针,其特征在于,1/4波长短路枝节支撑结构的枝节前端与微同轴传输线内导体相连,1/4波长短路枝节支撑结构的枝节后端与微同轴传输线外导体相连,用于支撑微同轴传输线的内导体;在短路枝节连接处设倒角结构。
3.根据权利要求1所述基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针,其特征在于,其中镍层的厚度为25μm。
4.根据权利要求1所述基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针,其特征在于,铜镍复合层结构,包括五层结构,内导体位于第三层结构,外导体位于一到五层,第三层中前两层为镍层,第三层为铜层,第一层厚度L1=50μm,第二层厚度L2=100μm,第三层又被分为三层,其中L3-1=10μm,L3-2=15μm,L3-3=50μm,第四层厚度L4=100μm,第五层厚度L5=50μm。
5.根据权利要求1所述基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针,其特征在于,工作频段分别为W波段75-110GHz、D波段110-170GHz和G波段140-220GHz。
6.根据权利要求1所述基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针,其特征在于,外导体绝缘区域的位置设置陪镀片或陪镀孔。
7.根据权利要求1所述基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针,其特征在于,探针外导体上开设定位孔(5)。
8.根据权利要求1所述基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针,其特征在于,1/4波长短路枝节支撑结构的短路枝节长度l2为0.6mm~0.93mm,其宽度w2为0.10mm,探针针尖间距w3为0.10mm或0.075mm。
9.根据权利要求1所述基于铜镍复合增材制造工艺的微同轴射频探针,其特征在于,1/4波长短路枝节支撑结构包括第一短路枝节支撑结构、第二短路枝节支撑结构和第三短路枝节支撑结构,第一短路枝节支撑结构、第二短路枝节支撑结构和第三短路枝节支撑结构沿着内导体轴向依次布置,第一短路枝节支撑结构对称设置在内导体两侧,第二短路枝节支撑结构和第三短路枝节支撑结构分别设置在内导体两侧。
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