CN115764219A - 一种Ka频段微带波导转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Ka频段微带波导转换装置，适用于多层PCB印刷电路板，该装置包括多层PCB印刷电路板、微带探针、微带匹配电路、GCPW基地共面波导、PCB内层匹配腔体、金属化隔离过孔、SMPM毫米波连接器、反射背板以及标准的BJ320矩形波导构成，所述反射背板与矩形波导通过螺钉固定在多层PCB印刷电路板上，通过在印刷电路板上加工两个通孔，用于固定反射背板及矩形波导。与PCB固定的矩形波导底面开一个过孔，用于PCB中探针的伸入，微带探针通过匹配电路渐变到50Ω的GCPW走线上，完成微带到波导的转换。本发明在整个Ka频段内，两个端口的驻波小于1.38，传输损耗小于0.4dB，传输特性良好，可用于多层PCB印刷电路板中的微带波导转换。

Description

一种Ka频段微带波导转换装置

技术领域

本发明属于微波毫米波技术领域，涉及一种Ka频段微带波导转换装置，可用于微带到矩形波导转换装置的电路系统中。

背景技术

随着微波器件的快速发展，微波集成电路得到广泛应用，通信设备也逐渐向体积小、重量轻、高频宽频方向发展。传输线作为微波领域最基本的组成部分之一，其体积、尺寸、重量、传输特性都直接或者间接的影响通信系统的性能指标。由于微带线加工简单，传输特性好，被广泛运用在各种微波电路中，而波导由于其低损耗的传输特性，也在微波及毫米波射频领域得到广泛使用。因此，微带波导转换逐渐成为微波系统中最常见的转换装置。

目前，常用的过渡形式主要有以下几种方式：鳍线过渡、脊波导、小孔耦合以及E面探针耦合等方式。脊波导过渡加工相对复杂，鳍线过渡会额外产生一些谐振模式，如果谐振模式在微波电路里，会导致电路无法工作，E面探针耦合是从波导同轴探针发展而来，一般是在波导宽边处开一个缝，再将探针插入，这种方式需要在探针底部加上额外的四分之一波长的波导，提供短路面，从而导致体积大，不易于集成。

发明内容

为了克服上述微带波导转换装置存在的技术缺陷，本发明的目的在于提供一种Ka频段微带波导转换装置，适用于多层印刷电路板中，覆盖整个Ka频段的微带波导转换结构的设计，可扩展微带波导转换的带宽，同时具有插损低、回波损耗小、体积小、易集成以及易调试等性能。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

一种Ka频段微带波导转换装置，包括多层印刷电路板，多层印刷电路板由上至下分为：多层印刷电路板顶层、多层印刷电路板内层和多层印刷电路板底层；，还包括：SMPM射频连接器、BJ320波导和反射背板；

SMPM射频连接器和BJ320波导设于多层印刷电路板顶层，多层印刷电路板顶层还设有GCPW基地共面波导，GCPW基地共面波导一端连接BJ320波导，另一端通过50Ω馈线连接SMPM射频连接器，GCPW基地共面波导内设有相连接的匹配电路和微带探针，所述微带探针伸入BJ320波导内腔，匹配电路用于匹配50Ω馈线与微带探针，BJ320波导和GCPW基地共面波导的外围设有若干个顶层金属化隔离过孔；

多层印刷电路板内层设有供反射背板插入的PCB内层匹配腔体以及与顶层金属化隔离过孔相连通的内层金属化隔离过孔；

多层印刷电路板底层设有供反射背板插入PCB内层匹配腔体的开口，所述反射背板插入PCB内层匹配腔体。

进一步地，所述BJ320波导通过两侧的固定螺钉设于多层印刷电路板顶层。

进一步地，所述反射背板位于BJ320波导底部，所述反射背板的两侧设有反射背板匹配凸台，反射背板匹配凸台上设有通孔，反射背板匹配凸台通过固定螺钉将反射背板固定。

进一步地，所述BJ320波导为矩形波导。

进一步地，所述微带探针伸入BJ320波导内腔的长度为BJ320波导窄边长度的一半。

进一步地，所述微带探针从BJ320波导宽边的中间伸入。

进一步地，所述BJ320波导的宽边正中间设有用于通过GCPW基地共面波导的槽，槽的高度为2mm，槽宽度为3mm，并沿着匹配电路方向延申5mm。

进一步地，所述BJ320波导的两个窄边分别延伸8mm，并在延伸部分开设用于螺钉固定的通孔。

进一步地，所述多层印刷电路板为多层Rogers4350微波敷铜介质板。

进一步地，所述多层印刷电路板的厚度为厚度为2.5mm。

有益效果：

本发明提供的Ka频段微带波导转换结构，采用GCPW基地共面波导在印刷电路板上进行电磁信号的传输至微带探针，在探针尾端激励出适合波导传输的TE₁₀模。同时，通过调节盲槽的深度以及短路反射背板台阶的高度，便可以使得反相传输的电磁波在经过短路背板的反射，便可以在探针处，与往波导口传输的电磁波进行同相叠加，从而减小传输损耗以及回波损耗。而且，金属化隔离过孔可以避免电磁波在印刷电路板内进行传输，避免干扰其他通信系统。

附图说明

图1是本发明实施例三维示意图；

图2是本发明实施例中多层印刷电路板顶层示意图；

图3是本发明实施例中多层印刷电路板底层示意图；

图4是本发明实施例中多层印刷电路板内层示意图；

图5是本发明实施例中BJ320波导结构示意图；

图6是本发明实施例中反射背板结构示意图；

图7是本发明实施例提供的一种Ka频段微带波导转换装置双端口驻波特性示意图；

图8是本发明实施例提供的一种Ka频段微带波导转换装置传输损耗特性示意图。

附图标记：

1：SMPM射频连接器；2a：GCPW基地共面波导；2b：多层印刷电路板顶层；2c：匹配电路；2d：微带探针；2e：顶层金属化隔离过孔；3：多层印刷电路板底层；4a：PCB内层匹配腔体；4b：多层印刷电路板内层；4c：内层金属化隔离过孔；5a：BJ320波导；5b：固定螺钉；6a：反射背板；6b：反射背板匹配凸台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1所示，本发明一种Ka频段微带波导转换装置，包括多层印刷电路板，由多层微波敷铜介质板及半固化片压合而成，本发明中采用多层Rogers4350微波敷铜介质板。多层印刷电路板由上至下分为：多层印刷电路板顶层(2b)、多层印刷电路板内层4b和多层印刷电路板底层3；还包括：SMPM射频连接器1、BJ320波导5a和反射背板6a；

如图2所示，多层印刷电路板顶层2b包括GCPW基地共面波导2a，特性阻抗为50Ω；GCPW基地共面波导左侧连接BJ320波导5a，右侧为50Ω馈线，用于与SMPM毫米波连接器1相连；GCPW基地共面波导2a中间部分为匹配电路2c，作用是将50Ω馈线与微带探针2d做匹配；多层印刷电路板顶层2b开口波导区域为微带探针2d，用于将波导中的电磁波耦合到微带线上；开口波导区域外围为一圈顶层金属化隔离过孔2e，用于电磁屏蔽。BJ320波导5a为矩形波导，微带探针2d穿过BJ320波导5a宽边正中间位置，探针长度为BJ320波导5a窄边长度的一半，此时BJ320波导5a的基模TE₁₀模电场场强最大，当微带线上的准TEM模向BJ320波导5a内腔入射时产生的激励电流，也会在BJ320波导5a内激励其TE₁₀模，从而使得探针上激励出的TE₁₀模在BJ320波导5a内传输，实现微带波导转换。

如图5所示，所述BJ320波导在宽边正中间开一段能通过GCPW基地共面波导2a的槽，槽的高度为2mm，槽宽度为3mm，并沿着微带线方向延申5mm，可以保证边缘电磁波不泄露。BJ320波导在两个窄边分别延伸8mm，并在延伸部分的两边开通孔，固定螺钉5b通过通孔将BJ320波导固定在多层印刷电路板顶层2b。

如图6所示，多层印刷电路板内层4b设有供反射背板6a插入的PCB内层匹配腔体4a以及与顶层金属化隔离过孔2e相连通的内层金属化隔离过孔4c

多层印刷电路板底层3设有供反射背板6a插入PCB内层匹配腔体4a的开口，所述反射背板6a插入PCB内层匹配腔体4a。所述反射背板6a的两侧分别延伸8mm作为反射背板匹配凸台6b，反射背板匹配凸台6b高度为1.2mm，反射背板匹配凸台6b上设有通孔，固定螺钉5b通过通孔将反射背板6a和BJ320波导5a一起固定在BJ320波导上。

如图3所示，制作时，在多层印刷电路板底层3加工一个盲槽，再将反射背板插入盲槽，由反射背板台阶顶面和盲槽的底面和盲槽的侧面构成PCB内层匹配腔体，用于反射向下传输的电磁波，并与向上传输的电磁波进行同相叠加，减小反射损耗。

如图4所示，多层印刷电路板内层4b在PCB板上的开口波导区域自下而上加工盲槽，作为PCB内层匹配腔体4a，同时，将反射背板6a插入PCB内层匹配腔体4a，通过固定螺钉5b将反射背板6a、多层印刷电路板内层4b、BJ320波导5a固定在一起。

综上，本发明提供的Ka频段微带波导转换结构，采用GCPW基地共面波导在印刷电路板上进行电磁信号的传输至微带探针，在探针尾端激励出适合波导传输的TE₁₀模。由于任何一个沿微带探针方向具有非零电场的波导模都将在微带探针上激励起电流，根据这个理论，本发明采用特殊的设计方式，将波导中的主模TE₁₀模转换到微带线上的准TEM模，从而实现波导中的电磁波转换到微带电路上。同时，根据介质板中的波长公式：

当采用多层印制板时，可以大大降低反射面的高度，从而减小微带波导转换尺寸。从而可以通过调节盲槽的深度以及短路反射背板台阶的高度，便可以使得反相传输的电磁波在经过短路背板的反射，便可以在探针处，与往波导口传输的电磁波进行同相叠加，从而减小传输损耗以及回波损耗。通过调节匹配电路、反射板中台阶高度、PCB内层匹配腔体尺寸、探针尺寸等参数，有效实现回波损耗小，插入损耗低，频带宽等性能，实现电磁波在整个Ka频段低损耗微带波导转换。而且，金属化隔离过孔可以避免电磁波在印刷电路板内进行传输，避免干扰其他通信系统。

作为本发明的优选实施例，本发明提供的Ka频段微带波导转换结构，采用GCPW基地共面波导在印刷电路板上进行电磁信号的传输至微带探针，在探针尾端激励出适合波导传输的TE₁₀模。仿真结果如图7及图8所示，通过仿真计算可得：在整个Ka频段内，两个端口的驻波小于1.38，传输损耗小于0.4dB，传输特性良好，可用于整个Ka频段多层PCB印刷电路板中的微带波导转换。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种Ka频段微带波导转换装置，包括多层印刷电路板，多层印刷电路板由上至下分为：多层印刷电路板顶层（2b）、多层印刷电路板内层（4b）和多层印刷电路板底层（3）；其特征在于，还包括：SMPM射频连接器（1）、BJ320波导（5a）和反射背板（6a）；

SMPM射频连接器（1）和BJ320波导（5a）设于多层印刷电路板顶层（2b），多层印刷电路板顶层（2b）还设有GCPW基地共面波导（2a），GCPW基地共面波导（2a）一端连接BJ320波导（5a），另一端通过50Ω馈线连接SMPM射频连接器（1），GCPW基地共面波导（2a）内设有相连接的匹配电路（2c）和微带探针（2d），所述微带探针（2d）伸入BJ320波导（5a）内腔，匹配电路（2c）用于匹配50Ω馈线与微带探针（2d），BJ320波导（5a）和GCPW基地共面波导（2a）的外围设有若干个顶层金属化隔离过孔（2e）；

多层印刷电路板内层（4b）设有供反射背板（6a）插入的PCB内层匹配腔体（4a）以及与顶层金属化隔离过孔（2e）相连通的内层金属化隔离过孔（4c）

多层印刷电路板底层（3）设有供反射背板（6a）插入PCB内层匹配腔体（4a）的开口，所述反射背板（6a）插入PCB内层匹配腔体（4a）。

2.根据权利要求1所述的一种Ka频段微带波导转换装置，其特征在于：所述BJ320波导（5a）通过两侧的固定螺钉（5b）设于多层印刷电路板顶层（2b）。

3.根据权利要求2所述的一种Ka频段微带波导转换装置，其特征在于：

所述反射背板（6a）位于BJ320波导（5a）底部，所述反射背板（6a）的两侧设有反射背板匹配凸台（6b），反射背板匹配凸台（6b）上设有通孔，反射背板匹配凸台（6b）通过固定螺钉（5b）将反射背板（6a）固定。

4.根据权利要求1所述的一种Ka频段微带波导转换装置，其特征在于：

所述BJ320波导（5a）为矩形波导。

5.根据权利要求4所述的一种Ka频段微带波导转换装置，其特征在于：

所述微带探针（2d）伸入BJ320波导（5a）内腔的长度为BJ320波导（5a）窄边长度的一半。

6.根据权利要求4所述的一种Ka频段微带波导转换装置，其特征在于：

所述微带探针（2d）从BJ320波导（5a）宽边的中间伸入。

7.根据权利要求4所述的一种Ka频段微带波导转换装置，其特征在于：

所述BJ320波导（5a）的宽边正中间设有用于通过GCPW基地共面波导（2a）的槽，槽的高度为2mm，槽宽度为3mm，并沿着匹配电路（2c）方向延申5mm。

8.根据权利要求4所述的一种Ka频段微带波导转换装置，其特征在于：

所述BJ320波导（5a）的两个窄边分别延伸8mm，并在延伸部分开设用于螺钉固定的通孔。

9.根据权利要求1所述的一种Ka频段微带波导转换装置，其特征在于：

所述多层印刷电路板为多层Rogers4350微波敷铜介质板。

10.根据权利要求1所述的一种Ka频段微带波导转换装置，其特征在于：

所述多层印刷电路板的厚度为2.5mm。

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