CN115911800A - 一种电磁泄漏抑制的波导与微带过渡结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电磁泄漏抑制的波导与微带过渡结构，属于毫米波器件技术领域，包括上腔体、下腔体和微带结构；上腔体中，输入矩形波导垂直贯穿开口谐振环中心，开口谐振环为跑道椭圆环状，一侧直边槽与输入矩形波导通过横向开口槽连接，外侧与横向开口槽共线的微带上腔邻接；下腔体中，短路矩形波导与输入矩形波导相对设置，微带槽邻接于短路矩形波导外侧，与横向开口槽、微带上腔相对；微带结构位于微带槽内部，包括衬底，以及位于衬底上依次相连的微带探针、匹配结构和50Ω微带线，微带探针深入短路矩形波导内部。本发明将波导缝隙中泄露的电磁能量以谐振的形式束缚，有效降低电磁泄露水平和过渡损耗，具有结构简单、低损耗的优点。

Description

一种电磁泄漏抑制的波导与微带过渡结构
技术领域
本发明属于毫米波器件技术领域，具体涉及一种电磁泄漏抑制的波导与微带过渡结构。
背景技术
波导与微带过渡可用于波导电路封装，常见于毫米波、太赫兹电路中。在加工制作时，通常需要将波导切开才能精确制作内部结构。电路组装后，波导剖分产生的缝隙几乎无法完全消除，这些因加工精度、表面粗糙度等问题产生的缝隙会导致电磁泄露，影响电路性能，在高频段尤其严重。
一般来说，避免波导剖分电磁泄露的常规做法是，从矩形波导宽边的中心进行剖分，即E面波导中心剖分，理论上这种剖分不会切断波导中的电流线，能量泄露最小，适用于波导窄边平行于电路平面的电路结构。然而，这并非对所有的电路结构都适用。在系统级封装(SIP)三维电路系统中，涉及多层电路间的垂直过渡，必须将垂直的波导进行水平面剖分以便于平面电路的组装，而在E面波导中心以外的位置进行剖分都会产生较大的电磁泄露，工作频率越高，辐射越严重。因此，开发一种适用于毫米波及太赫兹频段、易于加工制作、性能优良的垂直波导与微带过渡结构，对电路连接、系统封装至关重要，为太赫兹电路的合理布局提供一种解决方案。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种电磁泄漏抑制的波导与微带过渡结构，可有效降低电磁泄露水平和过渡损耗，具有结构简单、易于匹配、宽带工作和低损耗的优点。
本发明所采用的技术方案如下：
一种电磁泄漏抑制的波导与微带过渡结构，其特征在于，包括上腔体、下腔体和微带结构；
所述上腔体包括输入矩形波导、开口谐振环和微带上腔；所述输入矩形波导垂直贯穿上腔体，设置于开口谐振环的中心；所述开口谐振环为跑道椭圆环状，其一侧直边槽与输入矩形波导通过设置横向开口槽连接；所述微带上腔邻接于开口谐振环外侧，与横向开口槽共线；
所述下腔体包括短路矩形波导和微带槽；所述短路矩形波导与输入矩形波导相对设置；所述微带槽邻接于短路矩形波导外侧，与横向开口槽、微带上腔相对；
所述微带结构位于微带槽内部，包括衬底，以及位于衬底上依次相连的微带探针、匹配结构和50Ω微带线；所述微带探针深入短路矩形波导内部。
进一步地，所述输入矩形波导和短路矩形波导的截面尺寸相同，均为长宽比2:1的标准矩形波导，短路矩形波导的深度为
Figure BDA0003943009670000021
倍波长。
进一步地，所述开口谐振环的两端半圆环的内径尺寸为
Figure BDA0003943009670000022
倍波长，两侧直边槽的长度为
Figure BDA0003943009670000023
倍波长，开口谐振环的深度和环宽均为
Figure BDA0003943009670000024
倍波长，横向开口槽的深度为开口谐振环深度的
Figure BDA0003943009670000025
进一步地，所述微带探针为两根相平行的细长探针。
进一步地，所述细长探针深至短路矩形波导的中心，宽度为0.01～0.02倍波长，两根细长探针的间距小于
Figure BDA0003943009670000026
倍波长。
进一步地，所述匹配结构包括依次相连的分叉弯曲匹配线、高阻匹配线和宽度渐变匹配线，所述分叉弯曲匹配线的两个分叉端分别与对应的细长探针相连。
进一步地，所述分叉弯曲匹配线深入短路矩形波导内部。
进一步地，所述高阻匹配线和宽度渐变匹配线的长度之和小于
Figure BDA0003943009670000027
倍微带波长。
进一步地，所述衬底的材料包括石英。
本发明所述电磁泄漏抑制的波导与微带过渡结构的工作原理为：
当电磁波从输入矩形波导输入时，主模TE10模式的大部分能量被深入短路矩形波导的微带探针耦合，并将TE10模式转换为微带线传输的准TEM模式。由于加工精度有限，上腔体与下腔体无法做到完美对接，存在波导缝隙，TE10模式的少部分能量从波导缝隙中泄露，泄露的能量传播到开口谐振环中发生模式谐振，从而阻止能量向四周进一步逸散。由于泄露的能量大多从矩形波导(输入矩形波导与的短路矩形波导)的四角方向向外扩散，因此模式谐振发生在开口谐振环的四角位置，而两侧直边槽的泄露电场分布较少，因此侧面横向开口槽的引入不会破坏模式谐振。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出一种电磁泄漏抑制的波导与微带过渡结构，通过在上腔体设置开口谐振环，将从波导缝隙中泄露的电磁能量以谐振的形式束缚，有效降低电磁泄露水平和过渡损耗，具有结构简单、低损耗的优点；
2、优选地，本发明采用双平行的细长探针为微带探针，探针间距可调范围大，可降低探针尺寸灵敏度，并通过设置多段匹配结构，提高宽带匹配能力和设计自由度，具有易于匹配和宽带工作的优点。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的电磁泄漏抑制的波导与微带过渡结构的三维图；
图2为本发明实施例1提供的电磁泄漏抑制的波导与微带过渡结构的微带结构的俯视图；
图3为对比例提供的波导与微带过渡结构在220GHz频率下的电场分布图；
图4为本发明实施例1提供的电磁泄漏抑制的波导与微带过渡结构在220GHz频率下的电场分布图；
图5为本发明实施例1提供的电磁泄漏抑制的波导与微带过渡结构与对比例提供的波导与微带过渡结构，应用于WR-4.3波导频段的S参数仿真结果对比图；
附图中各标记的说明如下：
11：上腔体；12：下腔体；2：矩形波导；21：输入矩形波导；22：短路矩形波导；3：微带结构；31：衬底；321：微带探针；322：分叉弯曲匹配线；323：高阻匹配线；324：宽度渐变匹配线；325：50Ω微带线；41：开口谐振环；42：横向开口槽；43：微带上腔；5：微带槽。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图与实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供了一种工作在170～260GHz频段的电磁泄漏抑制的波导与微带过渡结构，结构如图1～2所示，包括上腔体11、下腔体12和微带结构3。
所述上腔体11包括输入矩形波导21、开口谐振环41和微带上腔43；所述输入矩形波导21垂直贯穿上腔体11，设置于开口谐振环41的中心；所述开口谐振环41为跑道椭圆环状，其一侧直边槽与输入矩形波导21通过设置横向开口槽42连接；所述微带上腔43邻接于开口谐振环41外侧，与横向开口槽42共线。
所述下腔体12包括短路矩形波导22和微带槽5；所述短路矩形波导22与输入矩形波导21相对设置；所述微带槽5邻接于短路矩形波导22外侧，与横向开口槽42、微带上腔43相对.
所述微带结构3位于微带槽5内部，包括衬底31，以及位于衬底31上依次相连的微带探针321、匹配结构和50Ω微带线325；所述微带探针321为两根相平行的细长探针；所述匹配结构包括依次相连的分叉弯曲匹配线322、高阻匹配线323和宽度渐变匹配线324，所述分叉弯曲匹配线322的两个分叉端分别与对应的细长探针相连；所述微带探针321和分叉弯曲匹配线322深入短路矩形波导22内部。
本实施例中，所述输入矩形波导21和短路矩形波导22的截面尺寸相同，均为WR-4.3标准矩形波导2，短路矩形波导22的深度为0.362mm；所述开口谐振环41的两端半圆环的内径尺寸为0.373mm，两侧直边槽的长度为0.48mm，开口谐振环41的深度为0.3mm，宽度为0.3mm，横向开口槽42的深度为0.06mm，宽度为0.27mm；所述细长探针的长度为0.266mm，宽度为0.02mm，两根细长探针的间距为0.132mm；所述分叉弯曲匹配线322与微带探针321和高阻匹配线323连接，连接处倒圆角0.03mm，宽度与微带探针321相同；所述高阻匹配线323的宽度为0.055mm，长度为0.058mm；所述宽度渐变匹配线324的长度为0.05mm；所述衬底31的材料为石英，厚度为0.05mm，宽度为0.25mm。
进一步地，为便于加工，输入矩形波导21和短路矩形波导22的所有内角均倒圆角0.07mm。
对比例
本对比例提供了一种波导与微带过渡结构，结构与实施例1提供的电磁泄漏抑制的波导与微带过渡结构相比，区别仅在于：不存在开口谐振环41；其余结构不变。
本发明实施例1与对比例采用三维电磁仿真软件对电磁泄漏抑制的波导与微带过渡结构的尺寸进行精确设计。为便于验证实施例1提出电磁泄漏抑制的波导与微带过渡结构的性能，将实施例1与对比例应用于WR-4.3波导对应的170～260GHz频段进行仿真。为准确模拟实际装配中上腔体11与下腔体12连接不紧密的情况，二者之间预留了0.01mm的缝隙。
为了验证实施例1提出的开口谐振环41对电磁泄露抑制的有效性，分别对实施例1和对比例的过渡结构进行仿真对比，对比例不存在开口谐振环41的波导-微带过渡结构的电场分布如图3，可以看出，电场从缝隙中向四周扩散，产生了严重的损耗；而实施例1存在开口谐振环41的电磁泄漏抑制的波导-微带过渡结构的电场分布如图4所示，可知电场被有效限制在开口谐振环41内部，降低了过渡损耗。
对实施例1的电磁泄漏抑制的波导与微带过渡结构与对比例的波导与微带过渡结构分别进行WR-4.3波导频段的S参数仿真，仿真结果如图5所示，在180～260GHz，实施例1和对比例的波导-微带过渡结构的输入回波损耗均超过20dB，而对比例的过渡插入损耗超过0.5dB，甚至达到0.8dB，实施例1的过渡插入损耗小于0.3dB，损耗仅约为前者的一半，带宽几乎覆盖全波导频带，实现了宽带、低损耗的波导-微带过渡。
综上所述，实施例1提出的电磁泄漏抑制的波导与微带过渡结构，引入开口谐振环41，借助双平行的微带探针321实现波导-微带高效过渡，具有结构简单、易于匹配、宽带工作和低损耗的优点。
上述实施例仅说明本发明的原理及优点，而非用于限制本发明，仅为帮助理解本发明原理，本发明保护范围亦不限于上述的配置和实施例，本领域技术人员可以根据公开技术做出不脱离本发明实质的其他各种具体变形与组合，但仍在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种电磁泄漏抑制的波导与微带过渡结构，其特征在于，包括上腔体、下腔体和微带结构；
所述上腔体包括输入矩形波导、开口谐振环和微带上腔；所述输入矩形波导垂直贯穿上腔体，设置于开口谐振环的中心；所述开口谐振环为跑道椭圆环状，其一侧直边槽与输入矩形波导通过横向开口槽连接；所述微带上腔邻接于开口谐振环外侧，与横向开口槽共线；
所述下腔体包括短路矩形波导和微带槽；所述短路矩形波导与输入矩形波导相对设置；所述微带槽邻接于短路矩形波导外侧，与横向开口槽、微带上腔相对；
所述微带结构位于微带槽内部，包括衬底，以及位于衬底上依次相连的微带探针、匹配结构和50Ω微带线；所述微带探针深入短路矩形波导内部。
2.根据权利要求1所述电磁泄漏抑制的波导与微带过渡结构，其特征在于，所述微带探针为两根相平行的细长探针。
3.根据权利要求2所述电磁泄漏抑制的波导与微带过渡结构，其特征在于，所述细长探针深至短路矩形波导的中心，宽度为0.01～0.02倍波长，两根细长探针的间距小于
Figure FDA0003943009660000011
倍波长。
4.根据权利要求3所述电磁泄漏抑制的波导与微带过渡结构，其特征在于，所述匹配结构包括依次相连的分叉弯曲匹配线、高阻匹配线和宽度渐变匹配线，所述分叉弯曲匹配线的两个分叉端分别与对应的细长探针相连。
5.根据权利要求4所述电磁泄漏抑制的波导与微带过渡结构，其特征在于，所述分叉弯曲匹配线深入短路矩形波导内部。
6.根据权利要求4所述电磁泄漏抑制的波导与微带过渡结构，其特征在于，所述高阻匹配线和宽度渐变匹配线的长度之和小于
Figure FDA0003943009660000012
倍微带波长。
7.根据权利要求1所述电磁泄漏抑制的波导与微带过渡结构，其特征在于，所述开口谐振环的两端半圆环的内径尺寸为
Figure FDA0003943009660000013
倍波长，两侧直边槽的长度为
Figure FDA0003943009660000014
倍波长，开口谐振环的深度和环宽均为
Figure FDA0003943009660000015
倍波长，横向开口槽的深度为开口谐振环深度的
Figure FDA0003943009660000018
8.根据权利要求1所述电磁泄漏抑制的波导与微带过渡结构，其特征在于，所述输入矩形波导和短路矩形波导的截面尺寸相同，长宽比为2:1，短路矩形波导的深度为
Figure FDA0003943009660000017
倍波长。
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