CN115986354A - 一种高集成度的微带线与矩形波导的转换结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高集成度的微带线与矩形波导的转换结构，所述结构包括：第一金属构件，第一金属构件底部波导上通道，波导上通道两侧设有周期性电磁带隙；介质基板，设置在第一金属构件的底部，介质基板上面设有馈线和第一阻抗变换线，介质基板下面设有第二阻抗变换线，第一阻抗变换线通过第一三角形贴片连接第一蝶形贴片，第二阻抗变换线的第一侧通过第二三角形贴片连接第二蝶形贴片；第二金属构件，设置在介质基板底部，第二金属构件顶部设有凹槽，凹槽的第一侧设有波导下通道，波导下通道嵌入凹槽设定距离形成短路面。本发明能够与大尺寸、功能复杂的单片微波集成电路直接集成，并且能够实现微带线到矩形波导的宽带、低损耗转换。

Description

一种高集成度的微带线与矩形波导的转换结构

技术领域

本发明涉及电磁场与微波技术领域，尤其涉及一种高集成度的微带线与矩形波导的转换结构。

背景技术

在构建毫米波、太赫兹频段的系统时通常需要将单片微波集成电路与金属波导结合，单片微波集成电路与金属波导的结合需要在传输层面设计传输电路的TEM模式与金属波导的TE10模式之间的转换。现有技术通过微带线与金属波导的E面转换以实现单片微波集成电路与金属波导结合。一方面现有技术通过探针实现E面转换，然而一些E面探针转换技术要求转换结构的介质基板不能过大，这就导致大尺寸的单片微波集成电路难以集成在转换结构的介质基板上，另一些探针转换技术中探针只能设置在介质基板的边缘位置，同时不能对输入端和输出端在同一方向结合进行转换。另一方面现有技术通过设计额外波导或电路结构实现E面转换，但是依然要求转换结构的介质基板不能过大，同样导致大尺寸的单片微波集成电路不能直接集成于转换结构的介质基板上。

发明内容

鉴于此，本发明实施例提供了一种高集成度的微带线与矩形波导的转换结构，以解决现有技术微带线与矩形波导的转换结构中介质基板不能过大且电磁波输入端与电磁波输出端不能同向的问题。

本发明的一个方面提供了一种高集成度的微带线与矩形波导的转换结构，包括：

第一金属构件，所述第一金属构件底部的第一方向上设有贯通两端的波导上通道，所述波导上通道沿第二方向的两侧设有周期性电磁带隙，所述第一方向与所述第二方向垂直；

介质基板，设置在所述第一金属构件的底部，所述介质基板上面与所述波导上通道对应的位置设有依次连接的馈线和第一阻抗变换线；所述介质基板下面与所述第一阻抗变换线对应的位置设有第二阻抗变换线；所述第一阻抗变换线远离所述馈线的第一侧通过第一三角形贴片连接第一蝶形贴片；所述第二阻抗变换线的第一侧通过第二三角形贴片连接第二蝶形贴片，所述第一三角形贴片与所述第二三角形贴片沿所述第一方向对称设置；所述第一蝶形贴片与所述第二蝶形贴片沿所述第一方向对称设置；所述第一蝶形贴片与所述第二蝶形贴片组成蝶形天线；其中，所述第一阻抗变换线、所述第二阻抗变换线、所述第一三角形贴片、所述第二三角形贴片以及所述蝶形天线均位于所述周期性电磁带隙作用范围内；

第二金属构件，设置在所述介质基板底部，所述第二金属构件顶部设有与所述介质基板契合的凹槽，所述凹槽的第一侧设有波导下通道，所述波导下通道与所述波导上通道契合；所述波导下通道嵌入所述凹槽设定距离，以形成短路面防止电磁波反向传播。

在一些实施例中，所述馈线、所述第一阻抗变换线、所述第二阻抗变换线、所述第一三角形贴片、所述第二三角形贴片、所述第一蝶形贴片以及所述第二蝶形贴片均由金制作而成。

在一些实施例中，所述介质基板由石英制作而成。

在一些实施例中，所述介质基板的厚度为50±10μm。

在一些实施例中，所述第一阻抗变换线和所述第二阻抗变换线的长度均为0.31mm，所述第一阻抗变换线第一侧到所述介质基板末端的距离与所述第二阻抗变换线第一侧到所述介质基板末端的距离均为0.45mm，其中所述介质基板末端为靠近所述波导下通道的一端。

在一些实施例中，所述第一蝶形贴片和所述第二蝶形贴片的张角角度均为28±10°。

在一些实施例中，所述周期性电磁带隙由多个相同的周期性电磁带隙单元组成，各周期性电磁带隙单元由金属柱、单位介质基板、金属地以及空气间隙构成。

在一些实施例中，多个相同的周期性电磁带隙单元按设定周期依次排列形成周期性电磁带隙。

在一些实施例中，所述介质基板的下面采用金作为金属接地的接地体。

在一些实施例中，所述金属柱的长度和宽度均为0.3mm，高度为0.35mm,所述金属柱下底面到所述介质基板上面的距离为0.02mm，所述周期性电磁带隙单元周期为0.6mm。

本发明的有益效果至少是：

本发明所述高集成度的微带线与矩形波导的转换结构，通过馈线将电磁波传输至第一阻抗变换线和第二阻抗变换线，第一阻抗变换线和第二阻抗变换线与蝶形天线进行阻抗匹配后将电磁波传输至蝶形天线，蝶形天线将电磁波辐射至矩形波导中，采用蝶形天线进行电磁波的转换，实现了宽带、低损耗的电磁波转换。

进一步地，采用周期性的电磁带隙限制电磁波，不需要通过限制金属腔体的大小来限制电磁波，从而介质基板可以任意大小，使得本发明所述高集成度的微带线与矩形波导的转换结构可以直接与大尺寸、功能复杂的单片微波集成电路集成。

进一步地，本发明所述高集成度的微带线与矩形波导的转换结构的电磁波输入端与电磁波输出端同向，不需要增加额外的导波结构改变电场方向，结构紧凑，适合电磁波输入端、输出端同向的应用场景。

本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本发明实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：

图1为本发明一实施例所述高集成度的微带线与矩形波导的转换结构的结构示意图。

图2为本发明一实施例所述介质层的结构示意图。

图3为本发明一实施例所述周期性电磁带隙单元的结构示意图和色散曲线。

图4为本发明一实施例所述高集成度的微带线与矩形波导的转换结构的S参数图。

图5为本发明一实施例所述不同蝶形贴片张角下高集成度的微带线与矩形波导的转换结构的S参数图。

图6为本发明一实施例所述不同l2长度下高集成度的微带线与矩形波导的转换结构的S参数图。

图7为本发明一实施例所述背靠背式高集成度的微带线与矩形波导的转换结构及其S参数图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

微带线是毫米波、太赫兹集成电路中一种重要的传输线，单片微波集成电路(MMIC)可以采用微带线作为传输线。单片微波集成电路具有平面化、高集成度的优势，在毫米波、太赫兹频段被广泛应用。然而，目前毫米波、太赫兹测试系统和诸多仪器的接口，以及各个毫米波、太赫兹集成系统间的连接大多使用损耗更小的波导。因此构建毫米波、太赫兹频段的系统通常需要结合单片微波集成电路与金属波导，即在在传输线层面则需要设计电路的TEM模式与金属波导的TE10模式之间的转换结构。

现有技术采用E面探针实现微带线与矩形波导的转换，这种方法介质正面图案为矩形或扇形金属辐射贴片，介质背面图案为不完全的金属地，探针置入一个较窄的金属腔体且部分伸入波导中。这种形式的探针中，介质基板被严格限制在较窄的金属腔体内，其横向宽度很小，因此大尺寸、功能复杂的单片微波集成电路很难集成在这样的介质基板上。若采用外接探针的方式，需要通过金丝键合的方式将探针与单片微波集成电路相连接，会引入额外的不确定因素，影响转换效率。对此，现有技术提出了一种利用电磁带隙封装探针的方式，实现宽带转换的同时降低了E面探针对于介质基板宽度的要求。但是这种转换方式中，探针只能放在介质基板的直角边缘附近，存在一定局限性。

上述转换方式中，转换结构的输入端口与输出端口方向相互垂直，若实际应用中需要输入端口与输出端口在同一方向，则需要额外的导波结构来改变电场方向。针对输入端口与输出端口同向的应用，现有技术一方面，采用高度变化的U型波导弯曲使电场方向转变90°，实现更为紧凑的宽带转换。另一方面，采用一个旋转90°的扇形贴片改变电场方向，通过优化地面金属图案形状改善阻抗匹配特性，同样实现了输入端口和输出端口同向的转换。但是这些转换结构依然要求介质基板宽度不能过大，同样这些转换结构不便于与大尺寸单片微波集成电路直接集成。因此，本发明提供一种高集成度的微带线与矩形波导的转换结构，解决现有技术中微带线与矩形波导的转换结构介质基板不能过大且电磁波输入端与电磁波输出端不能同向的问题。

本发明的一个方面提供了一种高集成度的微带线与矩形波导的转换结构，如图1所示，包括：

第一金属构件，第一金属构件底部的第一方向上设有贯通两端的波导上通道，波导上通道沿第二方向的两侧设有周期性电磁带隙，第一方向与第二方向垂直。

其中，第一方向为Y轴方向，第二方向为X轴方向，即第一金属构件底部沿Y轴方向设有波导上通道，波导上通道沿X轴方向的两侧对称地设有周期性电磁带隙，周期性电磁带隙由多个相同的周期性电磁带隙单元组成，各周期性电磁带隙单元由金属柱、单位介质基板、金属地以及空气间隙构成。多个相同的周期性电磁带隙单元按照设定周期依次排列形成理想磁导体边界。单位介质基板为介质基板的一部分，其长度宽度等于周期性电磁带隙单元的周期，厚度与介质基板厚度相等。周期性电磁带隙构成理想磁导体边界，阻止电磁波在X轴方向上传播，将电磁波严格限制在周期性电磁带隙内部区域而不会出现漏波现象，因此不再需要较窄的金属腔体来限制电磁波。在图1中，X轴方向的距离称为宽度，Y轴方向的距离称为长度，Z轴方向的距离称为高度。

在一些实施例中，如图3所示，金属柱的长度a和宽度a均为0.3mm，高度d为0.35mm,金属柱下底面到介质基板上面的距离g为0.02mm，周期性电磁带隙单元的周期p为0.6mm，通过周期性电磁带隙单元的色散曲线可以看出，该尺寸下的周期性电磁带隙单元阻带为84-242GHz，可以覆盖WR-6.5波导的工作频段，即可以覆盖110-170GHz频段，其中Beta表示相位常数。

介质基板，设置在第一金属构件的底部，介质基板上面与波导上通道对应的位置设有依次连接的馈线和第一阻抗变换线；介质基板下面与第一阻抗变换线对应的位置设有第二阻抗变换线；第一阻抗变换线远离馈线的第一侧通过第一三角形贴片连接第一蝶形贴片；第二阻抗变换线的第一侧通过第二三角形贴片连接第二蝶形贴片，第一三角形贴片与第二三角形贴片沿第一方向对称设置；第一蝶形贴片与第二蝶形贴片沿第一方向对称设置；第一蝶形贴片与第二蝶形贴片组成蝶形天线；其中，第一阻抗变换线、第二阻抗变换线、第一三角形贴片、第二三角形贴片以及蝶形天线均位于周期性电磁带隙作用范围内。波导上通道和波导下通道构成矩形波导通道。介质基板上面传输线路构成正面图案，下面传输线路构成背面图案，正面图案和背面图案的高度均为4μm。如图2所示，介质基板、介质基板正面图案以及介质基板背面图案构成介质层。其中，馈线、第一阻抗变换线、第二阻抗变换线、第一三角形贴片、第二三角形贴片、第一蝶形贴片以及第二蝶形贴片均由金制作而成，具有良好的导电性。

在一些实施例中，介质基板下面设有金作为金属接地的接地体，避免了微带线与矩形波导转换时存在的触电隐患，提高了转换时的安全性。

在一些实施例中，矩形波导通道的宽度为0.826mm，高度为1.651mm，为标准的WR-6.5波导。

在一些实施例中，第一蝶形贴片和第二蝶形贴片的张角角度均为28±10°。如图5所示，在标准WR-6.5波导目标频段(110-170GHz)下，其他量保持不变，仅改变第一蝶形贴片和第二蝶形贴片的张角角度，当第一蝶形贴片和第二蝶形贴片的张角α为20°时低频的损耗较大，而α为36°时目标频段内整体损耗均较大。α为28°时目标频段内阻抗匹配最好，损耗最低，因此第一蝶形贴片和第二蝶形贴片的张角角度设为28°。

在一些实施例中，第一阻抗变换线和第二阻抗变换线的长度l1均为0.31mm，第一阻抗变换线第一侧到介质基板末端的距离与第二阻抗变换线第一侧到介质基板末端的距离均为0.45mm，其中，介质基板末端为靠近波导下通道的一端。其中，在一定范围内，l1的长度越长，转换结构的工作频段越低，l1的长度越短，转换结构的工作频段越高。如图6所示，当第一阻抗变换线第一侧到介质基板末端的距离与第二阻抗变换线第一侧到介质基板末端的距离l2为0.45mm时目标频段内S11(输入反射系数)<-20dB,阻抗匹配最好，插入损耗最低，因此设计l2＝0.45mm。

在一些实施例中，介质基板由石英制作而成，介质基板的下面采用金作为金属地的接地体。介质基板的厚度为50±10μm，石英在毫米波频段具有较低损耗，适合作为转换结构的介质材料。

在另一些实施例中，介质基板的介电常数为4.4，损耗角正切为0.000015，厚度为50μm。

第二金属构件，设置在介质基板底部，第二金属构件顶部设有与介质基板契合的凹槽，凹槽的第一侧设有波导下通道，波导下通道与波导上通道契合；波导下通道嵌入凹槽设定距离，以形成短路面防止电磁波反向传播。短路面将会将向y轴负轴方向辐射的电磁波能量反射到y轴正轴方向，防止电磁波反向传播，凹槽用于放置介质基板。

其中，端口1设有微带线，端口2设有矩形波导，馈线将微带线中的电磁波传输至第一阻抗变换线和第二阻抗变换线，第一阻抗变换线和第二阻抗变换线将微带线阻抗与蝶形天线的阻抗匹配后将电磁波传输至蝶形天线，蝶形天线将电磁波传输至矩形波导中，从而实现微带线的TEM模式到矩形波导的TE10模式的转换。微带线传输的是TEM模式的电磁波，矩形波导传输的是TE10模式的电磁波，TEM模式的电磁波传输方向上没有电场和磁场分量，TE10模式的电磁波磁场方向与传输方向平行。同理，从矩形波导到微带线的转换则是端口2的矩形波导将电磁波传输至蝶形天线，第一阻抗变换线和第二阻抗变换线进行阻抗匹配后将电磁波能量传输至馈线，馈线将电磁波传输至微带线，至此实现矩形波导与微带线的转换。进一步地，蝶形天线具有宽带阻抗匹配的特点，从而实现了微带线与矩形波导的宽带、低损耗转换。

进一步地，本发明的高集成度的微带线与矩形波导的转换结构S参数如图4所示，设计馈线长度为5mm，S11(输入反射系数)<-15dB的频带为101-180GHz，相对带宽为56.2％，频带内损耗为0.61-1.11dB，实现了宽带、低损耗转换，因此，本发明的微带线与矩形波导的转换结构具有更好的电磁波转换效果。

下面结合具体实施例进行说明

将两个相同的高集成度的微带线与矩形波导的转换结构进行组合，如图7所示，两个转换结构的微带线端口相连接，端口1和端口2均为矩形波导通道，连接矩形波导。其中，各微带线与矩形波导的转换结构中，馈线长度为5mm，矩形波导通道的宽度为0.826mm，高度为1.651mm，第一蝶形贴片和第二蝶形贴片的张角为28°，第一阻抗变换线和第二阻抗变换线的长度均为0.31mm，第一阻抗变换线第一侧到介质基板末端的距离与第二阻抗变换线第一侧到介质基板末端的距离均为0.45mm，介质基板的材料为石英，介电常数为4.4，损耗角正切为0.000015，厚度为50μm，周期性电磁带隙单元的金属柱的长度和宽度均为0.3mm，高度为0.35mm,金属柱下底面到介质基板上面的距离为0.02mm，周期性电磁带隙单元的周期为0.6mm。端口1的矩形波导输入的电磁波经第一个高集成度的微带线与矩形波导的转换结构输出到微带线，再经过第二个高集成度的微带线与矩形波导的转换结构输出到端口2的矩形波导，从图7可以看出，在110-170GHz频段内S11(输入反射系数)<-17dB，S21(传输系数)>-1.48dB，阻抗匹配良好，电磁波传输损耗较低，因此，本发明的高集成度的微带线与矩形波导的转换结构具有良好的电磁波转换效果。

综上所述，本发明所述高集成度的微带线与矩形波导的转换结构，通过馈线将电磁波传输至第一阻抗变换线和第二阻抗变换线，第一阻抗变换线和第二阻抗变换线与蝶形天线进行阻抗匹配后将电磁波传输至蝶形天线，蝶形天线将电磁波辐射至矩形波导中，采用蝶形天线进行电磁波的转换，实现了宽带、低损耗的电磁波转换。

进一步地，采用周期性的电磁带隙限制电磁波，不需要通过限制金属腔体的大小来限制电磁波，从而介质基板可以任意大小，使得本发明所述高集成度的微带线与矩形波导的转换结构可以直接与大尺寸、功能复杂的单片微波集成电路集成。

进一步地，本发明所述高集成度的微带线与矩形波导的转换结构的电磁波输入端与电磁波输出端同向，不需要增加额外的导波结构改变电场方向，结构紧凑，适合电磁波输入端、输出端同向的应用场景。

本领域普通技术人员应该可以明白，结合本文中所公开的实施方式描述的各示例性的组成部分、系统和方法，能够以硬件、软件或者二者的结合来实现。具体究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。

需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。

本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高集成度的微带线与矩形波导的转换结构，其特征在于，该结构包括：

第一金属构件，所述第一金属构件底部的第一方向上设有贯通两端的波导上通道，所述波导上通道沿第二方向的两侧设有周期性电磁带隙，所述第一方向与所述第二方向垂直；

介质基板，设置在所述第一金属构件的底部，所述介质基板上面与所述波导上通道对应的位置设有依次连接的馈线和第一阻抗变换线；所述介质基板下面与所述第一阻抗变换线对应的位置设有第二阻抗变换线；所述第一阻抗变换线远离所述馈线的第一侧通过第一三角形贴片连接第一蝶形贴片，所述第一三角形贴片与所述第一阻抗变换线垂直；所述第二阻抗变换线的第一侧通过第二三角形贴片连接第二蝶形贴片，所述第二三角形贴片与所述第二阻抗变换线垂直，所述第一三角形贴片与所述第二三角形贴片沿所述第一方向对称设置；所述第一蝶形贴片与所述第二蝶形贴片沿所述第一方向对称设置；所述第一蝶形贴片与所述第二蝶形贴片组成蝶形天线；其中，所述第一阻抗变换线、所述第二阻抗变换线、所述第一三角形贴片、所述第二三角形贴片以及所述蝶形天线均位于所述周期性电磁带隙作用范围内；

第二金属构件，设置在所述介质基板底部，所述第二金属构件顶部设有与所述介质基板契合的凹槽，所述凹槽的第一侧设有波导下通道，所述波导下通道与所述波导上通道契合；所述波导下通道嵌入所述凹槽设定距离，以形成短路面防止电磁波反向传播。

2.根据权利要求1所述的高集成度的微带线与矩形波导的转换结构，其特征在于，所述馈线、所述第一阻抗变换线、所述第二阻抗变换线、所述第一三角形贴片、所述第二三角形贴片、所述第一蝶形贴片以及所述第二蝶形贴片均由金制作而成。

3.根据权利要求1所述的高集成度的微带线与矩形波导的转换结构，其特征在于，所述介质基板由石英制作而成。

4.根据权利要求3所述的高集成度的微带线与矩形波导的转换结构，其特征在于，所述介质基板的厚度为50±10μm。

5.根据权利要求1所述的高集成度的微带线与矩形波导的转换结构，其特征在于，所述第一阻抗变换线和所述第二阻抗变换线的长度均为0.31mm，所述第一阻抗变换线第一侧到所述介质基板末端的距离与所述第二阻抗变换线第一侧到所述介质基板末端的距离均为0.45mm，其中所述介质基板末端为靠近所述波导下通道的一端。

6.根据权利要求5所述的高集成度的微带线与矩形波导的转换结构，其特征在于，所述第一蝶形贴片和所述第二蝶形贴片的张角角度均为28±10°。

7.根据权利要求1所述的高集成度的微带线与矩形波导的转换结构，其特征在于，所述周期性电磁带隙由多个相同的周期性电磁带隙单元组成，各周期性电磁带隙单元由金属柱、单位介质基板、金属地以及空气间隙构成。

8.根据权利要求7所述的高集成度的微带线与矩形波导的转换结构，其特征在于，多个相同的周期性电磁带隙单元按设定周期依次排列形成周期性电磁带隙。

9.根据权利要求4所述的高集成度的微带线与矩形波导的转换结构，其特征在于，所述介质基板下面采用金作为金属接地的接地体。

10.根据权利要求8所述的高集成度的微带线与矩形波导的转换结构，其特征在于，所述金属柱的长度和宽度均为0.3mm，高度为0.35mm,所述金属柱下底面到所述介质基板上面的距离为0.02mm，所述周期性电磁带隙单元周期为0.6mm。

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