CN116031601A - 一种平面传输线至矩形波导的转换结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面传输线至矩形波导的转换结构，其包括多层地板、平面传输线、匹配单元及矩形波导，其多层地板中在对应波导位置镂空形成标准波导口区域，所述匹配单元布置于所述标准波导口区域中，所述匹配单元呈E型，其包括一横向枝节及三纵向枝节，其中间纵向枝节与所述带状线相对应。本发明通过E型匹配单元结构简单，E型结构的三条纵向枝节与一条横向枝节形成的两个U型部分都具有电容特性，且电容特性随频率变化小，宽带匹配性能更好，相对于普通的方形匹配结构，采用E型匹配结构实现了更宽带的匹配效果，也降低了实际装配时的精度要求。

Description

一种平面传输线至矩形波导的转换结构

技术领域

本发明涉及毫米波技术领域，具体涉及一种平面传输线至矩形波导的转换结构。

背景技术

毫米波有可用频带宽、信息容量大、保密性好和体积小等优点，在通信、电子对抗、雷达和探测等领域有广泛应用。特别是V波段(50-75GHz)、E波段(60-90GHz)和W波段(75-110GHz)，近些年在通信上更是受到广泛关注。

在毫米波技术中，天线与射频前端连接一般采用波导接口，因此，天线还需将带状线过渡到标准波导的转换器。

如授权公告号为CN102074772B的发明专利《带状线-波导转换器》即公开一种转换结构，其激励匹配单元为类似类似微带天线的方形结构，结构简单，但电气性能随频率变化明显，会使该转换器工作带宽不够，从而使得实际装配时精度要求高。此外，带状线两侧未设置金属过孔，会导致电磁波还未传播至激励匹配单元就已经损耗了一部分能量；激励匹配单元未与带状线末端直连，而是通过耦合方式传导信号，此方式的损耗会进一步增加。

又如，申请公布号为CN109449550A的发明申请《一种W频段波导-带状线转换结构》，其通过方形贴片将带状线上TEM模式转换成矩形波导上的TE10模式，同样存在带宽不足的缺陷。此外，其带状线末端同样为开路，信号通过耦合传导，也存在损耗较大的缺陷。

同理，接地共面波导到矩形波导存在同样的损耗问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能实现超宽带的一种平面传输线至矩形波导的转换结构，该转换结构实现了带状线与标准波导器件的高效率互连，具有宽带、低损耗转换性能，且结构简单、装配时定位精度要求低。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种平面传输线至矩形波导的转换结构，其包括多层地板、平面传输线、匹配单元及矩形波导，所述多层地板在最下层地板对应于波导位置镂空形成标准波导口区域，所述匹配单元设置在所述标准波导口区域中，所述匹配单元呈E型，其包括一横向枝节及三纵向枝节，其中间的纵向枝节与所述平面传输线相对应。

进一步地，所述平面传输线的末端直连所述匹配单元。

进一步地，所述平面传输线的末端通过金属化过孔连接所述匹配单元的中间纵向枝节的末端。

进一步地，所述平面传输线为带状线。

进一步地，所述多层地板从上到下依次包括带状线上地板、上层高度板、信号线层板、下层高度板及带状线下地板，所述上层高度板、信号线层板、下层高度板在波导所在位置镂空形成所述标准波导口区域，在带状线所在区域镂空形成通槽，所述带状线分布在信号线层板的通槽中。

进一步地，所述平面传输线为接地共面波导信号线。

进一步地，所述多层地板包括信号线层板、高度板及接地板；所述接地共面波导信号线分布于所述信号线层板中；所述高度板设有对应于所述接地共面波导信号线的通槽，以使接地共面波导信号线距离所述接地板一定高度。

进一步地，各地板通过第二金属化过孔连接，所述第二金属过孔分布于所述通槽及所述标准波导口区域的周边。

进一步地，所述第二金属化过孔为双排。

进一步地，所述多层地板为金属板，每层金属板间填充GH-100介质材料。

采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下优点：

1、本发明的E型匹配单元结构简单，装配时定位精度要求低，E型结构的三条纵向枝节与一条横向枝节形成的两个U型部分都具有电容特性，且电容特性随频率变化小，宽带匹配性能更好，相对于普通的方形匹配结构，采用E型匹配结构8实现了更宽带的匹配效果；

2、本发明的信号与E型匹配单元直连，电磁信号直接传输匹配单元，损耗小；

3、本发明在信号线的两侧设置金属过孔，降低电磁波在平面传输线传播时的损耗；此外，本发明还采用两排金属过孔更好地降低了电磁波的衰减。

附图说明

图1为本发明实施例1结构示意图；

图2为本发明实施例1又一结构示意图；

图3为本发明实施例1再一结构示意图；

图4为采用本发明实施例1的仿真示意图；

图5为本发明实施例2结构示意图；

图6为本发明实施例2又一结构示意图；

图7为本发明实施例2再一结构示意图；

图8为本发明实施例2的仿真示意图。

附图标记说明：

地板100、带状线下地板110、下层高度板120、信号线层板130、上层高度板140、带状线上地板150；

带状线200；

匹配单元300、纵向枝节310、纵向枝节320、纵向枝节330、横向枝节340；

矩形波导400、标准波导口区域410；

第二金属化过孔500；

地板600：第一地板610、第二地板620、第三地板630、第四地板640、第五地板650、第六地板660、第七地板670、第八地板680；

接地共面波导信号线700；

第一金属化过孔800。

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，以下结合附图及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。另外，需要说明的是：

术语“上”“下”“左”“右”“竖直”“水平”“内”“外”等均为基于附图所示的方位或者位置关系，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示本发明的装置或者元件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。

当元件被称为“固定于”或者“设置于”或者“设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者间接连接至该另一个元件上。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在发明中的具体含义。

实施例1

请参考图1-图3所示，本发明公开了一种平面传输线至矩形波导的转换结构，实现带状线与矩形波导的互联，其包括多层地板100、带状线200、匹配单元300及矩形波导400。

本实施例中，多层地板100从上到下依次包括带状线上地板150、上层高度板140、信号线层板130、下层高度板120及带状线下地板110，各地板100为金属板，各金属板间填充GH-100介质材料。

带状线下地板110在对应矩形波导400位置镂空形成标准波导口区域410，所述匹配单元300布置于所述带状线下地板110的标准波导口区域410中，所述匹配单元300呈E型，其包括一横向枝节340及三纵向枝节(310、320及330)，其中间纵向枝节310与所述带状线200相对应。

所述匹配单元300调谐工作频率，匹配单元300中三条纵向枝节(310、320及330)及一条横向枝节340形成的两个U型部分都具有电容特性，且电容特性随频率变化小，如此，宽带匹配性能更好，相对于普通的方形匹配结构，采用E型匹配结构实现了更宽带的匹配效果，降低了实际装配的精度要求。

电磁波从带状线200传递到匹配单元300后，能量集中在匹配单元300两端和标准波导口宽边形成的缝隙周围，此外，两缝隙内的电场方向一致，都垂直于标准波导宽边，以与矩形波导400内主传输模式TE10模式电场方向匹配，从而激励起矩形波导400主模传输，实现了带状线200与矩形波导400传输模式转换。

本发明中，带状线200的末端直连匹配单元300。具体地，带状线200的末端通过第一金属化过孔800连接匹配单元300的中间纵向枝节310的末端。电磁信号直接传输至匹配单元300，相比于传统将带状线200开路以耦合方式连接的方式，本发明降低了电磁信号传输的损耗。

上层高度板140、信号线层板130、下层高度板120在矩形波导400所在位置镂空形成标准波导口区域410，在带状线200所在区域镂空一定宽度的金属以形成通槽，带状线200分布在信号线层板130的通槽中，本实施例中，信号线层板130的通槽宽度为0.075-0.1mm。如此，上层高度板140、信号线层板130、下层高度板120调节带状线200的阻抗，且能更好地束缚住电磁波在带状线200上传播，使得带状线200传输损耗降低。

带状线上地板150、带状线下地板110间通过由带状线上地板150贯穿至带状线下地板110的第二金属化过孔500连接，第二金属过孔分布于通槽及标准波导口区域410的周边。

连接带状线上地板150和带状线下地板110的第二金属化过孔500，既能不影响带状线200的TEM模式传输，又能截止极化方向与金属化过孔的轴平行的电磁波传播，即上层高度板140、下层高度板120、第一金属化过孔800形成一个背腔，引导电磁波向矩形波导方向传播，且不产生多余的高次模。

此外，本发明在通槽的周边区域也设置了第二金属化过孔500，降低了电磁波从带状线200传播至匹配单元300的路径上的损耗。

一种优选的实施方式中，第二金属化过孔500为双排设置，采用两排金属过孔更好地降低了电磁波的衰减，进一步降低损耗。

请参考图4所示，其横坐标为带宽，纵坐标为损耗，曲线S11表示回波损耗，S21表示插入损耗，仿真结果表明，采用本发明结构后，在61.5GHz-83.5GHz极宽(31.5％)的频带范围内的回波损耗都小于-15dB，插入损耗都低于-0.45dB；且在73.4GHz-82.3GHz频带范围内的回波损耗都小于-20dB，插入损耗低于-0.4dB。因此，本发明提供的一种平面传输线至矩形波导的转换结构不仅能同时工作在V、E、W频段，且在76GHz-81GHz的汽车雷达应用的频段具有优异的转换特性。

实施例2

请参考图5-图7所示，本发明还公开了一种一种平面传输线至矩形波导的转换结构，实现共面波导与矩形波导的互联，其具体包括：包括多层地板600、接地共面波导信号线700、匹配单元300及矩形波导400。

其中，多层地板600为PCB金属板，每层金属板间填充GH-100介质材料。本实施中，地板600的层数为8层。

8层地板从下至上依次排布：最下地板(第一地板610、第二地板620及第三地板630)在标准波导口区域410挖空；第六地板660为接地共面波导的接地板；第七地板670为高度板，其挖空0.4mm-0.5mm宽的金属，以使接地共面波导信号线700(共面波导传输线)离第六地板660形成一定的高度，高度约为0.21mm；第八地板680为信号线层板，接地共面波导信号线700分布在第八地板680的挖空区域，匹配单元300布置在第一地板610的标准波导口区域410内，且接地共面波导信号线700的末端和匹配单元300的中间枝节310的末端通过第一金属化过孔800连接。在接地共面波导信号线700及波导口所占区域周边按一定距离布置两排第二金属化过孔500，该第二金属化过孔500贯穿各地板(即由第一地板610贯穿至第八地板680)，从而形成背腔。矩形波导400(标准W12波导)与第一地板610中的标准波导口区域410连接。

如图8所示，仿真结果表示在75.15GHz-82.04GHz宽(8.8％)的频带范围内的回波损耗都小于-15dB，插入损耗都低于-0.65dB；且在76GHz-81GHz频带范围内的回波损耗都小于-20dB，插入损耗低于-0.55dB；本发明提供的一种接地共面波导到一种平面传输线至矩形波导的转换结构不仅能同时工作在V、E、W频段，且在76GHz-81GHz的汽车雷达应用的频段具有优异的转换特性。

本发明的工作原理是：接地共面波导信号线700末端的信号通过第一金属化过孔800与底下的E型结构的匹配单元300直连，电磁信号直接传输至匹配单元300；连接第八地板680和第一地板610的第二金属化过孔500，既能不影响接地共面波导的TEM模式传输，又能截止极化方向与金属化过孔的轴平行的电磁波传播，即第八地板680、第六地板660、第二金属化过孔500形成一个背腔，引导电磁波通过第一金属化过孔800向矩形波导上方的E型结构传播，且不产生多余的高次模；采用两排第二金属化过500更好地降低了电磁波的衰减。

E型匹配单元300调谐工作频率，单元中三条纵向枝节(310、320、330)及一条横向枝节340形成的两个U型部分都具有电容特性，且电容特性随频率变化小，宽带匹配性能更好，相对于普通的方形匹配结构，采用匹配单元300实现了更宽带的匹配效果；通过E型匹配单元300后能量集中在匹配单元两端和标准波导口区域410宽边形成的缝隙周围，并且两缝隙内的电场方向一致，都垂直于标准波导宽边，与标准波导内主传输模式TE10模式电场方向匹配，从而激励起标准波导主模传输，实现了接地共面波导与矩形波导传输模式转换。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种平面传输线至矩形波导的转换结构，其包括多层地板、平面传输线、匹配单元及矩形波导，所述多层地板在最下层地板对应于波导位置镂空形成标准波导口区域，所述匹配单元设置在所述标准波导口区域中，其特征在于：所述匹配单元呈E型，其包括一横向枝节及三纵向枝节，其中间的纵向枝节与所述平面传输线相对应。

2.如权利要求1所述的一种平面传输线至矩形波导的转换结构，其特征在于：所述平面传输线的末端直连所述匹配单元。

3.如权利要求2所述的一种平面传输线至矩形波导的转换结构，其特征在于：所述平面传输线的末端通过第一金属化过孔连接所述匹配单元的中间纵向枝节的末端。

4.如权利要求2所述的一种平面传输线至矩形波导的转换结构，其特征在于：所述平面传输线为带状线。

5.如权利要求4所述的一种平面传输线至矩形波导的转换结构，其特征在于：所述多层地板从上到下依次包括带状线上地板、上层高度板、信号线层板、下层高度板及带状线下地板，所述上层高度板、信号线层板、下层高度板在波导所在位置镂空形成所述标准波导口区域，在带状线所在区域镂空形成通槽，所述带状线分布在信号线层板的通槽中。

6.如权利要求2所述的平面传输线至矩形波导的转换结构，其特征在于：所述平面传输线为接地共面波导信号线。

7.如权利要求6所述的一种平面传输线至矩形波导的转换结构，其特征在于：所述多层地板包括信号线层板、高度板及接地板；所述接地共面波导信号线分布于所述信号线层板中；所述高度板设有对应于所述接地共面波导信号线的通槽，以使接地共面波导信号线距离所述接地板一定高度。

8.如权利要求5或7所述的一种平面传输线至矩形波导的转换结构，其特征在于：各地板通过第二金属化过孔连接，所述第二金属过孔分布于所述通槽及所述标准波导口区域的周边。

9.如权利要求8所述的一种平面传输线至矩形波导的转换结构，其特征在于：所述第二金属化过孔为双排。

10.如权利要求1所述的一种平面传输线至矩形波导的转换结构，其特征在于：所述多层地板为金属板，每层金属板间填充GH-100介质材料。

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