CN117080705A - 一种共线型双脊波导-微带线过渡电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种共线型双脊波导‑微带线过渡电路，涉及微波电路技术领域，包括双脊阶梯式弯折波导和微带线探针过渡结构；所述双脊阶梯式弯折波导包括垂直布置的第一双脊直波导和第二双脊直波导，所述第一双脊直波导和第二双脊直波导之间通过阶梯波导节连接；所述第二双脊直波导远离阶梯波导节的一端与所述微带线探针过渡结构连接。本发明提供的共线型双脊波导‑微带线过渡电路，双脊波导端口呈现封闭状态，具有辐射损耗小特点；传输方向不需要较长的双脊波导阻抗变换波导，传输方向尺寸小。

Description

一种共线型双脊波导-微带线过渡电路

技术领域

本发明涉及微波电路技术领域，特别是涉及一种共线型双脊波导-微带线过渡电路。

背景技术

在微波毫米波电路中，微带传输线简称微带线，是一种广泛使用的二维平面传输线；波导传输线简称波导，是一种广泛使用的三维传输线，由平行平板波导传输线演变而来，一般为封闭的金属腔，根据其横截面的形状可分为矩形波导、圆波导、脊波导等。

随着宽带、超宽带微波系统的发展，脊波导由于其主模工作频带较宽的特性，被越来越多宽带、超宽带微波系统使用，脊波导可看作由矩形波导把宽边的波导壁弯折而成，其主模式场分布与矩形波导的主模相似，为TE10模式。脊波导与相同尺寸的矩形波导比较主要优点是：主模波的截止波长较长，对于相同的工作波长，波导尺寸可以缩小，主模和其它高次模截止波长相隔较远，因此主模工作频带较宽，可以达到数个倍频程，例如标准。而矩形波导主模带宽无法覆盖倍频程，因此在超宽带高频率、高功率系统中，主要采用脊波导作为主传输线。工程中，单脊波导和双脊波导使用比较多。

在微波固态电路系统中，半导体器件可以和微带线直接互联，一般采用焊接、金丝键合方式，但是微带线高频损耗大、功率容量小，限制了微波固态电路的发展，为了利用波导传输线的低损耗、高功率特性，需要采用微带传输线和波导传输线过渡转换电路。波导-微带线转换电路经常在混频器、天馈、功率合成等微波固态电路中。波导-微带线转换电路主要需求特性为：低的传输损耗和反射损耗、宽的工作频带、简单的设计和制造。

微带线-波导过渡电路，包括了微带线-矩形波导过渡电路、微带线-圆波导过渡电路、微带线-脊波导过渡电路，其中，微带线-矩形波导过渡电路比较成熟，而微带线-脊波导过渡电路相关设计不多，主要采用的原理方法有共线接触式微带线-脊波导过渡电路、垂直探针耦合式微带线-脊波导过渡电路。

现有技术也有涉及脊波导-微带线过渡电路，然而现有技术中，在双脊波导和微带线接触处，双脊波导呈现开路，具有较高的辐射损耗；过渡电路的性能主要由位于脊背的变换器和微带线表面金属带线的接触程度和定位精度决定，对加工精度和装配精度要求极高；传输方向需要较长的双脊波导阻抗变换波导，传输方向尺寸较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种共线型双脊波导-微带线过渡电路，以解决上述现有技术存在的问题，双脊波导端口呈现封闭状态，具有辐射损耗小特点；传输方向不需要较长的双脊波导阻抗变换波导，传输方向尺寸小。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种共线型双脊波导-微带线过渡电路，包括双脊阶梯式弯折波导和微带线探针过渡结构；双脊阶梯式弯折波导通过在脊波导的宽边和脊背上加载、切割形成了第一、第二、第三台阶形成了阶梯式90°弯折波导结构，具体的，所述双脊阶梯式弯折波导包括垂直布置的第一双脊直波导和第二双脊直波导，所述第一双脊直波导和第二双脊直波导之间通过阶梯波导节连接；所述第二双脊直波导远离阶梯波导节的一端与所述微带线探针过渡结构连接。本发明通过双脊阶梯式弯折波导和微带线探针过渡结构，使得输入端双脊波导所在中心线和输出端微带线所在中心线平行，进一步，缩短第二双脊直波导的长度，输入端双脊波导所在的中心线和输出端微带线所在的中心线靠近，尽可能实现很近的距离，同时也会使得整个过渡电路的体积减小。

可选的，所述阶梯波导节为90°阶梯波导节，其包括垂直连接的第一阶梯段和第二阶梯段，所述第一阶梯段远离第二阶梯段的一端与所述第一双脊直波导垂直连接，所述第二阶梯段远离第一阶梯段的一端与所述第二双脊直波导一端垂直连接。

可选的，所述微带线探针过渡结构包括微带线探针，所述微带线探针末端依次连接有第一阻抗匹配微带线、第二阻抗匹配微带线和标准阻抗微带线；所述微带线探针用于插入所述第二双脊直波导一端侧壁的开窗孔内。

可选的，所述微带线探针过渡结构还包括微带线空气腔，所述标准阻抗微带线设置于所述微带线空气腔内，所述微带线空气腔一端连接有开窗通道，所述开窗通道用于与所述开窗孔连接，所述第一阻抗匹配微带线设置于所述开窗通道内。

可选的，还包括微带介质层，所述微带线探针设置于所述微带介质层内，所述微带介质层一端与所述开窗通道远离所述微带线空气腔的一端连接。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明通过在脊波导的宽边和脊背上加载、切割形成了第一、第二、第三台阶形成了阶梯式90°弯折波导结构；通过将90°弯折脊波导和脊波导-微带线垂直过渡电路，通过脊波导口的连接和上下组合实现了非接触式的准共线型脊波导-微带线过渡电路；双脊波导端口呈现封闭状态，具有辐射损耗小特点；相比与现有的类似技术方案，本发明采用了非接触式，对装配与加工精度要求不高。本发明采用了多级微带线阻抗匹配，实现了双脊波导到微带线的超宽带阻抗匹配，整个过渡电路具有超宽带多倍频程工作特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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他的附图。

图1为本发明共线型双脊波导-微带线过渡电路侧视图；

图2为本发明共线型双脊波导-微带线过渡电路俯视图；

图3为本发明90°双脊阶梯式弯折波导示意图；

图4为本发明90°双脊阶梯式弯折波导立体示意图；

图5为本发明微带线探针过渡结构与第二双脊直波导连接处的侧视示意图；

图6为本发明微带线探针过渡结构与第二双脊直波导连接处的俯视示意图；

图7为本发明微带线探针过渡结构与第二双脊直波导连接处的立体结构示意图；

附图标记说明：1-双脊阶梯式弯折波导，101-第一双脊直波导，102-第二双脊直波导，103-阶梯波导节，2-微带线探针过渡结构，201-微带线探针，202-第一阻抗匹配微带线，203-第二阻抗匹配微带线，204-标准阻抗微带线，205-微带线空气腔，206-微带介质层，207-开窗通道。

具体实施方式

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楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种共线型双脊波导-微带线过渡电路，以解决上述现有技术存在的问题，双脊波导端口呈现封闭状态，具有辐射损耗小特点；传输方向不需要较长的双脊波导阻抗变换波导，传输方向尺寸小。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种共线型双脊波导-微带线过渡电路，如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，包括双脊阶梯式弯折波导1和微带线探针过渡结构2；双脊阶梯式弯折波导1通过在脊波导的宽边和脊背上加载、切割形成了第一、第二、第三台阶形成了阶梯式90°弯折波导结构，具体的，双脊阶梯式弯折波导1包括垂直布置的第一双脊直波导101和第二双脊直波导102，第一双脊直波导101和第二双脊直波导102之间通过阶梯波导节103连接；第二双脊直波导102远离阶梯波导节103的一端与微带线探针过渡结构2连接；微带线探针过渡结构2包括微带线探针201，微带线探针201末端依次连接有第一阻抗匹配微带线202、第二阻抗匹配微带线203和标准阻抗微带线204；微带线探针201用于插入第二双脊直波导102一端的开窗孔内。工作时，双脊阶梯式弯折波导1中的主模电磁波（准TE10模式）从第一双脊直波导101的端口进入第一双脊直波导101，经过第一双脊直波导101传输后进入90°阶梯波导节，通过90°阶梯波导节的变换后进入第二双脊直波导102，90°阶梯波导节的尺寸经过优化后，可以实现主模电磁波（准TE10模式）超宽带、高效率传输，因此，主模电磁波（准TE10模式）可以高效地从第一双脊直波导101传输至第二双脊直波导102。主模电磁波在第二双脊直波导102中传输后到达微带线探针过渡结构2，微带线探针201作为耦合天线，将第二双脊直波导102中的主模电磁波耦合到微带线中传输，为了使得第二双脊直波导102中的电磁波更宽带、更高效地传输到标准阻抗微带中（一般为50Ω微带线）第一阻抗匹配微带线202和第二阻抗匹配微带线203做为匹配电路，在超宽带多倍频程工作带宽内匹配微带线探针201的输入阻抗到标准阻抗（一般为50Ω）。

具体的，阶梯波导节103包括垂直连接的第一阶梯段和第二阶梯段，第一阶梯段远离第二阶梯段的一端与第一双脊直波导101垂直连接，第二阶梯段远离第一阶梯段的一端与第二双脊直波导102一端垂直连接。本发明提供的双脊阶梯式弯折波导，可采用数控机加方式实现。一截第一双脊直波导和另外一截第二双脊直波导，两截脊波导呈现垂直放置，第一双脊直波导的一端和第二双脊直波导的一端连接，形成了90°波导节（包含了呈现出90°走线的内脊、90°走线的外脊），其次，通过在90°阶梯波导节处的导壁外壁加载第一台阶，在外脊加载第二台阶，在内脊脊角处切割，形成第三台阶，形成阶梯波导节，相对于传统方案，本发明结构体积小，通过在波导节处的波导外壁、内外脊加载台阶，通过优化台阶的尺寸即可获得优异的传输性能，加载的台阶并未增加波导节的外形尺寸；采用数控机加方式实现，精度高，由示意图中可以看出90°阶梯式弯波导模型中所有边缘均为直线，不存在曲线结构边缘，对于结构设计、数控机加来说是非常容易实现，并且精度非常高；可靠性高，整个弯波导的体积小，并且不存在曲线结构边缘，应力性、抗形变性能较好。

微带线探针过渡结构2还包括微带线空气腔205和微带介质层206，标准阻抗微带线204设置于微带线空气腔205内，微带线空气腔205一端连接有开窗通道207，开窗通道207用于与开窗孔连接，第一阻抗匹配微带线设置于开窗通道内；微带线探针201设置于微带介质层206内，微带介质层206一端与开窗通道远离微带线空气腔的一端连接。

微带线探针201通过波导宽壁上的开窗孔进入波导形成电探针，任何一个沿探针方向具有非零电场的波导模将在探针上激励起电流，根据互易定理，当微带线上准TEM模向波导入射时产生的探针电流也将激励起同样的波导模。为保证矩形波导主模TE10模式耦合至微带线，探针应该从波导宽边中心插入，且置于TE10模电场最大处，即，距离短路面的工作频带中心频率四分之一波长处。由于探针具有容性电抗，具有感性电抗的第一阻抗匹配微带线和第二阻抗匹配微带线串联在探针和标准阻抗微带线204（一般为50Ω）之间，以消除容性电抗。这里采用两节匹配微带线是为了尽可能扩展工作带宽，实际设计中可以根据使用带宽情况使用一节或者多节，节数越多，可实现的带宽越宽。

微带线探针201和介质层是穿过矩形波导宽边的开窗孔安装到波导腔中，和开窗孔相连的开窗通道连接至微带线所在的空气腔，该开窗通道的尺寸需选择适当，以利于将能量集中在微带线上并抑制高次模耦合到微带线所在的空气腔，同时要有足够的高度以免影响微带场结构。

本发明采用的过渡结构和现有矩形波导-微带线垂直式探针过渡结构比较类似，工作原理也比较接近，该结构主要基于一节双脊直波导，直波导的一端为电磁波信号的输入端：脊波导口另外一端为短路面，靠近短路面的一端的第一脊背和第二脊背高度突变，变低后在第一脊背和第二脊背形成了两个共面凸台用于装配放置微带线探针201，同时，开窗通道与第二脊背在脊背突变处于脊背中心相连接，并且，开窗通道底面和凸台共面，用于装配放置微带线（包含了阻抗匹配微带线和标准阻抗微带线），与开窗通道相连的腔体为微带线所在的腔体，主要用于放置标准微带线和其他与之互联的微波元器件。

与矩形波导-微带线垂直式探针过渡结构工作原理一样，脊波导中的波导模将在探针上激励起电流，双脊波导中传输的主模TE10模式主要集中在第一脊背和第二脊背之间的缝隙之间，且呈现对称分布，对称面中心的电场强度最强。因此，开窗通道和第二脊背中心连接，进而，微带线探针201也是置于脊背中心TE10模电场最大处，同时，短路面距离探针的距离一般为工作频带中心频率四分之一波长。

同样的，由于探针具有容性电抗，具有感性电抗的第一阻抗匹配微带线和第二阻抗匹配微带线串联在探针和标准阻抗微带线之间，以消除容性电抗。这里采用两节匹配微带线是为了尽可能扩展工作带宽，实际设计中可以根据使用带宽情况使用一节或者多节，节数越多，可实现的带宽越宽。由于本发明是为了实现超宽带高性能传输，一般采用两节以上的匹配微带线。

本发明通过组合阶梯式双脊这波导和脊波导-微带线垂直式探针过渡结构，同时缩短第二双脊直波导的长度，实现了输入波导端口和输出微带线端口所在的中心线平行且距离很近，实现了准共线型供电电路。本发明输入输出端口在一个方向，用在微波电路中，具有体积小，易加工，容易和其他电路集成；因为现有共线型的脊波导-微带线过渡电路均为接触式结构，只有微带线和脊波导的脊背接触，只有充分的金属的接触和精准定位才能实现脊波导电磁场模式到微带线电磁场模式的高效传输，这对机加精度和装配精度提出了很高的要求，本发明提出的过渡电路采用非接触式探针耦合过渡原理，通过探针耦合脊波导中的电磁波，对装配定位精度和加工精度的要求相对较低；传统的90°弯折脊波导采用机械式的弯曲结构，加工难度高、体积大、不易和其他微波电路结构集成，本技术中提出的阶梯式90°弯折脊波导采用多个台阶实现，可采用数控机械加工，体积小、精度高、可靠性高的特点。本发明可以实现100%的相对工作带宽，具有超宽带多倍频程性能。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种共线型双脊波导-微带线过渡电路，其特征在于：包括双脊阶梯式弯折波导和微带线探针过渡结构；所述双脊阶梯式弯折波导包括垂直布置的第一双脊直波导和第二双脊直波导，所述第一双脊直波导和第二双脊直波导之间通过阶梯波导节连接；所述第二双脊直波导远离阶梯波导节的一端与所述微带线探针过渡结构连接。

2.根据权利要求1所述的共线型双脊波导-微带线过渡电路，其特征在于：所述阶梯波导节为90°阶梯波导节，其包括垂直连接的第一阶梯段和第二阶梯段，所述第一阶梯段远离第二阶梯段的一端与所述第一双脊直波导垂直连接，所述第二阶梯段远离第一阶梯段的一端与所述第二双脊直波导一端垂直连接。

3.根据权利要求1所述的共线型双脊波导-微带线过渡电路，其特征在于：所述微带线探针过渡结构包括微带线探针，所述微带线探针末端依次连接有第一阻抗匹配微带线、第二阻抗匹配微带线和标准阻抗微带线；所述微带线探针用于插入所述第二双脊直波导一端侧壁的开窗孔内。

4.根据权利要求3所述的共线型双脊波导-微带线过渡电路，其特征在于：所述微带线探针过渡结构还包括微带线空气腔，所述标准阻抗微带线设置于所述微带线空气腔内，所述微带线空气腔一端连接有开窗通道，所述开窗通道用于与所述开窗孔连接。

5.根据权利要求4所述的共线型双脊波导-微带线过渡电路，其特征在于：还包括微带介质层，所述微带线探针设置于所述微带介质层内，所述微带介质层一端与所述开窗通道远离所述微带线空气腔的一端连接。