基片集成波导与矩形金属波导的过渡结构

摘要

本发明公开了一种基片集成波导与矩形金属波导的过渡结构及其制造工艺，过渡结构（3）用于连接基片集成波导（1）与矩形金属波导（2），所述的过渡结构（3）一端与基片集成波导（1）连接，另一端插入在矩形金属波导（2）中，过渡结构（3）垂直于矩形金属波导（2）的宽边，且位于矩形金属波导（2）的矩形中心位置。本发明的有益效果是：矩形波导与基片集成波导之间的过渡耦合结构，与现有的耦合结构相比，在微波毫米波频段具有更低的损耗，更宽的工作带宽；本发明提出的矩形波导与基片集成波导间的耦合过渡结构，具有更小的体积，更易于制作和大批量生产。

说明书

技术领域

本发明涉及到微波传导领域，具体是涉及基片集成波导与矩形金属波导的过渡结构。 

背景技术

基片集成波导技术是近几年提出的一种可以集成于介质基片中的一种新型导波结构，它具有低插损、低辐射以及完全平面等特性，它是通过在上下底面为金属层的低损耗介质基片上放置金属化通孔而实现的[1,2]，其目的是在介质基片上实现传统的金属波导功能。它可有效地实现无源和有源集成，使微波毫米波系统小型化，甚至可把整个微波毫米波系统制作在一个封装内，极大地降低了成本；由于它的传播特性与矩形金属波导类似，所以由其构成的微波毫米波部件具有高的Q值和功率容量，且易与集成，同时由于整个结构完全为介质基片上的金属化通孔阵列所构成，所以这种结构可以利用PCB或LTCC工艺精确的实现，并可与微带电路实现无缝集成[3,4]。与传统波导形式的微波毫米波器件的加工成本相比，基片集成波导微波毫米波器件的加工成本十分低廉，非常适合微波毫米波集成电路的设计和大批量生产。 

近几年，在对基片集成波导结构以及传输特性充分研究的基础上，已实现了高性能的滤波器、双工器、定向耦合器、功率分配器、天线阵列等多种器件[1-6]，极大的推进了基片集成波导技术的发展。目前，基片集成波导技术在美国、欧洲、韩国、日本以及中国等许多地区都受到了大量的关注，国外已成功利用先进的加工工艺，把基片集成波导技术应用于100.0GHz 甚至是 200.0GHz 左右的亚毫米波频段。这说明了基片集成波导已为微波毫米波电路提供了一种新的集成方向。 

随着基片集成波导技术的快速发展，为了充分的利用其性能和便于测试，基片集成波导与其他标准的金属矩形波导器件之间的宽带过渡结构，已严重制约此类器件的宽带应用，成为目前急需解决的一类问题。为了实现基片集成波导与矩形金属波导的过渡，常用的有鳍线过渡、金属探针过渡等多种结构，但这类过渡结构的工作带宽较窄，且装配复杂，不适合大批量生产应用。 

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供了一种基片集成波导与矩形金属波导的过渡结构，本发明利用菱形天线的宽带收发特性，把工作在两个不同频段的菱形天线以阵列形式级联起来，一端连接在基片集成波导上，一端垂直矩形金属波导宽边中心插入，以此来形成宽带耦合过渡结构，完成能量的耦合过渡。 

本发明的目的通过基片集成波导与矩形金属波导的过渡结构，完成矩形金属波导到基片集成波导的能量过渡，该过渡结构用于连接基片集成波导与矩形金属波导，过渡结构一端与基片集成波导连接，另一端插入在矩形金属波导中，过渡结构垂直于矩形金属波导的宽边，且位于矩形金属波导的矩形中心位置。 

过渡结构包括介质基片和设置在介质基片一个面上的第一菱形探针天线，所述的第一菱形探针天线包括主菱形天线A和渐变微带线A，所述的主菱形天线A的长对角线垂直于矩形金属波导的宽边，其一个锐角通过渐变微带线A连接到基片集成波导的一面金属片上，所述的渐变微带线A宽度从主菱形天线A到基片集成波导呈逐渐增加。工作过程：主菱形天线A的辐射电场方向与矩形金属波导的TE10模电场方向一致，于是来自于矩形金属波导的TE10模能量首先通过主菱形天线A把其转换为差分微带端口的准TEM模能量，随后准TEM模能量又经过一段微带线（即渐变微带线A），将准TEM模能量转换为基片集成波导的TE10模能量，最后从基片集成波导端口输出。 

进一步，本发明的第一菱形探针天线还包括至少一个副菱形天线A，所有副菱形天线A的长对角线也垂直于矩形金属波导的宽边，所有副菱形天线A都通过级联微带线A连接到主菱形天线A与渐变微带线A连接的锐角上，且副菱形天线A与主菱形天线A位于级联微带线A的同一侧。各个副菱形天线A以及主菱形天线A的工作在不同频点，这样做可以通过级联多个菱形天线（副菱形天线A以及主菱形天线A），使过渡结构能够工作在不同的频段，扩展系统的工作带宽；还可以通过优化调整级联微带线的长度，来调整到达前后两个菱形天线探针的信号相位差，从而提高其辐射场信号的前后比，改善对应天线阵列的方向性，扩展系统的工作带宽。 

进一步，本发明介质基片上背对第一菱形探针天线的一面设置有第二菱形探针天线，所述的第一菱形探针天线包括主菱形天线B和渐变微带线B，所述的主菱形天线B的长对角线垂直于矩形金属波导的宽边，其一个锐角通过渐变微带线B连接到基片集成波导的一面金属片上，所述的渐变微带线B宽度从主菱形天线B到基片集成波导呈逐渐增加，且基片集成波导的另一宽边金属面端接矩形金属波导的短路反射面上，在介质基片的两面上都设置菱形天线探针，可进一步增强了过渡结构的工作带宽，减少过渡结构的插入损耗，降低输入端口的驻波系数。 

进一步，本发明所述的第二菱形探针天线还包括至少一个副菱形天线B，所有副菱形天线B的长对角线也垂直于矩形金属波导的宽边，所有副菱形天线B都通过级联微带线B连接到主菱形天线B与渐变微带线B连接的锐角上，且副菱形天线B与主菱形天线B位于级联微带线B的同一侧。效果与第一菱形探针天线内设置副菱形天线A一样，扩展系统的工作带宽。 

进一步，本发明的第一菱形探针天线的前端还设置有一个增加过渡结构的工作带宽的金属微带匹配枝节，这样使得过渡结构的工作带宽进一步的增强了。金属微带匹配枝节的形状为矩形，其实也可以是其他形状，但是效果不是很好，比起矩形效果要差。 

进一步，本发明的渐变微带线A和渐变微带线B的长度为约为四分之一波长，这个长度时，由于金属波导短路面的短路作用，经四分之一波长变换后，在主菱形天线探针处等效为开路，可提高菱形天线探针的辐射能量的前后比，降低过度结构的端口驻波，增加工作带宽和插入损耗。 

进一步，本发明的过渡结构与基片集成波导为一体化设置，介质基片为基片集成波导中基片的延伸，加工时，过渡结构与基片集成波导可一起生产，使用时将过渡结构插入矩形金属波导中即可。 

基片集成波导的宽度主要决定于TE10模的截至频率。基片集成波导的宽度a与对应矩形金属波导的宽度a’间的关系如下： 

其中，这里R，w为形成基片集成波导的两侧金属通孔半径和相邻的两通孔间距。

在确定了差分微带线宽度与基片集成波导的宽度之后，即可进行过渡段的设计。由于差分微带线的主模是准TEM模，而基片集成波导的主模是TE10模，为了有效的实现它们间的模式匹配，使反射系数最小，应适当选择过渡段的长度与宽度。一般来说，过渡段长度越大，越有利于输入端口驻波的减少，但太长的长度将引起过大的传输损耗，并会使过渡段的尺寸过长，为此综合考虑，过渡段长度应选择小于一个波导波长。 

本发明的有益效果是：矩形波导与基片集成波导之间的过渡耦合结构，与现有的耦合结构相比，在微波毫米波频段具有更低的损耗，更宽的工作带宽；本发明提出的矩形波导与基片集成波导间的耦合过渡结构，具有更小的体积，更易于制作和大批量生产。 

附图说明

图1 为实施例1的基片集成波导、矩形金属波导的过渡结构连接图； 

图2 为实施例1的正面示意图；

图3 为实施例2的正面示意图；

图4 为实施例3的背面示意图；

图5 为实施例4的基片集成波导、矩形金属波导的过渡结构连接图；

图6 为实施例4的正面示意图；

图7 为实施例4的背面示意图；

图8 为实施例4菱形探针天线的结构示意图；

图9 为实施例4的过渡结构插入损耗与回波损耗仿真图；

图10 为实施例4的过渡结构背靠背插入损耗与回波损耗图；

图中，1-基片集成波导，2-矩形金属波导，3-过渡结构，301-介质基片，302-第一菱形探针天线，303-第二菱形探针天线，304-主菱形天线A，305-渐变微带线A，306-主菱形天线B，307-渐变微带线B，308-副菱形天线A，309-级联微带线A，310-副菱形天线B，311-级联微带线B，4-金属微带匹配枝节。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但是本发明的结构不仅限于以下实施例： 

【实施例1】

如图1、图2所示，完成矩形金属波导到基片集成波导的能量过渡，该过渡结构3用于连接基片集成波导1与矩形金属波导2，过渡结构3一端与基片集成波导1连接，另一端插入在矩形金属波导2中，过渡结构3垂直于矩形金属波导2的宽边，且位于矩形金属波导2的矩形中心位置。

过渡结构3包括介质基片301和设置在介质基片301一个面上的第一菱形探针天线302，所述的第一菱形探针天线302包括主菱形天线A304和渐变微带线A305，所述的主菱形天线A304的长对角线垂直于矩形金属波导2的宽边，其一个锐角通过渐变微带线A305连接到基片集成波导1的一面金属片上，所述的渐变微带线A305宽度从主菱形天线A304到基片集成波导1呈逐渐增加，而基片集成波导1的另一个金属片端接矩形金属波导2的短路反射面上。 

优化的，本实施例的渐变微带线A305的长度为四分之一波长。 

优化的，本实施例的过渡结构3与基片集成波导2为一体化设置，介质基片301为基片集成波导2中基片的延伸，加工时，过渡结构3与基片集成波导2可一起生产，使用时将过渡结构3插入矩形金属波导2中即可。 

所述的介质基片301可采用厚度为0.635mm，介电常数为10.0的CER-10板材，具有介质损耗低，导带金属与基板介质黏附力好等特点，在X波段，其比较适合作菱形天线探针阵列对即过渡结构3和基片集成波导1的载体基片。 

上述结构中，由于插入到矩形金属波导2中的菱形天线的阻抗较低，为了阻抗匹配，渐变微带线A305和渐变微带线B307的阻抗也应较低，在本设计中，选择阻抗为35欧姆的渐变微带线作为微带线的阻抗。 

【实施例2】 

如图3，本实施例的结构与实施例结构基本一致，不同之处在于第一菱形探针天线302还包括一个副菱形天线A308，所有副菱形天线A308的长对角线也垂直于矩形金属波导2的宽边，所有副菱形天线A308都通过级联微带线A309连接到主菱形天线A304与渐变微带线A306连接的锐角上，且副菱形天线A308与主菱形天线A304位于级联微带线A309的同一侧。

【实施例3】 

如图4，本实施例的结构基本与实施例2一致，不同之处在于介质基片301上背对第一菱形探针天线302的一面设置有第二菱形探针天线303，所述的第一菱形探针天线302包括主菱形天线B306和渐变微带线B311，所述的主菱形天线B306的长对角线垂直于矩形金属波导2的宽边，其一个锐角通过渐变微带线B307连接到基片集成波导1的一面金属片上，所述的渐变微带线B307宽度从主菱形天线B306到基片集成波导1呈逐渐增加。

第二菱形探针天线303还包括一个副菱形天线B310，所有副菱形天线B310的长对角线也垂直于矩形金属波导2的宽边，所有副菱形天线B310都通过级联微带线B311连接到主菱形天线B306与渐变微带线B307连接的锐角上，且副菱形天线B310与主菱形天线B306位于级联微带线B311的同一侧。效果与第一菱形探针天线302内设置副菱形天线A308一样，扩展系统的工作带宽。 

渐变微带线B311也为四分之一波长。 

【实施例4】 

如图5，图6、图7、图8，本实施例的结构与实施例3基本一致，不同之处在于第一菱形探针天线302的前端还设置有一个增加过渡结构3的工作带宽的金属微带匹配枝节4。金属微带匹配枝节4的形状为矩形。

本实施例中，过渡结构的各尺寸如下表： 

 

W1W2W3W4W5W6W7W8W9a0.400.200.301.000.5611.560.402.683.3822.86W10W11L1L2L3L4L5L6L7b4.189.401.501.202.001.305.0018.03.5010.16L8L9L10H1H2H3DR  7.904.533.531.550.554.201.000.30  

采用上表中的尺寸，制作设计耦合过渡结构，其仿真的插入损耗和端口回波损耗曲线如图9所示，从中可以看出本过渡耦合结构在8.5-17.5GHz频段内，插入损耗小于0.6dB，回波损耗优于-15dB，具有良好的过渡性能。

为了进一步测试验证上述过渡耦合结构的性能，可以把本实施例结构背靠背级联起来进行测试，图10即为对应的测试曲线，从中可以看出在9.5至17.5GHz的频带内，测试的结果吻合的很好，在14.2GHz频率时，测得的背靠背插入损耗值最小，为1.6dB，此时的回波损耗是25dB。在频率为15.5GHz时，测得的插入损耗最大，是2.1dB，此时的回波损耗是10dB。在14.5-17.5GHz的频带内插入损耗值比在9.5-14GHz的频带内有轻微的增加，这可能是频率变高导致基片介质损耗的增加所致。 

从上述实验结果来看，在9.5-17.5GHz的频带内，本实施例的插入损耗小于2.1dB，回波损耗高于10dB，说明其具有较好的宽带性能，很适合宽带系统的运用，能满足许多微波毫米波通信系统的要求。