一种星载高频微带至波导宽带低插损垂直转换电路

摘要

一种星载高频微带至波导宽带低插损垂直转换电路，属于微波毫米波在波导微带之间过渡转换技术。该转换电路包括顺序连接的微带线，开路匹配枝节端头、微带到同轴线端头间的互联金带，端头扁平并烧结在腔体中的同轴玻璃体绝缘子，焊接在绝缘子端头的阶梯型探针。本发明实现了矩形波导与微带线两者主模之间电磁场的模式过渡转换，完成矩形波导与微带线之间电磁信号的传输，具有设计巧妙、结构紧凑、可密封、转换传输方向可同向设计、插损小、频带宽、驻波特性好的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微带到矩形波导的垂直转换电路，具体的说是一种微带 经垂直的同轴结构转换到矩形波导的电路，主要应用在高频接收机、发射机、 天线等涉及信号传输形式转换的领域。

背景技术

微带到波导的转换是一种常用的微波电路转换结构，发展出了多种类 型。从架构类型上讲，包括微带到波导的直接过渡，微带经过同轴再转化到 波导的过渡；从传输方向上讲，包括微带与波导传输方向垂直，微带与波导 传输方向平行两种形式；从密封方向上讲，包括可实现全气密的过渡，以及 不能气密的过渡，但一般形式的微带到波导的转换都难以同时兼顾气密性、 传输可同向性、以及宽带低插损特性。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种星载高频微带 至波导宽带低插损垂直转换电路，具有同向传输、气密性，频带宽，插入损 耗低，可靠性高的优点。

本发明的技术解决方案：一种星载高频微带至波导宽带低插损垂直转换 电路，其特征在于包括：微带线（1）、开路匹配枝节（2）、互联金带（3）、 同轴玻璃绝缘子（4）、镀银铝质阶梯型探针（5）、介质基片（6）、圆柱 形通腔（7）、波导腔体（8）和微带腔体（9）；其中微带线（1）与开路匹 配枝节（2）两者均位于介质基片（6）上，并相互连接，介质基片（6）粘 接于微带腔体（9）内表面上，同轴玻璃绝缘子（4）烧结于微带腔体（9） 中，玻璃绝缘子（4）引线上端头和下端头均露出腔体外，须保证绝缘子（4） 上端头与介质基板（6）之间有间隙，绝缘子（4）上端头与开路匹配枝节（2） 通过互联金带（3）压接，镀银铝质阶梯型探针（5）焊接在玻璃绝缘子（4） 下端头上，与绝缘子（4）下端面间须留有间隙，探针（5）中心位于波导腔 体（8）矩形波导窄边的一半位置，如图2中a/2所标示，圆柱形通腔（7） 开于波导腔体（8）上，用以伸入镀银铝质探针（5），通腔（7）中心距波 导底面为一定值，如图2中e所标示，该尺寸约为对应传输信号波长的1/4。

所述介质基片（6）粘接后的高度应与玻璃绝缘子（4）上端头的高度一 致，用以保证互联金带（3）两个压接点（玻璃绝缘子（4）上端头与开路匹 配枝节（2））处在同一高度上，实现压接互连金带（3）的长度最短，降低 电磁场传输的不连续性，互联金带应呈拱形，可以提高互联的抗振可靠度。

微带线（1）与开路匹配枝节端头（2）均位于同一介质基片上，开路匹 配枝节（2）主要是用于综合掉互联金带（3）所引入的电感特性，从而实现 同轴到微带之间的阻抗匹配。

介质基片（6）与玻璃绝缘子（4）上端头的最近距离应控制0.1mm，如 图2中d所标，可以保证互联金带（3）压接跨度小，路径短，绝缘子（4） 上端头不与介质基片（6）底面的地短接。

玻璃绝缘子（4）采用焊料烧结在微带腔体中，可以实现微带腔体（9） 与波导腔体（8）之间的气体隔离。玻璃绝缘子（4）下端头处于波导腔体（8） 圆柱形通孔（7）中，圆柱形通孔（7）孔径大于探针（5）的直径，保证焊 接完毕的探针能够深入波导腔体中。圆柱形通孔（7）与探针（5）之间形成 了等效的电容，参与了匹配，调整其尺寸可以进一步的拓宽使用带宽，圆柱 形通孔（7）距波导腔体（8）矩形波导底面的距离为λ／4（λ为对应传输 信号频率的波长），如图2中e所标示。

铝质镀银探针（5）为阶梯形状，实现波导到同轴之间阻抗的阶梯变化， 相对于直筒型探针，可以扩展使用带宽，焊接后探针（5）上端面距玻璃绝 缘子（4）下端面应为0.1mm，如图2中h所标示，一方面防止探针重心下 移，振动半径过大，另一方面较近的距离也能够降低端头引线所引入的不连 续性。探针（5）内部含有如图2所示的焊接孔A与通孔B，增强探针的镀 银质量和焊接可靠性。

由于采用了同轴互联，同轴内传输的TEM模式决定了微带腔体与波导 腔体的传输方向可以任意设置，本设计采用同向设计，为目前微波模块化产 品主流思路，具体如图1所示，信号沿微带线（1）传输方向，与信号在波 导腔体（8）中的矩形波导的传输方向一致。

本发明的实现原理：

本发明的实现目标是将信号从微带线转换传输到波导。具体实现原理 为，如图1所示，首先通过微带线（1）与开路匹配枝节（2）以及互联压接 金带（3）将信号引入同轴绝缘子（4）中，通过同轴玻璃绝缘子（4）导入 到焊接在下端头的阶梯型探针（5），该探针（5）置于波导腔体（8）矩形 波导主模TE10模的磁场最强处，一般为波导窄边的一半，如图2中a/2所标 示，距波导底面为λ／4（对应传输频率的波长），如图2中e所标示，此时 反射系数约为1，即信号经波导底面全反射回探针（5）端面所在位置，反 射波和入射波在探针处同相叠加，向转换处传输的能量得到加强，所以能够 保证尽可能多的信号耦合进入波导腔体，从而得到较低的插入损耗和较好的 驻波。开路匹配枝节在传输中，主要是抑制掉互联金带（3）引入的传输不 连续性，保证信号能够完整的从微带线（1）导入到同轴绝缘子（4）中，阶 梯型探针与矩形波导腔体的空间耦合，完成了同轴50Ω阻抗到矩形波导波 阻抗的宽带匹配，实现了宽带转换传输。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）比起微带到波导的转换，以及微带-水平同轴-波导的转换的垂直转 换传输方向，本发明采用垂直的同轴结构实现的微带到波导的转换，可以实 现同向传输，在整星布局中可以更紧凑。

（2）比起专利号：CN101752631A,《基于磁耦合原理的矩形波导与微 带过渡转换电路》的专利所描述的转换电路，该设计即可以实现同向传输， 又可以实现良好的气密性，对于采用裸芯片搭建的星载产品而言，更可靠。

（3）采用金带互联软搭接工艺，与现有的采用锡焊搭建的转换电路相比， 抗振性能更高，更适合星载使用。

（4）采用阶梯型探针和开路匹配枝节，扩展了使用带宽，降低了插入损 耗，且探针内含焊接孔和通孔（导出焊接产生的气泡），如图2中A和B 所标示，可以提高镀银质量和焊接质量，进一步提高产品的可靠性。

总之，本发明采用垂直的同轴结构实现了微带到矩形波导的过渡转换， 具备同向传输、气密性，频带宽，插入损耗低，可靠性高的特点。

附图说明

图1为本发明的电路示意图；

图2为本发明的电路局部细节图；

图3为本发明一实施例中波导腔体立体结构示意图；

图4为本发明一实施例中含有一对背对背过渡转换电路的介质基片的 示意图；

图5为本发明一实施例中介质基片与微带腔体组装后的俯视图；

图6为本发明一实施例中微带腔体与波导腔体组装后侧面示意图；

图7为本发明一实施例中微带腔体与波导腔体组装后正面示意图；

图8为本发明一实施例中在Ka频段的S21仿真结果图；

图9为本发明一实施例中在Ka频段的S11仿真结果图；

图10为本发明一实施例中样品在Ka频段的S21实测结果图；

图11为本发明一实施例中样品在Ka频段的S11实测结果示意图；

具体实施方式

如图1所示，一种星载高频微带至波导宽带低插损垂直转换电路包括： 微带线1、开路匹配枝节2、互联金带3、同轴玻璃绝缘子4、镀银铝质阶梯 型探针5、介质基片6、圆柱形通腔7、波导腔体8和微带腔体9；其中微带 线1与开路匹配枝节2两者均位于介质基片6上，并相互连接，介质基片6 粘接于微带腔体9内表面上，同轴玻璃绝缘子4烧结于微带腔体9中，同轴 绝缘子4引线上端头和下端头均露出腔体外，通过互联金带3将绝缘子4上 端头与开路匹配枝节2压接，镀银铝质阶梯型探针5则焊接在绝缘子4下端 头上，圆柱形通腔7开于波导腔体8上，用以伸入镀银铝质探针5。

所述介质基片6粘接后的高度应与玻璃绝缘子4上端头的高度一致，具 体如图1所示，这样可以保证互联金带3两个压接点玻璃绝缘子4上端头与 开路匹配枝节2处在同一高度上，从而能够实现最短的压接长度。

所述互联金带3压接形状应为弧线，具体如图2所示，拱高应控制在 0.05～0.1mm之间，两压接点之间的跨度应保证在0.3mm以内，保证较短的 压接长度约0.4～0.5mm，互联金带3分为矩形和扇形两种，具体如图2中C 与D所标示。

所述介质基片6与玻璃绝缘子4端头的最近距离应控制0.1mm，具体如 图2中d所标示，既能够保证互联金带3两压接点跨度在0.3mm以内，降 低过长的互联金带3引入的传输不连续性，又能够保证绝缘子4上端头不与 介质基片6背面的大面积地短接，造成失配。

所述圆柱形通腔7的直径应大于探针5的直径，保证焊接在绝缘子的端 头的探针5，能够深入波导腔体8中，圆柱形通腔7的中心距矩形波导底面 的距离为λ／4对应传输频率的波长，如图2中e所标示。

所焊接探针5距绝缘子4下端面距离为0.1mm，如图2中h所标示，保 证探针5上端面尽可能的靠近的绝缘子4下端面，降低电传输不连续性，同 时防止探针5与微带腔体9端面短接，造成失配，探针5中心位于波导腔体 8矩形波导窄边的一半的位置，如图2中a/2所标示。

所述探针5为阶梯形状，内含端头引线焊接孔，以及通孔，如图2中A 和B所标示，保证探针5在镀银的时候，银层能够顺畅流通孔内壁，且在焊 接的时候气泡能够有效排除，从而提高焊接质量。

所述微带腔体9与波导腔体8的传输方向为同向设计，如图1所示，信 号在微带线1上的传输方向与在腔体腔体8矩形波导的传输方向一致。

本发明工作过程：本发明为无源电路故不分静态和动态两种工作模式， 其信号传输路径为，信号首先从微带腔体9开始传输，经过位于介质基片6 上的微带线1与开路匹配枝节2后，由互联金带3将信号导入同轴玻璃绝缘 子4的上端头，经绝缘子4同轴部分传输到已伸入圆柱形通孔7中的镀银阶 梯型铝质探针5上，再由探针5耦合进入波导腔体8中，最后经波导口输出。

在信号转换传输过程中，开路匹配枝节2综合掉互联金带3引入的不连 续性，实现微带线1和绝缘子4同轴线间的50Ω的连续传输，阶梯型探针5 与波导腔8矩形波导的耦合，实现了绝缘子4同轴线50Ω到波阻抗的阶梯 变换，从而保证微波信号的匹配传输。

如图1所示，本转换结构含粘接了介质基片6的微带腔体9，位于介质 基片上6上的微带线1，开路匹配枝节端头2，微带到同轴线端头间的互联 金带3，烧结在结构件中的同轴玻璃体绝缘子4，以及穿过波导腔体8上的 圆柱形通孔7，并焊接在绝缘子4下端头的阶梯型铝质镀银探针5。

实施例

为测试方便，首先将本发明所述的两个完全相同转换电路对称的设置于 同一介质基片6上，并将两个转换电路中的微带线1连接，使两个转换电路 连通如图4所示，然后准备烧结了两个绝缘子的微带腔体，以及内含两圆柱 通腔（用于探针深入）和两矩形波导的波导腔体如图3所示（腔体所有表面 镀银），将图4所示的介质基板用导电胶粘接到微带腔体上，保证基板距两 个绝缘子端头的距离均为0.1mm，基片安装高度与绝缘子端口平齐，用金带 将开路匹配枝节与绝缘子端头互联，金带互联路径取最短，拱高介于0.05mm 到0.1mm之间，跨度在0.3mm以内。绝缘子端头下端焊接阶梯型探针，保 证探针端面与绝缘子端面保持在0.1mm的距离。焊接完毕后将微带腔体装 配到波导腔体中，用螺钉将两个腔体紧固，如图6与图7所示，对外为两个 波导接口，易于测试。

下面根据上述理论，先在计算机上进行仿真优化设计，然后根据优化设 计加工实物样品，最后对样品进行测试。

仿真计算的软件使用HFSS14微波仿真软件，介质基板采用A493陶瓷 片，介电常数9.9，厚度0.38mm，镀金厚度2～3um，微带线宽度采用标准 50Ω线宽，0.38mm，开路枝节位于微带线端口，宽度≥0.38mm，金带拱高 设为0.05～0.1mm之间，跨度0.25～0.3mm之间，矩形波导采用BJ260尺寸。

在18～34GHz频率范围内对上述事例进行了模拟仿真，模拟仿真结果如 图8、图9所示，22GHz～31GHz回波损耗优于-20dB，插入损耗优于0.1dB， 根据该优化结果所对应的设计尺寸加工了相应的样件，采用AgilentE8363C 对样件进行了测试，测试结果如图10所示，可以看到测试结果与仿真结果 基本相同，插入损耗1.1dB，扣除测试波同转换0.6dB的损耗，则单边转换 电路插入损耗优于0.3dB，如图11所示，回波损耗在21.5～28GHz优于-15dB。 由此证明本发明不仅可行，而且实施效果已经达到甚至超过现有技术。因此 本发明不仅是微波毫米波频段矩形波导与微带线之间过渡转换的工程设计 中一种全新的选择，而且结构紧凑，性能可靠，可同向传输，可气密，带宽 宽，插损低，具有很高的利用价值。