波导和微带线之间的无接触过渡元件

摘要

本发明涉及一种波导10和衬底30上的过渡线之间的过渡元件。所述过渡元件包括位于衬底30上的紧固凸缘20，设置凸缘20的尺寸，从而按照将谐振模式移离有用频带的方式，至少选择凸缘的在微带线方向上的宽度d。本发明尤其用于毫米频率的利用SMD技术的电路。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微带技术线路电路和波导电路之间的过渡(transition)元件，更具体地，涉及通过利用基于金属化泡沫材料(foam)的技术而实现的微带技术馈线和矩形波导之间的无接触过渡。

背景技术

目前，能够传输高比特速率的无线电通信系统正在强劲增长。所开发的系统，尤其是点到多点系统，如LMDS(本地多点分布系统)系统、WLAN(无线局域网)无线系统等，在越来越高的频率上进行操作，即在几十吉赫兹的量级。这些系统是复杂的，但必须以越来越低的成本来实现，由于其是面向消费者的。目前，存在如LTCC(低温共烧陶瓷)或HTCC(高温共烧陶瓷)技术等技术来实现集成了在上述频率进行操作的无源和有源功能的器件，以便在平面衬底上低成本地实现。

但是，在毫米波段，一些功能难以实现，尤其是滤波功能，因为这种情况下必须使用的衬底不具有毫米波段级所需的质量。因此，必须利用如波导等传统的结构来实现这类功能。于是，问题在于波导器件和利用微带技术实现的、设计用于系统的其他功能的印刷电路的互连。

另一方面，出于主要与毫米频率有关的相同原因，还利用波导技术来实现天线及其关联元件，如滤波器、偏振器或正交模。因此，需要能够将利用波导技术实现的电路与利用传统印刷电路技术实现的平面结构相连，传统印刷电路技术适合于大批量生产。

因此，已经对波导结构和微带技术的平面结构之间的互连进行了许多研究。所以，由EADS的Muller等人发表在2003年、慕尼黑举行的第33届欧洲微波会议第1255页上的文章“Surface mountablemetallized plastic waveguide filter suitable for high volumeproduction”描述了一种通过应用SMD(表面安装器件)技术能够与多层PCB(印刷电路板)电路相连的波导滤波器。在这种情况下，将波导滤波器的输入和输出直接焊接在实现在印刷电路上的引脚上。这些引脚提供了对微带线的直接连接。因此，通过微带接入线和波导结构之间的直接接触来实现微波模式的激励。因而，此过渡实现复杂，且需要苛刻的制造和定位容差。

在汤姆森许可贸易公司2003年1月3日递交的法国专利03 00045中也提出了一种矩形波导和微带线之间的过渡。此过渡需要按照特定的方式对波导的末端进行模制并在延伸了其中实现有肋形波导的泡沫材料结构的泡沫材料衬底上实现微带线。在这种情况下，形成了波导的泡沫材料块还用作微带线的衬底。此类衬底并不总是与无源或有源电路的实现相兼容。

在所有情况下，上述实施例都是复杂且不可改变的。

发明内容

因此，本发明提出了一种波导结构和利用微带技术实现的结构之间的新型无接触过渡。此过渡实现简单且允许较宽的制造和组装容差。此外，本发明的过渡与SMD安装技术兼容。

本发明涉及一种过渡元件，用于波导电路和在电介质衬底上实现的微带技术线路之间的无接触连接。过渡元件通过用于紧固(secure)于衬底上的凸缘延伸波导的末端，所述衬底的特征在于导电引脚，用于实现与凸缘的下表面的连接。此外，为了实现过渡的适配，在衬底下实现空腔，与波导的末端相对，此空腔具有特定的尺寸。

优选地，在合成材料块中实现波导电路和紧固凸缘，如除了与空腔相对的区域外，具有金属化外表面的泡沫材料。

此外，优选地，紧固凸缘与波导的末端形成整体。但是，对于一些实施例，紧固凸缘是固定到波导的末端上的独立元件。

根据第一实施例，设置紧固凸缘的尺寸，从而至少在微带线的方向上，选择凸缘的宽度d，将谐振模式移离有用带宽，紧固凸缘至少垂直于波导的末端。在这种情况下，空腔的深度等于λ/4，其中λ对应于波导中的导波波长，以及微带线以探头终止。

根据第二实施例，以波导的延伸来实现紧固凸缘。在这种情况下，微带线优选地以容性探头终止，并且空腔具有λ/4和λ/2之间的深度，其中λ对应于波导中的导波波长。为了防止电泄漏，实现在衬底上的导电引脚能够与C形凸缘相连，设置C的分支之间的开口的尺寸，以便在防止短路的同时限制电场的泄漏。

根据第三实施例，以对其外表面进行了金属化的电介质材料的挖空块来形成波导。在这种情况下，在衬底上实现的C形导电引脚按照形成波导下部的方式、沿导波方向延伸。优选地，引脚必须包括：第一金属化区域，将波导焊接于其上；和第二金属化区域，在第一金属化区域内部，并形成波导的盖。

附图说明

在参照附图、阅读对多种实施例的描述时，本发明的其他特征和优点将逐渐显现，其中：

图1是根据本发明的、波导电路和微带技术线路之间的过渡元件的第一实施例的分解透视图。

图2a和图2b分别是包括用在第一实施例中的微带技术线路的衬底的顶视图和底视图。

图3是与波导集成的过渡元件的透视图。

图4a和图4b是针对图1所示的实施例，给出了凸缘沿微带线方向上的尺寸d作为频率的函数的适配的曲线，如分别为d＝4mm和d＝2.3mm。

图5是根据第一实施例的变体、微带线和弯曲90°的波导之间的元件的分解透视图。

图6针对图5所示的实施例，给出了作为频率的函数的阻抗匹配和传输损耗曲线。

图7示出了第一实施例的另一变体的分解透视图，波导具有两个90°弯曲。

图8针对图7所示的实施例，给出了作为频率的函数的阻抗匹配和传输损耗曲线。

图9是示出了谐振频率作为尺寸d的函数的变化的曲线，从而能够确定d的极限值。

图10是根据本发明的、波导电路和微带技术线路之间的过渡元件的第二实施例的分解透视图。

图11a和图11b分别是包括用在第二实施例中的微带技术线路的衬底的顶视图和底视图。

图12示出了针对如图10所示的波导电路和微带线的过渡而仿真出的插入和回波损耗曲线。

图13是针对图10所示的实施例、示出了衬底上的导电引脚和微带线的放大底视图。

图14是针对图10所示的实施例、作为引脚开口宽度的函数，给出了30GHz处的插入损耗的曲线。

图15、16、17示出了不同引脚尺寸的回波损耗曲线。

图18a和18b分别示出了图10所示实施例的变体的分解透视图，波导电路包括SMD滤波器，和针对此变体仿真出的阻抗匹配和回波损耗曲线。

图19a和19b分别示出了图10所示实施例的变体的分解透视图，波导电路包括SMD伪椭圆滤波器，和针对此变体仿真出的阻抗匹配和回波损耗曲线。

图20是根据本发明的、波导电路和微带技术线路之间的过渡元件的第三实施例的分解透视图。

图21a和图21b分别是包括用在第三实施例中的微带技术线路的衬底的顶视图和底视图。

图22示出了针对如图20所示的过渡而仿真出的插入和回波损耗曲线。

具体实施方式

首先，将针对波导电路和实现在电介质衬底上的微带线之间的过渡元件的第一实施例，参照图1到4，进行描述。

如图1示意性所示，图1涉及过渡元件的分解视图，参考数字10示意性地示出了矩形波导。优选地，此波导由合成材料实现，更具体地，以介电常数显著地类似于空气的泡沫材料实现。如参考数字11所示，在所有外表面上对泡沫材料的矩形块进行金属化，从而实现微波波导。

如图1和图3具体所示，将表现出显而易见的“C”形的凸缘20实现在波导10的一端，优选地，在泡沫材料技术波导形成的同时形成。此凸缘20围绕波导10的矩形末端，在两个短边21和一个长边，而另一长边具有开口22，按照防止与实现在电介质衬底30上的微带线31的任何短路的方式来定位开口22，如稍后所解释。

从图3更为清楚地看到，在11和23处对由矩形波导和由凸缘构成的过渡元件形成的组件进行金属化。但是，如24所示，并不对与波导的输出相对应的末端进行金属化，波导的输出与在凸缘20的开口处垂直的区域一起形成了矩形区域。

由部分金属化的泡沫材料结构构成的凸缘20形成了能够分配和退化过渡性能的超高频腔。为了防止此问题并根据本发明，特定地设置凸缘20的尺寸，以便在确保对组件的良好机械支撑并消除谐振模式的同时，获得与承载有微带技术电路的衬底的可靠电接触，如稍后所解释的那样。

因此，设置凸缘20与未金属化部分22相对的部分(对应于与微带线相对的部分)的尺寸，从而将凸缘的谐振频率移出有用频带之外。根据所需的机械强度来选择凸缘的厚度，将选择凸缘这一部分的尺寸d，从而使所产生的谐振频率在有用频带之外。此外，如图1所示，在电介质衬底30上实现微带技术电路。按照更为具体的方式，如图2所示，电介质衬底30包括金属层30a，在其下表面形成地平面，具有对应于波导10的矩形输出的未金属化区域30b，并靠近实现在用于支撑衬底30的盒子或底座40中的空腔41，如稍后所述。

图2a所示的衬底的上表面包括：微带技术线31a，利用微带技术，以阻抗匹配线路31b延伸；连接元件或探头31c，用于恢复波导10所发射的能量。此元件的英文术语通常为“Probe”。

为了实现波导输出和探头31c之间的连接，在衬底30的上表面上，以导电材料实现凸缘20的下表面的引脚30c。如图2a清晰所示，在探头31c的延伸方向上找到的引脚部分具有对应于如图1所示的凸缘20的所述部分的宽度d的宽度d。

金属化区域30c用于容纳通过焊接(更具体地，通过焊料焊接)连接的凸缘的等效表面，并且此区域通过并未示出的金属孔与下方的地平面30a电连接。

此外，如图1所示，将容纳微带技术电路的电介质衬底安装在金属底座或金属盒40上，金属底座或金属盒40的特征在于位于面向波导的部分中的空腔41。此空腔具有等于矩形波导的开口和等于波导中的导波波长的四分之一的深度，由此提供了过渡的阻抗匹配。

对于本发明，显而易见的是，只有在与微带技术线路相同的方向上发现的过渡元件的凸缘部分的宽度对于谐振现象是重要的。实际上，对于如图1所示的矩形波导，激励基本模式TE10，并且电场在接入线的轴向上最大，并且在波导的短边上横向类似为零。因此，位于微带线两侧并由凸缘的横向部分形成的空腔对性能几乎没有影响，并且选择凸缘的这些部分的尺寸只用于提供组件的机械强度。相反，对于凸缘后部，其由馈线激励，其根据此部分的尺寸产生谐振频率，此频率可以落入有用频带内。因此，选择此宽度d，以将此频率移离有用频带，根据机械约束来选择高度。

为了验证上述概念，通过利用实现了有限元方法的、名为“Ansoft/HFSS”的仿真软件，对与图1所示类型的平面结构和矩形波导相关联的过渡元件进行3D电磁仿真。在这种情况下，通过如图1所示的凸缘来延伸具有3.556mm×7.112mm的波导横截面的、名为WR28的波导。如上所述地将厚度为1.5mm、短边宽度为2mm且宽度等于4mm或2.3mm的凸缘安装在厚度为0.2的低成本微波衬底上，所述衬底的商品名为RO4003，在其上实现微带线。

此外，通过金属化商品名为“Rohacell/HF71”的泡沫材料进行金属化来实现波导，所述泡沫材料表现出非常低的介电常数和较低的介电损耗，具体地，εr＝1.09、tg.δ＝0.001，最高到60GHz。在图4a(d＝4mm)和图4b(d＝2.3mm)中给出了仿真结果。

可以看到，对于d＝4mm，在从27到32GHz的频带上，获得了18dB左右的良好阻抗匹配，而对于d＝2.3mm，在29GHz左右观察到灾难性的谐振。

在图5中，示出了本发明的实施例变体。在这种情况下，波导100是90°弯曲的波导，如参考数字101所示，包括位于其末端的凸缘102，利用泡沫材料技术来实现此组件，即通过研磨泡沫材料块并以金属层覆盖来实现，如上所述。凸缘102是与图1所示凸缘相同类型的凸缘。此凸缘具有“C”形的形状，且特征在于位于必须面向要与波导耦合的微带技术馈线的部分中的开口103。

如图5所示，与图1和图2的衬底30相同类型的衬底110的特征在于微带技术馈线111和用于紧固凸缘102的导电引脚112。此阴极112出现在与馈线111相对的部分中，具有按照将此部分的谐振频率移出有用频带的方式如上确定的数值的尺寸d。

按照与图1所示实施例相同的方式，将此衬底安装在具有空腔121的金属底座或金属盒上，空腔121的高度等于λ/4，λ是波导中的导波波长。

利用与上述相同的软件、衬底和波导的相同类型的材料，对此类系统进行了仿真。对于大约30GHz的应用，对弯曲101的尺寸进行了优化。作为频率的函数的阻抗匹配曲线如图6所示。其示出了30GHz附近1GHz的带宽上、高于20dB的阻抗匹配。

在图7中，示出了另一实施例变体，具有双波导/平面过渡，更具体地，利用泡沫材料技术实现直波导200，在每个末端，以90°弯曲201a、201b延伸，每个弯曲末端由凸缘202a、202b延伸，如参照图5所述的凸缘。此凸缘用于在微波电介质材料中，将波导200与平面衬底210上以微带技术实现的输入电路和输出电路相连。在每个波导末端与衬底上的微带线的过渡级，实现与图5中的引脚112相同类型的引脚211a、211b。这些引脚环绕未金属化部分213a、213b，用于向利用平面技术实现的电路供电的微带线212a、212b的末端(或探头)到达未金属化部分213a、213b中。将衬底210安装在金属底座或金属盒220上，与图5一样，金属底座或金属盒220的特征在于空腔221a、221b，与波导200的末端201a、201b相对。与图1所示的实施例中一样地设置空腔的尺寸。

如上所述，对此类型的结构进行仿真，以及在匹配阻抗方面的仿真结果如图8所示。

在这种情况下，损耗水平接近对于30GHz处的单一过渡所获得的损耗，而且对于42mm的导波长度，仿真出的插入损耗小于1.5dB。

如上所述，选择尺寸d，从而由与对应于微带线的部分相对的凸缘部分构成的空腔在位于有用频带的频率外部的频率处谐振。为了实现此目的，此部分的谐振频率不仅依赖于数值d，而且还依赖于凸缘这一部分的高度和宽度。选择后两个尺寸，从而凸缘是机械刚性的。因此，针对选定高度和底座宽度，d是与频率成反比的数值。图9的曲线给出了谐振频率作为凸缘的宽度d的函数的变化。例如，对于在27到29GHz带宽内进行操作的系统，d的数值必须比2.5mm大得多，从而使谐振频率远离有用带宽。

现在，将参照图10到17，给出对根据本发明的过渡元件的另一实施例的描述。在这种情况下，波导电路50包括矩形波导51，以用于紧固在衬底60上的凸缘52延伸其末端，衬底60的特征在于平面技术电路，尤其是微带。

在本实施例中，凸缘52的下平面52a按照整个波导位于衬底60上的方式延伸矩形波导的下部51a。此外，矩形波导的末端以倾斜部分53终止。与第一实施例一样，以合成泡沫材料固体块实现矩形波导50，所述合成泡沫材料可以与用在图1中的类型相同。对波导和凸缘的外表面进行金属化，除了区域54之外，在所述实施例中，区域54为矩形，并位于稍后更为详细描述的阻抗匹配腔71的上方，区域55垂直位于微带技术线路和泡沫材料块之间的接口上，以防止任何短路。

为了实现与平面技术电路(更具体地，微带技术)的无接触连接，如图1、2a和2b所示，电介质材料的衬底60包括下接地平面60a，其特征在于与空腔71相对部分中的未金属化区域60b。

在衬底的上面60c上，以微带技术实现终止于探头60e的接入线60，在目前这种情况下，设置其尺寸从而为容性的。

此外，为了实现将波导50附加于衬底60，探头60e被具有对应于凸缘52的下表面的形式的导电引脚60f所环绕。通过焊接，特别是通过焊料焊接或任何其他等效的方式来进行凸缘到引脚上的附加。稍后，将对引脚的形状进行更为详细的解释。此外，引脚60f通过未示出的金属化孔与地平面60a电连接。

此外，将衬底60安装在金属底座或金属单元70上，对于本发明，金属底座或金属单元70包括位于过渡级的、在底座70中模制或研磨的空腔71。优选地，空腔71具有等于矩形波导的横截面和λ/4与λ/2之间的深度，其中λ表示波导中的导波波长。选择深度的精确尺寸，从而优化过渡元件的响应。

在本实施例中，实现凸缘的尺寸确定，以有利于波导在衬底上的正确偏移，而且提供与印刷电路的可靠电接触，以便在避免在过渡级的功率泄漏的同时，提供对整个组件的接地焊接。现在，凸缘包括能够干扰和退化过渡的性能的超高频腔。因此，必须正确地确定其尺寸。

在这种情况下，激励TE10模式。因此，电场的结构在接入线的轴向上最大，并且在波导的短边横向上几乎为零。

因此，形成了位于接入线两侧的空腔的凸缘部分对系统的性能几乎没有影响。但是，对于微带线60d的输入必不可少的、凸缘52中的开口55的尺寸非常重要。需要提供足够的空间以防止与微带接入线和凸缘的金属化区域之间的耦合有关的干扰。相反地，过大的开口将直接导致泄漏的显著增加，此开口位于电场的高密度区域。

应用与图1所示的实施例相同的方法对下述实施例进行仿真。因此，对于实现在由厚0.2mm的、名为ROGERS R04003的电介质材料制成的低成本衬底上的微带线和以具有标准横截面WR28：3.556mm×7.112mm和1mm高度的低损耗材料(如商品名未ROHACELL HF71的泡沫材料)实现的如图10所示的波导之间的过渡元件，对于设计用于在30GHz附近进行操作的波导的尺寸的仿真结果如图12所示。

在这种情况下，获得以下特性：

·在从22.2到30.8GHz的非常大的带宽范围内、高于20dB的阻抗匹配。

·从28.9到30.1GHz、高于25dB的阻抗匹配。

·相当低的插入损耗，0.25dB量级。

现在，将参照图13到17来描述凸缘52的尺寸对过渡的优化的影响。图13示意性地示出了当将波导安装在衬底上时、过渡元件的顶视图。在这种情况下，对于波导51本身的横向壁，凸缘52包括两个凸出的横向腔52b。这两个腔由垂直腔52a延伸，垂直腔52a的特征在于位于其中间的开口52c，对应于微带线的通过。在本实施例中，如上所述，开口52c的尺寸对过渡的电性能存在影响，如插入损耗(S21)和回波损耗(S11)等。

因此，如图14所示，其给出了作为开口52a的宽度的函数的插入损耗S21，可以注意到3个截然不同的区域：

对于小于0.8mm的开口，损耗较高，这反映出线路和波导的金属化壁之间的耦合现象。

对于从0.8到2mm的开口，观察到传输损耗最小、为-0.25dB量级的优化数值范围。

对于大于2mm的开口，损耗开始增加，从而导致场泄漏的增加。

此外，图15示出了针对前述3个区域、作为开口的宽度d的函数的回波损耗。因此，观察到以下属性：

对于小于0.8mm的开口，结构的回波损耗响应是完全混乱的。这表明过于靠近空腔的末端导致了显著的失配。

对于从0.8到2mm的开口，阻抗匹配最优，并覆盖了工作带宽。

对于大于2mm的开口，开始增加，与由于开口过大而引起的泄漏有关。

图16和17示出了形成了凸缘的空腔52a、52b的宽度a和b对过渡的性能的影响。

·考虑空腔a，图16表明此空腔的宽度对过渡的回波损耗只具有较小的作用，在较宽的频带中，损耗总是保持在-15dB以下，并且这针对从0.2到1.5mm较宽变化的宽度。

·考虑空腔b的宽度，图17表明其对过渡性能的干扰甚至更小，由于通过将其数值从1mm加倍到2mm，在非常宽的频带内，回波损耗一直保持小于-17dB。

图18和19示意性地示出了与参照图10所述类型的过渡元件一起使用的波导电路的两个实施例变体。

对于图18，波导500是表现出切比雪夫型响应的3阶虹膜波导滤波器。应用上述过渡元件，将波导500与平面技术电路相连。因此，图18a示意性地示出了其特征为连接引脚和接入线的衬底501和其特征为与滤波器500的输出相对的空腔的底座502。

与此实施例相关的性能如图18b所示。可以看到：

1.2dB数量级的低插入损耗，对于30GHz附近的900MHz频率范围。

在相同的频率范围上，低于-23dB的回波损耗。

图19类似于图18，示出了波导600，包含伪椭圆滤波器，包括位于波导的每个输入处的2个短线。此器件的目的是创建位于通带之外的两个传输零点，从而提高滤波器的选择性。对位于衬底601 RO4003和其特征为空腔的底座602上的、由2个微带线激励的此表面安装滤波器600进行完全3D仿真。图18b示出了所获得的性能：

在30GHz附近1GHz的通带内，1.2dB数量级的插入损耗。

在[29.5～30.0]GHz频带内小于-30dB的回波损耗。

在28.55GHz处高于60dB的衰减，该频率对应于寄生阻止频率。

现在，将参照图20到22，给出对根据本发明的过渡元件的另一实施例的描述。在这种情况下，波导电路80包括矩形波导81，其末端由形成了紧固凸缘的元件82延伸。在本实施例中，波导由可以是介电常数等于空气的合成泡沫材料的电介质材料块形成。挖空此块，以形成空腔83，并对此块的外表面进行完全金属化。此外，凸缘82具有凹槽84，其作用将在稍后进行解释。在本实施例中，凸缘82的下平面延伸矩形波导81的下挖空部分，从而使波导位于容纳平面技术电路(尤其是微带线)的衬底90上。

如图20和21所示，微波电介质材料的衬底90包括在图21a中标记为94的泡沫材料平面，此地平面的特征在于位于与过渡级波导输出相对的部分中的未金属化区域95。此外，在本实施例中，衬底90的上平面包括用于偏移波导80的第一金属化区域93b。

此区域93b通过并未示出的金属化孔与地平面94电连接。此外，衬底90包括位于区域93b中的第二金属化区域93a，其在波导80的整个开口下方延伸，从而形成关闭波导的开口83的盖。

衬底90的上表面还包括与区域95相对应的未金属化区域96。此区域96容纳以印刷电路技术实现的馈线91的末端92或“探头”。此线路与区域93a中的未金属化区域相交，其对应于凸缘82中的间隙84。

将组件安装在金属底座或金属盒72上，对于本发明，金属底座或金属盒72包括位于过渡处的空腔73，在底座中模制或研磨而成。空腔具有明显等于波导末端(即，对应于未金属化区域95)的横截面，和λ/4和λ/2之间的深度，λ表示波导中的导波波长。

利用等同于前述实施例的方法对上述实施例进行仿真。因此，衬底由厚度为0.2mm的、名为ROGERS R04003的电介质材料构成。波导由按照波导的内截面等同于标准WR28：3.556mm×7.112mm的方式进行研磨并且厚度为2mm的电介质材料块实现。利用如锡、铜等导电材料对波导进行金属化。系统设计用于在30GHz进行操作。

在这种情况下，如图22所示，其涉及单一微带线/波导过渡，获得了以下属性：

·在从26GHz到36GHz的非常大的带宽范围内、高于15dB的阻抗匹配。

·在此频带内0.4dB数量级的相当低的插入损耗。

本领域的普通技术人员应当清楚的是，可以修改上述波导80以实现如图18所示的、其特征为切比雪夫型响应的虹膜波导滤波器或如图19所示的、具有位于波导的每个输入的2个短线的伪椭圆滤波器。

本领域的普通技术人员应当清楚的是，可以对上述实施例进行多种修改。具体地，可以得到启示，获得将波导末端插入其中的一些实施例的独立过渡元件。重要因素是实现未表现出寄生谐振模式的无接触过渡。