一种W波段缝隙波导至微带的过渡转换装置

摘要

本发明公开了一种W波段缝隙波导至微带的过渡转换装置，包括缝隙波导(1)，阶梯匹配结构(2)，三角形平面谐振器(3)，50欧姆微带传输线(4)；所述阶梯匹配结构(2)位于缝隙波导内部信号传输路径(5)和三角形平面谐振器之间；所述三角形平面谐振器带有接地过孔(6)；所述50欧姆微带传输线与三角形平面谐振器的输出端连接。该过渡转换装置实现了W波段缝隙波导至微带传输线的信号互连，为天线和单片集成电路MMIC的集成设计提供可能。

说明书

技术领域

本发明属于电磁场与微波技术领域，具体涉及一种新型的W波段缝隙波导至微带的过渡转换。

背景技术

W波段在车载雷达、点对点5G移动通信数据回传、综合孔径雷达、导引头等领域具有广泛的应用前景。传统的W波段模块大多采用机械加工的WR-10标准波导作为互连构成。一方面，这种机械加工的波导模块不仅要求较高的加工精度(±10微米)，而且体积较大不利于小型化集成。另外一方面，用于微带和WR-10波段过渡转换用的鳍线、探针过渡的装配需要成熟工艺人员特殊的金丝键合操作，产品的批次一致性得不到很好的保障。这些原因大大限制了传统W波段波导系统的大规模应用。得益于理想磁导体的边界近似，缝隙波导(Gap Waveguide)的出现给毫米波模块提供了一种互连解决方案。它具有类似波导的传输特性，加工精度要求可以放宽至±50微米。

缝隙波导于2009年被瑞典科学家P.S.Kildal教授的研究小组提出，首先应用于微波电路模块封装领域；随后缝隙波导被应用于天线和电路领域，基于缝隙波导提出了一系列毫米天线阵列、滤波器、功分等。除此以外，集成单片集成电路MMIC(MonolithicMicrowave Integrated Circuit)至缝隙波导对于其实际应用而言至关重要；因此，不同波段的缝隙波导至微带传输线的过渡转换结构被不断提出。这类过渡转换结构的工作频率主要在Ku、Ka、V、F四个波段，过渡转换的机理分别基于缺陷地、阻抗渐变、耦合谐振腔、耦合微带贴片。目前尚未有W波段缝隙波导至微带的过渡转换装置，为了扩展缝隙波导在W波段模块系统中的应用，需要设计一种W波段缝隙波导至微带的过渡转换结构。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种W波段缝隙波导至微带的过渡转换结构，实现W波段缝隙波导至微带传输线的信号互连，为天线和单片集成电路MMIC的集成设计提供可能。

技术方案：本发明采用如下技术方案：

一种W波段缝隙波导至微带的过渡转换装置，包括缝隙波导(1)，阶梯匹配结构(2)，三角形平面谐振器(3)，50欧姆微带传输线(4)；

所述阶梯匹配结构(2)位于缝隙波导内部信号传输路径(5)和三角形平面谐振器之间；所述三角形平面谐振器带有接地过孔(6)；所述50欧姆微带传输线与三角形平面谐振器的输出端连接。

三角形平面谐振器和50欧姆微带传输线集成在一片衬底(7)上，衬底安装在缝隙波导底座(8)上。

所述阶梯匹配结构包括至少3个台阶(9)；所述多个台阶中，从与缝隙波导内部信号传输路径相连的台阶至与三角形平面谐振器相连的台阶，高度依次增大。所述多个台阶中，位于中间部位的台阶长度大于位于两侧的台阶长度。

所述缝隙波导中设置有周期性金属柱(10)，凹槽路径(11)，底座(8)，上盖板(12)；所述周期性金属柱(10)设置于凹槽路径(11)的两侧。

所述接地过孔(6)设置于三角形平面谐振器(3)与阶梯匹配结构(2)相连的一侧。

所述三角形平面谐振器(3)与阶梯匹配结构(2)相连的一侧设置有矩形贴片(13)。

有益效果：本发明所提供的W波段缝隙波导至微带的过渡转换装置，能够有效解决W波段缝隙波导和单片集成电路的互连，有利于缝隙波导形式的天线阵列在W波段系统中的应用推广，同时能够有效降低该频段传统波导加工时对加工精度的要求。该过渡转换装置不仅适用于87GHz-100GHz，还适用于75GHz至100GHz其他W全频段范围内某频段范围内的过渡转换；不仅适用于机械加工所制造的缝隙波导，还适用于其他机密加工的缝隙波导，如微机械MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)加工的缝隙波导。

相比于已报道的其他4个波段(Ku、Ka、V、F)缝隙波导至微带传输线的过渡转换，本发明所提供的过渡转换装置基于改进的平面谐振器耦合，能够很方便地实现W波段缝隙波导至微带传输线的场模式耦合和过渡，装配简单，有利于降低成本，补全缝隙波导至平面传输线的毫米波过渡转换，为缝隙波导在W波段模块系统中的应用打好基础。

附图说明

图1为实施例中W波段缝隙波导至微带的过渡转换装置的三维示意图；

图2为实施例中W波段缝隙波导至微带的过渡转换装置的三维结构图；

图3为实施例中W波段缝隙波导至微带的过渡转换装置的俯视图及相关设计参数标注图；

图4为实施例中W波段缝隙波导至微带的过渡转换装置细节放大三维示意图及相关设计参数标注图；

图5为实施例中W波段缝隙波导至微带的过渡转换插入损耗和回波损耗仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

本发明设计的一种W波段缝隙波导至微带的过渡转换装置的三维示意图如图1所示，图2为三维结构图，包括缝隙波导1，阶梯匹配结构2，三角形平面谐振器3，50欧姆微带传输线4；缝隙波导1由周期性金属柱10、信号传输的凹槽路径11、底座8及上盖板12组成，其信号传输路径5和石英衬底7之间设计有阶梯匹配结构2，带接地过孔6的改进型三角形平面谐振器3和50欧姆微带传输线4一起设计在石英衬底7上，石英衬底7通过导电胶或者焊料片安装在缝隙波导底座8的一侧延伸部分上方。在三角形平面谐振器上设置接地过孔，可以调节谐振频率和匹配场模式。此外，在三角形平面谐振器3与阶梯匹配结构2相连的一侧设置有矩形贴片13，这样可以增加谐振模式。

如图3所示为本发明提出的W波段缝隙波导至微带的过渡转换装置的俯视图及相关设计参数标注图，其中图3-(a)为俯视图，图3-(b)为图3-(a)中虚线框的正视图。如图3-(a)所示，整个W波段缝隙波导至微带的过渡转换装置的长为L，宽为W；如图3-(b)所示，缝隙波导中周期性金属柱的高度为h₁，边长为d，周期为p，上盖板至金属柱根部的距离为h₂，由此可以计算出信号传输凹槽路径的宽度为W-3p-d；

图4所示为本发明提出的W波段缝隙波导至微带的过渡转换装置细节放大三维示意图及相关设计参数标注图，本实施例中缝隙波导内部阶梯匹配结构共设计有3个台阶，每个台阶的高度分别为h₃，h₄，h₅，对应的长度分别为l₁，l₂，l₃，对应的宽度分别为a₁，a₂，a₃-a₇；改进三角形平面谐振器左侧矩形贴片的宽度为a₇，长度为l₃，中间宽度为w₁，长度为a₄，右侧宽为w₂，长度为a₅，改进三角形平面谐振器内部接地短路过孔的半径为r，接地短路过孔距离改进三角形平面谐振器最左侧为a₈；50欧姆微带线宽为w₂，长度为a₆，整个过渡转换装置传输方向上的长度为L，石英基板的厚度为h_s。

本实施例中缝隙波导采用防锈铝在±50um精度下机械加工，石英衬底介电常数为3.824，厚度为100um，相应的几何结构参数为：d＝0.5mm p＝1.4mm,h₁＝0.3mm,h₂＝0.4mm,h₃＝0.1mm,h₄＝0.2mm,h₅＝0.3mm,w₁＝0.4mm，w₂＝0.21mm，l₁＝2.4mm，l₂＝5.6mm，l₃＝5.3mm，a₁＝0.5mm，a₂＝0.5mm，a₃＝0.85mm，a₄＝1.64mm，a₅＝0.52mm，a₆＝0.4mm，a₇＝0.7mm，a₈＝0.35mm，r＝0.1mm，L＝11.5mm，W＝9mm。

阶梯匹配结构中3个台阶的长度具有如下关系：h₁<h₂，h₃<h₂；即位于中间的台阶长度大于位于两侧的台阶长度，这样的设置可以优化阻抗匹配，提高驻波。

图5是本发明的仿真结果，可以看到在87-100GHz频率范围内插入损耗小于2dB，如图5中曲线S21所示；回波损耗大部分优于-20dB，如图5中曲线S11所示。