用于匹配太赫兹波导与基片集成波导的传输互连结构

摘要

本发明公开了一种用于匹配太赫兹波导与基片集成波导的传输互连结构，包括第一矩形馈电波导和介质基板，矩形馈电波导设有第一馈电端口，介质基板与第一矩形馈电波导贴合，介质基板设有具有沿着第一方向延伸的阶梯形的边缘轮廓的第一阶梯槽，位于第一阶梯槽的一侧设有第一金属墙，第一阶梯槽的部分与第一金属墙均对准第一馈电端口，介质基板设有多个金属柱，各金属柱分别在第一阶梯槽的两侧沿第一方向排布。本发明可以实现矩形太赫兹波导到基片集成波导的阻抗匹配与模式转换；由于无需使用四分之一波长短路面，也无需在波导内部额外加工渐变脊结构，容易使用PCB等加工制造工艺制造出来，减少了加工与装配难度。本发明广泛应用于电子技术领域。

说明书

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其是一种用于匹配太赫兹波导与基片集成波导的传输互连结构。

背景技术

通信、雷达电子系统朝着更大数据传输速率、更高探测精度发展，为了满足性能发展需求，雷达通信频率必须朝着更高频段发展，已由微波毫米波频段逐步发展到了太赫兹频段。毫米波太赫兹雷达通信系统天线和收发前端电路通常采用波导、微带、共面波导、或者基片集成波导等传输线。天线和收发前端等功能模块常常采用不同传输线，涉及不同传输线间转换设计问题，且要求足够大的带宽和足够小的转换互连损耗。在亚毫米波尤其在太赫兹频段，金属波导-平面传输线转换结构通常采用微带探针、脊波导变换等方案，为了实现足够匹配变换带宽，必须使用四分之一波长短路面或者在波导内部添加渐变脊结构，存在加工和装配难度大等挑战。

发明内容

针对上述至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种用于匹配太赫兹波导与基片集成波导的传输互连结构。

一方面，用于匹配太赫兹波导与基片集成波导的传输互连结构包括：

第一矩形馈电波导；所述矩形馈电波导设有第一馈电端口；

介质基板；所述介质基板的上表面设有金属层，所述介质基板的下表面设有金属地；所述介质基板的上表面一侧与所述第一矩形馈电波导贴合；

所述介质基板设有第一阶梯槽，所述第一阶梯槽具有沿着第一方向延伸的阶梯形的边缘轮廓，所述介质基板设有第一金属墙，所述第一金属墙位于所述第一阶梯槽的第一方向反方向一侧，所述第一阶梯槽的部分与所述第一金属墙均对准所述第一馈电端口；所述介质基板设有多个金属柱，各所述金属柱分别在所述第一阶梯槽的两侧沿所述第一方向排布。

进一步地，所述第一阶梯槽包括第一L形槽和第二L形槽，所述第一L形槽和第二L形槽的形状均为相同的L字形，所述第一L形槽的开口与所述第二L形槽的开口相对，所述第一L形槽与所述第二L形槽之间通过绝缘介质隔开；

或者

所述第一阶梯槽的形状为凸字形。

进一步地，所述第一金属墙的顶面设有凸起。

进一步地，所述第一金属墙是由所述介质基板上的矩形孔注入铜浆形成，所述金属柱是由所述介质基板上的圆形孔注入铜浆形成。

进一步地，所述传输互连结构还包括：

第一金属法兰盖；所述第一金属法兰盖与所述介质基板的下表面一侧贴合。

另一方面，用于匹配太赫兹波导与基片集成波导的背靠背结构包括：

第一矩形馈电波导；所述矩形馈电波导设有第一馈电端口；

第二矩形馈电波导；所述矩形馈电波导设有第二馈电端口；

介质基板；所述介质基板的上表面设有金属层，所述介质基板的下表面设有金属地；所述介质基板一端的上表面一侧与所述第一矩形馈电波导贴合，所述介质基板另一端的上表面一侧与所述第二矩形馈电波导贴合；

所述介质基板设有第一阶梯槽和第二阶梯槽，所述第一阶梯槽具有沿着第一方向延伸的阶梯形的边缘轮廓，所述第二阶梯槽的边缘轮廓与所述第一阶梯槽的边缘轮廓相同，所述第二阶梯槽的边缘轮廓沿着所述第一方向的反方向延伸；所述介质基板设有第一金属墙和第二金属墙，所述第一金属墙位于所述第一阶梯槽的第一方向反方向一侧，所述第二金属墙位于所述第二阶梯槽的第一方向一侧，所述第一阶梯槽的部分与所述第一金属墙均对准所述第一馈电端口，所述第二阶梯槽的部分与所述第二金属墙均对准所述第二馈电端口；所述介质基板设有多个金属柱，各所述金属柱分别在所述第一阶梯槽和所述第二阶梯槽的两侧沿所述第一方向排布。

进一步地，所述第一阶梯槽包括第一L形槽和第二L形槽，所述第二阶梯槽包括第三L形槽和第四L形槽，所述第一L形槽、第二L形槽、第三L形槽和第四L形槽的形状均为相同的L字形，所述第一L形槽的开口与所述第二L形槽的开口相对，所述第三L形槽的开口与所述第四L形槽的开口相对，所述第一L形槽与所述第二L形槽之间通过绝缘介质隔开，所述第三L形槽与所述第四L形槽之间通过绝缘介质隔开；

或者

所述第一阶梯槽和所述第二阶梯槽的形状均为凸字形。

进一步地，所述第一金属墙的顶面和所述第二金属墙的顶面均设有凸起。

进一步地，所述第一金属墙和所述第二金属墙是由所述上表面上的矩形孔注入铜浆形成，所述金属柱是由所述上表面上的圆形孔注入铜浆形成。

进一步地，所述传输互连结构还包括：

第一金属法兰盖；所述第一金属法兰盖与所述介质基板一端的下表面一侧贴合；

第二金属法兰盖；所述第二金属法兰盖与所述介质基板另一端的下表面一侧贴合。

本发明的有益效果是：实施例中的用于匹配太赫兹波导与基片集成波导的传输互连结构，通过使用L字形或者凸字形的第一阶梯槽，可以实现矩形太赫兹波导到基片集成波导的阻抗匹配与模式转换；由于无需使用四分之一波长短路面，也无需在波导内部额外加工渐变脊结构，实施例中的用于匹配太赫兹波导与基片集成波导的传输互连结构可被视为是一种简单的平面结构，容易使用PCB等加工制造工艺制造出来，在PCB基板上设计阶梯第一阶梯槽、金属墙和金属柱等阻抗变换结构，即可实现太赫兹频段波导和平面传输线宽带之间的互连，减少了加工与装配难度。

附图说明

图1和图3为实施例中使用L字形阶梯槽的传输互连结构的示意图；

图2和图4为实施例中使用凸字形阶梯槽的传输互连结构的示意图；

图5为实施例中传输互连结构的侧视图；

图6为实施例中传输互连结构的等效电路图；

图7为实施例中使用L字形阶梯槽的传输互连结构从介质基板的上表面看过去的电流分布图；

图8为实施例中使用L字形阶梯槽的传输互连结构从侧面看过去的电流分布图；

图9为实施例中使用凸字形阶梯槽的传输互连结构从介质基板的上表面看过去的电流分布图；

图10为实施例中使用凸字形阶梯槽的传输互连结构从侧面看过去的电流分布图；

图11为实施例中背靠背结构的传输互连结构的示意图；

图12为实施例中对单过渡结构的S参数仿真曲线图；

图13为实施例中对背靠背结构的S参数仿真曲线图；

图14为实施例中背靠背结构中的第一阶梯槽和第二阶梯槽都是由第一L形槽和第二L形槽组成的情况下，所获得的S参数仿真曲线图；

图15为实施例中背靠背结构中的第一阶梯槽和第二阶梯槽都是凸字形的情况下，所获得的S参数仿真曲线图。

具体实施方式

本实施例中，参照图1和图2，用于匹配太赫兹波导与基片集成波导的传输互连结构包括第一矩形馈电波导201和介质基板100，其中，矩形馈电波导设有第一馈电端口301，介质基板100的上表面102设有金属层，介质基板100的下表面101设有金属地；介质基板100的上表面102一侧与第一矩形馈电波导201贴合。介质基板100设有第一阶梯槽401，第一阶梯槽401具有沿着第一方向延伸的阶梯形的边缘轮廓，介质基板100设有第一金属墙501，第一金属墙501位于第一阶梯槽401的第一方向反方向一侧，第一阶梯槽401的部分与第一金属墙501均对准第一馈电端口301；介质基板100设有多个金属柱600，各金属柱600分别在第一阶梯槽401的两侧沿第一方向排布。

本实施例中，介质基板100的上表面102设有金属层，介质基板100的下表面101设有金属地。具体地，可以使用覆铜的方式在介质基板100的上表面102制作金属层，在介质基板100的下表面101制作金属地。可以使用铜腐蚀的方式去除介质基板100的上表面102中的部分覆铜，并且使得缺失覆铜而裸露出介质基板100材料的部分具有沿着第一方向延伸的阶梯形的边缘轮廓，然后在这一部分向介质基板100深度方向挖除介质基板100的部分材料，从而形成第一阶梯槽401。

本实施例中，第一金属墙501和各个金属柱600是由介质基板100上的金属化通孔注入铜浆形成的，其中第一金属墙501对应通孔的形状是矩形，各金属柱600对应通孔的形状是圆形。

图1和图2中，第一方向为x轴所示的方向。具体地，图1中所示的第一阶梯槽401由第一L形槽40101和第二L形槽40102组成，第一L形槽40101和第二L形槽40102的形状均为L字形，而且第一L形槽40101和第二L形槽40102的形状相同。第一L形槽40101和第二L形槽40102所成的“L”字两臂所成的直角形成一个开口，参照图1，第一L形槽40101的开口与第二L形槽40102的开口相对，第一L形槽40101与第二L形槽40102之间通过绝缘介质隔开。具体地，隔开第一L形槽40101与第二L形槽40102的绝缘介质，可以是介质基板100本身的材料。图2中所示的第一阶梯槽401具有“凸”字形的边缘轮廓。无论是图1中由第一L形槽40101和第二L形槽40102组成的第一阶梯槽401，还是图2中具有“凸”字形的边缘轮廓的第一阶梯槽401，其都具有阶梯形的边缘轮廓，并且沿着第一方向延伸。由于第一阶梯槽401具有阶梯形的边缘轮廓，因此，沿着第一阶梯槽401的至少一条边缘向第一方向移动，在垂直于第一方向的方向会产生阶梯形的位移。

参照图3和图4，用于匹配太赫兹波导与基片集成波导的传输互连结构还包括第一金属法兰盖701，第一金属法兰盖701与介质基板100的下表面101一侧贴合。

本实施例中，可以使用WR-4标准矩形馈电波导作为图1-图4中的矩形馈电波导。矩形馈电波导上的第一馈电端口301可以是一个空气腔。参照图5，从用于匹配太赫兹波导与基片集成波导的传输互连结构侧面看过去，第一阶梯槽401的部分与第一金属墙501对准第一馈电端口301，也就是在垂直于介质基板100的方向上，第一阶梯槽401的部分投影、第一金属墙501的投影与第一馈电端口301的投影重合。

本实施例中，第一金属墙501的顶面设有凸起，也就是第一金属墙501的顶面的一部分相对于介质基板100的高度，高于第一金属墙501的顶面的其他部分的高度，从而起到拓展带宽的作用。

图1-5等所示的用于匹配太赫兹波导与基片集成波导的传输互连结构的工作原理在于：第一金属法兰盖701、矩形馈电波导与介质基板100垂直安装在一起，巧妙地利用矩形馈电波导的第一馈电端口301，与第一金属法兰盖701以及介质基板100上的第一阶梯槽401组成一个水平面上的阶梯形状空气波导过渡腔，具体地，图1和图3中所示的由第一L形槽40101和第二L形槽40102组成的第一阶梯槽401，以及图2和图4中所示的凸字形的第一阶梯槽401都包括两阶的阶梯形状，通过两阶介质阶梯过渡，可以实现阻抗匹配和模式转换。

图1-5等所示的用于匹配太赫兹波导与基片集成波导的传输互连结构的工作原理，可以通过以下定量分析进行说明。

图1-5等所示的用于匹配太赫兹波导与基片集成波导的传输互连结构，其等效电路图如图6所示。图6中，L

根据电压电流定义式，等效阻抗Z

耦合孔径的阻抗为：

阶梯介质变换腔的阻抗为：

由上述各式可知，通过调整耦合孔径和阶梯阻抗变换腔体的尺寸，可以实现从高阻抗的RWG(矩形馈电波导，即本实施例中的第一矩形馈电波导201)到低阻抗的SIW(基片集成波导，即本实施例中的两排金属柱600)的匹配。根据上述方程，可以选择耦合孔径的宽度w

图7-图10是对用于匹配太赫兹波导与基片集成波导的传输互连结构进行仿真的效果图。仿真过程中，所使用的参数包括：采用WR-4标准矩形馈电波导作为第一矩形馈电波导201，第一矩形馈电波导201的长宽为1.0922mm×0.5461mm，金属墙的宽度为0.15mm，金属柱600的直径为0.2mm；当使用由第一L形槽40101和第二L形槽40102组成的第一阶梯槽401时，第一L型槽和第二L型槽沿SIW传输方向也就是第一方向的长度为1.13mm，宽度为0.9mm，考虑到实际加工问题，第一L型槽和第二L型槽之间的绝缘缝隙间距为0.2mm；当使用凸字形的第一阶梯槽401时，第一阶梯槽401沿SIW传输方向也就是第一方向的长度为1.34mm，宽度为0.9mm。

当使用由第一L形槽40101和第二L形槽40102组成的第一阶梯槽401，从介质基板100的上表面102看过去的电流分布图如图7所示，从传输互连结构的侧面看过去的电流分布图如图8所示。当使用凸字形的第一阶梯槽401，从介质基板100的上表面102看过去的电流分布图如图9所示，从传输互连结构的侧面看过去的电流分布图如图10所示。通过图7-图10可以看到，由于耦合孔径和阶梯阻抗变换器，WR-4波导中的TE

图1-图4所示的传输互连结构可以实现从第一矩形馈电波导201到金属柱600的匹配，包括阻抗的匹配和模式的匹配。其中，金属柱600形成基片集成波导，第一矩形馈电波导201可以作为应用在太赫兹波段通信的太赫兹波导，因此图1-图4所示的传输互连结构能够实现太赫兹波导与基片集成波导的匹配。

图1-图4所示的传输互连结构是单过渡结构，也就是能够实现单个太赫兹波导与单个基片集成波导的匹配。还可以在图1-图4所示的传输互连结构的基础上，设计背靠背结构。本实施例中的背靠背结构如图11所示，其除了包括图1-图4所示的单过渡结构中的各部件外，还设置了第二矩形馈电波导202、第二馈电端口、第二阶梯槽、第二金属墙和第二金属法兰盖702等结构。

参照图11，介质基板100、金属柱600、第一矩形馈电波导201、第一馈电端口301、第一阶梯槽401、第一金属墙501和第一金属法兰盖701组成了一个单过渡结构，介质基板100、金属柱600、第二矩形馈电波导202、第二馈电端口、第二阶梯槽、第二金属墙和第二金属法兰盖702也组成了一个单过渡结构，这两个单过渡结构共用相同的介质基板100和金属柱600，并且两个单过渡结构是镜像对称的关系，组成背靠背结构。对于介质基板100、金属柱600、第一矩形馈电波导201、第一馈电端口301、第一阶梯槽401、第一金属墙501和第一金属法兰盖701组成的单过渡结构，其能够实现太赫兹波导与基片集成波导的匹配，因此基于相同的原理，介质基板100、金属柱600、第二矩形馈电波导202、第二馈电端口、第二阶梯槽、第二金属墙和第二金属法兰盖702组成的单过渡结构，其能够实现基片集成波导与太赫兹波导的匹配。图11所示的背靠背结构，可以实现将太赫兹波导传导的信号匹配到基片集成波导中进行传导，以改善信道特性，在另一端再将基片集成波导传导的信号匹配到太赫兹波导中进行传导，从而能够适应不同的应用场景。

图12是图1-图4所示的单过渡结构的S参数仿真曲线图；图13是图11所示的背靠背结构的S参数仿真曲线图；图14是背靠背结构中的第一阶梯槽和第二阶梯槽都是由第一L形槽和第二L形槽组成的情况下，所获得的S参数仿真曲线图；图15是背靠背结构中的第一阶梯槽和第二阶梯槽都是凸字形的情况下，所获得的S参数仿真曲线图。

参照图12和图13，可知两种单过渡结构在175-250GHz的-10dB带宽内，插入损耗都小于0.6dB。参照图13和图14，可知两种背靠背结构，在175-250GHz的-10dB带宽内，SIW单位长度的插入损耗约为0.017dB/mm。综上，本实施例中的传输互连结构的插入损耗较低，能够满足应用需求。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。