一種用于Ka波段矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)基片集成波導(dǎo)的裝置制造方法
【專利摘要】該發(fā)明公開了一種用于Ka波段矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)基片集成波導(dǎo)的裝置，屬于微波毫米波集成【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種應(yīng)用于Ka波段的新型小型化矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)基片集成波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)。該裝置包括：WR-28矩形波導(dǎo)、過渡結(jié)構(gòu)和基片集成波導(dǎo)(SIW)；過渡結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)基板、分別位于介質(zhì)基板上層和下層的片狀探針；上層和下層的探針都為一片彎曲的錐形片狀探針，分別彎向兩側(cè)，從而具有回波損耗優(yōu)于15dB，插入損耗小于1.4dB，工作帶寬為24-40GHz，測試結(jié)果與仿真結(jié)果很接近，且電路尺寸大幅減小，僅長3.6mm，加工也相當方便的效果。
【專利說明】一種用于Ka波段矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)基片集成波導(dǎo)的裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微波毫米波集成【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種應(yīng)用于Ka波段的新型小型化矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)基片集成波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002]基片集成波導(dǎo)(substrate integrated waveguide)是近些年來提出的一種高性能低損耗小型化的傳輸線，且容易與平面電路集成，眾多的優(yōu)點使得基片集成波導(dǎo)在微波毫米波電路領(lǐng)域成為未來電路的發(fā)展趨勢。這種印刷平面技術(shù)已廣泛應(yīng)用于微波和毫米波組件和子系統(tǒng)，如濾波器、天線、過渡結(jié)構(gòu)，耦合器、功分器、偏振旋轉(zhuǎn)器和振蕩器。另夕卜，由于空氣填充的矩形波導(dǎo)具有高Q值和大功率容量等優(yōu)點，使其成為毫米波波段重要的傳輸線結(jié)構(gòu)。因此，有必要設(shè)計一個小型化高性能的過渡結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)矩形波導(dǎo)和不同種類平面?zhèn)鬏斁€之間的能量轉(zhuǎn)換。一些研宄人員已經(jīng)提出了幾種波導(dǎo)轉(zhuǎn)基片集成波導(dǎo)(waveguide-to-SIff)的過渡結(jié)構(gòu)。例如文獻Zhong C L, Xu J and Zhi Z Y 2009 Electron.Lett.45205 和 Li J, Wen G and Xiao F 2010 Electron.Lett.46 223 中采用對極鰭線來實現(xiàn)過渡，如圖(I)所示，但錐形鰭線的長度使得電路尺寸較大。而文獻Li T, Meng H F andDou W B 2014 IEICE Electron.Express 11 I中提出的基于脊形階梯式波導(dǎo)實現(xiàn)的過渡結(jié)構(gòu)，雖然電路尺寸較小，但插入損耗稍大，而且不易加工。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對【背景技術(shù)】的不足提出一種可工作于整個Ka波段、插入損耗小、電路尺寸小、加工制作方便的矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)基片集成波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)。
[0004]本發(fā)明一種用于Ka波段矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)基片集成波導(dǎo)的裝置，該裝置包括:WR_28矩形波導(dǎo)、過渡結(jié)構(gòu)和基片集成波導(dǎo)(SIW)，如圖2所示。過渡結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)基板、分別位于介質(zhì)基板上層和下層的片狀探針；上層和下層的探針都為一片彎曲的錐形片狀探針，分別彎向兩側(cè)，從而實現(xiàn)發(fā)明目的。因而本發(fā)明一種用于Ka波段矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)基片集成波導(dǎo)的裝置包括:矩形波導(dǎo)、過渡結(jié)構(gòu)和基片集成波導(dǎo)；所述基片集成波導(dǎo)包括:基片、設(shè)置于基片上表面的上金屬片、設(shè)置于基片下表面的下金屬片；基片集成波導(dǎo)的兩側(cè)設(shè)置有連接上金屬片和下金屬片的金屬化通孔；基片集成波導(dǎo)嵌入設(shè)置于矩形波導(dǎo)上，過渡結(jié)構(gòu)與基片集成波導(dǎo)的嵌入端連接固定，其特征在于過渡結(jié)構(gòu)包括:介質(zhì)基板、設(shè)置于介質(zhì)基板上表面的上探針、設(shè)置于介質(zhì)基板下表面的下探針；上探針和下探針為一片彎曲的錐形片狀探針，透視觀察上下探針形成人字結(jié)構(gòu)，人字結(jié)構(gòu)的底部為探針的針尖；過渡結(jié)構(gòu)的介質(zhì)基板與基片集成波導(dǎo)的基片連接，上探針與基片集成波導(dǎo)的上金屬片的中間位置連接，下探針與基片集成波導(dǎo)的下金屬片的中間位置連接。
[0005]所述矩形波導(dǎo)為WR-28型矩形波導(dǎo)；所述過渡結(jié)構(gòu)中的上探針為彎曲的錐形片狀探針，彎曲的錐形結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)為5條直邊組成，外側(cè)為η條直邊組成，n ^ 4 ;以錐形結(jié)構(gòu)的底邊中點為原點，“人字形”結(jié)構(gòu)的對稱軸為X軸建立坐標系，單位為_，彎曲的錐形結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)的 5 個頂點的左邊分別為:(O, 0.38)，(0.56，0.38)，(1.52，0.48)，(2.27，0.81)，(2.82，1.12);錐形結(jié)構(gòu)的頂點坐標為:(3.12，1.12);彎曲的錐形結(jié)構(gòu)的外側(cè)包括η個頂點，其中最靠近錐形結(jié)構(gòu)的底邊的3個頂點的坐標為:(0,-0.38)，(0.56,-0.38)，(1.52,0);下探針與上探針結(jié)構(gòu)完全相同，彎曲方向相反；所述介質(zhì)基板相對介電常數(shù)為
2.22，損耗角正切為0.009，厚度為0.254mm。
[0006]所述基片集成波導(dǎo)的兩側(cè)分別設(shè)置有一排金屬化通孔，兩排通孔的間距為4.85mm ;每一排內(nèi)金屬化通孔的間距為0.78mm，金屬化通孔的內(nèi)徑為0.2mm ;所述基片相對介電常數(shù)為2.22，損耗角正切為0.009，厚度為0.254mm。
[0007]本發(fā)明一種用于Ka波段矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)基片集成波導(dǎo)的裝置，具有回波損耗優(yōu)于15dB，插入損耗小于1.4dB，工作帶寬為24-40GHZ，測試結(jié)果與仿真結(jié)果很接近，且電路尺寸大幅減小，僅長3.6mm，加工也相當方便的效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是文獻中采用對極鰭線來實現(xiàn)過渡的結(jié)構(gòu)圖；
[0009]圖2是本發(fā)明的過渡結(jié)構(gòu)圖；
[0010]圖3是過渡結(jié)構(gòu)電場分布橫截面圖；
[0011]圖4是過渡結(jié)構(gòu)平面圖。
[0012]圖中:1.矩形波導(dǎo)，2.金屬化通孔，3.基片集成波導(dǎo)，4.探針。

【具體實施方式】
[0013]結(jié)合附圖對本專利進行進一步說明。
[0014]首先該設(shè)計需要在專用的電磁仿真軟件中建模優(yōu)化，本發(fā)明采用Ansoft公司的高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件(HFSS)進行建模仿真，通過對圖3中各個參數(shù)的調(diào)諧和仿真優(yōu)化，獲得最優(yōu)解，最終確定的參數(shù)尺寸為 r = 0.2mm, d = 0.78mm，Wsiw= 4.85mm，W 0= 0.72mm，W1 =0.5lmm,W2= 0.3mm,W = 1.12mm,L = 3.12mm，整個過渡結(jié)構(gòu)的長度僅3.6mm。設(shè)計完成后，進行加工，最后測試。
[0015]本發(fā)明工作原理:該過渡結(jié)構(gòu)基于E面探針耦合，采用反對稱錐形探針實現(xiàn)矩形波導(dǎo)主模TEltl模到基片集成波導(dǎo)(SIW)準TEltl模的直接轉(zhuǎn)換。其橫截面電場分布如圖3所示。反對稱錐形探針位于矩形波導(dǎo)E面中心，不僅有阻抗變換的作用，而且使基片集成波導(dǎo)(SIff)中沿Z方向的電場很平滑地轉(zhuǎn)換成矩形波導(dǎo)中沿Y方向的電場。為使該過渡結(jié)構(gòu)能工作于24-40GHZ，矩形波導(dǎo)和基片集成波導(dǎo)(SIW)的截止頻率須低于工作頻率，其中，標準WR-28矩形波導(dǎo)尺寸a*b為7.112*3.556mm，其中a為矩形波導(dǎo)寬邊，b為窄邊，其主模TEltl模的截止頻率約為21.08GHz。對于基片集成波導(dǎo)(SIW)，它的兩排周期性的金屬化通孔連接頂層和底層的金屬面，可等效為矩形波導(dǎo)的金屬壁，因此具有與矩形波導(dǎo)相似的特性，只能傳輸TEntl模，且其主模為TEltl模。本發(fā)明中，反對稱錐形探針和基片集成波導(dǎo)(SIW)都采用RT/Duroid 5880的介質(zhì)基片，該基片相對介電常數(shù)為2.22，損耗角正切為0.009，厚度為0.254mm。如圖4所示，通過調(diào)整圖中兩排金屬化通孔間距Wsiw、相鄰過孔間距d和過孔半徑r的大小，可調(diào)諧工作頻率，直至達到所需截止頻率，同時調(diào)整反對稱錐形探針的參數(shù)--反對稱錐形探針窄邊到寬邊的投影距離W、反對稱錐形探針寬邊距離Wtl、反對稱錐形探針上下兩層交疊部分分離處到其中一個探針邊沿的水平距離W1、反對稱錐形探針窄邊寬度W2和反對稱錐形探針寬邊到窄邊的投影距離L可實現(xiàn)與矩形波導(dǎo)較好的阻抗匹配。
[0016]測試時需要將兩個完全相同的過渡結(jié)構(gòu)背靠背地級聯(lián)，然后將該結(jié)構(gòu)夾于兩個開槽的WR28波導(dǎo)腔中，構(gòu)成測試電路，再用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測試。經(jīng)測試，該過渡結(jié)構(gòu)回波損耗優(yōu)于15dB，插入損耗小于1.4dB，工作帶寬為24_40GHz，測試結(jié)果與仿真結(jié)果很接近，且電路尺寸大幅減小，僅長3.6mm,加工也相當方便。
【權(quán)利要求】
1.一種用于Ka波段矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)基片集成波導(dǎo)的裝置包括:矩形波導(dǎo)、過渡結(jié)構(gòu)和基片集成波導(dǎo)；所述基片集成波導(dǎo)包括:基片、設(shè)置于基片上表面的上金屬片、設(shè)置于基片下表面的下金屬片；基片集成波導(dǎo)的兩側(cè)設(shè)置有連接上金屬片和下金屬片的金屬化通孔；基片集成波導(dǎo)嵌入設(shè)置于矩形波導(dǎo)上，過渡結(jié)構(gòu)與基片集成波導(dǎo)的嵌入端連接固定，其特征在于過渡結(jié)構(gòu)包括:介質(zhì)基板、設(shè)置于介質(zhì)基板上表面的上探針、設(shè)置于介質(zhì)基板下表面的下探針；上探針和下探針為一片彎曲的錐形片狀探針，透視觀察上下探針形成人字結(jié)構(gòu)，人字結(jié)構(gòu)的底部為探針的針尖；過渡結(jié)構(gòu)的介質(zhì)基板與基片集成波導(dǎo)的基片連接，上探針與基片集成波導(dǎo)的上金屬片的中間位置連接，下探針與基片集成波導(dǎo)的下金屬片的中間位置連接。
2.如權(quán)利要求1所述的一種用于Ka波段矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)基片集成波導(dǎo)的裝置，其特征在于所述矩形波導(dǎo)為WR-28型矩形波導(dǎo)；所述過渡結(jié)構(gòu)中的上探針為彎曲的錐形片狀探針，彎曲的錐形結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)為5條直邊組成，外側(cè)為η條直邊組成，η多4 ;以錐形結(jié)構(gòu)的底邊中點為原點，“人字形”結(jié)構(gòu)的對稱軸為X軸建立坐標系，單位為_，彎曲的錐形結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)的5個頂點的左邊分別為:(O, 0.38)，(0.56，0.38)，(1.52，0.48)，(2.27，0.81)，(2.82，1.12)；錐形結(jié)構(gòu)的頂點坐標為:(3.12，1.12);彎曲的錐形結(jié)構(gòu)的外側(cè)包括η個頂點，其中最靠近錐形結(jié)構(gòu)的底邊的3個頂點的坐標為:(0,-0.38)，(0.56,-0.38)，(1.52,0);下探針與上探針結(jié)構(gòu)完全相同，彎曲方向相反；所述介質(zhì)基板相對介電常數(shù)為2.22，損耗角正切為0.009，厚度為 0.254mm。
3.如權(quán)利要求1所述的一種用于Ka波段矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)基片集成波導(dǎo)的裝置，其特征在于所述基片集成波導(dǎo)的兩側(cè)分別設(shè)置有一排金屬化通孔，兩排通孔的間距為4.85mm ;每一排內(nèi)金屬化通孔的間距為0.78_，金屬化通孔的內(nèi)徑為0.2mm ;所述基片相對介電常數(shù)為.2.22，損耗角正切為0.009，厚度為0.254mm。
【文檔編號】H01P5/08GK104466325SQ201410753130
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月10日
【發(fā)明者】董俊, 劉宇, 楊濤, 楊自強, 汪子成 申請人:電子科技大學(xué)