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(zhuān)利摘要】該發(fā)明公開(kāi)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(guò)渡結(jié)構(gòu)。該裝置包括：WR-28矩形波導(dǎo)、過(guò)渡結(jié)構(gòu)和基片集成波導(dǎo)(SIW)；過(guò)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(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果很接近，且電路尺寸大幅減小，僅長(zhǎng)3.6mm，加工也相當(dāng)方便的效果。
【專(zhuān)利說(shuō)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(guò)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(lái)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(diǎn)使得基片集成波導(dǎo)在微波毫米波電路領(lǐng)域成為未來(lái)電路的發(fā)展趨勢(shì)。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(guò)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(diǎn)，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(jì)一個(gè)小型化高性能的過(guò)渡結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)矩形波導(dǎo)和不同種類(lèi)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(guò)渡結(jié)構(gòu)。例如文獻(xiàn)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(duì)極鰭線來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)渡，如圖(I)所示，但錐形鰭線的長(zhǎng)度使得電路尺寸較大。而文獻(xiàn)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(shí)現(xiàn)的過(guò)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(duì)【背景技術(shù)】的不足提出一種可工作于整個(gè)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(guò)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(guò)渡結(jié)構(gòu)和基片集成波導(dǎo)(SIW)，如圖2所示。過(guò)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(shí)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(diǎn)為原點(diǎn)，“人字形”結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)軸為X軸建立坐標(biāo)系，單位為_(kāi)，彎曲的錐形結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)的 5 個(gè)頂點(diǎn)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(diǎn)坐標(biāo)為:(3.12，1.12);彎曲的錐形結(jié)構(gòu)的外側(cè)包括η個(gè)頂點(diǎn)，其中最靠近錐形結(jié)構(gòu)的底邊的3個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)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(duì)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(duì)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(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果很接近，且電路尺寸大幅減小，僅長(zhǎng)3.6mm，加工也相當(dāng)方便的效果。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1是文獻(xiàn)中采用對(duì)極鰭線來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)渡的結(jié)構(gòu)圖；
[0009]圖2是本發(fā)明的過(guò)渡結(jié)構(gòu)圖；
[0010]圖3是過(guò)渡結(jié)構(gòu)電場(chǎng)分布橫截面圖；
[0011]圖4是過(guò)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(shí)施方式】
[0013]結(jié)合附圖對(duì)本專(zhuān)利進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。
[0014]首先該設(shè)計(jì)需要在專(zhuān)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(jìn)行建模仿真，通過(guò)對(duì)圖3中各個(gè)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(gè)過(guò)渡結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度僅3.6mm。設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行加工，最后測(cè)試。
[0015]本發(fā)明工作原理:該過(guò)渡結(jié)構(gòu)基于E面探針耦合，采用反對(duì)稱(chēng)錐形探針實(shí)現(xiàn)矩形波導(dǎo)主模TEltl模到基片集成波導(dǎo)(SIW)準(zhǔn)TEltl模的直接轉(zhuǎn)換。其橫截面電場(chǎng)分布如圖3所示。反對(duì)稱(chēng)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(chǎng)很平滑地轉(zhuǎn)換成矩形波導(dǎo)中沿Y方向的電場(chǎng)。為使該過(guò)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)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T(mén)Eltl模。本發(fā)明中，反對(duì)稱(chēng)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(duì)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(guò)調(diào)整圖中兩排金屬化通孔間距Wsiw、相鄰過(guò)孔間距d和過(guò)孔半徑r的大小，可調(diào)諧工作頻率，直至達(dá)到所需截止頻率，同時(shí)調(diào)整反對(duì)稱(chēng)錐形探針的參數(shù)--反對(duì)稱(chēng)錐形探針窄邊到寬邊的投影距離W、反對(duì)稱(chēng)錐形探針寬邊距離Wtl、反對(duì)稱(chēng)錐形探針上下兩層交疊部分分離處到其中一個(gè)探針邊沿的水平距離W1、反對(duì)稱(chēng)錐形探針窄邊寬度W2和反對(duì)稱(chēng)錐形探針寬邊到窄邊的投影距離L可實(shí)現(xiàn)與矩形波導(dǎo)較好的阻抗匹配。
[0016]測(cè)試時(shí)需要將兩個(gè)完全相同的過(guò)渡結(jié)構(gòu)背靠背地級(jí)聯(lián)，然后將該結(jié)構(gòu)夾于兩個(gè)開(kāi)槽的WR28波導(dǎo)腔中，構(gòu)成測(cè)試電路，再用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，該過(guò)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(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果很接近，且電路尺寸大幅減小，僅長(zhǎng)3.6mm,加工也相當(dāng)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(diǎn)為原點(diǎn)，“人字形”結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)軸為X軸建立坐標(biāo)系，單位為_(kāi)，彎曲的錐形結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)的5個(gè)頂點(diǎn)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(diǎn)坐標(biāo)為:(3.12，1.12);彎曲的錐形結(jié)構(gòu)的外側(cè)包括η個(gè)頂點(diǎn)，其中最靠近錐形結(jié)構(gòu)的底邊的3個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)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(duì)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(duì)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(hào)】H01P5/08GK104466325SQ201410753130
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)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(qiáng), 汪子成 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)