一种用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置制造方法
【专利摘要】该发明公开了一种用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置，属于微波毫米波集成【技术领域】，特别是一种应用于Ka波段的新型小型化矩形波导转基片集成波导过渡结构。该装置包括：WR-28矩形波导、过渡结构和基片集成波导(SIW)；过渡结构包括介质基板、分别位于介质基板上层和下层的片状探针；上层和下层的探针都为一片弯曲的锥形片状探针，分别弯向两侧，从而具有回波损耗优于15dB，插入损耗小于1.4dB，工作带宽为24-40GHz，测试结果与仿真结果很接近，且电路尺寸大幅减小，仅长3.6mm，加工也相当方便的效果。
【专利说明】一种用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置
【技术领域】
[0001]本发明属于微波毫米波集成【技术领域】，特别是一种应用于Ka波段的新型小型化矩形波导转基片集成波导过渡结构。
【背景技术】
[0002]基片集成波导(substrate integrated waveguide)是近些年来提出的一种高性能低损耗小型化的传输线，且容易与平面电路集成，众多的优点使得基片集成波导在微波毫米波电路领域成为未来电路的发展趋势。这种印刷平面技术已广泛应用于微波和毫米波组件和子系统，如滤波器、天线、过渡结构，耦合器、功分器、偏振旋转器和振荡器。另夕卜，由于空气填充的矩形波导具有高Q值和大功率容量等优点，使其成为毫米波波段重要的传输线结构。因此，有必要设计一个小型化高性能的过渡结构，以实现矩形波导和不同种类平面传输线之间的能量转换。一些研宄人员已经提出了几种波导转基片集成波导(waveguide-to-SIff)的过渡结构。例如文献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 中采用对极鳍线来实现过渡，如图(I)所示，但锥形鳍线的长度使得电路尺寸较大。而文献Li T, Meng H F andDou W B 2014 IEICE Electron.Express 11 I中提出的基于脊形阶梯式波导实现的过渡结构，虽然电路尺寸较小，但插入损耗稍大，而且不易加工。
【发明内容】
[0003]本发明针对【背景技术】的不足提出一种可工作于整个Ka波段、插入损耗小、电路尺寸小、加工制作方便的矩形波导转基片集成波导过渡结构。
[0004]本发明一种用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置，该装置包括:WR_28矩形波导、过渡结构和基片集成波导(SIW)，如图2所示。过渡结构包括介质基板、分别位于介质基板上层和下层的片状探针；上层和下层的探针都为一片弯曲的锥形片状探针，分别弯向两侧，从而实现发明目的。因而本发明一种用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置包括:矩形波导、过渡结构和基片集成波导；所述基片集成波导包括:基片、设置于基片上表面的上金属片、设置于基片下表面的下金属片；基片集成波导的两侧设置有连接上金属片和下金属片的金属化通孔；基片集成波导嵌入设置于矩形波导上，过渡结构与基片集成波导的嵌入端连接固定，其特征在于过渡结构包括:介质基板、设置于介质基板上表面的上探针、设置于介质基板下表面的下探针；上探针和下探针为一片弯曲的锥形片状探针，透视观察上下探针形成人字结构，人字结构的底部为探针的针尖；过渡结构的介质基板与基片集成波导的基片连接，上探针与基片集成波导的上金属片的中间位置连接，下探针与基片集成波导的下金属片的中间位置连接。
[0005]所述矩形波导为WR-28型矩形波导；所述过渡结构中的上探针为弯曲的锥形片状探针，弯曲的锥形结构的内侧为5条直边组成，外侧为η条直边组成，n ^ 4 ;以锥形结构的底边中点为原点，“人字形”结构的对称轴为X轴建立坐标系，单位为_，弯曲的锥形结构的内侧的 5 个顶点的左边分别为:(O, 0.38)，(0.56，0.38)，(1.52，0.48)，(2.27，0.81)，(2.82，1.12);锥形结构的顶点坐标为:(3.12，1.12);弯曲的锥形结构的外侧包括η个顶点，其中最靠近锥形结构的底边的3个顶点的坐标为:(0,-0.38)，(0.56,-0.38)，(1.52,0);下探针与上探针结构完全相同，弯曲方向相反；所述介质基板相对介电常数为
2.22，损耗角正切为0.009，厚度为0.254mm。
[0006]所述基片集成波导的两侧分别设置有一排金属化通孔，两排通孔的间距为4.85mm ;每一排内金属化通孔的间距为0.78mm，金属化通孔的内径为0.2mm ;所述基片相对介电常数为2.22，损耗角正切为0.009，厚度为0.254mm。
[0007]本发明一种用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置，具有回波损耗优于15dB，插入损耗小于1.4dB，工作带宽为24-40GHZ，测试结果与仿真结果很接近，且电路尺寸大幅减小，仅长3.6mm，加工也相当方便的效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是文献中采用对极鳍线来实现过渡的结构图；
[0009]图2是本发明的过渡结构图；
[0010]图3是过渡结构电场分布横截面图；
[0011]图4是过渡结构平面图。
[0012]图中:1.矩形波导，2.金属化通孔，3.基片集成波导，4.探针。
【具体实施方式】
[0013]结合附图对本专利进行进一步说明。
[0014]首先该设计需要在专用的电磁仿真软件中建模优化，本发明采用Ansoft公司的高频结构仿真软件(HFSS)进行建模仿真，通过对图3中各个参数的调谐和仿真优化，获得最优解，最终确定的参数尺寸为 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，整个过渡结构的长度仅3.6mm。设计完成后，进行加工，最后测试。
[0015]本发明工作原理:该过渡结构基于E面探针耦合，采用反对称锥形探针实现矩形波导主模TEltl模到基片集成波导(SIW)准TEltl模的直接转换。其横截面电场分布如图3所示。反对称锥形探针位于矩形波导E面中心，不仅有阻抗变换的作用，而且使基片集成波导(SIff)中沿Z方向的电场很平滑地转换成矩形波导中沿Y方向的电场。为使该过渡结构能工作于24-40GHZ，矩形波导和基片集成波导(SIW)的截止频率须低于工作频率，其中，标准WR-28矩形波导尺寸a*b为7.112*3.556mm，其中a为矩形波导宽边，b为窄边，其主模TEltl模的截止频率约为21.08GHz。对于基片集成波导(SIW)，它的两排周期性的金属化通孔连接顶层和底层的金属面，可等效为矩形波导的金属壁，因此具有与矩形波导相似的特性，只能传输TEntl模，且其主模为TEltl模。本发明中，反对称锥形探针和基片集成波导(SIW)都采用RT/Duroid 5880的介质基片，该基片相对介电常数为2.22，损耗角正切为0.009，厚度为0.254mm。如图4所示，通过调整图中两排金属化通孔间距Wsiw、相邻过孔间距d和过孔半径r的大小，可调谐工作频率，直至达到所需截止频率，同时调整反对称锥形探针的参数--反对称锥形探针窄边到宽边的投影距离W、反对称锥形探针宽边距离Wtl、反对称锥形探针上下两层交叠部分分离处到其中一个探针边沿的水平距离W1、反对称锥形探针窄边宽度W2和反对称锥形探针宽边到窄边的投影距离L可实现与矩形波导较好的阻抗匹配。
[0016]测试时需要将两个完全相同的过渡结构背靠背地级联，然后将该结构夹于两个开槽的WR28波导腔中，构成测试电路，再用矢量网络分析仪进行测试。经测试，该过渡结构回波损耗优于15dB，插入损耗小于1.4dB，工作带宽为24_40GHz，测试结果与仿真结果很接近，且电路尺寸大幅减小，仅长3.6mm,加工也相当方便。
【权利要求】
1.一种用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置包括:矩形波导、过渡结构和基片集成波导；所述基片集成波导包括:基片、设置于基片上表面的上金属片、设置于基片下表面的下金属片；基片集成波导的两侧设置有连接上金属片和下金属片的金属化通孔；基片集成波导嵌入设置于矩形波导上，过渡结构与基片集成波导的嵌入端连接固定，其特征在于过渡结构包括:介质基板、设置于介质基板上表面的上探针、设置于介质基板下表面的下探针；上探针和下探针为一片弯曲的锥形片状探针，透视观察上下探针形成人字结构，人字结构的底部为探针的针尖；过渡结构的介质基板与基片集成波导的基片连接，上探针与基片集成波导的上金属片的中间位置连接，下探针与基片集成波导的下金属片的中间位置连接。
2.如权利要求1所述的一种用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置，其特征在于所述矩形波导为WR-28型矩形波导；所述过渡结构中的上探针为弯曲的锥形片状探针，弯曲的锥形结构的内侧为5条直边组成，外侧为η条直边组成，η多4 ;以锥形结构的底边中点为原点，“人字形”结构的对称轴为X轴建立坐标系，单位为_，弯曲的锥形结构的内侧的5个顶点的左边分别为:(O, 0.38)，(0.56，0.38)，(1.52，0.48)，(2.27，0.81)，(2.82，1.12)；锥形结构的顶点坐标为:(3.12，1.12);弯曲的锥形结构的外侧包括η个顶点，其中最靠近锥形结构的底边的3个顶点的坐标为:(0,-0.38)，(0.56,-0.38)，(1.52,0);下探针与上探针结构完全相同，弯曲方向相反；所述介质基板相对介电常数为2.22，损耗角正切为0.009，厚度为 0.254mm。
3.如权利要求1所述的一种用于Ka波段矩形波导转基片集成波导的装置，其特征在于所述基片集成波导的两侧分别设置有一排金属化通孔，两排通孔的间距为4.85mm ;每一排内金属化通孔的间距为0.78_，金属化通孔的内径为0.2mm ;所述基片相对介电常数为.2.22，损耗角正切为0.009，厚度为0.254mm。
【文档编号】H01P5/08GK104466325SQ201410753130
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月10日 优先权日:2014年12月10日
【发明者】董俊, 刘宇, 杨涛, 杨自强, 汪子成 申请人:电子科技大学