一种用于KA波段矩形波导转基片集成波导的装置.pdf

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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410753130.2 (22)申请日 2014.12.10 H01P 5/08(2006.01) (71)申请人 电子科技大学 地址 611731 四川省成都市高新区 （西区） 西 源大道 2006 号 (72)发明人 董俊 刘宇 杨涛 杨自强 汪子成 (74)专利代理机构 电子科技大学专利中心 51203 代理人 张杨 (54) 发明名称 一种用于 Ka 波段矩形波导转基片集成波导 的装置 (57) 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。

2、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。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 (10)申请公布号 C。

3、N 104466325 A (43)申请公布日 2015.03.25 CN 104466325 A 1/1 页 2 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。

4、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n条直边组成， n4 ； 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 mm， 弯曲的锥形结构的内侧的 5 个顶点的。

5、左边分别为 ： (0,0.38)， (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 n 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。

6、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。 权 利 要 求 书 CN 104466325 A 2 1/3 页 3 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 waveguid。

7、e) 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 外， 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。一些研究人员已经提出了几种波导转基片集成波导 (waveguide-to-SIW)的过渡结构。 例如文献。

8、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 (1) 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 and Dou W B 2014 IEICE Electron.Express 11 1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。

9、、 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。

10、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。

11、的锥形结构的内侧为 5 条直边组成， 外侧为 n 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 mm， 弯曲的锥形结 说 明 书 CN 104466325 A 3 2/3 页 4 构的内侧的 5 个顶点的左边分别为 ： (0,0.38)， (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 n 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.。

12、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， 。

13、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。 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。

14、 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 0.51mm， 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 TE10模到基片集成波导 (SIW) 准 TE10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。

15、 (SIW) 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 TE10 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 TEn0模， 且其主模为 TE10模。本发明中， 反对称锥形探针和基片集成波。

16、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 W0、 反对称锥形探针上下 说 明 书 CN 104466325 A 4 3/3 页 5 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。

17、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。 说 明 书 CN 104466325 A 5 1/2 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104466325 A 6 2/2 页 7 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 104466325 A 7 。