一种波导到基片集成波导的转换装置的制造方法
一种波导到基片集成波导的转换装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种将特制波导与表面刻蚀多折罐线缝隙的基片集成波导进行连通 后形成的波导到基片集成波导的转换装置，属于微波毫米波器件技术领域。
【背景技术】
[0002] 在微波无线通信系统中，微波电路一直是十分重要的基础硬件，因而受到人们的 很大重视。19世纪末，电磁场与电磁波理论的发展，催生了微波电路的基本概念，而导波结 构是微波电路的基础，关系着微波系统的整体性能。导波结构发展至21世纪初，研究工作 者提出了低损耗、易集成、小型化的基片集成波导，标志着导波结构发展至新的阶段。
[0003] 微波电路通常分为多种不同功能的模块。为了区分电路功能，W及方便移植与测 试的需要，微波电路各模块通常需要单独设计和测试，而包含基片集成波导结构的微波电 路通常需要使用接头进行连接测试。
[0004] 在50GHzW下频段，人们通常用同轴接头进行测试。但是，对于50GHzW上的频 段，同轴接头特别昂贵，并且在如此高的频段同轴接头及同轴电缆特别容易受到干扰，性能 恶化非常严重，因此，人们通常使用传统的金属波导进行连接和测试。目前的基片集成波导 到波导的转接技术损耗过大，工作带宽较窄，而且加工难度很大，该大大限制了基片集成波 导电路的发展，对基片集成波导电路的设计和测试带来很大阻碍。因此，宽带、高性能、易加 工的波导到基片集成波导的转换装置具有非常重要的研究意义。
【发明内容】
[0005] 发明目的；为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种适用于微波毫米波 器件技术领域的波导到基片集成波导的转换装置，该转换装置具有易加工、低成本、低反射 系数、低损耗和宽频带工作等优点。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种波导到基片集成波导的转换 装置，包括特制波导（1)和基片集成波导（7);所述基片集成波导（7)包括由上到下依次设 置的顶层金属层巧）、介质基片巧）、底层金属层（10)，且所述基片集成波导（7)上设置有贯 穿顶层金属层巧）、介质基片巧）、底层金属层（10)的两排金属化通孔（11);同时所述顶层 金属层（8)上刻蚀有一对第一多折罐线缝隙（12)，该一对第一多折罐线缝隙（12)设置于 顶层金属层（8)横向的两端，且位于两排金属化通孔（11)之间，同时关于顶层金属层巧） 的纵向中屯、线对称；而所述底层金属层（10)刻蚀有一对第二多折罐线缝隙（13)，该一对第 二多折罐线缝隙（13)设置于底层金属层（10)横向的两端，且位于两排金属化通孔（11)之 间，同时关于底层金属层（10)的纵向中屯、线对称；所述特制波导（1)包括上金属块（2)和 下金属块（3)，且上金属块（2)和下金属块（3)相对设置；所述上金属块（2)开设有与第 一多折罐线缝隙（12)相匹配对齐的第一波导槽（4)，同时所述下金属块（3)开设有与第二 多折罐线缝隙（13)相匹配对齐的第二波导槽巧），且下金属块（3)开设有与基片集成波导 (4)外形相匹配的基片槽化）；所述基片集成波导（7)放入基片槽化）内，且第一多折罐线 缝隙（12)与第一波导槽（4)匹配对齐，第二多折罐线缝隙（13)和第二波导槽巧）匹配对 齐；且第一波导槽（4)和第二波导槽（5)组成一个标准波导的波导口。
[0007] 优选的；所述特制波导（1)开设有用于与标准波导安装连接的螺纹孔和销钉孔。
[0008] 优选的：所述第一多折罐线缝隙（12)W及第二多折罐线缝隙（13)的横向方向均 位于基片集成波导（7)的正中间；且第一多折罐线缝隙（12)与第二多折罐线缝隙（13)在 俯视投影中关于纵向对称。
[0009] 优选的：所述第一多折罐线缝隙（12)与第二多折罐线缝隙（13)均为结构相同的 多折罐线缝隙；所述第一波导槽（4)、第二波导槽（5)为结构相同的波导槽；所述多折罐线 缝隙的轮廓由两条互相垂直的直线段A与直线段B，W及一条由多条直线段构成的曲线段C 组成，且所述直线段A的长度与波导槽的横向长度相同，所述直线段B的长度与曲线段C的 纵向总长度相同，且直线段A、直线段BW及曲线段C之间首尾依次互相相连，形成第一多折 罐线缝隙（12)或第二多折罐线缝隙（13)的轮廓。
[0010] 优选的；所述多折罐线缝隙上设置有尖劈渐变结构，该尖劈渐变结构为第一多折 罐线缝隙（12)和第二多折罐线缝隙（13)在顶层金属层（8)和底层金属层（10)影射重叠 的部分。
[0011] 优选的：所述第一波导槽（4)的纵向总长度长于第一多折罐线缝隙（12)的纵向总 长度；第二波导槽巧）的纵向总长度长于第二多折罐线缝隙（13)的纵向总长度。
[0012] 优选的：所述基片槽（6)横向宽度与基片集成波导（7)宽度相同，所述基片槽化） 的垂直方向深度与基片集成波导（7)的厚度相同；所述第二波导槽（5)在横向方向上位于 基片槽做的正中间；所述第二波导槽妨垂直方向深度比第一波导槽（4)垂直方向深度 大于半个基片集成波导（7)的厚度。
[0013] 优选的；用介质填充矩形波导来等效基片集成波导，该介质与所述基片集成波导 的介质具有相同特性，则基片集成波导（7)与介质填充矩形波导之间的等效公式为；
[001引其中，d为金属化通孔直径，S为相邻金属化通孔中屯、距离，Wsi"为所述基片集成波 导的两排金属化通孔列的中屯、线之间的距离，为相应的等效传统介质矩形波导的内截 面的较长边的长度；
[0019] 或者，当S足够小，同时满足等效波导宽度介于Ws"和Ws"-d之间的时候，相应 的基片集成波导（7)与介质填充矩形波导之间的等效公式为：
[0020]
[0021] 优选的；在毫米波频段，所述金属化通孔（11)直径为0. ;相邻金属化通孔 (11)中屯、距离为0.
[002引优选的；当工作频率在f。到2f义间时，基片集成波导只传输准TE1。模；其中主模 截止频率
C为真空中的光束，1，et为介质基片的相对介电常 数，准TEi。模截止波长A。=2胖,"。，胖"；为相应的等效传统介质矩形波导的内截面的较长边 的长度。
[0023] 有益效果
[0024] 本发明提供的一种波导到基片集成波导的转换装置，相比现有技术，具有W下有 益效果：
[0025] 1)本发明特制波导结构简单紧凑，加工难度小，加工成本低，便于低成本、大规模 生产和使用。
[0026] 2)本发明的金属层表面刻蚀多折罐线缝隙的基片集成波导可W利用普通PCB工 艺加工，精度高、重复性好，适合低成本、大批量生产。
[0027] 3)所述转换装置是封闭结构，从特制波导的波导口中的进入的电磁波全部进入多 折罐线结构中，再全部从多折罐线结构进入基片集成波导中，没有电磁波的泄露和福射，因 而对周围电路影响小，可W方便的与后级射频电路进行集成。
[002引 4)所述转换装置工作频带宽，反射系数低，插入损耗低。在本发明的实施实例 中的测试结果表明，转换装置工作的相对带宽达到40%，在整个V波段内插入损耗为 1.28-1. 52地，反射系数<-18. 1地，其中，50-72GHZ内插入损耗为1.28-1. 42地，反射系数 <-20 地。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明的波导到基片集成波导的转换装置结构示意图。
[0030] 图2为本发明的多折罐线缝隙的结构示意图。
[0031] 图3为实施例1中特制波导1的侧视图。
[0032] 图4为实施例1中基片集成波导7的俯视图。
[0033] 图5为实施例1的仿真及测试的S参数对比图。
[0034] 图中有；1为特 制波导、2为上金属块、3为下金属块、4为第一波导槽、5为第二波 导槽、6为基片槽、7为基片集成波导、8为顶层金属层、9为介质基片、10为底层金属层、11 为两排金属化通孔、12为第一多折罐线缝隙、13为第二多折罐线缝隙、14为第=波导槽、15 为第四波导槽，D为尖劈渐变结构。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0036] 一种波导到基片集成波导的转换装置，如图1所示，包括特制波导1和基片集成波 导7;所述基片集成波导7包括由上到下依次设置的顶层金属层8、介质基片9、底层金属层 10,且所述基片集成波导7上设置有贯穿顶层金属层8、介质基片9、底层金属层10的两排 金属化通孔11。
[0037]首先，用介质填充矩形波导来等效所述的基片集成波导，该介质与所述基片集成 波导的介质具有相同特性；按照传统介质填充矩形波导传输理论，计算出相应的传统介质 矩形波导的内截面的较长边的长度；根据所述长度，w及基片集成波导与介质填充矩形波 导之间的等效公式，计算出所述基片集成波导的两排金属化通孔列的中屯、线之间的距离， 保证在基片集成波导中只传播准TEi。模式。所示基片集成波导7与介质填充矩形波导之间 的等效公式为：
[00创其中，d为金属化通孔直径，S为相邻金属化通孔中屯、距离，Wsi"为所述基片集成波 导的两排金属化通孔列的中屯、线之间的距离，为相应的等效传统介质矩形波导的内截 面的较长边的长度；
[0043] 或者，当S足够小，同时满足等效波导宽度介于Ws"和Ws"-d之间的时候，相应 的基片集成波导7与介质填充矩形波导之间的等效公式为：
[0044]
[0045] 基片集成波导主模，即准TEi。模截止波长A。= 2We"g，主模截止频率
其中，C为真空中的光束，1，et为介质基片的相对介电常数。 当工作频率在f。到2f。之间时，基片集成波导只传输准TE1。模。
[0046] 在毫米波频段，所述金属化通孔11直径为0. ;相邻金属化通孔11中屯、距 罔为 0.
[0047] 选用合适的介质材料，便确定了基片的相对介电常数，从而可W计算出满足需要 的基片集成波导两排金属通孔壁的距离Wsi"，而所述介质基片9的宽度需要略大于保 证金属通孔壁完全在介质基片里面。
[0048] 如图3、4所示，所述顶层金属层8上刻蚀有一对第一多折罐线缝隙12,该一对第 一多折罐线缝隙12设置于顶层金属层8横向的两端，且位于两排金属化通孔11之间，同时 关于顶层金属层8的纵向中屯、线对称；而所述底层金属层10刻蚀有一对第二多折罐线缝隙 13,该一对第二多折罐线缝隙13设置于底层金属层10横向的两端，且位于两排金属化通孔 11之间，同时关于底层金属层10的纵向中屯、线对称；所述第一多折罐线缝隙12W及第二 多折罐线缝隙13的横向方向均位于基片集成波导7的正中间；且第一多折罐线缝隙12与 第二多折罐线缝隙13在俯视投影中关于纵向对称。
[0049] 所述第一多折罐线缝隙12与第二多折罐线缝隙13均为结构相同的多折罐线缝 隙；所述第一波导槽4、第二波导槽5的为结构相同的波导槽；如图2所示，所述多折罐线缝 隙的轮廓由两条互相垂直的直线段A与直线段B，W及一条由多条直线段构成的曲线段C组 成；所述直线段A的长度与波导槽的横向长度相同，所述直线段B的长度与曲线段C的纵向 总长度相同，且直线段A、直线段BW及曲线段C之间首尾依次互相相连，形成第一多折罐线 缝隙12或第二多折罐线缝隙13的轮廓。
[0050] 所述第一多折罐线缝隙12与第二多折罐线缝隙13在纵向方向上从所述基片集成 波导7的窄边沿着纵向方向延伸一定的长度，从所述基片集成波导7的所述窄边沿着纵向 方向延伸同样长度的部分，包括所述特制波导1和基片集成波导7在该范围内的部分，共同 组成多折罐线结构。
[0051] 所述多折罐线缝隙上设置有尖劈渐变结构，所述基片集成波导7刻蚀第一多折罐 线缝隙12和第二多折罐线缝隙13之后，在顶层金属层8和底层金属层10影射重叠的部分 形成尖劈渐变结构。
[0052] 所述的多折罐线结构中上下层均覆盖金属层的部分为尖劈渐变结构，所述尖劈渐 变结构是基片集成波导到波导的阻抗转换的核屯、部分，合理调整尖劈渐变结构的长度和渐 变形式是实现所述的波导到基片集成波导的转换装置中阻抗匹配的关键。
[0053] 所述曲线段C由S条W上（包括S条）连续的线段构成，W保证所述多折罐线结 构能够实现良好的从波导到基片集成波导的阻抗匹配。
[0化4]所述第一波导槽4的纵向总长度长于第一多折罐线缝隙12的纵向总长度；第二波 导槽5的纵向总长度长于第二多折罐线缝隙13的纵向总长度。
[0化5]所述第一多折罐线缝隙12和第二多折罐线缝隙13的具体结构参数，需要通过利 用电磁仿真软件（如Ansys HFSS等）仿真优化得到。
[0化6] 所述第一波导槽4的纵向总长度长于第一多折罐线缝隙12的纵向总长度；第二波 导槽5的纵向总长度长于第二多折罐线缝隙13的纵向总长度。所述第一波导槽4的纵向 总长度比第一多折罐线缝隙12的纵向总长度长1到2mm;第二波导槽5的纵向总长度比第 二多折罐线缝隙13的纵向总长度长1至Ij2mm。
[0化7]如图1所示，所述特制波导1包括上金属块2和下金属块3,且上金属块2和下金 属块3相对设置；所述上金属块2开设有与第一多折罐线缝隙12相匹配对齐的第一波导槽 4,同时所述下金属块3开设有与第二多折罐线缝隙13相匹配对齐的第二波导槽5,且下金 属块3开设有与基片集成波导4外形相匹配的基片槽6 ;所述基片集成波导7放入基片槽 6内，且第一多折罐线缝隙12与第一波导槽4匹配对齐，第二多折罐线缝隙13和第二波导 槽5匹配对齐；且第一波导槽4和第二波导槽5组成一个标准波导的波导口。
[0化引所述基片槽6横向宽度与基片集成波导7宽度相同，所述基片槽6的垂直方向深 度与基片集成波导7的厚度相同；所述第二波导槽5在横向方向上位于基片槽6的正中间； 所述第二波导槽5垂直方向深度比第一波导槽4垂直方向深度大于半个基片集成波导7的 厚度。所述第二波导槽5垂直方向深度不包括所述基片槽6的深度。
[0化9]因为所述第一波导槽4和第二波导槽5在横向方向上位于所述基片槽6的正中 间，又因为所述第一多折罐线缝隙12和第二多折罐线缝隙13横向方向位于基片集成波导7 的正中间，所W，将所述基片集成波导7放入所述基片槽6中，合上所述上金属块2和所述 下金属块3之后，所述第一波导槽4与所述第一多折罐线缝隙12正好对齐，且所述第二波 导槽5与所述第二多折罐线缝隙13正好对齐；将所述上金属块2和所述下金属块3压紧所 述基片集成波导7,所述上金属块2和所述下金属块3共同组成所述特制波导1，所述第一 波导槽4和第二波导槽5组成一个完成的标准波导的波导口；所述标准波导指的是国家标 准中的所需工作频段的普通矩形空屯、金属波导，其标准及规范见国标GB-T11450. 2-1989。
[0060] 为了方便所述特制波导与标准波导的连接，在特制波导1的开波导槽的侧面开设 有用于与标准波导安装连接的螺纹孔和销钉孔，所述孔的大小和位置与标准波导法兰盘中 相应孔的大小和位置相同；所述标准波导法兰盘指的是所需工作频段的普通矩形波导法兰 盘，其规范的国标号是GB-T11449. 2-1989 ;将特制波导1与所需工作频段的标准波导相连 通，所述特制波导的波导口正好与所述标准波导的波导口无缝连接。
[0061]实例；
[006引适用于V波段，即50GHZ-75GHZ的波导到基片集成波导的转换装置结构如图所示。 为了方便测试，本实例采取了背靠背式结构，即设计了 波导-基片集成波导-波导转换装 置。
[006引特制波导1的上金属块2和下金属块3尺寸均为22. 0mmX30.0 mmXl0.0 mm，材质均是铜，基片槽6尺寸为11. OmmX 30.0 mmXO. 28mm ;特制波导1的波导口总尺寸为 1.88mmX9.0mmX3.759m;基片集成波导7的两排金属化通孔列的中屯、线之间的距离为 2. 814mm，相邻通孔中屯、间距为0. 6mm，通孔直径为0. 4mm ;顶层金属层8和底层金属层10厚 度均为0. 018mm ;介质基片9尺寸为11. OmmX 30.0 mmX 0. 254mm，材质为Rogers5880,相对 介电常数是2. 2 ;多折罐线缝隙轮廓中的曲线段C由五条直线段组成，曲线段C的纵向总长 度为7. 0mm;因为采用的是背靠背式结构，所W在特制波导1的两个侧面都开螺纹孔和销钉 孔，所述孔的大小和位置与V波段的标准波导法兰盘中相应孔的大小和位置相同，所述V波 段标准波导法兰盘的规范见国标GB-T11449. 2-1989 ;在上金属块2和下金属块3中开一些 螺纹孔和销钉孔W方便固定。
[0064] 本实例的仿真与测试的S参数吻合度高，二者的对比见图5。测试结果显示，该转 换装置工作频段为V波段，相对带宽达到40% (50GHZ-75GHZ)，在整个V波段内插入损耗 为1. 28-1. 52地，反射系数<-18. 1地，其中，50-72GHZ内插入损耗为1. 28-1. 42地，反射系数 <-20地。上述测试结果包括了含两个波导口的特制波导、两个多折罐线结构和一段16mm长 的基片集成波导的损耗，本实施例实现了宽带、低插入损耗、低反射系数、易加工的V波段 波导到基片集成波导的转换装置。
[0065] W上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出；对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可W做出若干改进和润饰，该些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种波导到基片集成波导的转换装置，其特征在于：包括特制波导（1)和基片集成 波导（7);所述基片集成波导（7)包括由上到下依次设置的顶层金属层（8)、介质基片（9)、 底层金属层（10)，且所述基片集成波导（7)上设置有贯穿顶层金属层（8)、介质基片（9)、 底层金属层（10)的两排金属化通孔（11);同时所述顶层金属层（8)上刻蚀有一对第一多 折鳍线缝隙（12)，这一对第一多折鳍线缝隙（12)设置于顶层金属层（8)横向的两端，且位 于两排金属化通孔（11)之间，同时关于顶层金属层（8)的纵向中心线对称；而所述底层金 属层（10)刻蚀有一对第二多折鳍线缝隙（13)，这一对第二多折鳍线缝隙（13)设置于底层 金属层（10)横向的两端，且位于两排金属化通孔（11)之间，同时关于底层金属层（10)的 纵向中心线对称；所述特制波导（1)包括上金属块（2)和下金属块（3)，且上金属块（2)和 下金属块（3)相对设置；所述上金属块（2)开设有与第一多折鳍线缝隙（12)相匹配对齐的 第一波导槽（4)，同时所述下金属块（3)开设有与第二多折鳍线缝隙（13)相匹配对齐的第 二波导槽（5)，且下金属块（3)开设有与基片集成波导（4)外形相匹配的基片槽（6);所述 基片集成波导（7)放入基片槽（6)内，且第一多折鳍线缝隙（12)与第一波导槽（4)匹配对 齐，第二多折鳍线缝隙（13)和第二波导槽（5)匹配对齐；且第一波导槽（4)和第二波导槽 (5) 组成一个标准波导的波导口。2. 根据权利要求1所述的波导到基片集成波导的转换装置，其特征在于：所述特制波 导（1)开设有用于与标准波导安装连接的螺纹孔和销钉孔。3. 根据权利要求1所述的波导到基片集成波导的转换装置，其特征在于：所述第一多 折鳍线缝隙（12)以及第二多折鳍线缝隙（13)的横向方向均位于基片集成波导（7)的正中 间；且第一多折鳍线缝隙（12)与第二多折鳍线缝隙（13)在俯视投影中关于纵向对称。4. 根据权利要求3所述的波导到基片集成波导的转换装置，其特征在于：所述第一多 折鳍线缝隙（12)与第二多折鳍线缝隙（13)均为结构相同的多折鳍线缝隙；所述第一波导 槽（4)、第二波导槽（5)的为结构相同的波导槽；所述多折鳍线缝隙的轮廓由两条互相垂直 的直线段A与直线段B，以及一条由多条直线段构成的曲线段C组成；且所述直线段A的长 度与波导槽的横向长度相同，直线段B的长度与曲线段C的纵向总长度相同，且直线段A、直 线段B以及曲线段C之间首尾依次互相相连。5. 根据权利要求4所述的波导到基片集成波导的转换装置，其特征在于：所述多折鳍 线缝隙上设置有尖劈渐变结构，该尖劈渐变结构为第一多折鳍线缝隙（12)和第二多折鳍 线缝隙（13)在顶层金属层（8)和底层金属层（10)影射重叠的部分。6. 根据权利要求1所述的波导到基片集成波导的转换装置，其特征在于：所述第一波 导槽（4)的纵向总长度长于第一多折鳍线缝隙（12)的纵向总长度；第二波导槽（5)的纵向 总长度长于第二多折鳍线缝隙（13)的纵向总长度。7. 根据权利要求1所述的波导到基片集成波导的转换装置，其特征在于：所述基片槽 (6) 横向宽度与基片集成波导（7)宽度相同，所述基片槽（6)的垂直方向深度与基片集成波 导（7)的厚度相同；所述第二波导槽（5)在横向方向上位于基片槽（6)的正中间；所述第二 波导槽（5)垂直方向深度比第一波导槽（4)垂直方向深度大于半个基片集成波导（7)的厚 度。8. 根据权利要求1所述的波导到基片集成波导的转换装置，其特征在于：用介质填充 矩形波导来等效基片集成波导，该介质与所述基片集成波导的介质具有相同特性，则基片 集成波导（7)与介质填充矩形波导之间的等效公式为：其中，d为金属化通孔直径，s为相邻金属化通孔中心距离，Wsiw为所述基片集成波导的 两排金属化通孔列的中心线之间的距离，WKwe为相应的等效传统介质矩形波导的内截面的 较长边的长度； 或者，当s足够小，同时满足等效波导宽度Wwe介于Wsiw和Wsiw-d之间的时候，相应的基 片集成波导（7)与介质填充矩形波导之间的等效公式为：9. 根据权利要求1所述的波导到基片集成波导的转换装置，其特征在于：在毫米波频 段，所述金属化通孔（11)直径为〇. ;相邻金属化通孔（11)中心距离为0. 6mm-2mm。10. 根据权利要求1所述的波导到基片集成波导的转换装置，其特征在于：当 工作频率在f。到2f。之间时，基片集成波导只传输准TE 1(|模；其中主模截止频率c为真空中的光束，l·^= 1，ε ^3介质基片的相对介电常数，准TEltl模截止波长λ。= 2WKwe，WKW(；为相应的等效传统介质矩形波导的内截面的较长边的长度。
【专利摘要】本发明公开了一种波导到基片集成波导的转换装置，包括特制波导和基片集成波导；基片集成波导由顶层金属层、介质基片、底层金属层构成；顶层金属层上刻蚀有第一多折鳍线缝隙；而底层金属层刻蚀有第二多折鳍线缝隙；特制波导包括上金属块和下金属块，上金属块开设有第一波导槽，下金属块开设有第二波导槽和基片槽；所述基片集成波导放入基片槽内，且第一多折鳍线缝隙与第一波导槽匹配对齐，第二多折鳍线缝隙和第二波导槽匹配对齐；且第一波导槽和第二波导槽组成一个标准波导的波导口。本发明具有宽带、低插入损耗、低反射系数等优点，同时，本发明加工成本较低，加工难度低，体积小，有利于本发明的大规模生产和应用。
【IPC分类】H01P5/08
【公开号】CN104900956
【申请号】CN201510227965
【发明人】陈继新, 彭小莹, 洪伟, 汤红军, 严蘋蘋, 候德彬, 张慧
【申请人】东南大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月6日
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种将特制波导与表面刻蚀多折罐线缝隙的基片集成波导进行连通 后形成的波导到基片集成波导的转换装置，属于微波毫米波器件技术领域。
【背景技术】
[0002] 在微波无线通信系统中，微波电路一直是十分重要的基础硬件，因而受到人们的 很大重视。19世纪末，电磁场与电磁波理论的发展，催生了微波电路的基本概念，而导波结 构是微波电路的基础，关系着微波系统的整体性能。导波结构发展至21世纪初，研究工作 者提出了低损耗、易集成、小型化的基片集成波导，标志着导波结构发展至新的阶段。
[0003] 微波电路通常分为多种不同功能的模块。为了区分电路功能，W及方便移植与测 试的需要，微波电路各模块通常需要单独设计和测试，而包含基片集成波导结构的微波电 路通常需要使用接头进行连接测试。
[0004] 在50GHzW下频段，人们通常用同轴接头进行测试。但是，对于50GHzW上的频 段，同轴接头特别昂贵，并且在如此高的频段同轴接头及同轴电缆特别容易受到干扰，性能 恶化非常严重，因此，人们通常使用传统的金属波导进行连接和测试。目前的基片集成波导 到波导的转接技术损耗过大，工作带宽较窄，而且加工难度很大，该大大限制了基片集成波 导电路的发展，对基片集成波导电路的设计和测试带来很大阻碍。因此，宽带、高性能、易加 工的波导到基片集成波导的转换装置具有非常重要的研究意义。
【发明内容】
[0005] 发明目的；为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种适用于微波毫米波 器件技术领域的波导到基片集成波导的转换装置，该转换装置具有易加工、低成本、低反射 系数、低损耗和宽频带工作等优点。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种波导到基片集成波导的转换 装置，包括特制波导（1)和基片集成波导（7);所述基片集成波导（7)包括由上到下依次设 置的顶层金属层巧）、介质基片巧）、底层金属层（10)，且所述基片集成波导（7)上设置有贯 穿顶层金属层巧）、介质基片巧）、底层金属层（10)的两排金属化通孔（11);同时所述顶层 金属层（8)上刻蚀有一对第一多折罐线缝隙（12)，该一对第一多折罐线缝隙（12)设置于 顶层金属层（8)横向的两端，且位于两排金属化通孔（11)之间，同时关于顶层金属层巧） 的纵向中屯、线对称；而所述底层金属层（10)刻蚀有一对第二多折罐线缝隙（13)，该一对第 二多折罐线缝隙（13)设置于底层金属层（10)横向的两端，且位于两排金属化通孔（11)之 间，同时关于底层金属层（10)的纵向中屯、线对称；所述特制波导（1)包括上金属块（2)和 下金属块（3)，且上金属块（2)和下金属块（3)相对设置；所述上金属块（2)开设有与第 一多折罐线缝隙（12)相匹配对齐的第一波导槽（4)，同时所述下金属块（3)开设有与第二 多折罐线缝隙（13)相匹配对齐的第二波导槽巧），且下金属块（3)开设有与基片集成波导 (4)外形相匹配的基片槽化）；所述基片集成波导（7)放入基片槽化）内，且第一多折罐线 缝隙（12)与第一波导槽（4)匹配对齐，第二多折罐线缝隙（13)和第二波导槽巧）匹配对 齐；且第一波导槽（4)和第二波导槽（5)组成一个标准波导的波导口。
[0007] 优选的；所述特制波导（1)开设有用于与标准波导安装连接的螺纹孔和销钉孔。
[0008] 优选的：所述第一多折罐线缝隙（12)W及第二多折罐线缝隙（13)的横向方向均 位于基片集成波导（7)的正中间；且第一多折罐线缝隙（12)与第二多折罐线缝隙（13)在 俯视投影中关于纵向对称。
[0009] 优选的：所述第一多折罐线缝隙（12)与第二多折罐线缝隙（13)均为结构相同的 多折罐线缝隙；所述第一波导槽（4)、第二波导槽（5)为结构相同的波导槽；所述多折罐线 缝隙的轮廓由两条互相垂直的直线段A与直线段B，W及一条由多条直线段构成的曲线段C 组成，且所述直线段A的长度与波导槽的横向长度相同，所述直线段B的长度与曲线段C的 纵向总长度相同，且直线段A、直线段BW及曲线段C之间首尾依次互相相连，形成第一多折 罐线缝隙（12)或第二多折罐线缝隙（13)的轮廓。
[0010] 优选的；所述多折罐线缝隙上设置有尖劈渐变结构，该尖劈渐变结构为第一多折 罐线缝隙（12)和第二多折罐线缝隙（13)在顶层金属层（8)和底层金属层（10)影射重叠 的部分。
[0011] 优选的：所述第一波导槽（4)的纵向总长度长于第一多折罐线缝隙（12)的纵向总 长度；第二波导槽巧）的纵向总长度长于第二多折罐线缝隙（13)的纵向总长度。
[0012] 优选的：所述基片槽（6)横向宽度与基片集成波导（7)宽度相同，所述基片槽化） 的垂直方向深度与基片集成波导（7)的厚度相同；所述第二波导槽（5)在横向方向上位于 基片槽做的正中间；所述第二波导槽妨垂直方向深度比第一波导槽（4)垂直方向深度 大于半个基片集成波导（7)的厚度。
[0013] 优选的；用介质填充矩形波导来等效基片集成波导，该介质与所述基片集成波导 的介质具有相同特性，则基片集成波导（7)与介质填充矩形波导之间的等效公式为；
[001引其中，d为金属化通孔直径，S为相邻金属化通孔中屯、距离，Wsi"为所述基片集成波 导的两排金属化通孔列的中屯、线之间的距离，为相应的等效传统介质矩形波导的内截 面的较长边的长度；
[0019] 或者，当S足够小，同时满足等效波导宽度介于Ws"和Ws"-d之间的时候，相应 的基片集成波导（7)与介质填充矩形波导之间的等效公式为：
[0020]
[0021] 优选的；在毫米波频段，所述金属化通孔（11)直径为0. ;相邻金属化通孔 (11)中屯、距离为0.
[002引优选的；当工作频率在f。到2f义间时，基片集成波导只传输准TE1。模；其中主模 截止频率
C为真空中的光束，1，et为介质基片的相对介电常 数，准TEi。模截止波长A。=2胖,"。，胖"；为相应的等效传统介质矩形波导的内截面的较长边 的长度。
[0023] 有益效果
[0024] 本发明提供的一种波导到基片集成波导的转换装置，相比现有技术，具有W下有 益效果：
[0025] 1)本发明特制波导结构简单紧凑，加工难度小，加工成本低，便于低成本、大规模 生产和使用。
[0026] 2)本发明的金属层表面刻蚀多折罐线缝隙的基片集成波导可W利用普通PCB工 艺加工，精度高、重复性好，适合低成本、大批量生产。
[0027] 3)所述转换装置是封闭结构，从特制波导的波导口中的进入的电磁波全部进入多 折罐线结构中，再全部从多折罐线结构进入基片集成波导中，没有电磁波的泄露和福射，因 而对周围电路影响小，可W方便的与后级射频电路进行集成。
[002引 4)所述转换装置工作频带宽，反射系数低，插入损耗低。在本发明的实施实例 中的测试结果表明，转换装置工作的相对带宽达到40%，在整个V波段内插入损耗为 1.28-1. 52地，反射系数<-18. 1地，其中，50-72GHZ内插入损耗为1.28-1. 42地，反射系数 <-20 地。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明的波导到基片集成波导的转换装置结构示意图。
[0030] 图2为本发明的多折罐线缝隙的结构示意图。
[0031] 图3为实施例1中特制波导1的侧视图。
[0032] 图4为实施例1中基片集成波导7的俯视图。
[0033] 图5为实施例1的仿真及测试的S参数对比图。
[0034] 图中有；1为特 制波导、2为上金属块、3为下金属块、4为第一波导槽、5为第二波 导槽、6为基片槽、7为基片集成波导、8为顶层金属层、9为介质基片、10为底层金属层、11 为两排金属化通孔、12为第一多折罐线缝隙、13为第二多折罐线缝隙、14为第=波导槽、15 为第四波导槽，D为尖劈渐变结构。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0036] 一种波导到基片集成波导的转换装置，如图1所示，包括特制波导1和基片集成波 导7;所述基片集成波导7包括由上到下依次设置的顶层金属层8、介质基片9、底层金属层 10,且所述基片集成波导7上设置有贯穿顶层金属层8、介质基片9、底层金属层10的两排 金属化通孔11。
[0037]首先，用介质填充矩形波导来等效所述的基片集成波导，该介质与所述基片集成 波导的介质具有相同特性；按照传统介质填充矩形波导传输理论，计算出相应的传统介质 矩形波导的内截面的较长边的长度；根据所述长度，w及基片集成波导与介质填充矩形波 导之间的等效公式，计算出所述基片集成波导的两排金属化通孔列的中屯、线之间的距离， 保证在基片集成波导中只传播准TEi。模式。所示基片集成波导7与介质填充矩形波导之间 的等效公式为：
[00创其中，d为金属化通孔直径，S为相邻金属化通孔中屯、距离，Wsi"为所述基片集成波 导的两排金属化通孔列的中屯、线之间的距离，为相应的等效传统介质矩形波导的内截 面的较长边的长度；
[0043] 或者，当S足够小，同时满足等效波导宽度介于Ws"和Ws"-d之间的时候，相应 的基片集成波导7与介质填充矩形波导之间的等效公式为：
[0044]
[0045] 基片集成波导主模，即准TEi。模截止波长A。= 2We"g，主模截止频率
其中，C为真空中的光束，1，et为介质基片的相对介电常数。 当工作频率在f。到2f。之间时，基片集成波导只传输准TE1。模。
[0046] 在毫米波频段，所述金属化通孔11直径为0. ;相邻金属化通孔11中屯、距 罔为 0.
[0047] 选用合适的介质材料，便确定了基片的相对介电常数，从而可W计算出满足需要 的基片集成波导两排金属通孔壁的距离Wsi"，而所述介质基片9的宽度需要略大于保 证金属通孔壁完全在介质基片里面。
[0048] 如图3、4所示，所述顶层金属层8上刻蚀有一对第一多折罐线缝隙12,该一对第 一多折罐线缝隙12设置于顶层金属层8横向的两端，且位于两排金属化通孔11之间，同时 关于顶层金属层8的纵向中屯、线对称；而所述底层金属层10刻蚀有一对第二多折罐线缝隙 13,该一对第二多折罐线缝隙13设置于底层金属层10横向的两端，且位于两排金属化通孔 11之间，同时关于底层金属层10的纵向中屯、线对称；所述第一多折罐线缝隙12W及第二 多折罐线缝隙13的横向方向均位于基片集成波导7的正中间；且第一多折罐线缝隙12与 第二多折罐线缝隙13在俯视投影中关于纵向对称。
[0049] 所述第一多折罐线缝隙12与第二多折罐线缝隙13均为结构相同的多折罐线缝 隙；所述第一波导槽4、第二波导槽5的为结构相同的波导槽；如图2所示，所述多折罐线缝 隙的轮廓由两条互相垂直的直线段A与直线段B，W及一条由多条直线段构成的曲线段C组 成；所述直线段A的长度与波导槽的横向长度相同，所述直线段B的长度与曲线段C的纵向 总长度相同，且直线段A、直线段BW及曲线段C之间首尾依次互相相连，形成第一多折罐线 缝隙12或第二多折罐线缝隙13的轮廓。
[0050] 所述第一多折罐线缝隙12与第二多折罐线缝隙13在纵向方向上从所述基片集成 波导7的窄边沿着纵向方向延伸一定的长度，从所述基片集成波导7的所述窄边沿着纵向 方向延伸同样长度的部分，包括所述特制波导1和基片集成波导7在该范围内的部分，共同 组成多折罐线结构。
[0051] 所述多折罐线缝隙上设置有尖劈渐变结构，所述基片集成波导7刻蚀第一多折罐 线缝隙12和第二多折罐线缝隙13之后，在顶层金属层8和底层金属层10影射重叠的部分 形成尖劈渐变结构。
[0052] 所述的多折罐线结构中上下层均覆盖金属层的部分为尖劈渐变结构，所述尖劈渐 变结构是基片集成波导到波导的阻抗转换的核屯、部分，合理调整尖劈渐变结构的长度和渐 变形式是实现所述的波导到基片集成波导的转换装置中阻抗匹配的关键。
[0053] 所述曲线段C由S条W上（包括S条）连续的线段构成，W保证所述多折罐线结 构能够实现良好的从波导到基片集成波导的阻抗匹配。
[0化4]所述第一波导槽4的纵向总长度长于第一多折罐线缝隙12的纵向总长度；第二波 导槽5的纵向总长度长于第二多折罐线缝隙13的纵向总长度。
[0化5]所述第一多折罐线缝隙12和第二多折罐线缝隙13的具体结构参数，需要通过利 用电磁仿真软件（如Ansys HFSS等）仿真优化得到。
[0化6] 所述第一波导槽4的纵向总长度长于第一多折罐线缝隙12的纵向总长度；第二波 导槽5的纵向总长度长于第二多折罐线缝隙13的纵向总长度。所述第一波导槽4的纵向 总长度比第一多折罐线缝隙12的纵向总长度长1到2mm;第二波导槽5的纵向总长度比第 二多折罐线缝隙13的纵向总长度长1至Ij2mm。
[0化7]如图1所示，所述特制波导1包括上金属块2和下金属块3,且上金属块2和下金 属块3相对设置；所述上金属块2开设有与第一多折罐线缝隙12相匹配对齐的第一波导槽 4,同时所述下金属块3开设有与第二多折罐线缝隙13相匹配对齐的第二波导槽5,且下金 属块3开设有与基片集成波导4外形相匹配的基片槽6 ;所述基片集成波导7放入基片槽 6内，且第一多折罐线缝隙12与第一波导槽4匹配对齐，第二多折罐线缝隙13和第二波导 槽5匹配对齐；且第一波导槽4和第二波导槽5组成一个标准波导的波导口。
[0化引所述基片槽6横向宽度与基片集成波导7宽度相同，所述基片槽6的垂直方向深 度与基片集成波导7的厚度相同；所述第二波导槽5在横向方向上位于基片槽6的正中间； 所述第二波导槽5垂直方向深度比第一波导槽4垂直方向深度大于半个基片集成波导7的 厚度。所述第二波导槽5垂直方向深度不包括所述基片槽6的深度。
[0化9]因为所述第一波导槽4和第二波导槽5在横向方向上位于所述基片槽6的正中 间，又因为所述第一多折罐线缝隙12和第二多折罐线缝隙13横向方向位于基片集成波导7 的正中间，所W，将所述基片集成波导7放入所述基片槽6中，合上所述上金属块2和所述 下金属块3之后，所述第一波导槽4与所述第一多折罐线缝隙12正好对齐，且所述第二波 导槽5与所述第二多折罐线缝隙13正好对齐；将所述上金属块2和所述下金属块3压紧所 述基片集成波导7,所述上金属块2和所述下金属块3共同组成所述特制波导1，所述第一 波导槽4和第二波导槽5组成一个完成的标准波导的波导口；所述标准波导指的是国家标 准中的所需工作频段的普通矩形空屯、金属波导，其标准及规范见国标GB-T11450. 2-1989。
[0060] 为了方便所述特制波导与标准波导的连接，在特制波导1的开波导槽的侧面开设 有用于与标准波导安装连接的螺纹孔和销钉孔，所述孔的大小和位置与标准波导法兰盘中 相应孔的大小和位置相同；所述标准波导法兰盘指的是所需工作频段的普通矩形波导法兰 盘，其规范的国标号是GB-T11449. 2-1989 ;将特制波导1与所需工作频段的标准波导相连 通，所述特制波导的波导口正好与所述标准波导的波导口无缝连接。
[0061]实例；
[006引适用于V波段，即50GHZ-75GHZ的波导到基片集成波导的转换装置结构如图所示。 为了方便测试，本实例采取了背靠背式结构，即设计了 波导-基片集成波导-波导转换装 置。
[006引特制波导1的上金属块2和下金属块3尺寸均为22. 0mmX30.0 mmXl0.0 mm，材质均是铜，基片槽6尺寸为11. OmmX 30.0 mmXO. 28mm ;特制波导1的波导口总尺寸为 1.88mmX9.0mmX3.759m;基片集成波导7的两排金属化通孔列的中屯、线之间的距离为 2. 814mm，相邻通孔中屯、间距为0. 6mm，通孔直径为0. 4mm ;顶层金属层8和底层金属层10厚 度均为0. 018mm ;介质基片9尺寸为11. OmmX 30.0 mmX 0. 254mm，材质为Rogers5880,相对 介电常数是2. 2 ;多折罐线缝隙轮廓中的曲线段C由五条直线段组成，曲线段C的纵向总长 度为7. 0mm;因为采用的是背靠背式结构，所W在特制波导1的两个侧面都开螺纹孔和销钉 孔，所述孔的大小和位置与V波段的标准波导法兰盘中相应孔的大小和位置相同，所述V波 段标准波导法兰盘的规范见国标GB-T11449. 2-1989 ;在上金属块2和下金属块3中开一些 螺纹孔和销钉孔W方便固定。
[0064] 本实例的仿真与测试的S参数吻合度高，二者的对比见图5。测试结果显示，该转 换装置工作频段为V波段，相对带宽达到40% (50GHZ-75GHZ)，在整个V波段内插入损耗 为1. 28-1. 52地，反射系数<-18. 1地，其中，50-72GHZ内插入损耗为1. 28-1. 42地，反射系数 <-20地。上述测试结果包括了含两个波导口的特制波导、两个多折罐线结构和一段16mm长 的基片集成波导的损耗，本实施例实现了宽带、低插入损耗、低反射系数、易加工的V波段 波导到基片集成波导的转换装置。
[0065] W上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出；对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可W做出若干改进和润饰，该些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种波导到基片集成波导的转换装置，其特征在于：包括特制波导（1)和基片集成 波导（7);所述基片集成波导（7)包括由上到下依次设置的顶层金属层（8)、介质基片（9)、 底层金属层（10)，且所述基片集成波导（7)上设置有贯穿顶层金属层（8)、介质基片（9)、 底层金属层（10)的两排金属化通孔（11);同时所述顶层金属层（8)上刻蚀有一对第一多 折鳍线缝隙（12)，这一对第一多折鳍线缝隙（12)设置于顶层金属层（8)横向的两端，且位 于两排金属化通孔（11)之间，同时关于顶层金属层（8)的纵向中心线对称；而所述底层金 属层（10)刻蚀有一对第二多折鳍线缝隙（13)，这一对第二多折鳍线缝隙（13)设置于底层 金属层（10)横向的两端，且位于两排金属化通孔（11)之间，同时关于底层金属层（10)的 纵向中心线对称；所述特制波导（1)包括上金属块（2)和下金属块（3)，且上金属块（2)和 下金属块（3)相对设置；所述上金属块（2)开设有与第一多折鳍线缝隙（12)相匹配对齐的 第一波导槽（4)，同时所述下金属块（3)开设有与第二多折鳍线缝隙（13)相匹配对齐的第 二波导槽（5)，且下金属块（3)开设有与基片集成波导（4)外形相匹配的基片槽（6);所述 基片集成波导（7)放入基片槽（6)内，且第一多折鳍线缝隙（12)与第一波导槽（4)匹配对 齐，第二多折鳍线缝隙（13)和第二波导槽（5)匹配对齐；且第一波导槽（4)和第二波导槽 (5) 组成一个标准波导的波导口。2. 根据权利要求1所述的波导到基片集成波导的转换装置，其特征在于：所述特制波 导（1)开设有用于与标准波导安装连接的螺纹孔和销钉孔。3. 根据权利要求1所述的波导到基片集成波导的转换装置，其特征在于：所述第一多 折鳍线缝隙（12)以及第二多折鳍线缝隙（13)的横向方向均位于基片集成波导（7)的正中 间；且第一多折鳍线缝隙（12)与第二多折鳍线缝隙（13)在俯视投影中关于纵向对称。4. 根据权利要求3所述的波导到基片集成波导的转换装置，其特征在于：所述第一多 折鳍线缝隙（12)与第二多折鳍线缝隙（13)均为结构相同的多折鳍线缝隙；所述第一波导 槽（4)、第二波导槽（5)的为结构相同的波导槽；所述多折鳍线缝隙的轮廓由两条互相垂直 的直线段A与直线段B，以及一条由多条直线段构成的曲线段C组成；且所述直线段A的长 度与波导槽的横向长度相同，直线段B的长度与曲线段C的纵向总长度相同，且直线段A、直 线段B以及曲线段C之间首尾依次互相相连。5. 根据权利要求4所述的波导到基片集成波导的转换装置，其特征在于：所述多折鳍 线缝隙上设置有尖劈渐变结构，该尖劈渐变结构为第一多折鳍线缝隙（12)和第二多折鳍 线缝隙（13)在顶层金属层（8)和底层金属层（10)影射重叠的部分。6. 根据权利要求1所述的波导到基片集成波导的转换装置，其特征在于：所述第一波 导槽（4)的纵向总长度长于第一多折鳍线缝隙（12)的纵向总长度；第二波导槽（5)的纵向 总长度长于第二多折鳍线缝隙（13)的纵向总长度。7. 根据权利要求1所述的波导到基片集成波导的转换装置，其特征在于：所述基片槽 (6) 横向宽度与基片集成波导（7)宽度相同，所述基片槽（6)的垂直方向深度与基片集成波 导（7)的厚度相同；所述第二波导槽（5)在横向方向上位于基片槽（6)的正中间；所述第二 波导槽（5)垂直方向深度比第一波导槽（4)垂直方向深度大于半个基片集成波导（7)的厚 度。8. 根据权利要求1所述的波导到基片集成波导的转换装置，其特征在于：用介质填充 矩形波导来等效基片集成波导，该介质与所述基片集成波导的介质具有相同特性，则基片 集成波导（7)与介质填充矩形波导之间的等效公式为：其中，d为金属化通孔直径，s为相邻金属化通孔中心距离，Wsiw为所述基片集成波导的 两排金属化通孔列的中心线之间的距离，WKwe为相应的等效传统介质矩形波导的内截面的 较长边的长度； 或者，当s足够小，同时满足等效波导宽度Wwe介于Wsiw和Wsiw-d之间的时候，相应的基 片集成波导（7)与介质填充矩形波导之间的等效公式为：9. 根据权利要求1所述的波导到基片集成波导的转换装置，其特征在于：在毫米波频 段，所述金属化通孔（11)直径为〇. ;相邻金属化通孔（11)中心距离为0. 6mm-2mm。10. 根据权利要求1所述的波导到基片集成波导的转换装置，其特征在于：当 工作频率在f。到2f。之间时，基片集成波导只传输准TE 1(|模；其中主模截止频率c为真空中的光束，l·^= 1，ε ^3介质基片的相对介电常数，准TEltl模截止波长λ。= 2WKwe，WKW(；为相应的等效传统介质矩形波导的内截面的较长边的长度。
【专利摘要】本发明公开了一种波导到基片集成波导的转换装置，包括特制波导和基片集成波导；基片集成波导由顶层金属层、介质基片、底层金属层构成；顶层金属层上刻蚀有第一多折鳍线缝隙；而底层金属层刻蚀有第二多折鳍线缝隙；特制波导包括上金属块和下金属块，上金属块开设有第一波导槽，下金属块开设有第二波导槽和基片槽；所述基片集成波导放入基片槽内，且第一多折鳍线缝隙与第一波导槽匹配对齐，第二多折鳍线缝隙和第二波导槽匹配对齐；且第一波导槽和第二波导槽组成一个标准波导的波导口。本发明具有宽带、低插入损耗、低反射系数等优点，同时，本发明加工成本较低，加工难度低，体积小，有利于本发明的大规模生产和应用。
【IPC分类】H01P5/08
【公开号】CN104900956
【申请号】CN201510227965
【发明人】陈继新, 彭小莹, 洪伟, 汤红军, 严蘋蘋, 候德彬, 张慧
【申请人】东南大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月6日
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