CN110504515B - 一种基于探针电流耦合的脊间隙波导到微带线宽带过渡结构 - Google Patents
一种基于探针电流耦合的脊间隙波导到微带线宽带过渡结构 Download PDFInfo
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Abstract
该发明公开了一种基于探针电流耦合的脊间隙波导到微带线宽带过渡结构,涉及微波/毫米波无源器件领域，具体为一种基于探针电流耦合的脊间隙波导到微带线宽带过渡结构。为了解决现有技术中脊间隙波导在与MMIC电路进行集成时面临的带宽受限、损耗过大、装配容差性能低等问题。本发明提出了一种基于探针电流耦合的脊间隙波导到微带线宽带过渡结构，其具有超宽带、低损耗、容差性能强、结构紧凑、易于加工与装配等优点。
Description
技术领域
本发明涉及微波/毫米波无源器件领域，具体为一种基于探针电流耦合的脊间隙波导到微带线宽带过渡结构。
背景技术
近年来，低频的通信频谱已经十分拥挤，为满足当前高速无线通信、宽带信号传输需求，不得不向更高的频段扩展频谱资源。在毫米波频段,降低电路损耗、辐射损耗是首要考虑的因素。传统的平面传输线如：微带线、共面波导、带状线在高频段因介质损耗急剧增加导致其应用价值大幅降低。新型脊间隙波导是一种非常适合工作于毫米波段的传输线，其可用来制作无源滤波器、高增益天线阵、功率合成网络等无源器件。并且，得益于间隙波导的特殊分离式结构，这些器件均可方便的与MMIC电路进行集成与封装。此外，脊间隙波导以准TEM模单模传输，利用EBG结构形成的PMC表面与金属PEC表面之间的空气间隙小于四分之一波长以形成带通效应，这使得其具有相当宽的工作频带，能达到数个倍频程。上下盖板无需直接电接触的全金属结构也保证了脊间隙波导具有极低的损耗与较低的工艺需求。在脊间隙波导上下板之间集成多个收发模块即可构成大规模MIMO***，这意味着将有望实现整个毫米波收发模块的紧凑性与高效性。因此，集成与整合各模块成为脊间隙波导应用至毫米波通信的关键。为此，进行脊间隙波导至平面电路的过渡结构研究是十分必要的。
文章“Design of a simple transition from microstrip to ridge gapwaveguide suited for MMIC and antenna integration,”IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters,vol.12,pp.1558–1561,2013.”作者A.U.Zaman and T.Vukusic,M.Alexanderson提出了一种层压式脊间隙波导到微带线的过渡结构，该结构利用了微带与脊间隙波导传输模式的相似性，获得了较高的转换效率。从结构上看，其使微带线置于主脊表面，并直接利用上盖板进行固定。然而，这种结构必须保持微带基片的厚度与波导空气间隙的高度一致，这会使得设计的脊间隙波导带宽受限。此外，由于微带要层压在金属脊与盖板之间，可能会造成MMIC电路受到物理破坏，进而影响器件性能。文章“Design of F-bandtransition from microstrip to ridge gap waveguide including monte carloassembly tolerance analysis,”IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques,vol.64,no.4,pp.1245–1254,2016.”作者A.A.Braz′alez and J.Flygare,J.Yang报道了一种无接触式的微带到脊间隙波导过渡结构，其利用微带贴片与金属脊重叠以实现电磁耦合，并利用四分之一波长脊实现阻抗匹配。然而，此结构对微带贴片与脊之间的间隙十分敏感，容差性能较低。这将使得PCB的装配变得十分困难，尤其在高频段，更是难以达到加工精度的要求。
发明内容
为了解决脊间隙波导在与MMIC电路进行集成时面临的带宽受限、损耗过大、装配容差性能低等问题。本发明提出了一种基于探针电流耦合的脊间隙波导到微带线宽带过渡结构，其具有超宽带、低损耗、容差性能强、结构紧凑、易于加工与装配等优点。
为了实现上述设计目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于探针电流耦合的脊间隙波导到微带线宽带过渡结构，该结构包括：下腔体、上盖板，所述上盖板设置在下腔体上方；所述下腔体包括输入腔、过渡腔、输出腔，所述过渡腔是位于输入腔和输出腔之间凸起的结构；所述输入腔和输出腔结构完全对称，所述输入腔和输出腔中线位置都设置有脊间隙波导，所述脊间隙波导末端设置探针并指向过渡腔，该探针位于脊间隙波导上表面且宽度与脊间隙波导相等，并与脊间隙波导连为一体，所述过渡腔腰部位置两侧都设置有“凹”型缺口；该“凹”型缺口形成终端短路腔体；所述脊间隙波导的探针伸入终端短路腔体内，所述过渡腔腰部中间设置有MMIC(单片微波集成电路)安装腔，所述MMIC安装腔对应脊间隙波导的探针位置设置有开窗，该开窗用于使探针与微带线互连，所述MMIC安装腔和开窗的底部设置基板，基板上设置微带线导带，所述微带线与脊间隙波导的探针的末端中间点连接，所述外部有源微波集成电路通过此处微带线与脊间隙波导建立连接。
进一步的，所述脊间隙波导的探针长度约为四分之一波长，末端进行切角处理，探针末端与终端短路腔体的短路面间的距离约为0.1-0.01λ。
进一步的，所述输入腔和输出腔中，脊间隙波导的两侧都阵列排布有圆柱形的电磁带隙结构。
进一步的，所述MMIC安装腔的宽度大于开窗的宽度，且MMIC安装腔与开窗之间额外设置一宽度大于开窗宽度小于MMIC安装腔宽度的次级开窗。
进一步的，所述微带线为50欧姆微带线，而脊间隙波导边缘的电纳为B：
式中
又因为
其中λc表示脊间隙波导截止频率，ε表示脊周围填充介质(此处介质为空气)的介电常数，w1为金属脊的宽度，h1为脊的高度，w为脊间隙波导与周围第一列实心圆柱形的电磁带隙结构的距离，h为脊间隙波导总高度，ε0为真空介电常数，μ0为真空磁导率，η0为波阻抗；基于公式(1)-(4)，可求出间隙为零时脊间隙波导的截止频率；而特性阻抗Zc可由下式确定：
式中f表示脊间隙波导工作频率，fc表示截止频率。
本发明的优点在于：
(1)过渡结构微带线特性阻抗采用标准50欧姆，可直接与MMIC互连。
(2)脊探针与微带导带接触，以电流进行能量的耦合，具有比电磁耦合更高的容差性能，大大降低了PCB封装与加工精度的要求。
(3)微带线上方预留空间，便于容纳MMIC电路。预留的腔体也集成在脊间隙波导的上下板之间，具有较高的紧凑性与集成性，且不会因上下板间的物理压力破坏电路性能。
(4)所述过渡结构，微带基片可以选择任意基板，无需保证基片厚度与间隙波导空气间隙高度一致，可最大限度利用脊间隙波导宽带特性。
(5)所述过渡结构相对带宽至少可覆盖三个相邻波段。这可降低实际的无线通信模块设计时间与成本，即可实现单模块多频应用。
(6)所述过渡结构完全集成在两块具有一定间隙的金属板之间，保证了极低的***损耗。并且，由于脊间隙波导周期结构的阻带效应，并无额外的辐射泄露。
附图说明
图1是本发明所述的脊间隙波导到微带线过渡结构的实施例三维示意图；
图2是实施例单侧局部分解示意图；
图3是所述过渡结构容差分析示意图；
图4是所述过渡结构反射系数与传输系数仿真结果；
图5是所述过渡结构容差分析参数扫描反射系数仿真结果；
具体实施方式
下面以一个工作在C、X、Ku三个波段的脊间隙波导到微带线过渡结构为例，对本发明提出的技术方案作进一步详细的说明。所述过渡结构整体如图1、2所示。包括：脊间隙波导输入1，四分之一波长末端切角脊探针2，电磁带隙(EBG)结构3，终端短路腔体4，探针与微带互连开窗5，50欧姆微带线(罗杰斯5880基片)6、MMIC安装腔体7、下腔体8和上盖板9。
所述脊间隙波导到微带过渡结构，微波信号以准TEM模的形式由脊间隙波导输入，经脊探针将电磁能量传输至终端短路的腔体，在腔体处实现脊间隙波导与50欧姆微带线之间的阻抗变换，而后脊探针与微带表面进行电流耦合，将脊间隙波导能量过渡到微带线。
所述微带线特性阻抗为50欧姆，可直接与MMIC电路以金丝键合进行互联。
所述脊探针腔体段路面与脊间隙波导之间等效为一电感，其距离约为λ/4。脊探针末端与短路面间形成电容效应，其距离约为0.1-0.01λ，增大此距离和对探针进行切角均会减少此等效电容。可通过调整探针长度与切角宽度来实现等效电容与电感的谐振。探针所处腔体的设计是为了实现间隙波导与微带之间的阻抗匹配。微带线金属导带与脊探针下表面直接接触，以实现电流能量耦合。微带与脊探针连接处需进行开窗设计，设计时应综合考虑窗口的尺寸，若过大则容易激励起传输线不连续处的高次模，过小会增加装配的难度。
该实施例工作时，电磁波由准TEM模从脊间隙波导1输入，经四分之一波长脊探针2进入终端短路腔体，通过调整探针切角与探针到腔体短路面之间的距离进行谐振和阻抗变换。进而，脊探针与伸入腔体的50欧姆微带线电接触，以电流耦合进行宽带信号过渡，将腔体内的谐振模式转换成微带的准TEM模。最后，经MMIC电路实现信号的放大，而后沿相向路径经过渡结构以脊间隙波导输出。
根据实施例的带宽需求，要求过渡结构能在6-18GHz全频段均能低损耗工作。满足带宽的单路脊间隙波导的尺寸需首先确定。对周期结构单元与包含主脊的横向结构分别进行色散仿真以确定其带通范围，最终确定脊宽为5mm，脊高为5.75mm，环绕脊周围第一列销钉表面的间距为16mm，脊间隙波导的高度为6.75mm，圆柱销钉的直径为4.5mm，周期为8mm，周期圆柱销钉与上盖板的空气间隙为0.3mm。
所述脊间隙波导，其特性阻抗应接近50欧姆以保证能与标准微带线进行宽带匹配。脊间隙波导特性阻抗精确值较难计算，考虑到当间隙为零的极端情况下，脊间隙波导相关特性类似于脊波导，此时由公式(1)-(4)得：
由上式可计算出空气间隙为零时的理想情况下脊间隙波导截止频率fc约为4.65GHz,进而基于公式(5)可得：
经计算，脊间隙波导特性阻抗在工作频带范围内接近50Ω，当频率为7.8GHz时，Zc约为50Ω。
本实施例选取微带线基片材质为罗杰斯5880，其厚度选择0.254mm,相对介电常数εr＝9.9,损耗正切角tanδ＝0.0001。根据微带特性阻抗公式得出50欧姆微带线宽为0.77mm。脊探针的初始长度选择为四分之一波长(中心频率为12GHz)。探针末端与腔体短路面之间的距离设为0.02波长，以便于探针与微带线之间的匹配。微带线导带紧贴脊探针下表面，与其接触距离为0.5mm。为达到过渡结构的最佳匹配，导带与探针连接处的开窗尺寸通过高频仿真软件HFSS对其进行参数扫描，最后选取开窗长度与宽度均为2mm。另外，考虑到MMIC电路会占用一定的空间，为此将微带基板与腔体进行了扩张，以达到实际应用的需求。在脊间隙波导设计完成的基础上，优化脊探针的切角尺寸、所在腔体的高度探针至段路面的距离实现等效电容与电感的谐振，以在宽频带内实现脊间隙波导到微带线之间的低损耗宽频带过渡。经仿真，过渡结构的尺寸如下：探针厚度0.5mm,长度7.41mm，宽度5mm，切角梯形长度为1.73mm,短路腔体宽度为16mm,长度7.91mm，高度为9.03mm,MMIC电路安装腔体第一级阶梯长度1.5mm,宽度为5mm,第二级阶梯长度为2.5mm,宽度为16mm。
图4为所述脊间隙波导到微带线过渡结构背靠背仿真的反射系数与传输系数。在6GHz-18GHz范围内，输入端口的回波损耗小于-20dB，尤其在7.5GHz-15GHz更是低于-30dB,表明该过渡结构具有超宽带的特性以及良好的驻波特性。背靠背结构***损耗低于0.1dB，即单侧过渡结构的损耗低于0.05dB,表明该过渡结构具有良好的阻抗匹配性能和模式转换性能。
图5为所述脊间隙波导到微带线过渡结构对于PCB装配可能引起的装配误差进行的容差特性分析。在6GHz-18GHz范围内，微带偏移脊探针中心0.3mm以内均能保证过渡结构的正常工作，表面该结构具有极高的容差性能。
综上所述，该实例可在C、X、Ku频段同时稳定工作，实现低损耗的脊间隙波导模式到50欧姆微带模式之间的过渡。该结构有望应用至超宽带功率合成放大模块、接收模块、天线阵等无线通信模块与***中，且具有较高的集成度与紧凑性。
以上所述仅为本发明较佳实施例而已，并不足以作为本发明的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的修改、替换、改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于探针电流耦合的脊间隙波导到微带线宽带过渡结构，该结构包括：下腔体、上盖板，所述上盖板设置在下腔体上方；所述下腔体包括输入腔、过渡腔、输出腔，所述过渡腔是位于输入腔和输出腔之间凸起的结构；所述输入腔和输出腔结构完全对称，所述输入腔和输出腔中线位置都设置有脊间隙波导，所述脊间隙波导末端设置探针并指向过渡腔，该探针位于脊间隙波导上表面且宽度与脊间隙波导相等，并与脊间隙波导连为一体，所述过渡腔腰部位置两侧都设置有“凹”型缺口；该“凹”型缺口形成终端短路腔体；所述脊间隙波导的探针伸入终端短路腔体内，所述过渡腔腰部设置有MMIC安装腔，所述MMIC安装腔对应脊间隙波导的探针位置设置有开窗，该开窗用于使探针与微带线互连，所述MMIC安装腔和开窗的底部设置基板，基板上设置微带线导带，所述微带线与脊间隙波导的探针的末端中间点连接，所述MMIC通过此处微带线与脊间隙波导建立连接；
所述脊间隙波导的探针长度为四分之一波长，末端进行切角处理，探针末端与终端短路腔体的短路面间的距离为0.1-0.01λ；
所述输入腔和输出腔中，脊间隙波导的两侧都阵列排布有圆柱形的电磁带隙结构；
所述MMIC安装腔的宽度大于开窗的宽度，且MMIC安装腔与开窗之间额外设置一宽度大于开窗宽度小于MMIC安装腔宽度的次级开窗；
所述微带线为50欧姆微带线，而脊间隙波导边缘的电纳为B：
式中
又因为
其中λc表示脊间隙波导截止波长，ε表示脊周围填充介质的介电常数，此处介质为空气，w1为金属脊的宽度，h1为脊的高度，w为脊间隙波导与周围第一列实心圆柱形的电磁带隙结构的距离，h为脊间隙波导总高度，ε0为真空介电常数，μ0为真空磁导率，η0为波阻抗；基于公式(1)-(4)，求出间隙为零时脊间隙波导的截止频率fc；而脊间隙波导的特性阻抗Zc可由下式确定：
式中f表示脊间隙波导工作频率，λ表示脊间隙波导的工作波长。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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