CN112467327B - 基于电磁带隙的波导-共面波导过渡结构及背靠背结构 - Google Patents
基于电磁带隙的波导-共面波导过渡结构及背靠背结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于电磁带隙结构的波导‑共面波导过渡结构及背靠背结构，该波导‑共面波导过渡结构包括矩形波导、E面探针单元和电磁带隙单元，矩形波导的输入端为标准矩形波导端口，在矩形波导的输出端耦合有E面探针单元，在矩形波导的E面设有电磁带隙单元，电磁带隙单元包括上层销钉装配和下层销钉装配，上层销钉装配与下层销钉装配之间留有空气间隙，上层销钉装配和下层销钉装配相互交错设置。本发明在矩形波导E面加入上下交错型的电磁带隙单元，相比于传统的电磁带隙结构，本发明在不影响阻带的情况下，且相邻销钉的距离增大，便于在高频毫米波加工，同时克服了矩形波导在装配过程能量的泄露的问题。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波通信技术领域，尤其涉及基于电磁带隙的波导-共面波导过渡结构及背靠背结构。
背景技术
随着毫米波技术在现代无线通信***中的发展，毫米波混合集成电路和单片集成电路在通信、雷达、制导以及其他一些***中得到广泛的应用。由于共面波导具有色散小，损耗低，易制作，容易实现无源、有源器件的串联和并联，提高电路密度等优点，因而成为微波毫米波集成电路中重要的传输线形式。而矩形波导具有功率容量大、损耗小、无辐射损耗、结构简单的特点，因此在微波毫米波电路和***中被广泛应用。目前许多毫米波测试***和器件的输入输出端口均为波导形式，在微波/毫米波电路和***中经常需要进行这两种传输线形式的转换，因此，实现有效的标准波导与共面波导的过渡成为了微波毫米波技术研究的重要内容。
传统的矩形空腔波导是将波导分为阵面和地板两块加工，通过螺丝钉装配在一起。在毫米波频段，装配中留有一点缝隙就会引起电磁波的泄露，使得波导传输性能恶化，电磁带隙结构很好地克服了矩形波导装配和加工引入空气间隙造成能量泄露的缺点，在加工装配中不需要严格的电接触。传统销钉型电磁带隙结构主要是通过铣削工艺加工，在高频毫米波波段，波长更短，尺寸更小，加工难度变大、成本较高。因此这就要求寻找一种低损耗，易加工的波导与共面波导之间的过渡结构。
发明内容
为了解决目前矩形波导在高频加工装配容易泄露能量的问题，本发明的一个目的是提供一种基于电磁带隙的波导-共面波导过渡结构，包括矩形波导、E面探针单元和电磁带隙单元，所述矩形波导的输入端为标准矩形波导端口，在所述矩形波导的输出端耦合有E面探针单元，在所述矩形波导的E面设有电磁带隙单元，所述电磁带隙单元包括上层销钉装配和下层销钉装配，所述上层销钉装配与下层销钉装配之间留有空气间隙，所述上层销钉装配和下层销钉装配相互交错设置。
采用以上技术方案，所述上层销钉装配和下层销钉装配均包括装配板和多个销钉，多个销钉排列于装配板上，上层销钉装配包含的销钉与下层销钉装配包含的销钉相互交错设置，其中下层销钉装配包含的销钉被上层销钉装配包含的销钉包围。
采用以上技术方案，所述上层销钉装配包含的装配板与下层销钉装配包含的销钉之间、上层销钉装配包含的销钉与下层销钉装配包含的装配板之间均留有空气间隙。
采用以上技术方案，所述E面探针单元包括介质基板和探针，在所述介质基板上设有探针，所述介质基板穿过所述矩形波导且平行于波导传输方向。
采用以上技术方案，所述探针从矩形波导的宽边中心离终端短路面四分之一波长处嵌入设置。
采用以上技术方案，所述探针为矩形贴片结构。
本发明的另一个目的是提供一种基于电磁带隙的波导-共面波导过渡背靠背结构，该波导-共面波导过渡背靠背结构由两个上述的基于电磁带隙的波导-共面波导过渡结构增加90度弯波导构建而成。
采用以上技术方案，包括第一矩形波导、第二矩形波导、E面探针单元和电磁带隙单元，所述第一矩形波导的输入端和第二矩形波导的输出端均为标准矩形波导端口，在所述第一矩形波导的输出端和第二矩形波导的输入端耦合有E面探针单元，在所述第一矩形波导和第二矩形波导的E面设有电磁带隙单元，所述电磁带隙单元包括上层销钉装配和下层销钉装配，所述上层销钉装配与下层销钉装配之间留有空气间隙，所述上层销钉装配和下层销钉装配相互交错设置。
采用以上技术方案，所述上层销钉装配和下层销钉装配均包括装配板和多个销钉，多个销钉排列于装配板上，上层销钉装配包含的销钉与下层销钉装配包含的销钉相互交错设置，其中下层销钉装配包含的销钉被上层销钉装配包含的销钉包围。
采用以上技术方案，单个所述弯波导的E面设有电磁带隙单元，所述电磁带隙单元包括上层销钉装配和下层销钉装配，所述上层销钉装配与下层销钉装配之间留有空气间隙，所述上层销钉装配和下层销钉装配相互交错设置。
本发明的有益效果：本发明结构紧凑，在矩形波导的加工拆分处增加电磁带隙单元，可以有效防止加工和装配误差引入的空气间隙造成的能量泄露，同时不需要严格的电接触，该电磁带隙单元与传统的单面排布销钉型电磁带隙结构相比较而言，本发明采用上下相互交错的销钉型电磁带隙结构，在获得近似的阻带带宽性能的同时，增大了相邻销钉的距离，降低了加工难度，更加适用于高频毫米波设计。
附图说明
图1是本发明实施例1一种基于电磁带隙的波导-共面波导过渡结构的结构示意图。
图2是本发明实施例1中E面探针单元的结构示意图。
图3是本发明实施例1中电磁带隙单元的结构示意图。
图4是图3的左视图。
图5是本发明实施例1电磁带隙单元的色散曲线图。
图6是本发明实施例1不同空气间隙s下的波导-共面波导过渡结构的S参数示意图。
图7是本发明实施例1一种基于电磁带隙的波导-共面波导过渡结构在工作频带内的反射系数示意图。
图8是本发明实施例1一种基于电磁带隙的波导-共面波导过渡结构在工作频带内的传输系数示意图。
图9是传统的电磁带隙结构的结构示意图。
图10是传统的电磁带隙结构的色散曲线图。
图11本发明实施例2一种基于电磁带隙的波导-共面波导过渡背靠背结构的结构示意图。
图12是本发明实施例2一种基于电磁带隙的波导-共面波导过渡背靠背结构在工作频带内的反射系数示意图。
图13是本发明实施例2一种基于电磁带隙的波导-共面波导过渡背靠背结构在工作频带内的传输系数示意图。
图中标号说明：1a、矩形波导；2a、E面探针单元；21、介质基板；22、探针；3a、电磁带隙单元；31、上层销钉装配；32、下层销钉装配；33、销钉；34、装配板；
11b、第一矩形波导；12b、第一矩形波导；13b、弯波导；2b、E面探针单元；3b、电磁带隙单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1
参照图1和图2所示，本发明实施例1提供一种基于电磁带隙的波导-共面波导过渡结构，包括矩形波导1a、E面探针单元2a和电磁带隙单元3a，在矩形波导1a的输出端耦合有E面探针单元2a，在矩形波导1a的E面设有电磁带隙单元3a。
请参照图2所示，其中E面探针单元2a包括介质基板21和探针22，介质基板21上设有探针22，介质基板21穿过矩形波导1a且平行于波导传输方向。优选的，探针22从矩形波导1a的宽边中心离终端短路面四分之一波长处嵌入设置，此时探针22位于矩形波导1a主模TE10模电场强度最大处，波导的能量通过探针22耦合到共面波导中，以达到尽量高的耦合效率，从而实现波导到平面电路的宽带过渡。还有探针22为矩形贴片结构，结构简单，带宽宽，易于调节，不需要使用阻抗变压器。
具体的，本发明矩形波导1a的输入端为标准矩形波导端口WR-4。介质基板21采用石英材料，优选的，介质基板21的相对介电常数为3.78，厚度为50微米。介质基板21穿过矩形波导1a, 并固定在测试腔体上, 为介质基板21提供定位保证。
请参照图3和图4所示，本发明电磁带隙单元3a包括上层销钉装配31和下层销钉装配32，上层销钉装配31与下层销钉装配32之间留有空气间隙，上层销钉装配31和下层销钉装配32相互交错设置。该电磁带隙单元3a与传统的单面排布销钉型电磁带隙结构相比较而言，本发明采用上下相互交错的销钉型电磁带隙结构，在获得近似的阻带带宽性能的同时，增大了相邻销钉33的距离，降低了加工难度，更加适用于高频毫米波设计。
具体的，请继续参照图3和图4所示，上层销钉装配31和下层销钉装配32均包括装配板34和多个销钉33，多个销钉33排列于装配板34上，上层销钉装配31包含的装配板34与下层销钉装配32包含的销钉33之间、上层销钉装配31包含的销钉33与下层销钉装配32包含的装配板34之间均留有空气间隙。上层销钉装配31包含的销钉33与下层销钉装配32包含的销钉33相互交错设置，其中下层销钉装配32包含的销钉33被上层销钉装配31包含的销钉33包围，其阻带范围覆盖整个工作频带。其主要设计参数包括：销钉33边长a，销钉33高度h，单元周期p，空气间隙高度s。采用电磁仿真软件HFSS对带隙结构单个周期单元仿真，可以求解出单元周期结构的色散特性，如图5所示，其阻带范围为135-543GHz, 在阻带范围内电磁波不能向侧方泄露。还有图6中仿真了在不同的空气间隙高度s下的波导-共面波导过渡结构的S参数，随着s的增大，在某些低频频点传输系数S 21急剧下降。本实施例对空气间隙的容忍度在20μm以内，在加工和装配过程中不需要严格的电接触，对加工精度和误差的容错率较高。
为了将本发明电磁带隙单元与传统的电磁带隙结构进行比较，图9为传统的电磁带隙结构，即金属销钉全部在金属板的一侧，在其设计参数与本发明电磁带隙单元参数一致的情况下，色散特性曲线如图10所示，其阻带范围为150-507GHz。由此可见，本发明上下交错型的电磁带隙单元与传统电磁带隙结构的阻带性能相似，但是本发明上下交错的结构大大的降低了加工的难度，这种上下交错的结构最大优点在于同样的阻带频率范围下，其相邻销钉间的距离比传统的相邻销钉件的距离大了一倍，铣刀的加工难度也降低了许多，在高频毫米波波段这一优势体现的更加明显。
结合图7和图8所示，本发明实施例在170-260GHz的宽频段内，单个探针***损耗小于0.38dB, 回波损耗在20dB以下。
综上所述，本发明在矩形波导的E面加入新型的上下交错型电磁带隙单元，相比于传统的电磁带隙结构而言，本发明上下交错的结构在不影响阻带的情况下，且相邻销钉的距离增大，便于在高频毫米波加工，同时克服了矩形波导在装配过程能量的泄露的问题。
实施例2
考虑到测试时多采用标准矩形波导端口，为了便于测试。因此本发明实施例2提供一种基于电磁带隙的波导-共面波导过渡背靠背结构，其结构参照图11所示，该波导-共面波导过渡背靠背结构由两个实施例1中的基于电磁带隙的波导-共面波导过渡结构增加90度弯波导构建而成。
具体结构请继续参照图11所示，该波导-共面波导过渡背靠背结构包括第一矩形波导11b、第二矩形波导12b、E面探针单元2b和电磁带隙单元3b，第一矩形波导11b的输入端和第二矩形波导12b的输出端均为标准矩形波导端口，在第一矩形波导11b的输出端和第二矩形波导12b的输入端耦合有E面探针单元E面探针单元，在第一矩形波导11b和第二矩形波导12b的E面设有电磁带隙单元3b，关于电磁带隙单元的具体内容已经在实施例1中进行了详细的阐述，本发明实施例2在这里不做赘述。
还有单个弯波导13b的E面设有电磁带隙单元3b，同样的，关于电磁带隙单元3b的具体内容已经在实施例1中进行了详细的阐述，本发明实施例2在这里不做赘述。
结合图12和图13所示，本发明实施例在170-260GHz的频率范围内，回波损耗在15dB以下，***损耗小于1dB。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (8)
1.一种基于电磁带隙的波导-共面波导过渡结构，其特征在于：包括矩形波导、E面探针单元和电磁带隙单元，所述矩形波导的输入端为标准矩形波导端口，在所述矩形波导的输出端耦合有E面探针单元，在所述矩形波导的E面设有电磁带隙单元，所述电磁带隙单元包括上层销钉装配和下层销钉装配，所述上层销钉装配与下层销钉装配之间留有空气间隙，所述上层销钉装配和下层销钉装配相互交错设置；
所述上层销钉装配和下层销钉装配均包括装配板和多个销钉，多个销钉排列于装配板上，上层销钉装配包含的销钉与下层销钉装配包含的销钉相互交错设置，其中下层销钉装配包含的销钉被上层销钉装配包含的销钉包围；
所述E面探针单元包括介质基板和探针，在所述介质基板上设有探针，所述介质基板穿过所述矩形波导且平行于波导传输方向。
2.如权利要求1所述的基于电磁带隙的波导-共面波导过渡结构，其特征在于：所述上层销钉装配包含的装配板与下层销钉装配包含的销钉之间、上层销钉装配包含的销钉与下层销钉装配包含的装配板之间均留有空气间隙。
3.如权利要求1所述的基于电磁带隙的波导-共面波导过渡结构，其特征在于：所述探针从矩形波导的宽边中心离终端短路面四分之一波长处嵌入设置。
4.如权利要求3所述的基于电磁带隙的波导-共面波导过渡结构，其特征在于：所述探针为矩形贴片结构。
5.一种基于电磁带隙的波导-共面波导过渡背靠背结构，其特征在于：该波导-共面波导过渡背靠背结构由两个如权利要求1-4任一项所述的基于电磁带隙的波导-共面波导过渡结构增加90度弯波导构建而成。
6.如权利要求5所述的基于电磁带隙的波导-共面波导过渡背靠背结构，其特征在于：包括第一矩形波导、第二矩形波导、E面探针单元和电磁带隙单元，所述第一矩形波导的输入端和第二矩形波导的输出端均为标准矩形波导端口，在所述第一矩形波导的输出端和第二矩形波导的输入端耦合有E面探针单元，在所述第一矩形波导和第二矩形波导的E面设有电磁带隙单元，所述电磁带隙单元包括上层销钉装配和下层销钉装配，所述上层销钉装配与下层销钉装配之间留有空气间隙，所述上层销钉装配和下层销钉装配相互交错设置。
7.如权利要求6所述的基于电磁带隙的波导-共面波导过渡背靠背结构，其特征在于：所述上层销钉装配和下销层钉装配均包括装配板和多个销钉，多个销钉排列于装配板上，上层销钉装配包含的销钉与下层销钉装配包含的销钉相互交错设置，其中下层销钉装配包含的销钉被上层销钉装配包含的销钉包围。
8.如权利要求5所述的基于电磁带隙的波导-共面波导过渡背靠背结构，其特征在于：单个所述弯波导的E面设有电磁带隙单元，所述电磁带隙单元包括上层销钉装配和下层销钉装配，所述上层销钉装配与下层销钉装配之间留有空气间隙，所述上层销钉装配和下层销钉装配相互交错设置。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112467327A (zh) | 2021-03-09 |
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