CN114335953B - 一种过渡结构及其应用、双模谐振波导激励方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种基于接地共面波导‑矩形波导的过渡结构，包括：矩形波导；位于矩形波导上的介质基板，其中，在介质基板的上表面和下表面分别涂敷金属层形成接地共面波导上接地层和接地共面波导下接地层，接地共面波导上接地层、介质基板及接地共面波导下接地层构成接地共面波导；其中，接地共面波导下接地层，包括：耦合窗口和设置在耦合窗口内的U形膜片，该U形膜片用于产生双谐振模式的波导传输信号；接地共面波导上接地层，包括：开路枝节，开路枝节用于准TEM模式与TE10模式间的功率转换。本公开还提供了一种基于接地共面波导‑矩形波导的过渡结构的双模谐振波导激励方法及其应用。
Description
技术领域
本公开涉及太赫兹***技术领域，具体涉及一种过渡结构及其应用、双模谐振波导激励方法。
背景技术
微机械封装是发展太赫兹多像素外差阵列仪器和其他先进太赫兹***的最佳选择。矩形波导由于其优异的耐久性和低***损耗的优点，被认为是太赫兹封装最合适的接口。传统的计算机数控金属加工仍然可以用于组件和简单的单像素接收器制造，但当需要高度紧凑和集成***时就不足了。将电路组件垂直安装是一种可行的解决方案，因为本振和中频路径可以移动到垂直维度，可以为这些基于波导的前端接收器组件(如倍频器和混频器)提供更高的电路密度。
在这些垂直结构的有源和无源模块中，矩形波导接口与平面有源电路之间的互连对传输性能起着至关重要的作用。接地共面波导在平面微波电路中具有较低的高频辐射损耗，因此得到了广泛的应用。因此，从接地共面波导平面电路到矩形波导立体组件的垂直连接和过渡对于整个太赫兹模块或***至关重要。传统的接地共面波导-矩形波导垂直过渡主要包括探针/天线馈电、脊波导过渡和缝隙耦合。微带探针激励是目前最常用的过渡结构，利用短谐振腔来提高带宽和过渡效率，增加了太赫兹波段微组装过程的复杂性。脊波导过渡采用了波导中的金属脊，金属脊必须安装在波导内部，导致复杂的制造和微组装过程。缝隙耦合激励方式利用地面上的缝隙将电磁长从接地共面波导耦合到矩形波导，当激励用于宽带应用时，会导致一定的辐射损失。因此在太赫兹频段有必要开发一种降低微组装难度以及损耗低的垂直过渡结构，实现太赫兹接地共面波导平面电路与波导器件的高效率传输。
发明内容
为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了一种基于接地共面波导-矩形波导的过渡结构及其应用、双模谐振波导激励方法，该过渡结构采用圆形或扇形开路枝节来转换接地共面波导与矩形波导之间的电磁场。同时，在波导波导口嵌入U形膜片激励起两种谐振模式，提高了传输带宽，该过渡结构具有效率高、制作方便和宽带传输等优势。
本公开的第一个方面提供了一种基于接地共面波导-矩形波导的过渡结构，包括：矩形波导；位于矩形波导上的介质基板，其中，在介质基板的上下表面分别涂敷金属层形成接地共面波导上接地层和接地共面波导下接地层，接地共面波导上接地层、介质基板及接地共面波导下接地层构成接地共面波导；其中，接地共面波导下接地层，包括：耦合窗口和设置在耦合窗口内的U形膜片，该U形膜片用于产生双谐振模式的波导传输信号；接地共面波导上接地层，包括：开路枝节，开路枝节用于准TEM模式与TE10模式间的功率转换。
进一步地，开路枝节为圆形开路枝节或扇形开路枝节。
进一步地，接地共面波导上接地层还包括：与开路枝节连接的传输线，该传输线的末端用于将电磁波通过缝隙耦合转换为矩形波导的主传输模式。
进一步地，耦合窗口与矩形波导的波导口尺寸相同。
进一步地，介质基板包括：多个第一通孔和第二通孔，多个第一通孔位于介质基板上与矩形波导的波导口对应的外侧，第二通孔位于多个第一通孔的对称位置且U形膜片的中心位置上方。
进一步地，第二通孔为金属化匹配通孔，该金属化匹配通孔用于调节该过渡结构的工作频率。
进一步地，U形膜片产生的双谐振模式的频率与U形膜片的宽度wi及两侧长度li呈负相关。
进一步地，金属层为铜层或金层构成。
本公开的第二个方面提供了一种基于本公开第一个方面提供的过渡结构的双模谐振波导激励方法，包括：在矩形波导上输入单模的传输信号；单模的传输信号经过U形膜片转换为双谐振模式的波导传输信号；该双谐振模式的波导传输信号依次经过介质基板及接地共面波导上接地层后输出。
本公开的第三个方面提供了一种基于本公开第一个方面提供的基于接地共面波导-矩形波导的过渡结构在太赫兹无线***的射频前端上的应用。
本公开提供了一种基于接地共面波导-矩形波导的过渡结构及其应用、双模谐振波导激励方法，该过渡结构由接地共面波导馈电，不但具有低损耗传输性能，同时还具备宽带特性，装配工艺要求也低。本公开提供的过渡结构适用于单片微波集成电路、立体波导部件和天线馈电应用中的宽带高效高集成互连。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了根据本公开一实施例的基于接地共面波导-矩形波导的过渡结构的立体图；
图2A和2B分别示意性示出了根据本公开一实施例的基于接地共面波导-矩形波导的过渡结构的俯视图；
图3示意性示出了根据本公开一实施例的模式转换示意图；
图4A和4B分别示意性示出了根据本公开一实施例的基于接地共面波导-矩形波导的过渡结构的仿真结果对比图；
图5示意性示出了根据本公开一实施例的双模谐振波导激励方法的流程图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
本公开提供了一种基于接地共面波导-矩形波导的过渡结构，包括：矩形波导；位于矩形波导上的介质基板，其中，在介质基板的上表面和下表面分别涂敷金属层形成接地共面波导上接地层和接地共面波导下接地层，接地共面波导上接地层、介质基板及接地共面波导下接地层构成接地共面波导；其中，接地共面波导下接地层，包括：耦合窗口和设置在耦合窗口内的U形膜片，该U形膜片用于产生双谐振模式的波导传输信号；接地共面波导上接地层，包括：开路枝节，开路枝节用于准TEM模式与TE10模式间的功率转换。
本公开的实施例提供的该过渡结构由接地共面波导馈电，不但具有低损耗传输性能，同时还具备宽带特性，装配工艺要求也低。本公开提供的过渡结构适用于单片微波集成电路、立体波导部件和天线馈电应用中的宽带高效高集成互连。
下面将结合本公开具体的实施例中的基于槽线-接地共面波导结构的功率合成器、等效电路及功率放大器的结构示意图，对本公开的技术方案进行详细说明。应当理解，图1～图4中示出的基于接地共面波导-矩形波导的过渡结构、各部件的结构及仿真结果仅是示例性的，以帮助本领域的技术人员理解本公开的技术方案，并非用以限制本公开的保护范围。
图1示意性示出了根据本公开第一实施例的基于接地共面波导-矩形波导的过渡结构的立体图。
如图1所示，该基于接地共面波导-矩形波导的过渡结构，包括：从下而上依次叠置且均呈板状结构的矩形波导1、接地共面波导下接地层2、介质基板3及接地共面波导上接地层4。其中，该过渡结构呈左右对称结构(如图1所示，该过渡结构关于x轴对称)。
本公开的实施例中，矩形波导1可以采用标准WR4波导。介质基板3可以为100μm厚度的石英介质基板，其介电常数为3.82。通过在介质基板3的上、下表面涂敷良导体金属层分别形成接地共面波导上接地层4和接地共面波导下接地层2，其中，接地共面波导下接地层2、介质基板3及接地共面波导上接地层4构成接地共面波导。该良导体金属层为导电性能较好的金属层，优选地，该良导体金属层为金层、铜层、铂层等。
根据本公开的实施例，接地共面波导下接地层2，包括：耦合窗口21和设置在耦合窗口21内的U形膜片22，该U形膜片22用于产生双谐振模式的波导传输信号。其中，该耦合窗口21的尺寸与矩形波导1的波导口11的尺寸相同。
如图2A所示，设U形膜片22的宽度为wi，左右两侧的长度为li，可以通过调节wi、li参数来调节该过渡结构的双模谐振频率，用于改善过渡带宽和阻抗匹配，且li应小于矩形波导1的波导口11的窄边长度，避免U形膜片22超出波导口11的范围。
具体地，U形膜片22的宽度wi和窄壁膜片的长度li共同决定了双谐振模式的两个谐振模式，wi越大较那个较低频的谐振频率会往低频段移动，而li越大，较大的高频谐振频率会也往低频段移动。因此，U形膜片22产生的双谐振模式的频率与U形膜片22的宽度wi及两侧长度li呈负相关。
接地共面波导上接地层4，包括：开路枝节41、与开路枝节41连接的传输线42及位于开路枝节41和传输线42外侧的缝隙43。其中，如图2B所示，开路枝节41位于矩形波导1的波导口11的正上方，且两者形成的结构为左右对称结构。开路枝节41用于准TEM模式与TE10模式间的功率低损耗转换。传输线42的末端用于将电磁波通过缝隙43耦合转换为矩形波导1的主传输模式。
具体地，如图2B所示，开路枝节41可以为圆形开路枝节或扇形开路枝节。设开路枝节41的圆心到矩形波导1的波导口11长边的距离为ds，圆形枝节的半径为rs，则rs+ds的大小应该小于波导口11窄边的长度。优选地，rs+ds大小为波导口11窄边的一半，使得接地共面波导2、4的电磁模式转换为矩形波导1的主传输模式。
优选地，U形膜片22较长的一边与波导口11的长边完全重合，且关于上接地共面波导4的传输线42对称设置。
本公开的实施例中，介质基板3包括多个第一通孔31和第二通孔32，多个第一通孔31位于介质基板3上与矩形波导1的波导口11及传输线42对应的外侧，第二通孔32位于多个第一通孔31的对称位置且 U形膜片22的中心位置上方。其中，多个第一通孔31和第二通孔32均为金属化通孔，多个第一通孔31为普通金属化通孔，其用于防止电磁波在石英基板3的上下金属表面之间产生平行板模式，造成能量泄露。第二通孔32为金属化匹配通孔，该金属化匹配通孔用于调节该过渡结构的工作频率。
进一步地，相邻的金属化通孔之间的距离应大于等于各个通孔的直径，以降低加工难度，提高制造加工成品率。
如图2B所示，设金属化匹配通孔32的圆心到波导口11宽边的距离为dv，调节dv参数可以改变该过渡结构的工作频率，使该结构适用范围可以扩展到任意的工作频段。
如图1所示，WR4波导1与石英基板3进行垂直端接，WR4波导1的波导口11对准石英基板1上表面刻蚀形成耦合窗口21。
本公开的实施例中，由接地共面波导馈电的开路枝节41插在矩形波导1的波导口11中心上方，传输线42末端的电磁波将通过缝隙耦合转换为成矩形波导1的主要传输模式，如图3所示为接地共面波导的准TEM电磁模式与矩形波导的TE10模式之间的整个功率转换过程。
由图3可以看出，由于开路枝节41的设置，使得该过渡波导结构很好的实现了接地共面波导下接地层2和接地共面波导上接地层4中的准TEM电磁模式与矩形波导的TE10模式之间的功率转换。
理论上，U形膜片22的宽壁和窄壁上的膜片负载分别等效于波导传输线的并联电容和并联电感。通过产生与U形膜片22相关的两个谐振频率，该激励结构实现了双谐振传输模式，U形膜片22可以分别在低频和高频提供足够的电容和电感补偿。
具体地，通过电场仿真结果表明，U形膜片22中具有电容的宽壁膜片在较低频率(187GHz)时起主导作用，而具有电感的窄壁虹膜在较高频率(229GHz)时起主要作用，从而产生双谐振模式。
本公开的实施例中，对该过渡结构使用U形膜片22和不使用U形膜片22两种情况下进行数值放置，具体对散射参数(即S参数)进行仿真计算。图4A和4B分别示意性示出了根据本公开一实施例的基于接地共面波导-矩形波导的过渡结构的仿真结果对比图。
如图4A所示，不使用U形膜片时，该过渡结构只存在单谐振频率210GHz，绝对工作带宽为24GHz，相对工作带宽为11.5％，在197GHz至221GHz的频率范围内，回波损耗S11和回波损耗S22均优于15dB，***损耗S21低于0.35dB。
图4B所示，使用U形膜片可以产生双谐振模式，频率分别为187GHz和229GHz，且在184GHz至231GHz的频率范围内，回波损耗S11和回波损耗S22均优于15dB，***损耗S21低于0.35dB，使其绝对工作带宽达到了47GHz，相对工作带宽为22.7％，带宽几乎是不使用U形膜片时的两倍。通过仿真计算结果表明，在该过渡结构中使用U形膜片可以非常有效地提升该过渡结构的宽带传输性能。
图5示意性示出了根据本公开一实施例的双模谐振波导激励方法的流程图，该双模谐振波导激励方法基于如图1所示的过渡结构实现。
如图5所示，该双模谐振波导激励方法，包括：S501～S503。
S501，在矩形波导1上输入单模的传输信号。
S502，单模的传输信号经过U形膜片22转换为双谐振模式的波导传输信号。
S503，双谐振模式的波导传输信号依次经过介质基板3及接地共面波导上接地层4后输出。
在其他一些实施例中，单模的传输信号也可以向接地共面波导上接地层4中输入，该单模的传输信号经过介质基板3后在U形膜片22中转换为双谐振模式的波导传输信号，然后依次经过接地共面波导下接地层2和矩形波导1后输出。本公开的实施例对该过渡结构输入信号的输入方向不做限定。
本公开另一实施例提供如上述实施例所示的基于接地共面波导-矩形波导的过渡结构在太赫兹无线***的射频前端上的应用。其中，射频前端中的波导器件与矩形波导1连接，平面电路与上接地共面波导4连接。
在其他一些实施例中，该过渡结构还可以用于单片微波集成电路、立体波导部件和天线馈电应用中的宽带高效高集成互连。
需说明的是，上述实施例对本公开提供的过渡结构进行了详细说明，其并不构成本公开实施例的过渡结构的限定，在其他实际应用过程中，该过渡结构中的部分部件也可以为其他结构的替换，例如开路枝节41包括但不仅限于圆形或扇形开路枝节，其还可以为矩形开路枝节或其他几何形状的开路枝节。
尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本公开，但是这样的图示和描述应认为是说明性的或示例性的而非限制性的。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种范围组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。
Claims (7)
1.一种基于接地共面波导-矩形波导的过渡结构，其特征在于，包括：
矩形波导(1)；
位于所述矩形波导(1)上的介质基板(3)，其中，在所述介质基板(3)的上表面和下表面分别涂敷金属层形成接地共面波导上接地层(4)和接地共面波导下接地层(2)，所述接地共面波导上接地层(4)、所述介质基板(3)及所述接地共面波导下接地层(2)构成接地共面波导；其中，
所述接地共面波导下接地层(2)包括：耦合窗口(21)和设置在所述耦合窗口(21)内的U形膜片(22)，该U形膜片(22)用于产生双谐振模式的波导传输信号；
所述介质基板(3)包括：多个第一通孔(31)和第二通孔(32)，所述多个第一通孔(31)位于所述介质基板(3)上与所述矩形波导(1)的波导口(11)对应的外侧，所述第二通孔(32)位于所述多个第一通孔(31)的对称位置且所述U形膜片(22)的中心位置上方；
所述接地共面波导上接地层(4)包括：开路枝节(41)，所述开路枝节(41)用于准TEM模式与TE10模式间的功率转换；其中，所述开路枝节(41)为圆形开路枝节或扇形开路枝节；
所述接地共面波导上接地层(4)还包括：与所述开路枝节(41)连接的传输线(42)，该传输线(42)的末端用于将电磁波通过缝隙(43)耦合转换为所述矩形波导(1)的主传输模式；其中，所述U形膜片(22)较长的一边与所述波导口(11)的长边完全重合，且关于所述上接地共面波导(4)的传输线(42)对称设置。
2.根据权利要求1所述的过渡结构，其特征在于，所述耦合窗口(21)与所述矩形波导(1)的波导口(11)尺寸相同。
3.根据权利要求1所述的过渡结构，其特征在于，所述第二通孔(32)为金属化匹配通孔，该金属化匹配通孔用于调节该过渡结构的工作频率。
4.根据权利要求1所述的过渡结构，其特征在于，所述U形膜片(22)产生的双谐振模式的频率与所述U形膜片(22)的宽度wi及两侧长度li呈负相关。
5.根据权利要求1所述的过渡结构，其特征在于，所述金属层为铜层或金层构成。
6.一种基于权利要求1～5中任一项所述的过渡结构的双模谐振波导激励方法，其特征在于，包括：
在矩形波导(1)上输入单模的传输信号；
所述单模的传输信号经过U形膜片(22)转换为双谐振模式的波导传输信号；
所述双谐振模式的波导传输信号依次经过介质基板(3)及接地共面波导上接地层(4)后输出。
7.一种如权利要求1～5中任一项所述的基于接地共面波导-矩形波导的过渡结构在太赫兹无线***的射频前端上的应用。
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