本發(fā)明屬于微波毫米波集成領域，具體涉及一種ka波段的新型矩形波導到基片集成波導的過渡結構。

背景技術：

基片集成波導技術是一種可集成于介質基片中的新型導波結構，具有低輻射、小型化、重量輕、易于實現(xiàn)無源和有源集成等特性。近年來，基片集成波導已經(jīng)在濾波器、天線、過渡結構、耦合器、功分器、振蕩器等微波毫米波組件或子系統(tǒng)得到了應用。

傳統(tǒng)的矩形波導具有低損耗、易于測量、高q值和功率容量高等優(yōu)點，仍然在微波毫米波系統(tǒng)或器件中廣泛應用。為便于基于基片集成波導結構的器件與基于波導結構的器件相連接，設計小型化高性能的過渡結構以實現(xiàn)矩形波導和基片集成波導之間的能量轉換十分重要。

目前，基片集成波導與標準矩形波導間的過渡結構主要有兩種方式：垂直過渡和水平過渡。水平過渡結構具有工作頻帶寬、體積大等特點。垂直過渡結構具有帶寬相對較窄、結構相對緊湊的特點。在導引或接收前端的應用領域，要求系統(tǒng)的體積盡可能緊湊。因此，設計出工作頻段寬、易于實現(xiàn)的垂直型的過渡結構具有非常重要的實用意義。夏雷等人在專利“一種用于ka波段矩形波導轉基片集成波導的裝置”(申請?zhí)枺?01610131704.1，申請日期：2016.03.08，授權公告號：cn105609909a，申請公布日：2016.05.25)中提出了由矩形波導1、第一諧振腔2、基片集成波導4、第二諧振腔3組成的結構。通過諧振腔上耦合孔，可以實現(xiàn)電磁波從矩形波導到基片集成波導的過渡。背靠背結構測試結果表明：在31.8ghz～37.8ghz頻率范圍內，回波損耗優(yōu)于13db，插入損耗約為2.5db。顯然，該結構損耗較大，在工程實用具有一定的應用限制。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種ka波段矩形波導到基片集成波導的過渡裝置，具有插入損耗小、工作頻帶寬、結構簡單緊湊等特點。

本發(fā)明采取的技術方案是：一種ka波段矩形波導到基片集成波導的過渡裝置，包括從下至上依次設置的基片集成波導、過渡波導、矩形波導。

所述基片集成波導包括介質基片、設置于介質基片上下表面的上金屬片和下金屬片、以及連接上下金屬片的金屬化通孔陣列。

所述上金屬片設置有一基片集成波導腔體，基片集成波導腔體內包含一個矩形凹槽，且矩形凹槽尺寸與過渡波導下端尺寸相同。

所述金屬化通孔陣列包括沿基片集成波導兩側且各呈一排對稱分布的若干個金屬化通孔、圍繞矩形凹槽三側面呈c形分布的若干個金屬化通孔、以及矩形凹槽正下方的構成矩形感性環(huán)的若干個金屬化通孔。

進一步地，所述構成矩形感性環(huán)的若干個金屬化通孔兩兩相交。

進一步地，所述過渡波導由下方的過渡矩形波導和截面呈倒直角梯形的波導結構組成。

進一步地，所述基片集成波導上還設置有兩個電感柱，對稱分布于基片集成波導兩側的兩排金屬化通孔內側。

進一步地，所述矩形波導是wr-28型矩形波導，尺寸為7.112mm×3.556mm。

進一步地，所述介質基片相對介電常數(shù)為2.2，損耗正切值為0.009，厚度為0.508mm。

進一步地，所述設置于介質基片上表面和下表面的金屬片為金屬銅，厚度優(yōu)選為18um。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供的用于ka波段矩形波導轉基片集成波導的裝置，采用直角結構實現(xiàn)矩形波導到基片集成波導的過渡。電磁波從基片集成波導的左側輸入，能量通過矩形凹槽從基片集成波導耦合到過渡波導中，再從過渡波導傳播到標準波導中進行輸出。通過引入矩形凹槽、矩形感性環(huán)、電感柱和直角梯形過渡波導等結構，有效擴展工作帶寬，同時兼具小型化與低插損的優(yōu)點。設計結果表明：該裝置在32.9ghz-39ghz頻率范圍內，回波損耗優(yōu)于20db，帶寬較寬，達到6.1ghz，相對帶寬為17.4％。與現(xiàn)有技術的小型化直角型過渡裝置相比，本發(fā)明提供的裝置工作頻帶得到了有效擴展，且體積緊湊、結構簡單，加工方便，便于大規(guī)模生產(chǎn)，值得在業(yè)內推廣。

附圖說明

圖1為引用專利的過渡裝置的結構圖；

圖2為本實施例提供的矩形波導到基片集成波導的過渡裝置的結構圖；

圖3為本實施例提供的過渡裝置中基片集成波導的俯視圖；

圖4為本實施例提供的矩形波導到基片集成波導的過渡裝置的側視圖；

圖5為本實施例提供的過渡裝置中階梯波導和矩形波導的俯視圖；

圖6為本實施例提供的矩形波導到基片集成波導的過渡裝置的s參數(shù)仿真圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。

參考圖2，本發(fā)明一種ka波段矩形波導到基片集成波導的過渡裝置，包括基片集成波導1、過渡波導3、矩形波導4?；刹▽?包括介質基片9、設置于介質基片9上下表面的上金屬片10和下金屬片8、以及連接上下金屬片的金屬化通孔陣列6。所述基片集成波導1上還設置有兩個電感柱7，對稱分布于基片集成波導兩側的兩排金屬化通孔內側。所述上金屬片10設置有一基片集成波導腔體2，基片集成波導腔體內包含矩形凹槽11，且矩形凹槽尺寸與過渡波導3下端尺寸相同。所述金屬化通孔陣列6包括沿基片集成波導1兩側且各呈一排對稱分布的若干個金屬化通孔、圍繞矩形凹槽11三側面呈c形分布的若干個金屬化通孔、以及矩形凹槽11正下方的構成矩形感性環(huán)5的若干個金屬化通孔。所述構成矩形感性環(huán)5的若干個金屬化通孔兩兩相交。所述過渡波導3是由與矩形凹槽11相連的過渡矩形波導和截面呈倒直角梯形的波導結構組成。所述截面呈倒直角梯形波導下端與過渡矩形波導相接，上端與標準波導4相連，且梯形高所在邊與上下波導對應的邊均齊平。輸出波導為標準wr-28型的標準矩形波導，尺寸為7.112mm×3.556mm。

參考圖3，所述基片集成波導1的兩排金屬化通孔之間的寬度a為5mm，每一排內金屬化通孔6的間距p為0.8mm；金屬化通孔6的內徑d為0.5mm，金屬化通孔6的高度與基片集成波導1的高度相同，為0.544mm?；刹▽惑w2的寬度w3為4.286mm，長度l2為8.3mm。矩形凹槽的寬度w為2.786mm，長度l為7.112mm。矩形凹槽距離基片集成波導腔體2的末端的長度d6為0.73mm。對稱放置的電感柱7的內徑d2為0.4mm，間距為d3為3mm，高度為0.544mm，與矩形凹槽的距離d4為0.73mm。矩形凹槽11包括10個高度一致且兩兩相交的金屬孔5的內徑為0.3mm，高度為0.526mm，總長度為1.16mm，總寬度為0.8mm。

參考圖4，為本發(fā)明提供的矩形波導到基片集成波導的過渡裝置的側視圖。圖中h1為矩形波導的高度，大小為4.3mm；h2為階梯波導的高度，大小為2.5mm；圖中h3為1.8mm，w為階梯波導下表面的寬度，與矩形凹槽的寬度一致，均為2.786mm。h4為基片集成波導的高度，即上下金屬層的高度和介質基片的高度之和，大小為0.544mm。

本發(fā)明的工作原理：

該過渡結構基于孔耦合方式，將矩形波導中的te1,0模式轉化為基片集成波導中的te1,0模。為了擴展工作頻帶以及加強耦合，過渡結構中引入了基于基片集成波導腔體、寬帶波導過渡結構和金屬化通孔構成的矩形感性環(huán)等結構。為方便與ka波段波導器件連接，輸出波導采用標準rw-28矩形波導，其尺寸a×b為7.112mm×3.556mm。對于基片集成波導，它的兩排等間距的金屬化通孔連接上層和下層的金屬面。通過調整圖中兩排金屬化通孔間距a，相鄰金屬化通孔間距p和金屬化通孔內徑d(具體參數(shù)見圖3)，就能固定基片集成波導的工作頻率。電磁波從基片集成波導的左側輸入，能量通過矩形凹槽從基片集成波導耦合到過渡波導中，再從過渡波導傳播到標準波導中進行輸出。通過調整兩個對稱分布的電感柱的間距d3和內徑d2、電感柱與矩形凹槽的距離d4、矩形凹槽的位置及大小、矩形環(huán)的尺寸、過渡波導的長度、以及基片集成波導腔體的大小，就可以加強模式的耦合，減小電磁波的反射，在寬頻帶內實現(xiàn)基片集成波導與矩形波導較好的阻抗匹配。

以下結合仿真計算對本發(fā)明的技術效果作進一步描述：

圖6為本發(fā)明提供的矩形波導到基片集成波導的過渡裝置的s參數(shù)仿真圖。由s參數(shù)圖可以看出，在32.9-39.0ghz的頻率范圍內，插入損耗小于0.14db，回波損耗優(yōu)于20db，帶寬達到6.1ghz，相對帶寬為17.4％。本發(fā)明提供的用于ka波段矩形波導到基片集成波導的直角過渡裝置，通過引入矩形凹槽、感性矩形環(huán)、感性柱和直角梯形波導過渡等結構，有效擴展工作帶寬，同時兼具小型化與低插損的優(yōu)點。與現(xiàn)有技術的小型化直角型過渡裝置相比，本發(fā)明提供的裝置工作頻帶得到了有效擴展，且體積緊湊、結構簡單，加工方便，便于大規(guī)模生產(chǎn)，值得在業(yè)內推廣。