一种宽带高效磁耦合式波导-微带转换结构制造技术

本发明专利技术公开了一种宽带高效磁耦合式波导‑微带转换结构，包括波导结构和微带结构；波导结构包括一框架结构的金属波导和在矩形框架上下面上设置的安装缝隙，微带结构插入所述安装缝隙；微带结构包括介质基板、设在介质基板上的阶梯状金属贴片，以及通过连接贴片与阶梯状金属贴片连接的微带探针；所述微带探针包括介质基板正面的四分之一波长阻抗变换器和与其连接的微带传输线，在介质基板背面设有金属底板；通过微带结构结合波导结构上下边内壁一起构成磁场耦合回路，从而实现电磁波工作模式波导‑微带的转换。本发明专利技术可以减小现有方法中因焊接而带来的损耗，稳固性高，加工难度低，效率高。

【技术实现步骤摘要】
一种宽带高效磁耦合式波导-微带转换结构
本专利技术属于微波无源器件设计领域，具体涉及一种宽频带、高效率的波导-微带转换结构，能够在电路结构上实现波导传输线和微带传输线之间的连接转换，同时也能实现电磁波信号TE10模式和准TEM模之间的高效转换。
技术介绍
随着各种雷达、无线通信等技术的飞速发展，微波单片集成电路(MonolithicMicrowaveIntegratedCircuit,MMIC)的应用越来越广泛。微带线是现有微波电路中最为重要的形式，其广泛应用于各个MMIC之间的互联以及各种分布参数器件的设计。另一方面，形状各异的规则金属波导依然是各种微波系统中的重要传输线形式：一是因为随着频率的升高，微带线的色散效应越来越明显，各种损耗也越来越大。二是目前大多数的微波信号源和测试系统都是采用矩形波导作为输入输出接口。因此，如何设计宽频带、低损耗和高效率的波导-微带的转换结构，是微波工程应用研究中一个非常有价值的课题。波导-微带转换结构的设计有磁场耦合和电场耦合两种形式。电场耦合式转换结构的耦合探针大多顺着电场的方向插入波导。这里的探针一般都是和阻抗匹配结构一体化设计。而磁场耦合式的转换结构，其探针一般从波导端面进入腔体内，而且探针、波导内壁和阻抗匹配结构必须构成一个垂直于波导内磁场的耦合回路。磁场垂直穿过回路，从而保证环路中能激励起最强的电流。此外，从实现方式上来看，波导-微带转换结构又有阶梯脊波导-微带结构、波导-同轴探针-微带线结构、波导-微带探针结构等。具体地：(1)阶梯脊波导形式的波导-微带转换。其基本结构是将微带探针焊接在波导内部脊状结构上，进而构成磁场耦合回路。但脊波导过渡加工复杂，阶梯脊与微带电路之间的焊接点对整个过渡电路的性能影响很大。过松会影响电路性能，过紧则损坏微带电路。(2)微带探针电场耦合式的转换结构。一般是将微带探针直接顺着电场的方向，垂直于波导宽边插入。其插入损耗低，频带宽，结构紧凑，但是由于要在波导的边壁上开口，造成密封性较差。(3)波导-同轴探针-微带线结构。该结构除了具有微带探针转换器的优点外，还具有良好的密封性。但是设计中准TEM模、TEM模和TE10模间的转换极易引起反射，造成电磁波的能量传输效率的降低。综上所述，目前波导-微带转换结构的设计存在两个关键问题：(1)要保证不同模式的微波信号在波导结构和微带结构之间的高效转换，转换的频带要和波导工作带宽匹配；(2)转换结构本身要稳固、可靠，而且加工实现要简单。
技术实现思路
本专利技术针对于雷达天线、馈线系统中的应用需求以及现有技术的不足，提供了一种宽频带、高效率、结构简单稳固的波导-微带转换结构。本专利技术是通过下述技术方案来实现的。本专利技术是一种宽带高效磁耦合式波导-微带转换结构，包括波导结构和微带结构；所述波导结构包括一框架结构的金属波导和在矩形框架上下面上设置的安装缝隙，微带结构插入所述安装缝隙；所述微带结构包括介质基板、设在介质基板上的阶梯状金属贴片，以及通过连接贴片与阶梯状金属贴片连接的微带探针；所述微带探针包括介质基板正面的四分之一波长阻抗变换器和与其连接的微带传输线，在介质基板背面设有金属底板；通过微带结构结合波导结构上下边内壁一起构成磁场耦合回路，从而实现电磁波工作模式波导-微带的转换。对于上述技术方案，本专利技术还有进一步优化的技术方案：进一步，所述波导结构为矩形空腔框架结构金属波导，其尺寸满足《GB11450.2-89》标准的任意型号矩形波导。进一步，所述波导结构采用圆形空腔结构或椭圆形空腔结构的金属波导。进一步，所述微带结构的介质基板厚度在0.5mm-2mm，介电常数介于2-10之间。进一步，所述阶梯状金属贴片包括底部阶梯和上部阶梯，底部阶梯宽W1为0.16λ，底部阶梯长d1为0.27λ；上部阶梯宽W2为0.15λ，上部阶梯长d2为0.05λ，λ表示中心工作频率对应的波长。进一步，所述阶梯状金属贴片上刻蚀有互补开口谐振环阵列。进一步，所述谐振环阵列中的谐振环为圆环形或矩形环。进一步，所述谐振环包括开口的内外环，且内环开口与外环开口反向布置。进一步，所述阶梯状金属贴片上不开孔，或开圆孔阵列。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：(1)本专利技术将传统的金属块状阶梯脊用贴片结构代替，并且和微带探针一体化设计，从而可以将其和微带探针结构一体化设计。这样可以减小现有方法中因为焊接而带来的损耗和结构的不稳定性，也可以提高整个结构的稳固性，同时还降低了加工的难度，降低了整个结构的重量和成本。(2)本专利技术根据二项式阻抗变换器的原理，通过在阶梯状金属贴片上加载CSRRs阵列来展宽带宽，提高效率，调整贴片的宽度和高度可以调整两个谐振频点的位置和反射系数的大小，从而实现微带结构和波导结构的良好匹配。这和现有方法中的金属过孔结构相比可以大大降低加工的难度和成本。同时，由于CSRRs具有较强的谐振特性，从而可以大大提高不同电磁波传输模式(TE10模式和准TEM模)的转换效率。(3)和现有大多数方法相比，本专利技术避免了“同轴转换”的中间环节，从而大大减小了因不同模式之间的多次转换带来的损耗。(4)本专利技术巧妙地沿着矩形波导宽边中心线开缝，然后将微带结构插入波导中，不需要在波导壁上开孔，根据传输线理论，这样的开缝方式不会切割内部管壁电流，不会有能量辐射，从而大大提高了整个结构的密闭性。(5)本专利技术在阶梯状金属贴片上加工互补开口谐振环(ComplementarySplitRingResonators,CSRRs)阵列，从而可以进一步展宽转换的带宽，减小反射系数，进而提高转换的效率。CSRRs的加载等效增大了磁场耦合回路的面积，从而使整个工作频带偏向低频。(6)本专利技术微带探针设计中加载四分之一波长阻抗变换器，进一步调节阻抗匹配。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术的不当限定，在附图中：图1为本专利技术的结构示意图，也是实施例1的结构示意图。具体地图1(a)为整体视图，图1(b)为波导结构视图，图1(c)为微带结构正面视图，图1(d)为微带结构背面视图和互补开口谐振环细节视图；图2(a)、(b)分别为本专利技术实施例1微带结构的结构示意图；图3为本专利技术实施例1在X波段时反射系数受互补开口谐振环的影响，其中图3(a)表示阶梯状金属贴片的不同结构，图3(b)表示波导口输入时的反射系数幅度曲线(|S11|),图3(c)表示微带端口输入时的反射系数幅度曲线(|S22|)；图4为本专利技术实施例1中互补开口谐振环尺寸参数对反射系数幅度(|S11|)的影响；其中图4(a)表示互补开口谐振环单元间距对|S11|的影响，图4(b)表示互补开口谐振环单元尺寸对|S11|的影响；图5表示实施例1中波导-微带转换结构的最优的特性曲线。图中：1、波导结构；2、微带结构；3、金属波导；4、安装缝隙；5、介质基板；6、阶梯状金属贴片；7、微带探针；8、连接贴片；9、谐振环阵列；10、四分之一波长阻抗变换器；11、微带传输线；12、金属底板。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例及附图，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例1如本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宽带高效磁耦合式波导‑微带转换结构，其特征在于：包括波导结构(1)和微带结构(2)；所述波导结构(1)包括一框架结构的金属波导和在矩形框架上下面上设置的安装缝隙(4)，微带结构(2)插入所述安装缝隙(4)；所述微带结构(2)包括介质基板(5)、设在介质基板(5)上的阶梯状金属贴片(6)，以及通过连接贴片(8)与阶梯状金属贴片(6)连接的微带探针(7)；所述微带探针(7)包括介质基板(5)正面的四分之一波长阻抗变换器(10)和与其连接的微带传输线(11)，在介质基板(5)背面设有金属底板(12)；通过微带结构(2)结合波导结构(1)上下边内壁一起构成磁场耦合回路，从而实现电磁波工作模式波导‑微带的转换。

【技术特征摘要】
1.一种宽带高效磁耦合式波导-微带转换结构，其特征在于：包括波导结构(1)和微带结构(2)；所述波导结构(1)包括一框架结构的金属波导和在矩形框架上下面上设置的安装缝隙(4)，微带结构(2)插入所述安装缝隙(4)；所述微带结构(2)包括介质基板(5)、设在介质基板(5)上的阶梯状金属贴片(6)，以及通过连接贴片(8)与阶梯状金属贴片(6)连接的微带探针(7)；所述微带探针(7)包括介质基板(5)正面的四分之一波长阻抗变换器(10)和与其连接的微带传输线(11)，在介质基板(5)背面设有金属底板(12)；通过微带结构(2)结合波导结构(1)上下边内壁一起构成磁场耦合回路，从而实现电磁波工作模式波导-微带的转换。2.根据权利要求1所述的宽带高效磁耦合式波导-微带转换结构，其特征在于：所述波导结构(1)为矩形空腔框架结构金属波导(3)，其尺寸满足《GB11450.2-89》标准的任意型号矩形波导。3.根据权利要求1所述的宽带高效磁耦合式波导-微带转换结构，其特征在于：所述波导结构(1)进一步采用圆形空腔结构或椭圆形空腔结构的金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：任宇辉，王夫蔚，李珂，汪俊，高宝建，唐升，邢天璋，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61