阅读说明：本技术 一种基于楔形波导膜片的波导到微带同向转换结构 (Waveguide-microstrip homodromous conversion structure based on wedge-shaped waveguide diaphragm ) 是由 张勇 吴成凯 曹天豪 延波 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明属于毫米波及太赫兹频段波导到微带线的转换结构技术领域,具体提供一种基于楔形波导膜片的波导到微带同向转换结构,用以解决现有波导到微带同向转换结构存在的输入和输出呈正交配置的问题；本发明通过在输入标准波导的末端增加终端短路的增高波导,并在增高波导中横向插入楔形波导膜片来形成超紧凑U型弯,借此将电磁波的传播方向旋转90度,从而实现波导到微带的同向共线转换,并且所引入的楔形波导膜片不仅参与阻抗匹配,同时有效抑制U型弯的寄生谐振模式,从而拓展转换结构的带宽；基于此,本发明具有结构简单紧凑、加工方便等优点,且有效提高转换性能,在混频器、倍频器、检波器和放大器等功能模块的设计中具有很好的实用价值。(The invention belongs to the technical field of conversion structures from millimeter wave and terahertz frequency band waveguides to microstrip lines, and particularly provides a waveguide-to-microstrip homodromous conversion structure based on a wedge-shaped waveguide diaphragm, which is used for solving the problem that the input and the output of the conventional waveguide-to-microstrip homodromous conversion structure are orthogonally configured; according to the invention, the heightening waveguide with the short-circuited terminal is added at the tail end of the input standard waveguide, and the wedge-shaped waveguide diaphragm is transversely inserted into the heightening waveguide to form the ultra-compact U-shaped bend, so that the propagation direction of the electromagnetic wave is rotated by 90 degrees, the co-directional and co-linear conversion from the waveguide to the microstrip is realized, and the introduced wedge-shaped waveguide diaphragm not only participates in impedance matching, but also effectively inhibits the parasitic resonance mode of the U-shaped bend, thereby expanding the bandwidth of the conversion structure; based on the advantages, the invention has the advantages of simple and compact structure, convenient processing and the like, effectively improves the conversion performance, and has good practical value in the design of functional modules such as a frequency mixer, a frequency multiplier, a wave detector, an amplifier and the like.)

一种基于楔形波导膜片的波导到微带同向转换结构

技术领域

本发明属于毫米波及太赫兹频段波导到微带线的转换结构技术领域，具体涉及一种基于楔形波导膜片的波导到微带同向转换结构。

背景技术

在毫米波及太赫兹频段，测试设备及组件模块基本都采用标准波导作为接口和互连传输线以减小损耗；同时，为了方便与有源器件互连，微带线或悬置微带线等平面传输线也被大量采用。由于波导和微带线支持不同的电磁波模式，同时具有不同的特性阻抗，因此有必要实现电磁波从波导(TE10模)到微带(准TEM模)的转换；在所有波导到微带的转换结构中，E面探针因为具有结构简单、频带较宽、加工方便等特点而被广泛应用。

然而，传统的基于E面探针的波导到微带转换结构其输入输出之间是正交的(成90°分布)，这给实际的电路设计、模块测试等造成了极大的不便，同时也在一定程度上增大了电路的尺寸。进一步的，能够实现波导到微带的同向转换主要分为两类：第一种方式是在基片上设计一些特殊结构，比如鳍线结构、扇形结构、空气桥等，来实现波导到微带的同向转换；然而，设计这些结构无疑会增大电路的面积，同时增大电路的损耗；同时，这些特殊结构往往需要一些特殊的工艺，比如异形切割、双面光刻、基片钻孔等，这些工艺会极大的增加电路设计的复杂度和制作成本，降低电路的成品率。另一种方式是采用波导渐变弯曲的方式，以一个缓慢的波导弯曲结构，调整输入波导的端口和输出微带线在同一条直线上；这种方式因为结构简单，易于操作而得到大量的运用；但是，渐变的波导弯曲会占据非常大的电路面积，不仅增加了波导的损耗，也增加了模块的体积和重量。

由此可见，传统的波导到微带同向转换结构，要么结构复杂，增加电路的设计成本；要么体积庞大，占据了过多的电路面积。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有波导到微带同向转换结构存在的结构复杂或者体积庞大的问题，提供一种基于楔形波导膜片的波导到微带同向转换结构，用以极大地简化波导到微带同向过渡的设计、并提高转换的性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于楔形波导膜片的波导到微带同向转换结构，输入标准波导1与输出微带线结构；其特征在于，所述波导到微带同向转换结构还包括输入增高波导2，所述输入增高波导2连接于输入标准波导1、且末端设置短路面，所述输入增高波导2内设置有楔形波导膜片3、使得输入增高波导2内沿电磁波传播方向形成超紧凑U型弯；所述输出微带线结构从输入增高波导2的短路面沿输入标准波导1的中心线插入输入增高波导2、且输出微带线结构沿着输入标准波导1的E面布置。

进一步的，所述输出微带线结构包括：基片4，以及设置于基片上的E面探针5、匹配微带6与主微带7；所述E面探针5、匹配微带6与主微带7沿输入标准波导1的中心线布置、且依次连接。

进一步的，所述输入增高波导2的宽边尺寸为A₁、窄边增高尺寸为b₁、长度为L₁，且A₁/a＝1、b₁/b＝λ₁、L₁/b＝λ₂，a为输入标准波导的宽边尺寸、b为输入标准波导的窄边尺寸，且a＝2b，λ₁的取值范围为0.5～0.7、λ₂的取值范围为1.6～1.8。

进一步的，所述楔形波导膜片3由矩形膜片与直角三角形膜片拼接构成，其中，直角三角形膜片面向输入标准波导设置；所述矩形膜片的宽边尺寸为A₂、高度尺寸为L₂、厚度为s、矩形膜片与输入增高波导的短路面的间距为b₂，且A₂/a＝1、L₂/b＝λ₃、b₂/b＝λ₄、s/b＝λ₅，λ₃的取值范围为0.7～0.9、λ₄的取值范围为0.5～0.7、λ₅的取值范围为0.05～0.1；所述直角三角形膜片与矩形膜片相接的直角边的尺寸为L₃、与输入增高波导相接的直角边的尺寸为L₄，且L₃/b＝λ₆、L₄/b＝λ₇，λ₆的取值范围为0.5～0.9、λ₇的取值范围为0.5～0.9。

从工作原理上讲：

上述基于楔形波导膜片的波导到微带同向转换结构中，通过楔形波导膜片在输入增高波导内形成超紧凑U型弯，输入电磁波以TE₁₀模式从输入标准波导馈入，当经过楔形波导膜片后，电磁波的传播方向被旋转了90°；同时，楔形波导膜片为E面探针提供了一个波导侧壁，因而电磁能量通过E面探针高效地耦合到输出微带。进一步的，在该理论基础上，本发明采用矩形膜片与直角三角形膜片拼接构成楔形波导膜片的独特设计，并在该结构基础上匹配设计输入增高波导的尺寸、矩形膜片与直角三角形膜片的尺寸，有效减小超紧凑U型弯处的谐振腔体积，使转换结构的体积大大减小；同时，本发明的结构有效消除了超紧凑U型弯在高频段的寄生谐振模式，避免了寄生谐振模式进入所需工作频带内引起谐振而导致转换性能严重恶化的问题，同时楔形波导膜片为电磁波耦合到E面探针提供一个平滑的过渡。

综上，本发明的有益效果在于：

本发明提供一种基于楔形波导膜片的波导到微带同向转换结构，通过在输入标准波导的末端增加一段终端短路的增高波导，并在增高波导中横向插入一个楔形波导膜片来形成超紧凑U型弯，借此将电磁波的传播方向和电场旋转90°，从而实现波导到微带的同向共线转换，解决了传统E面探针过渡输入波导和输出微带之间方向正交的问题(成90°)，并且所引入的楔形波导膜片不仅参与阻抗匹配，同时有效抑制寄生谐振模式，从而拓展转换结构的带宽。

基于此，本发明具有结构简单紧凑、加工方便等优点，极大地简化了同向波导到微带过渡的设计，提高了转换的性能，在毫米波及太赫兹频段混频器、倍频器、检波器和放大器等功能模块的设计中具有很好的实用价值。

附图说明

图1为本发明基于楔形波导膜片的波导到微带同向转换结构的结构示意图；

图2为本发明实施例中基于楔形波导膜片的波导到微带同向转换结构的仿真模型沿波导E面的剖视图；

图3为本发明实施例中基于楔形波导膜片的波导到微带同向转换结构的仿真结果图；

其中，1为输入标准波导、2为输入增高波导、3为楔形波导膜片、4为基片、5为E面探针、6为匹配微带、7为主微带。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例中提供一种基于楔形波导膜片的波导到微带同向转换结构，其结构如图1所示，包括：输入标准波导1、输入增高波导2与输出微带线结构；其中，所述输出微带线结构包括：基片4，以及设置于基片上的E面探针5、匹配微带6与主微带7；所述E面探针5、匹配微带6与主微带7沿输入标准波导1的中心线布置、且依次连接；输入增高波导2内设置有楔形波导膜片3、使得输入增高波导2内沿电磁波传播方向形成超紧凑U型弯，楔形波导膜片3由矩形膜片与直角三角形膜片拼接构成，其中，直角三角形膜片面向输入标准波导设置；输出微带线结构上的E面探针5从输入增高波导2的短路面沿输入标准波导1的中心线插入输入增高波导、且输出微带线结构沿着波导E面布置。

本实施例中选择软基片Rogers 5880作为基片4，在场仿真软件HFSS中建立起如图2所示的波导到微带同向转换结构；输入标准波导为标准的WR10波导，尺寸为：2.54mm(a)×1.27mm(b)；输入增高波导的宽边尺寸为A₁：2.54mm、窄边增高尺寸为b₁：0.73mm(λ₁＝0.575)、长度为L₁：0.92mm(λ₂＝1.732)；所述矩形膜片的宽边尺寸为A₂：2.54mm、高度尺寸为L₂：1mm(λ₃＝0.787)、厚度为s：100um(λ₄＝0.079)、矩形膜片与输入增高波导的短路面的间距为b₂：0.77mm(λ₅＝0.61)，所述直角三角形膜片与矩形膜片相接的直角边的尺寸为L₃：0.8mm(λ₆＝0.63)、与输入增高波导相接的直角边的尺寸为L₄：1mm(λ₇＝0.787)；另外，需要说明的是，上述波导到微带同向转换结构中，输入标准波导的长度L₀对于同向转换结构并无影响，只需在满足实际器件应用环境中自由选定，本实施例中L₀＝5mm；而矩形膜片的厚度(高)在满足加工精度要求和机械强度的前提下越薄越好，本实施例中为100um。

基于上述模型，对本实施例中波导到微带同向转换结构进行仿真，其S参数仿真结果如图3所示，由图可见：在整个W频带内，回波损耗优于20dB，插入损耗优于0.2dB，输出特性平坦，无任何谐振点；由此可见，本发明实现了波导到微带的同向输出，解决了传统波导到微带转换不同方向的问题；并且本发明的结构简单紧凑，有利于减小电路和系统的体积。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。