CN106549203A - 一种耦合微带线到矩形波导的转换电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耦合微带线到矩形波导的转换电路，该转换电路为一耦合探针，该耦合探针为中心挖有圆环形槽的矩形金属贴片,所述圆环形槽与耦合微带线两个导体之间的矩形槽连通，圆环形槽外围的矩形金属贴片与耦合微带线的两个导体连通,圆环形槽和圆环形槽外的矩形金属贴片构成了耦合探针的槽形环和微带环，转换电路的工作频率由微带环和槽形环的谐振频率决定，耦合探针垂直伸入矩形波导内实现耦合。本发明转换电路可在单层PCB板上实现，具有结构简单，易于加工等优点。实验结果表明，本发明具有大带宽(26.5‑40GHz)，低插入损耗(<0.41dB)和大回波损耗(>15dB)，可应用于具有波导接口的微波毫米波电路和系统中。
Description
技术领域
本发明涉及一种转换电路，特别是涉及一种耦合微带线到矩形波导的转换电路，可用于具有波导接口的微波和毫米波的电路及系统中。
背景技术
近年来，差分微波毫米波电路由于其对干扰及环境噪声的抑制作用，在通信系统中的应用越来越普遍。耦合微带线是差分系统中应用最多的平面传输线，具有小体积、低成本等优点。另一方面，由于矩形波导具有高Q值特性，其被广泛应用于微波毫米波电路中，用以实现各种高Q值传输线、滤波器、功分器以及双工器等电路。在许多微波应用中，矩形波导和耦合微带线会同时出现在一个电路或系统中，因此这就需要一个在两者之间实现传输模式匹配的转换电路。
耦合微带线到矩形波导的转换电路，可以实现耦合微带线中的差分传输模式到矩形波导中的TE10主模的转换。转换结构的带宽是一个极其关键的性能指标，实现尽可能宽的带宽是研究的一个重要方向。随着目前通信系统的工作带宽越来越宽，现有的耦合微带线到矩形波导的转换电路已无法满足通信系统对大带宽的需求，是限制通信系统带宽的进一步提高的瓶颈问题之一。故对宽带耦合微带线到矩形波导的转换电路的需求非常迫切。
在现有的研究报道中，耦合微带线到矩形波导的垂直式转换电路主要有三种方式实现。研究者Z.Tong等人使用差分贴片天线在W波段实现了转换功能。参见文献[1]Z.Tong,A.Stelzer,A Vertical transition between rectangular waveguide and coupledmicrostrip lines,IEEE Microwave and Wireless Components Letters,22(2012),251-253。
研究者T.Yuasa等人使用短路槽线结构实现了转换功能。参见文献[2]T.Yuasa,T.Oba,Y.Yahara,Y.Morimoto,T.Owade,M.Miyazaki,A millimeter wave widebanddifferential line to waveguide transition using short ended slot Line,European Microwave Conference,Vol.44,Rome,2014,1004-1007。
研究者M.Ortner等人提出基于多层PCB结构设计转换电路。参见文献[3]M.Ortner,Z.Tong,T.Ostermann,A millimeter-wave wide-band transition from adifferential microstrip to a rectangular waveguide for 60GHz applications,European Conference on Antennas and Propagation(EUCAP),Rome,2011,1946-1949。
以上三种方法中，第一种方法实现的转换电路，相对带宽为11％，工作频段内回波损耗大于15dB，插入损耗小于0.5dB；第二种方法实现的转换电路，相对带宽为20.2％，工作频段内回波损耗大于10dB，插入损耗小于1.92dB；第三种方法实现的转换电路，带宽为33％，工作频段内回波损耗大于15dB，插入损耗小于2.3dB。
第一种转换电路相对带宽过小(11％)；第二种转换电路相对带宽较小(20.2％)、且插入损耗较大(1.92dB)；第三种转换电路相对带宽有一定提高，达到33％，但其采用了多层PCB结构，电路较复杂，加工难度大，成本高。并且其插入损耗很大(2.3dB)。这三种方法都有自身的局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于单层PCB电路的转换电路，该转换电路能明显提升工作带宽且插入损耗小、易于加工。
本发明提供的基于单层PCB电路(PCB背面为金属接地板)的耦合微带线到矩形波导的转换电路为一耦合探针，该耦合探针为中心挖有圆环形槽的矩形金属贴片,所述圆环形槽与耦合微带线两个导体之间的矩形槽连通，圆环形槽外围的矩形金属贴片与耦合微带线的两个导体连通，圆环形槽和圆环形槽外围的矩形金属贴片构成了耦合探针的槽形环和微带环，微带环完全包围在槽形环的外部，转换电路的工作频率由微带环和槽形环的谐振频率决定，形成了非常紧凑的双环结构，耦合探针垂直伸入矩形波导内而实现耦合微带线中的差分模式与矩形波导中的TE10主模的转换。
设微带环和槽形环的谐振频率分别为f1和f2，这样该转换电路就可以同时工作在f1和f2两个频点附近，通过选择适当的f1和f2，该转换电路可以实现很宽的工作频带。谐振频率f1和f2对应波长λ1和λ2分别等于微带环和槽形环的周长。利用该关系，可以初步估算谐振频率f1和f2如下：
式中c表示光速，εe1、εe2表示介质板的等效相对介电常数，
对于给定的工作频段，可以预先选定谐振频率f1和f2，以及介质板材料，再通过公式(1)和(2)就可以确定微带环和槽形环的尺寸。调节微带环和槽形环的尺寸可以实现不同的工作频带。
本发明具有如下效果：
(1)具有很宽的工作带宽，可以覆盖整个Ka波段(40.6％，26.5-40GHz)；
(2)插入损耗小于0.41dB；
(3)采用单面PCB结构，成本低，易于加工；
(4)电路结构简单，方便与其他微波、毫米波电路进行集成化设计。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图。
图2为本发明的俯视图。
图3为本发明的实物图(图中两个转换电路背靠背连接)。
图4为本发明S参数的实物测试与仿真对比图。
图1中：1—矩形波导 2—金属化过孔 3—波导短路面 4—耦合微带线 5—介质基片 6—矩形金属贴片
图2中：W1—微带环的宽度 W2—微带线的宽度 L1—微带环的长度 L2—微带线插入波导内的长度 S1—槽形环的槽宽 S2—微带线的槽宽 a—波导长边的长度 b—波导短边的长度 D—圆环形槽内金属贴片的直径 Lshort—耦合探针与波导短路面的距离
下面结合附图以及实施例对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式
实施例
如图1所示，本发明提供的基于单层PCB电路(PCB背面为金属接地板)的耦合微带线到矩形波导的转换电路为一耦合探针，实现在介质基片5上，该耦合探针为中心挖有圆环形槽的矩形金属贴片6,所述圆环形槽与耦合微带线4的两个导体之间的矩形槽连通，圆环形槽外围的矩形金属贴片6与耦合微带线4的两个导体连通，圆环形槽和圆环形槽外围的矩形金属贴片构成了耦合探针的槽形环和微带环，微带环完全包围在槽形环的外部，转换电路的工作频率取决于微带环和槽形环的谐振频率。所述耦合微带线4与矩形波导1呈垂直状态，耦合探针从矩形波导1的窄边伸入矩形波导1内实现耦合，耦合探针与波导短路面3之间的距离为Lshort。
本实施例中介质基片5采用RT/Duroid 5880介质基片，该基片相对介电常数为2.2，厚度为0.127mm。在介质基片5的三个边上分别加工有一排金属化过孔2，该金属化过孔2在装配中可以实现介质基片5与腔体的良好接触，使两者更加牢固的结合在一起，此外金属化过孔2还可以防止波导高次模式的传播。
本实施例中耦合微带线4的宽度W2和间隙(微带线的槽宽S2)分别为0.34mm和0.2mm，可以提供一个100Ω的差分阻抗。矩形波导1为标准WR-28矩形波导，其横截面尺寸为7.112mm×3.556mm，截止频率是21.09GHz。
为了测试转换电路性能，本实施例将两个同样的转换电路采用背靠背的方式连接起来(见图3)，输入输出均为Ka频段标准矩形波导。经过电磁仿真软件Ansoft HFSS进行仿真优化后，获得了最佳参数尺寸，具体如下表所示(表中各物理变量的定义见图2及附图说明)：
表1耦合线到矩形波导垂直式转换电路具体尺寸
测试结果显示：该背靠背转换电路的工作频带为26.5-40GHz(相对带宽40.6％)，覆盖了整个Ka频段。在此工作频段内回波损耗大于15dB，插入损耗小于1.2dB。该插入损耗包含了25.5mm长的耦合微带线的损耗，以及两个转换电路的损耗。在该工作频段内，耦合微带线的损耗大约是0.015dB/mm，则25.5mm长的耦合微带线其总损耗约为0.383dB，扣除这段耦合微带线损耗后，单个转换电路的损耗小于0.41dB。
表2是本实施例与背景技术中所述的三种转换电路的比较。
从表中可以看出，三种方式中第[3]种转换电路的工作带宽最宽，达到了33％，但其采用了多层PCB电路，电路结构复杂，加工难度大，成本高。本实施例实现了最宽的工作带宽(40.6％)，同时采用单面PCB结构，具有加工难度小和成本低的优势。
以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种耦合微带线到矩形波导的转换电路，其特征在于：所述转换电路为一耦合探针，该耦合探针为中心挖有圆环形槽的矩形金属贴片,所述圆环形槽与耦合微带线两个导体之间的矩形槽连通，圆环形槽外围的矩形金属贴片与耦合微带线的两个导体连通,圆环形槽和圆环形槽外围的矩形金属贴片构成了耦合探针的槽形环和微带环，转换电路的工作频率由微带环和槽形环的谐振频率决定，耦合探针垂直伸入矩形波导内实现耦合微带线中的差分模式与矩形波导中的TE10主模的转换。
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