一种毫米波收发天线的微带线探针转换结构

技术领域

本发明涉及毫米波转换结构技术领域，具体涉及一种毫米波收发天线的微带线探针转换结构。

背景技术

随着安检成像，电子通信、雷达探测需求的不断提高，对电路传输效率的要求越来越多，同时对天线系统的成本要求也越来越高。实现天线转换的形式有很多种，如同轴微带转换、波导微带转换、同轴波导转换等。

同轴微带、同轴波导转换在频段较高时存在较高的插入损耗，不适合作为高频段的转换结构。波导微带探针转换结构是行业在高频段常用的一种结构，能在高频段实现较好的毫米波信号传输，实现波导微带转换的毫米波电路由天线喇叭结构体，背部开槽的金属化腔体，探针微带电路基板、信号控制电路组成。探针微带电路基板装配到背部开槽的金属化腔体中，构成波导微带转换电路，但在毫米波频段，电路的尺寸小，对装配精度的要求很高，因此这种互连结构形式对基板的外型加工精度要求较高，加工成本较高，基板拼接也存在误差，对装配精度提出了更高的要求。

因此上述波导微带转换的结构形式难以控制装配精度的一致性，会降低产品的一次成品率，增加调试工作量。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种毫米波收发天线的微带线探针转换结构，包括天线喇叭结构体、空气波导、约束腔、复合层压介质基板，所述复合层压介质基板包括上层复合介质基板、中层复合介质基板、下层支撑介质基板，所述上层复合介质基板、所述中层复合介质基板和所述下层支撑介质基板由上至下依次设置，通过层叠压合后形成所述复合层压介质基板，所述复合层压介质基板上设置有悬置微带线探针转换部和金属化过孔排列部，所述金属化过孔排列部和所述复合层压介质基板形成矩形介质波导腔，所述悬置微带线探针转换部设置在所述复合层压介质基板上表面，所述天线喇叭结构体、所述空气波导和所述约束腔均设置在所述上层复合介质基板的上表面，所述天线喇叭结构体与所述空气波导连接，所述空气波导与所述约束腔连接。

较佳的，所述中层复合介质基板和所述下层支撑介质基板之间设置有第一金属化层，所述金属化过孔排列部包括第一金属化孔和第二金属化孔，所述第一金属化孔对应所述悬置微带线探针转换部设置，所述第二金属化孔线性排列，所述金属化过孔排列部、所述上层复合介质基板和所述中层复合介质基板形成所述矩形介质波导腔，所述第一金属化孔垂直贯穿于所述中层复合介质基板的上下两表面，所述第二金属化孔垂直贯穿于所述上层复合介质基板的上表面和中层复合介质基板的下表面。

较佳的，所述上层复合介质基板和所述中层复合介质基板之间设置第二金属化层，所述悬置微带线探针转换部设置于所述上层复合介质基板的上表面。

较佳的，所述悬置微带线探针转换部包括耦合线、阻抗变换段和微带线，所述耦合线通过所述阻抗变换段和所述微带线连接，所述第一金属化孔对应设置在所述耦合线和所述阻抗变换段交界处的下方。

较佳的，所述耦合线端部延伸至所述矩形介质波导腔的正中心。

较佳的，所述天线喇叭结构体与所述空气波导连接后，通过螺钉固定在所述上层复合介质基板的上表面。

较佳的，所述上层复合介质基板、所述中层复合介质基板的介电常数保持一致。

较佳的，所述第一金属化层与所述悬置微带线探针转换部的垂直距离初始确定为毫米波在介质中的波导波长的四分之一。

较佳的，所述空气波导为矩形标准波导；所述空气波导的长边长度大于所述矩形介质波导腔的长边长度，所述空气波导的短边长度大于所述矩形介质波导腔的短边长度。

较佳的，所述天线喇叭结构体的下底面与所述空气波导重合，所述天线喇叭结构体在向所述空气波导向下渐变的过程中，长边长度保持不变，短边渐变到与所述空气波导的短边等长。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明能克服现有技术存在的缺陷，具有相对带宽大、插损低、驻波小的优点和结构简单紧凑、成型方法容易实现的特点，能实现与毫米波电路的一体化集成设计，提升电路的性能一致性，可作为毫米波电路的收发阵列天线的转换结构，用于电子通信、雷达探测、安检成像等领域。

附图说明

图1为所述天线喇叭结构体、所述空气波导和所述约束腔的连接结构视图；

图2为所述悬置微带线探针转换部的设置示意图；

图3为所述金属化过孔排列部的设置示意图；

图4为所述毫米波收发天线的微带线探针转换结构的结构视图；

图5为所述复合层压介质基板的结构视图；

图6为所述悬置微带线探针转换部的结构视图；

图7为所述毫米波收发天线的微带线探针转换结构实施例的回波损耗仿真结果图；

图8为所述毫米波收发天线的微带线探针转换结构实施例的插入损耗仿真结果图；

图9为所述毫米波收发天线的微带线探针转换结构实施例的输入驻波仿真结果图。

图中数字表示：

1-天线喇叭结构体；2-空气波导；3-约束腔；4-复合层压介质基板；5-悬置微带线探针转换部；6-上层复合介质基板；7-金属化过孔排列部；8-中层复合介质基板；9-下层支撑介质基板；10-螺钉；51-耦合线；52-阻抗变换段；53-微带线；71-第一金属化孔；72-第二金属化孔。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

如图1至图4所示，图1为所述天线喇叭结构体、所述空气波导和所述约束腔的连接结构视图；图2为所述悬置微带线探针转换部的设置示意图；图3为所述金属化过孔排列部的设置示意图；图4为所述毫米波收发天线的微带线探针转换结构的结构视图；图5为所述复合层压介质基板的结构视图。

本发明所述毫米波收发天线的微带线探针转换结构包括天线喇叭结构体1、空气波导2、约束腔3、复合层压介质基板4，所述复合层压介质基板4包括上层复合介质基板6、中层复合介质基板8、下层支撑介质基板9，所述上层复合介质基板6、所述中层复合介质基板8和所述下层支撑介质基板9由上至下依次设置，通过层叠压合后形成所述复合层压介质基板4，所述复合层压介质基板4上设置有悬置微带线探针转换部5和金属化过孔排列部7。

所述天线喇叭结构体1、所述空气波导2和所述约束腔3均设置在所述上层复合介质基板6的上表面。

所述天线喇叭结构体1与所述空气波导2连接，所述空气波导2与所述约束腔3连接。

所述中层复合介质基板8和所述下层支撑介质基板9之间设置有第一金属化层，所述金属化过孔排列部7包括第一金属化孔71和第二金属化孔72，所述第一金属化孔71对应所述悬置微带线探针转换部5设置，所述第二金属化孔72线性排列，所述金属化过孔排列部7、所述上层复合介质基板6和所述中层复合介质基板8形成矩形介质波导腔，所述第一金属化孔71垂直贯穿于所述中层复合介质基板8的上下两表面，所述第二金属化孔72垂直贯穿于所述上层复合介质基板6的上表面和中层复合介质基板8的下表面。

所述上层复合介质基板6和所述中层复合介质基板8之间设置第二金属化层，所述悬置微带线探针转换部5设置于所述上层复合介质基板6的上表面。

如图6所示，图6为所述悬置微带线探针转换部的结构视图；所述悬置微带线探针转换部5包括耦合线51、阻抗变换段52和微带线53，所述耦合线51通过所述阻抗变换段52和所述微带线53连接，所述第一金属化孔71对应设置在所述耦合线51和所述阻抗变换段52交界处的下方。

所述耦合线51端部设置在所述矩形介质波导腔的正中心。

在本实施例中，首先对所述中层复合介质基板8(底部为金属化层，即第一金属化层)进行所述第一金属化孔71的处理(位于所述悬置微带线探针转换部5的所述耦合线51与所述阻抗变换段52交界处的下方)，所述第一金属化孔71垂直贯穿于所述中层复合介质基板8的上表面和下表面；然后将所述上层复合介质基板6与所述中层复合介质基板8层压，进行所述第二金属化孔72的处理，所述第二金属化孔72垂直贯穿于所述上层复合介质基板6的上表面和所述中层复合介质基板8的下表面，形成一个由所述上层复合介质基板6、所述金属化过孔排列部7、中层复合介质基板8构成的矩形介质波导腔；根据电路集成的需要，可以再层压所述下层支撑介质基板9，构成一个完整的所述复合层压介质基板4。

所述第一金属化层作为所述矩形介质波导腔的短路面，短路面与所述悬置微带线探针转换部4的垂直距离初始确定为毫米波在介质中的波导波长的四分之一。

在本实施例中，所述悬置微带线探针转换部5和所述上层复合介质基板6(底部含金属层，即第二金属化层)构成微带线传输结构，所述悬置微带线探针转换部5位于所述上层复合介质基板6的上表面；其中，毫米波电路通过所述天线喇叭结构体1接收外部的电磁场能量，再将能量传输至到所述空气波导2，通过所述矩形介质波导腔将能量耦合至所述悬置微带线探针转换部5的所述耦合线51中，再经过所述阻抗变换段52的阻抗匹配，将能量传输至后端的50欧姆所述微带线53。

在本实施例中，所述上层复合介质基板6、所述中层复合介质基板8的介电常数需要保持一致，以保证介质波导中介质均匀，利于电磁波的均匀传输。

较佳的，所述天线喇叭结构体1与所述空气波导2连接后，通过螺钉10固定在所述复合层压介质基板3的上表面，以保证所述空气波导2中的毫米波能量能完全传输到所述矩形介质波导腔中；进一步的，所述悬置微带线探针转换部4位于所述上层复合介质基板5的上表面，以实现微带线探针转换结构与毫米波电路的集成设计。

优选的，所述矩形介质波导腔的长边长度、短边长度和高度要保证满足所在频段的传输要求，以实现传输电路的阻抗匹配。

考虑不同频段的适应性，根据计算公式可得到所述金属化过孔排列部7上金属化孔的孔中心间距最大的距离以及金属化孔的最大直径，实际设置的尺寸需要小于这两个极值，所述金属化过孔排列部7的作用是替代传统空气波导腔的金属壁，通过所述金属化孔排列部7与所述复合层压介质基板4共同构成一种新型的介质波导腔，孔中心间距按照对应传输要求的波长来确定，在考虑可制造性的情况下，所述金属化过孔排列部7应该贴近所述矩形介质波导腔的长边和短边尽可能多的排列，以实现更好的性能传输与转换。

一般的，所述悬置微带线探针转换部5一般延伸到所述矩形介质波导腔的正中心，在此长度的基础上可以进一步进行长度的微调，以实现波导探针微带转换性能的优化以及中心工作频率的微调。进一步的，所述悬置微带线探针转换部5中间有一所述锁阻抗变化段52，具体阻抗变化段的阶数以及长宽需根据实际阻抗匹配的要求而定，本实施例中给出了一个二阶的阻抗变换段。

一般的，所述空气波导2与所述约束腔3相连接，所述空气波导2为一矩形波导(通常为标准波导)，可以在标准波导的基础上进行微调，通常所述空气波导2的长边长度大于所述矩形介质波导腔的长边长度，所述空气波导2的短边长度也大于所述矩形介质波导腔的短边长度。所述矩形介质波导腔的初始尺寸可通过所述空气波导2的长度除以介质介电常数的平方根确定(即矩形介质波导腔的初始尺寸为所述空气波导2长度的

在所述空气波导2的长边底部的中心位置开槽，与所述约束腔3相连，所述约束腔3的尺寸需要合理选择，以利于将能量集中在微带上并抑制高次模耦合到微带线腔体中，同时所述约束腔3要有足够的高度以免影响微带场结构。所述矩形介质波导腔和所述约束腔3的尺寸共同调节以实现从所述空气波导2到所述矩形介质波导腔的良好转换。

一般的，在所述毫米波收发天线的微带线探针转换结构中，所述天线喇叭结构体1的下底面与所述空气波导2重合，所述天线喇叭结构体1在向所述空气波导2渐变的过程中，长边长度保持不变，短边渐变到与所述空气波导2的短边等长。

由上所述可知，在本发明中，所述毫米波收发天线的微带线探针转换结构的工作原理如下：

外界电磁波由所述天线喇叭结构体1接收，传输到所述空气波导2中。其中，锥型的所述天线喇叭1在渐变过程中的长边保持不变，短边渐变到与空气波导的短边等长，使电磁波在空气波导中以TE

进一步的，电磁波通过所述空气波导2传输到所述矩形介质波导腔(由所述上层复合介质基板6、所述金属化过孔排列部7、所述中层复合介质基板8共同构成)中，由于电磁波在所述空气波导2的波长要大于所述矩形介质波导腔波长，为了保证电磁波由所述空气波导2中传输到所述矩形介质波导腔的阻抗匹配，所述矩形介质波导腔的长短边尺寸需要小于所述空气波导2的长短边尺寸。

最后，电磁波能量经过所述矩形介质波导腔中所述中层复合介质基板8的下表面金属化层(短路面)的反射，将能量耦合至所述上层复合介质基板6上表面的所述悬置微带线探针转换部5上，电磁波能量经短路面的反射首先传输至所述耦合线51上，并通过所述阻抗匹配段52过渡至50欧姆的所述微带线53上，电磁波由所述矩形介质波导腔中的TE

本发明中给出了一个工作在Ka波段的实施例，此时所述空气波导2的尺寸为7.12mm×3.56mm，约束腔宽度为2mm，腔高为0.75mm，短路面与所述悬置微带线探针转换部5的垂直距离为1.58mm，所述金属化过孔的直径为0.4mm，在合理优化所述悬置微带线探针转换部5的尺寸后，得到最终的仿真结果。

如图7、图8、图9所示，图7为本实施例中工作在Ka波段的微带线探针转换结构的回波损耗仿真结果图，图8是本实施例中工作在Ka波段的微带线探针转换结构的插入损耗仿真结果图，图9是本实施例中工作在Ka波段的微带线探针转换结构的输入驻波仿真结果图。

从仿真结果图可以看出，在30GHz～40GHz内，回波损耗小于-20dB，插入损耗小于0.16dB，输入驻波优于1.23。从仿真数据来看，本实施例中的转换结构具备良好的转换效率，可达到微波电路的工程实施要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。