空气同轴传输线射频测量接口及其测试结构

技术领域

本发明属于电磁场及微波技术领域，更具体地说，是涉及一种空气同轴传输线射频测量接口及其测试结构。

背景技术

空气同轴传输线是以空气为填充介质的同轴传输线，具有介质损耗小、色散损耗小、与相邻信道串扰小和结构灵活性强的优势，能够支持TEM模宽带单模传输。空气同轴传输线架构已在多种微波毫米波无源器件中得以应用，如谐振器滤波器、天线馈电网络、过渡、耦合器和功率分配器等。

空气同轴传输线包括内导体、空气介质和外导体。在传统技术中，内导体通常采用多个终端短路枝节与外导体连接或用一层低损耗介质薄膜支撑，使其能够悬置于空气介质中，外导体通常为封闭的金属外壳。实现高质量的空气同轴传输线要求：一、空气同轴传输线的内、外导体具有良好的导电性能和电磁屏蔽性能，以降低射频损耗；二、空气同轴传输线的装配和射频测量方案误差小、可靠性强，以精准获得真实的反射和传输响应；三、空气同轴传输线的结构材料与加工工艺的兼容性高，以最大程度地简化内导体和枝节等内部悬置结构的制造工序。

在传统技术中，工作于毫米波至亚毫米波频段的空气同轴传输线结构往往采用高精度的光刻胶厚膜或硅基微加工工艺制造，加工工序复杂，成本高，需要实现多层结构堆叠，对装配精度要求高；工作于微波低频段的空气同轴传输线结构可以采用多层印制电路板(PCB)工艺实现，或PCB与金属腔体的混合集成实现，也可以采用3-D打印工艺一体化制造成型。在微加工工艺下，空气同轴传输线的输入和输出端口需要过渡至共面波导，以便用射频探针测量空气同轴传输线的射频性能。在PCB或PCB/金属腔体混合集成工艺下，空气同轴传输线的输入和输出端口需要与同轴连接器连接或过渡至标准矩形波导在波导端口进行射频测量，这就需要将同轴连接器焊接在PCB上或用螺丝紧固在金属壳体上，而这种装配方式对于采用3-D打印技术制造的空气同轴传输线而言可靠性很差。在3-D打印工艺下，空气同轴传输线的内、外导体通常是一体化制造成型的，在3-D打印的空气同轴传输线的同轴端口处加装同轴连接器，需要将同轴连接器的内导体针与空气同轴传输线的内导体共线接触，并将同轴连接器用螺丝紧固或用银环氧树脂粘接在3-D打印的空气同轴传输线壳体上，这种装配方式误差大、内导体之间的电接触差、机械稳定性和热稳定性也差。在传统技术中，可以在空气同轴传输线内导体的端面中心沿传输线轴向开设盲孔，以便于同轴连接器的内导体针插入，但3-D打印这样的小孔必然会增加后处理的难度，制造风险大，且实验证明，该装配方案仍无法在空气同轴传输线内导体和同轴连接器的内导体针之间实现一个良好的电接触。

空气同轴传输线射频测量接口的上述设计缺陷会导致传输线的回波损耗剧烈恶化以及插入损耗急剧增大，因此导致空气同轴传输线及基于该传输线架构的微波毫米波器件的测量和仿真的射频指标之间存在巨大差异。这使得3-D打印的这类传输线及器件的真实射频性能难以准确量化和评估。此外，与仿真的射频指标相比，测量的射频指标显著恶化，使得3-D打印的这类传输线及器件无法应用于实际通信系统中。因此，有必要彻底改进3-D打印工艺下空气同轴传输线射频测量接口的结构及装配方案，有效提升3-D打印的空气同轴传输线及器件的测量和仿真的射频性能的一致性。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种空气同轴传输线射频测量接口及其测试结构，实现3-D打印工艺下空气同轴传输线及基于该传输线架构的微波毫米波器件的射频性能的精准测量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种空气同轴传输线射频测量接口，包括金属外壳和设置于所述金属外壳内部的金属内芯，所述金属外壳包括依次连接的空气同轴传输线的外导体、过渡波导外壳及矩形波导外壳，所述金属内芯包括依次连接的所述空气同轴传输线的内导体及金属脊，所述外导体和所述内导体共同形成所述空气同轴传输线，且所述内导体悬空设置于所述外导体的内部，所述过渡波导外壳和所述金属脊形成过渡脊波导，所述矩形波导外壳围成矩形波导；所述金属外壳和所述金属内芯之间由空气填充；所述金属外壳的内表面及所述金属内芯的外表面均平滑设置。

可选地，所述金属脊包括台阶结构和过渡结构，所述台阶结构的一端与所述过渡波导外壳的内壁平滑连接，所述台阶结构的另一端通过所述过渡结构与所述内导体平滑连接。

可选地，所述台阶结构包括依次连接的多个台阶单元，在从所述矩形波导至所述空气同轴传输线的电磁波的传输方向上，各个所述台阶单元的顶面与所述过渡波导外壳的中轴线的距离逐渐减小。

可选地，在从所述矩形波导至所述空气同轴传输线的电磁波的传输方向上，各个所述台阶单元的宽度逐渐变小。

可选地，在从所述矩形波导至所述空气同轴传输线的电磁波的传输方向上，所述过渡结构的宽度逐渐变小。

可选地，所述金属外壳关于第一对称面和第二对称面对称设置，与所述矩形波导的宽边平行且经过所述矩形波导的窄边中点的平面为所述第一对称面，与所述矩形波导的窄边平行且经过所述矩形波导的宽边中点的平面为所述第二对称面。

可选地，所述金属脊关于第二对称面对称设置，与所述矩形波导的窄边平行且经过所述矩形波导的宽边中点的平面为所述第二对称面。

可选地，所述空气同轴传输线射频测量接口采用3-D打印技术一体化制造成型，所述金属外壳和所述金属内芯表面的倾斜面的坡度小于或等于45度。

本发明还提供一种射频测量接口测试结构，包括一个或多个所述空气同轴传输线射频测量接口，多个所述空气同轴传输线射频测量接口经由所述空气同轴传输线直接或间接连接。

可选地，所述外导体和所述内导体呈直线型设置，或者呈曲线型设置。

本发明提供的空气同轴传输线射频测量接口及其测试结构的有益效果在于：与现有技术相比，本发明提供的空气同轴传输线射频测量接口及其测试结构，第一，通过设置连续平滑渐变的金属脊，实现了空气同轴传输线和矩形波导之间的宽带、低损耗过渡，实现了在矩形波导端口对空气同轴传输线的射频性能进行精准测量，显著提高了空气同轴传输线射频性能测量的可靠性；第二，融合3-D打印技术的工艺原理，对过渡脊波导等使能结构进行塑形，使“矩形波导—过渡脊波导—空气同轴传输线”形成可在3-D打印过程中自行支撑的整体结构，以便于空气同轴传输线及其射频测量接口一体化增材制造成型，该结构与3-D打印工艺的兼容性高，有助于改善该结构在3-D打印工艺下的成型质量；第三，对于空气同轴传输线以及任何基于该传输线架构的无源器件均适用，具有很好的普遍适用性；第四，使空气同轴传输线结构本身实现了无枝节一体化增材制造成型，空气同轴传输线的带宽和设计灵活性得到了显著提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的空气同轴传输线射频测量接口的立体结构图；

图2为图1中结构沿A—A线的剖视图；

图3为本发明实施例提供的第一种射频测量接口测试结构的立体结构图；

图4为图3中结构沿B—B线的剖视图；

图5为本发明实施例提供的第二种射频测量接口测试结构的立体结构图；

图6为图5中结构沿C—C线的剖视图；

图7为图3中结构的仿真和测量的散射参数(S

图8为图3中结构的仿真和测量的总损耗和群时延在K全频段的频率响应曲线图；

图9为图5中结构的仿真和测量的散射参数(S

图10为图5中结构的仿真和测量的总损耗和群时延在K全频段的频率响应曲线图。

其中，图中各附图标记：

100-空气同轴传输线射频测量接口；

10-金属外壳；11-外导体；12-过渡波导外壳；13-矩形波导外壳；14-工艺孔；20-金属内芯；21-内导体；22-金属脊；221-台阶结构；222-过渡结构；30波导法兰盘；31-矩形波导端口；32-通孔。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

现对本发明实施例提供的空气同轴传输线射频测量接口及其测试结构进行说明。

请参阅图1及图2，图1为本发明实施例提供的空气同轴传输线射频测量接口的立体结构图，图2为图1中结构沿A—A线的剖视图。空气同轴传输线射频测量接口100包括金属外壳10和金属内芯20，金属外壳10的至少其内表面由金属制成，金属内芯20的至少其外表面由金属制成。金属内芯20的至少部分结构与金属外壳10的内表面连接，金属外壳10和金属内芯20之间由空气填充。

金属外壳10包括依次连接的空气同轴传输线的外导体11、过渡波导外壳12及矩形波导外壳13，金属内芯20包括依次连接的空气同轴传输线的内导体21及金属脊22。空气同轴传输线的外导体11和空气同轴传输线的内导体21共同形成空气同轴传输线，内导体21悬空设置在外导体11的内部，内导体21和外导体11之间由空气填充，内导体21无其它枝节结构对其进行支撑。过渡波导外壳12和金属脊22形成过渡脊波导，金属脊22至少部分与过渡波导外壳12的内表面连接。金属脊22与内导体21平滑连接，对内导体21形成支撑，进而使内导体21能够悬空设置于外导体11中。矩形波导外壳13围成矩形波导。该空气同轴传输线射频测量接口100的一端为空气同轴传输线，另一端为矩形波导，因此，使用该射频测量接口100，可以使空气同轴传输线过渡至矩形波导，并在矩形波导端口31完成空气同轴传输线射频性能的测量。同时，金属外壳10的内表面及金属内芯20的外表面均平滑设置，在空气同轴传输线和矩形波导之间实现宽带、低损耗过渡的同时，显著提升了该过渡结构面向3-D打印工艺的兼容性，有助于改善该过渡结构在3-D打印工艺下的成型质量。

上述空气同轴传输线射频测量接口100，第一，通过设置连续平滑渐变的金属脊22，实现了空气同轴传输线和矩形波导之间的宽带、低损耗过渡，实现了在矩形波导端口31对空气同轴传输线的射频性能进行精准测量，显著提高了空气同轴传输线射频性能测量的可靠性；第二，融合3-D打印技术的工艺原理，对过渡脊波导等使能结构进行塑形，使“矩形波导—过渡脊波导—空气同轴传输线”形成可在3-D打印过程中自行支撑的整体结构，以便于空气同轴传输线及其射频测量接口100一体化增材制造成型，该结构与3-D打印工艺的兼容性高，有助于改善该结构在3-D打印工艺下的成型质量；第三，对于空气同轴传输线以及任何基于该传输线架构的无源器件均适用，具有很好的普遍适用性；第四，使空气同轴传输线结构本身实现了无枝节一体化增材制造成型，空气同轴传输线的带宽和设计灵活性得到了显著提高。

在本发明的一些实施例中，请参阅图2，金属脊22包括台阶结构221和过渡结构222，台阶结构221和过渡结构222相互连接。台阶结构221的一端与过渡波导外壳12的内壁平滑连接，台阶结构221的另一端与过渡结构222平滑连接，从而实现台阶结构221与内导体21通过过渡结构222平滑连接。通过设置过渡结构222，使得台阶结构221在靠近内导体21的一端无需与内导体21的横截面相同。台阶结构221和过渡结构222可以灵活设计，以实现宽带、低损耗的过渡性能。

在本发明的一些实施例中，请参阅图2，台阶结构221包括依次连接的多个台阶单元，在从矩形波导至空气同轴传输线的电磁波的传输方向上，各个台阶单元的顶面与过渡波导外壳12的中轴线的距离逐渐减小。台阶结构221与过渡波导外壳12连接的一端称为台阶结构221的底端，远离与过渡波导外壳12的连接处的一端称为台阶结构221的顶端。在电磁波的上述传输方向上，台阶结构221的底端至台阶结构221的顶端的台阶高度呈逐渐增大的趋势，如此，可以使台阶结构221的顶端靠近过渡波导外壳12的中轴线，便于过渡结构222与内导体21连接并对内导体21起到支撑作用。

在本发明的一些实施例中，请参阅图2，在从矩形波导至空气同轴传输线的电磁波的传输方向上，各个台阶单元的宽度逐渐变小，并逐渐与内导体21的横截面宽度接近，如此设置一方面减小了金属脊22与内导体21之间过渡结构的突变，有助于实现更平滑且兼容3-D打印工艺的物理结构，另一方面减小了传输线特性阻抗的突变，有助于在更宽频率范围内实现低反射低损耗的射频传输性能。在其它实施例中，各个台阶单元的宽度可以相同。

在本发明的一些实施例中，请参阅图2，在从矩形波导至空气同轴传输线的电磁波的传输方向上，过渡结构222的宽度逐渐变小，使台阶高度最大的台阶单元经过过渡结构222之后与内导体21的横截面形状逐渐一致，实现台阶结构221、过渡结构222和内导体21的依次平滑连接。

其中，台阶结构221和过渡结构222的所有不连续性结构被设计成平滑且连续的曲面，使得“台阶结构221—过渡结构222—内导体21”整体结构在从矩形波导至空气同轴传输线的电磁波的传输方向上呈现为大坡度的倾斜曲面。在3-D打印过程中，上述倾斜曲面可以通过逐层堆叠3-D打印材料自行支撑并固化成型，无需在壳体内部使用任何支撑结构，如此设置使得内导体21仅仅被“台阶结构221—过渡结构222”连接体支撑就能够悬置于外导体11中，释放了传统技术中支撑枝节对空气同轴传输线的带宽和传输性能的限制。

在本发明的一些实施例中，请参阅图1及图2，空气同轴传输线的外导体11和内导体21的截面均为圆角正方形，即对外导体11的内表面和内导体21的外表面的棱进行了圆角化处理。在其它实施例中，外导体11和内导体21的截面还可为正方形、矩形、圆角矩形和圆形。

在本发明的一些实施例中，请参阅图1及图2，金属外壳10关于第一对称面和第二对称面对称设置。与矩形波导的宽边平行且经过矩形波导的窄边中点的平面为第一对称面，与矩形波导的窄边平行且经过矩形波导的宽边中点的平面为第二对称面，结合图1及图2，第一对称面为与yoz平面平行的对称面，第二对称面为与xoz平面平行的对称面。金属外壳10的结构对称性是由空气同轴传输线和矩形波导本身结构的对称性决定的，在其它实施例中，金属外壳10可以根据实际应用需求灵活设计为更复杂的结构。

在本发明的一些实施例中，请参阅图1及图2，金属脊22关于第二对称面对称设置，与矩形波导的窄边平行且经过矩形波导的宽边中点的平面为第二对称面，第二对称面为与xoz平面平行的对称面。

在本发明的一些实施例中，空气同轴传输线射频测量接口100采用3-D打印技术一体化制造成型，金属外壳10和金属内芯20表面的倾斜面的坡度小于或等于45度，如此设置进一步保证了“台阶结构221—过渡结构222—内导体21”整体结构呈现的倾斜曲面在3-D打印过程中可以自行支撑并固化成型，释放了3-D打印倾斜曲面结构边缘坍塌和破损的风险。

在本发明的一些实施例中，请参阅图1及图2，矩形波导外壳13的一端设置有波导法兰盘30，用于空气同轴传输线射频测量接口100与波导测量标准件连接，波导法兰盘30上开设有矩形波导端口31以及多个用于连接装配的通孔32。

为了验证上述任一实施例中的空气同轴传输线射频测量接口100的射频性能，本发明还提供了一种射频测量接口测试结构，该结构包括一个或多个上述空气同轴传输线射频测量接口100，分别适用于单端口或多端口空气同轴传输线器件的射频测量。对于单端口器件而言，该测试结构仅需一个空气同轴传输线射频测量接口100；对于多端口器件而言，多个空气同轴传输线射频测量接口100经由空气同轴传输线直接或间接连接，使得基于空气同轴传输线架构的器件可以在波导端口进行射频性能的精准测量。

请参阅图3及图4，图3为本发明实施例提供的第一种射频测量接口测试结构的立体结构图，图4为图3中结构沿B—B线的剖视图。本发明提供的第一种射频测量接口测试结构，其外导体11和内导体21呈直线形设置，其本质上是一对背靠背的空气同轴传输线射频测量接口100。

在本发明的一些实施例中，外导体11和内导体21呈曲线形设置。

为了进一步验证空气同轴传输线射频测量接口100的高可靠性和设计灵活性，本发明提供了第二种射频测量接口测试结构，即U形延时线。请参阅图5及图6，图5为本发明实施例提供的第二种射频测量接口测试结构的立体结构图，图6为图5中结构沿C—C线的剖视图。U形延时线与图3中结构的区别在于其空气同轴传输线的部分进一步延长，并呈180度对称U形弯曲。金属外壳10在U形弯曲区域开设有多个非辐射性的工艺孔14，引入工艺孔14将有助于3-D打印的空气同轴传输线U形弯曲区域内表面的后处理，而不会显著恶化U形延时线的射频性能。

为了验证本发明提供的空气同轴传输线射频测量接口100的射频性能，基于50欧姆特性阻抗的方形空气同轴传输线，在K频段设计了上述两种射频测量接口测试结构，其中，波导法兰盘30的尺寸为国标代码BJ220中的标准矩形波导法兰盘30的尺寸；采用高精度的光敏树脂多喷头喷墨3-D打印工艺实现了每种K频段射频测量接口测试结构的一体化增材制造成型，并采用化学镀铜工艺完成了其表面的金属化。

相应地，在K频段，图3至图6中射频测量接口测试结构的部分关键尺寸如下。

图3及图4中，空气同轴传输线射频测量接口100的两个矩形波导端口31之间的电磁传输路径长度为36毫米；外导体11的横截面的内边长为4.1毫米；内导体21的横截面的边长为1.63毫米；矩形波导端口31的宽边长度和窄边长度分别为10.668毫米和4.318毫米；台阶结构221的总长度为7.183毫米，高度在0–2.909毫米之间，总宽度在3.154–4.816毫米之间；过渡结构222的总长度为1.914毫米。

图5及图6中，U形延时线的两个矩形波导端口31之间的电磁传输路径长度为127毫米；U形弯曲的曲率半径为30毫米；工艺孔14的长度为4.1毫米，宽度为1毫米。

请参阅图7及图8，图7为图3中结构的仿真和测量的散射参数(S

请参阅图9及图10，图9为图5中结构的仿真和测量的散射参数(S

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所公开的空气同轴传输线射频测量接口100的结构和装配方案，可以普遍应用到其它空气同轴传输线架构的无源器件上，如滤波器、耦合器、功率分配/合成器等；可以对该射频测量接口100的结构进行比例缩放，实现在其它频段的设计；用其它3-D打印工艺(如立体光刻和选择性金属激光烧结)制造该射频测量接口100，同样不失兼容性。所公开的空气同轴传输线射频测量接口100的结构和尺寸仅仅是示意性的，实际中可以遵循过渡脊波导的设计原理，对其结构和尺寸做进一步优化，以适应不同的应用需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。