本发明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。
背景技术：
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。
技术实现要素：
本发明针对于雷达天线、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。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
本发明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，本发明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，本发明具有如下优点：
(1)本发明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)本发明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，本发明避免了“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)本发明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)本发明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)本发明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发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明的结构示意图，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)分别为本发明实施例1微带结构的结构示意图；
图3为本发明实施例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为本发明实施例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
为了使本发明的目的、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。
实施例1
如图1(a)所示，本发明的宽带高效磁耦合式波导-微带转换结构包括：波导结构1和微带结构2。参见图1(b)可知，波导结构1主要包括矩形框架结构的金属波导3和在矩形框架上下面上设置的安装缝隙4。参见图1(c)和图1(d)可知，微带结构2又包括介质基板5、设在介质基板5上的阶梯状金属贴片6，阶梯状金属贴片6包含放置于介质基板5两侧的两片结构完全相同的阶梯状金属贴片，还包括通过连接贴片8与阶梯状金属贴片6连接的微带探针7；在阶梯状金属贴片6上刻蚀有互补开口谐振环阵列9；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。通过连接贴片8将阶梯状金属贴片6和微带探针7连接起来，避免了现有方法中的焊接操作，既可以减小传输损耗，又降低了加工难度，使结构更加稳固。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。
参见图1(a)、(b)，本例中矩形金属波导3选用《gb11450.2-89》标准中规定的bj100矩形波导(横截面尺寸为22.86mm*10.16mm)，其工作的频带为8ghz～12ghz，中心频率为10ghz。在其宽边中心线上开安装缝隙4，缝隙的长度为18.08mm，宽度为0.536mm。介质基板5选择了相对介电常数2.65，厚度0.5mm，损耗正切小于0.001的聚四氟乙烯玻璃布板。微带结构2上所有的金属部分选用电导率为5.9×107，厚度为0.036mm的铜箔。
在其他的实施例中，波导结构可以进一步采用圆形空腔结构或椭圆形空腔结构的金属波导。
参见图2(a)，阶梯状金属贴片6共有两个阶梯单元。其中底部阶梯宽度w1，长度d1的阶梯单元用来调控本发明的低频谐振特性。上部阶梯宽度w2，长度d2的阶梯单元用来调控本发明的高频谐振特性。加载于阶梯状金属贴片6上的互补开口谐振环阵列9可以展宽本发明的工作带宽，减小反射系数，进而提高转换的效率。此外，互补开口谐振环阵列9的加载等效改变了磁场耦合回路的面积，从而也可以调节工作频带。此外，图2(a)中d3和w3分别表示连接贴片8的长度和宽度，d4和w4分别表示四分之一波长阻抗变换10的长度和宽度，d5和w5分别表示微带传输线11的长度和宽度。其相应的参数：d3≈0.07λ，w3≈0.11λ，d4≈0.25λ，w4≈0.02λ，d5≈0.3λ，w5≈0.04λ。
参见图2(b)，本实施例的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。互补开口谐振环阵列9上的谐振环呈阵列排列分布，可以为圆环形或矩形环。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。
参见图3(a)，在一个实施例中，阶梯状金属贴片6上不设互补开口谐振环阵列；在另一个实施例中，阶梯状金属贴片6上开设圆孔阵列，见图3(b)所示。在图3(c)中，在阶梯状金属贴片6上的为互补开口谐振环阵列。
本发明的工作过程为：假设以波导端口作为输入口，波导中将激励起te10模式的电磁波，其磁场将垂直于微带结构2。即磁场将垂直穿过由阶梯状金属贴片6、连接贴片8、金属底板12和波导宽边内壁构成的闭合导体回路。根据法拉第电磁感应定律，回路中将激励起感应电动势及感应电流。电流最终将沿着微带探针7传输，进而激励起准tem模式的电磁波。互补开口谐振环阵列的加载等效于增大了闭合导体回路的面积，而且互补开口谐振环具有谐振特性，所以能够增加工作带宽，提高转换效率。本发明在结构上具有互易性，所以当微带端口作为输入口时，其工作过程和波导端口输入时类似。
实施例2
宽带高效波导-微带转换结构的构成和相关参数同实施例1，本实施例中矩形金属波导3选用bj70标准矩形波导(横截面尺寸为34.85mm*15.80mm)，其工作的频带为5ghz～8ghz，中心频率为7.5ghz。在其宽边中心线上开安装缝隙4，缝隙的长度为0.6λ，宽度为0.02λ(λ表示中心频率对应的工作波长)。介质基板5选择了相对介电常数2.65，厚度1mm，损耗正切小于0.001的聚四氟乙烯玻璃布板。微带结构2上所有的金属部分选用电导率为5.9×107，厚度为0.036mm的铜箔。参见图2(a)、(b)，本实施例中和微带结构2相关的尺寸参数均可和实施例1中的参数关于波长进行缩比得到。
以上是本发明的两个具体实例，它们不构成对本发明的任何限制。显然在本发明的构思下，任何人可根据本发明的内容进行修改、等同替换和改进等，但这些均仍属本发明涵盖的范围内。
本发明的实例效果可通过以下结果图进一步说明:
实施例3
使用本发明的宽带高效波导-微带转换结构进行仿真与模拟，仿真模型为本发明的实施例1。
首先，分析了阶梯状金属贴片6是否加载互补开口谐振环对其阻抗特性的影响。仿真模型如图3(a)所示，定义微带线终端为端口1，波导口为端口2，反射系数的仿真结果如图3(b)和图3(c)所示。由于结构上的非对称性，|s11|和|s22|有所不同。以|s11|为例分析可知，当阶梯状金属贴片6上不开孔时，反射系数在8.94ghz～12.45ghz的频带内小于-15db。但是整体转换的效率并不高，尤其是在中间频段反射较大。因此，考虑在阶梯状金属贴片6开孔来增大磁场耦合环面积，从而提高耦合的效率。然而仿真结果显示这种方法对耦合效率的改善并不明显。更进一步，将金属阶梯贴片上的圆孔用互补开口谐振环阵列代替。这时，互补开口谐振环的谐振作用使波导中更多的磁场转换成了金属贴片上的感应电流。从而提高耦合效率。此外，多个谐振环等效增大了磁场耦合环面积，从而使工作频带向低频略有偏移。最终，本发明选定这种在阶梯状金属贴片6上加载互补开口谐振环的形式。综合考虑|s11|和|s22|结果，其在8.58ghz～12.01ghz的频带内小于-15db，且相比于不开孔的情况，频带内反射系数大大减小。
其次，仿真分析了互补开口谐振环单元间距(l)和外环半径(r1)转换结构反射特性的影响。图4(a)表示l对反射系数的影响，显然随着l的增大，转换结构在低频点处的反射系数越来越大。而图4(b)则表示r1对反射系数的影响，可见随着r1的增大，转换结构在高频处的反射系数越来越小。最终综合考虑带宽和效率的因素，确定r1＝1mm，l＝1.5mm。
最终，得到实施例1中波导-微带转换器最优的特性曲线，如图5所示。可见本设计的两个端口在8.58ghz～12.01ghz的频带内回波损耗小于15db，插入损耗小于0.5db。
和现有波导-微带转换结构频带窄、效率低、设计复杂且结构不稳固等相比，本发明的宽带高效磁耦合式波导-微带转换结构用布满互补开口谐振环单元的贴片结构代替金属块状阶梯脊，并将其和微带探针设计成整体，从而避免了焊接带来的损耗和结构的不稳定性。实际应用中，互补开口谐振环阵列还能够展宽将本发明的波导-微带转换结构和波导器件、微带线馈电的多种天线一体化设计，减小了加工难度，降低了重量和成本。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征做出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。