一种基片集成波导扭关节的制作方法

本发明属于毫米波段扭关节的设计与制造领域，具体涉及一种基片集成波导扭关节结构。

背景技术：

扭关节(twist)是一种可以使电磁能量从e面向h面过渡的器件，即电场极化方向在该器件中产生了90度旋转；因此，其通常用于匹配两个角度偏移的波导，在微波毫米波系统中得到了广泛应用。

传统的扭关节主要基于波导设计，通常会在e面和h面波导中间添加一段较长的过渡区域以实现电场极化旋转，使其成本高昂、体积庞大，成为波导最大的缺陷。基片集成波导作为近几年兴起的一种低插损、低成本、低剖面的新型传输线，得到了广泛的应用。目前，仅有极少关于基片集成波导扭关节的文献发表，与基于波导设计的传统扭关节类似，这些文献中的结构为了实现电场极化方向的90度旋转，采用了较长的渐变过渡区域，导致基片集成波导扭关节体积过大，如文献“siw90-degreetwistforsubstrateintegratedcircuitsandsystems”；这和无线技术小型化的发展趋势相矛盾，并且过长的基片集成波导会增加额外的插入损耗，造成能量的浪费，也与当今的环保理念相冲突。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有基片集成波导扭关节体积过大的缺陷，提供一种基片集成波导扭关节，该扭关节结构紧凑，大大减小扭关节体积，利于实现小型化。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基片集成波导扭关节，包括一个水平基片集成波导1和一个垂直基片集成波导2，所述水平基片集成波导1由依次重叠的第一底层敷铜层13、第一介质基片12及第一顶层敷铜层11构成，所述垂直基片集成波导2由依次重叠的第二底层敷铜层23、第二介质基片22及第二顶层敷铜层21构成；其特征在于，所述第一介质基片12中包含第一金属化匹配通孔121、两排第一平行金属化通孔122和一排金属化短路孔123，所述金属化短路孔垂直设置于第一平行金属化通孔的末端处、并将两排第一平行金属化通孔短路，所述第一金属化匹配通孔位于两排第一平行金属化通孔内的一侧；所述第二介质基片22中包含第二金属化匹配通孔221、两排第二平行金属化通孔222和基片集成波导90度拐角223，所述基片集成波导90度拐角设置于第二平行金属化通孔末端处，所述第二金属化匹配通孔位于基片集成波导90度拐角的角平分线上；所述水平基片集成波导与垂直基片集成波导相互垂直设置、并呈“i”型连接，所述第一顶层敷铜层11上对应于垂直基片集成波导开设有耦合槽111，电磁能量通过耦合槽111从水平基片集成波导耦合至垂直基片集成波导中，以实现电磁能量的过渡和极化方向的90度旋转。

进一步的，所述耦合槽111的宽度为所述第二介质基片22的厚度，耦合槽111的长度为两排第二平行金属化通孔222之间的间距。

更进一步的，所述基片集成波导扭关节中，为了保证信号工作在主模状态，水平基片集成波导1中两排第一平行金属化通孔122和垂直基片集成波导2中两排第二平行金属化通孔222之间的间距14和24均必须满足相应条件(1)：

其中，d表示间距值，λg为电磁信号在波导中传播的波导波长，通过公式(2)计算得到：

其中，λε为基片介质中的波长，它和真空中的波长λ0的关系式为：

其中，εr为基片介质的相对介电常数，λo＝c/f，c＝3×10⁸m/s为光速，f是电磁信号工作频率。

本发明的有益效果在于：

本发明提供一种基片集成波导扭关节，该扭关节结构中，水平基片集成波导和垂直基片集成波导中通过分部设置第一、第二金属化匹配通孔实现电磁能量的过渡，完全省去较长的渐变过渡区域，结构更加紧凑，与现有基片集成波导扭关节结构对比，本发明的过渡区域长度缩短了74％，在毫米波频段能够大大减小基片集成波导扭关节的体积，达到了小型化紧凑型基片集成波导扭关节的目的。

附图说明

图1是本发明的基片集成波导扭关节正视图。

图2是本发明的基片集成波导扭关节俯视图。

图3是本发明中水平基片集成波导俯视图。

图4是实施例1中基片集成波导扭关节仿真结果图。

图5是实施例2中基于本发明基片集成波导扭关节的宽带二维多波束天线阵结构示意图。

图6是实施例2中宽带二维多波束天线阵s参数仿真结果图。

图7是实施例2中宽带二维多波束天线阵波束扫描仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例提供一种基片集成波导扭关节，其结构如图1、图2和图3所示，该扭关节工作在e波段，工作频率是71～86ghz，包括一水平放置基片集成波导1和一垂直放置基片集成波导2，水平基片集成波导1和垂直基片集成波导2呈“i”型紧贴在一起；介质基片12、22均采用型号为taconictly-5，板材厚度为0.508mm，相对介电常数2.2，介质基片的敷铜层厚度是0.017mm；平行金属化通孔122和222的直径是0.4mm，金属化匹配通孔221的直径是0.35mm，金属化匹配通孔121和金属化短路孔123的直径是0.3mm；金属化通孔121和221作为匹配孔，调节其位置可以优化此扭关节的过渡性能。为了使信号在基片集成波导中工作在主模模式，水平基片集成波导1和垂直基片集成波导2上的两排平行金属化通孔之间的间距14和24大小是2.2mm；如图3所示，在敷铜层11上蚀刻一耦合槽111，用于使电磁能量在此耦合槽处耦合进入垂直基片集成波导2，该耦合槽111长度与14和24的大小相等，为2.2mm，宽度是垂直基片集成波导2的厚度0.508mm。

通过hfss仿真，其结果如图4所示，该扭关节在65～87ghz的频带内，s11均优于-15db，插入损耗小于0.3db，且过渡区域仅0.557λo，与文献“siw90-degreetwistforsubstrateintegratedcircuitsandsystems”中的扭关节过渡区域2.142λo相比缩短了74％，达到了本发明紧凑性基片集成波导扭关节的目的；上述中，λo是工作频带中心频率的信号在空气中的波长。

实施例2

本实施例提供一种基于本发明基片集成波导扭关节的宽带二维多波束天线阵，其结构如图5所示，工作在e波段，频率是71～86ghz，介质基片是taconictly-5，厚度是0.508mm，介质基片的表面敷铜层厚度是0.017mm；该天线阵共有四个基片集成波导，分别是5、6、7、8，每一个基片集成波导均包含一层介质基片和介质基片两端的敷铜层。51、61、71和81是位于基片集成波导介质基片中的四个90度耦合器，52、53、62和63是四个基片集成波导扭关节，由于基片集成波导5和6镜像对称，基片集成波导7和8完全一样，所以图5中仅标出51、71和52、62。此外，基片集成波导5、6、7、8均是轴对称结构，水平放置的基片集成波导5和6层叠在一起并通过51、52、61和62四个基片集成波导扭关节与垂直放置的基片集成波导7和8呈“i”型拓扑连接。

该阵列采用八木天线作为辐射单元，八木天线阵在垂直方向上由71、81两个90度耦合器馈电，以实现垂直方向上的波束扫描。同时，这两个耦合器又被水平层叠的51、61两个耦合器所激励，以实现水平方向上的波束扫描。54、55、64和65是该天线阵的四个输入端口，从不同输入端口激励时天线阵可以生成四个不同指向的波束，并且在八木天线阵馈电处的相位分布分别是：

hfss的仿真结果：其结果如图6所示，在71～86ghz的频带内，s11均优于-15db。由于该天线阵四个波束完全对称，图7仅展示了该天线阵生成的四个波束其中两个，能够看出，增益高于10dbi，波束扫描角在25°到27°之间。

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。