[發明專利]一種毫米波及太赫茲單片電路過渡結構及其實現方法

在審

• 申請號: 202310136447.0
• 申請日: 2023-02-20
• 公開（公告）號: CN116130914A
• 公開（公告）日: 2023-05-16
• 發明（設計）人: 于偉華;高港;武楠;陳綱;孫麗敏;許迪迪
• 申請（專利權）人: 北京理工大學;上海芯問科技有限公司
• 主分類號: H01P5/00
• 分類號: H01P5/00;H01P5/08;H01P1/16
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

1.一種毫米波及太赫茲單片電路過渡結構，其特征在于，所述毫米波及太赫茲單片電路過渡結構包括：輸入封裝過渡結構、輸出封裝過渡結構、單片電路腔和電磁帶隙結構；其中，在基體內中心開設單片電路腔，單片電路放置在單片電路腔內；輸入封裝過渡結構和輸出封裝過渡結構關于單片電路呈中心對稱結構；在單片電路腔內且位于單片電路之上設置電磁帶隙結構；

電磁帶隙結構包括多個相同的周期性二維排列的單元結構；每一個單元結構包括兩個相同的金屬銷釘和一個空氣銷釘，空氣銷釘位于中間，兩個金屬銷釘分別位于空氣銷釘的兩側并與其緊鄰，空氣銷釘的下底面與金屬銷釘的上底面處于同一平面，空氣銷釘的下底面與兩個金屬銷釘的上底面的中心位于同一條垂直于傳播方向的直線上；金屬銷釘的上底面連接單片電路腔的頂壁，與基底連接為一個整體，空氣銷釘為在基底內開設的空腔位于基底內；金屬銷釘的下底面與單片電路的上表面之間有距離，并且距離小于工作頻段的最高頻率處工作波長的1/4；每一個金屬銷釘的形狀為倒正四棱臺，橫截面的形狀為正方形；每一個空氣銷釘的形狀為正四棱臺；單元結構的周期小于工作頻段的中心頻率處工作波長的1/4；

輸入封裝過渡結構包括：波導輸入腔、輸入波導過渡結構、輸入匹配過渡電路、單片電路輸入端互連過渡結構和輸入過渡腔；在基體內且位于單片電路腔的輸入端開設輸入過渡腔；在基體內且位于輸入過渡腔的輸入端開設波導輸入腔；在輸入過渡腔內依次放置連接為一體的輸入波導過渡結構和輸入匹配過渡電路；單片電路輸入端互連過渡結構位于輸入過渡腔與單片電路腔的連接處，并與輸入匹配過渡電路連接為一體；

輸入波導過渡結構包括過渡介質板和二維調節探針；在過渡介質板的上表面中心設置二維調節探針；二維調節探針包括兩個相互垂直的矩形，第一矩形的長邊平行于傳播方向，第二矩形的長邊垂直傳播方向，且第二矩形的中心與第一矩形的中心重合，第一矩形與第二矩形的尺寸相互獨立，分別調節第一矩形與第二矩形的長度和寬度，以影響電磁能量的轉換效率，從而具有二維調節的作用，提高電磁能量的轉換效率；

輸入匹配過渡電路包括匹配介質板、單節阻抗匹配導體帶、微帶線和多節阻抗變換導體帶；匹配介質板位于輸入過渡腔內，過渡介質板和匹配介質板連接為一體，在匹配介質板的上表面依次設置連接為一體的單節阻抗匹配導體帶、微帶線和多節阻抗變換導體帶；單節阻抗匹配導體帶的末端連接二維調節探針的第一矩形，單節阻抗匹配導體帶的寬度窄于微帶線的寬度；多節阻抗變換導體帶的輸入端連接微帶線，輸出端連接單片電路輸入端互連過渡結構，包括多節寬度階梯式減小的導體帶，多節阻抗變換導體帶的輸入端的寬度與微帶線的寬度一致，多節阻抗變換導體帶的輸出端的寬度與單片電路輸入端互連過渡結構的中心導體帶的寬度一致；多節阻抗變換導體帶將電磁波匹配過渡至單片電路輸入端互連過渡結構；二維調節探針中心距離波導輸入腔的半圓形短路面的距離為工作頻段的中心頻率處波導波長的1/4；微帶線的特性阻抗Z₀滿足：

其中，中，ε_r為匹配介質板的相對介電常數，h為匹配介質板的厚度，W為微帶線的寬度；微帶線的長度根據匹配介質板的長度調節，并且微帶線的長度不影響特性阻抗，從而通過微帶線的特性阻抗Z₀確定微帶線的寬度，并通過匹配介質板的長度確定微帶線的長度并不改變特性阻抗，從而按需任意調整微帶線的長度，同時不改變輸入封裝過渡結構的過渡性能；

輸出封裝過渡結構包括輸出過渡腔、波導輸出腔、輸出波導過渡結構、輸出匹配過渡電路、單片電路輸出端互連過渡結構；

TE₁₀模式的電磁波從波導輸入腔進入，形成駐波，并耦合到二維調節探針上；分別調節二維調節探針的第一矩形與第二矩形的長度和寬度，從兩個維度上改變電磁能量的轉換效率，從而提高電磁能量的轉換效率，使電磁波更加充分地從TE₁₀模式轉換為準TEM模式；準TEM模式的電磁波經二維調節探針、單節阻抗匹配導體帶、微帶線以及多節阻抗變換導體帶傳輸至輸入匹配過渡電路，沿電磁波的傳播方向，輸入匹配過渡電路將阻抗進一步降低；準TEM模式電磁波傳經過單片電路輸入端互連過渡結構傳輸至單片電路；單片電路上方的電磁帶隙結構通過規則的二維周期性排列的單元結構，形成電磁波在工作頻帶的禁帶，通過調整倒正四棱臺形狀的金屬銷釘和正四棱臺形狀的空氣銷釘上底面和下底面的邊長，使得電磁帶隙調節范圍更寬，金屬銷釘與空氣銷釘相結合的形式使金屬銷釘獲得更高的等效高度；電磁帶隙結構的底部與單片電路上表面的距離小于工作頻段的最高頻率處的工作波長的1/4，單片電路的上表面到電磁帶隙結構的底部之間的腔體因無法滿足電磁波傳輸所需要的邊界條件而禁止電磁波的傳輸，從而抑制腔體中產生的高次模諧振以及雜散輻射，提高了單片電路工作的穩定性與可靠性；之后，電磁波再經輸出封裝過渡結構輸出。