[發(fā)明專利]一種毫米波及太赫茲單片電路過渡結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202310136447.0
• 申請(qǐng)日: 2023-02-20
• 公開（公告）號(hào): CN116130914A
• 公開（公告）日: 2023-05-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 于偉華;高港;武楠;陳綱;孫麗敏;許迪迪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué);上海芯問科技有限公司
• 主分類號(hào): H01P5/00
• 分類號(hào): H01P5/00;H01P5/08;H01P1/16
• 代理公司: 北京萬象新悅知識(shí)產(chǎn)權(quán)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(jié)構(gòu)，其特征在于，所述毫米波及太赫茲單片電路過渡結(jié)構(gòu)包括：輸入封裝過渡結(jié)構(gòu)、輸出封裝過渡結(jié)構(gòu)、單片電路腔和電磁帶隙結(jié)構(gòu)；其中，在基體內(nèi)中心開設(shè)單片電路腔，單片電路放置在單片電路腔內(nèi)；輸入封裝過渡結(jié)構(gòu)和輸出封裝過渡結(jié)構(gòu)關(guān)于單片電路呈中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)；在單片電路腔內(nèi)且位于單片電路之上設(shè)置電磁帶隙結(jié)構(gòu)；

電磁帶隙結(jié)構(gòu)包括多個(gè)相同的周期性二維排列的單元結(jié)構(gòu)；每一個(gè)單元結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)相同的金屬銷釘和一個(gè)空氣銷釘，空氣銷釘位于中間，兩個(gè)金屬銷釘分別位于空氣銷釘?shù)膬蓚?cè)并與其緊鄰，空氣銷釘?shù)南碌酌媾c金屬銷釘?shù)纳系酌嫣幱谕黄矫妫諝怃N釘?shù)南碌酌媾c兩個(gè)金屬銷釘?shù)纳系酌娴闹行奈挥谕粭l垂直于傳播方向的直線上；金屬銷釘?shù)纳系酌孢B接單片電路腔的頂壁，與基底連接為一個(gè)整體，空氣銷釘為在基底內(nèi)開設(shè)的空腔位于基底內(nèi)；金屬銷釘?shù)南碌酌媾c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(zhǎng)的1/4；每一個(gè)金屬銷釘?shù)男螤顬榈拐睦馀_(tái)，橫截面的形狀為正方形；每一個(gè)空氣銷釘?shù)男螤顬檎睦馀_(tái)；單元結(jié)構(gòu)的周期小于工作頻段的中心頻率處工作波長(zhǎng)的1/4；

輸入封裝過渡結(jié)構(gòu)包括：波導(dǎo)輸入腔、輸入波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)、輸入匹配過渡電路、單片電路輸入端互連過渡結(jié)構(gòu)和輸入過渡腔；在基體內(nèi)且位于單片電路腔的輸入端開設(shè)輸入過渡腔；在基體內(nèi)且位于輸入過渡腔的輸入端開設(shè)波導(dǎo)輸入腔；在輸入過渡腔內(nèi)依次放置連接為一體的輸入波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)和輸入匹配過渡電路；單片電路輸入端互連過渡結(jié)構(gòu)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(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)包括過渡介質(zhì)板和二維調(diào)節(jié)探針；在過渡介質(zhì)板的上表面中心設(shè)置二維調(diào)節(jié)探針；二維調(diào)節(jié)探針包括兩個(gè)相互垂直的矩形，第一矩形的長(zhǎng)邊平行于傳播方向，第二矩形的長(zhǎng)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(dú)立，分別調(diào)節(jié)第一矩形與第二矩形的長(zhǎng)度和寬度，以影響電磁能量的轉(zhuǎn)換效率，從而具有二維調(diào)節(jié)的作用，提高電磁能量的轉(zhuǎn)換效率；

輸入匹配過渡電路包括匹配介質(zhì)板、單節(jié)阻抗匹配導(dǎo)體帶、微帶線和多節(jié)阻抗變換導(dǎo)體帶；匹配介質(zhì)板位于輸入過渡腔內(nèi)，過渡介質(zhì)板和匹配介質(zhì)板連接為一體，在匹配介質(zhì)板的上表面依次設(shè)置連接為一體的單節(jié)阻抗匹配導(dǎo)體帶、微帶線和多節(jié)阻抗變換導(dǎo)體帶；單節(jié)阻抗匹配導(dǎo)體帶的末端連接二維調(diào)節(jié)探針的第一矩形，單節(jié)阻抗匹配導(dǎo)體帶的寬度窄于微帶線的寬度；多節(jié)阻抗變換導(dǎo)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(jié)構(gòu)，包括多節(jié)寬度階梯式減小的導(dǎo)體帶，多節(jié)阻抗變換導(dǎo)體帶的輸入端的寬度與微帶線的寬度一致，多節(jié)阻抗變換導(dǎo)體帶的輸出端的寬度與單片電路輸入端互連過渡結(jié)構(gòu)的中心導(dǎo)體帶的寬度一致；多節(jié)阻抗變換導(dǎo)體帶將電磁波匹配過渡至單片電路輸入端互連過渡結(jié)構(gòu)；二維調(diào)節(jié)探針中心距離波導(dǎo)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(dǎo)波長(zhǎng)的1/4；微帶線的特性阻抗Z₀滿足：

其中，中，ε_r為匹配介質(zhì)板的相對(duì)介電常數(shù)，h為匹配介質(zhì)板的厚度，W為微帶線的寬度；微帶線的長(zhǎng)度根據(jù)匹配介質(zhì)板的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)，并且微帶線的長(zhǎng)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(zhì)板的長(zhǎng)度確定微帶線的長(zhǎng)度并不改變特性阻抗，從而按需任意調(diào)整微帶線的長(zhǎng)度，同時(shí)不改變輸入封裝過渡結(jié)構(gòu)的過渡性能；

輸出封裝過渡結(jié)構(gòu)包括輸出過渡腔、波導(dǎo)輸出腔、輸出波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)、輸出匹配過渡電路、單片電路輸出端互連過渡結(jié)構(gòu)；

TE₁₀模式的電磁波從波導(dǎo)輸入腔進(jìn)入，形成駐波，并耦合到二維調(diào)節(jié)探針上；分別調(diào)節(jié)二維調(diào)節(jié)探針的第一矩形與第二矩形的長(zhǎng)度和寬度，從兩個(gè)維度上改變電磁能量的轉(zhuǎn)換效率，從而提高電磁能量的轉(zhuǎn)換效率，使電磁波更加充分地從TE₁₀模式轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)TEM模式；準(zhǔn)TEM模式的電磁波經(jīng)二維調(diào)節(jié)探針、單節(jié)阻抗匹配導(dǎo)體帶、微帶線以及多節(jié)阻抗變換導(dǎo)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(jìn)一步降低；準(zhǔn)TEM模式電磁波傳經(jīng)過單片電路輸入端互連過渡結(jié)構(gòu)傳輸至單片電路；單片電路上方的電磁帶隙結(jié)構(gòu)通過規(guī)則的二維周期性排列的單元結(jié)構(gòu)，形成電磁波在工作頻帶的禁帶，通過調(diào)整倒正四棱臺(tái)形狀的金屬銷釘和正四棱臺(tái)形狀的空氣銷釘上底面和下底面的邊長(zhǎng)，使得電磁帶隙調(diào)節(jié)范圍更寬，金屬銷釘與空氣銷釘相結(jié)合的形式使金屬銷釘獲得更高的等效高度；電磁帶隙結(jié)構(gòu)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(zhǎng)的1/4，單片電路的上表面到電磁帶隙結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的高次模諧振以及雜散輻射，提高了單片電路工作的穩(wěn)定性與可靠性；之后，電磁波再經(jīng)輸出封裝過渡結(jié)構(gòu)輸出。