一种宽带硅基金属波导矩-圆模式变换器转让专利
申请号 : CN202110041854.4
文献号 : CN112886159B
文献日 : 2021-12-03
发明人 : 杨瑾屏 , 李升 , 宋艳汝 , 杨士成 , 王彩霞 , 朱忠博 , 刘志
申请人 : 上海科技大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种宽带硅基金属波导矩‑圆模式变换器,其特征在于,由输入端矩形波导、输出端圆波导以及位于输入端矩形波导及输出端圆波导之间的变换器结构组成,其中:输入端矩形波导与输出端圆波导分别与外部模块或者设备的波导接口尺寸保持一致;
变换器结构则采用三段式结构:
变换器结构的第一段为一段矩形波导,该矩形波导的宽度与输入端矩形波导的宽度a相等、高度H1高过输入端的矩形波导的高度b,用于提高从输入端矩形波导看到的基模TE01模等效阻抗,实现与圆波导基模TE11模之间的阻抗匹配,提高模式转换能量转换的效率和工作带宽;
变换器结构的第三段为一段截顶圆波导一,截顶圆波导一的圆弧直径与输出端圆波导的直径相同,用于降低从输出端圆波导看到的基模TE11模等效阻抗,并部分实现圆TE11模和矩TE01模之间的电磁场波型过渡,进一步提高模式转换能量转换的效率和工作带宽;
变换器结构的第二段为一段截顶圆波导二,截顶圆波导二的高度与矩形波导的高度持平,截顶圆波导二的圆弧直径则与变换器结构的第一段的矩形波导的对角线长度相等,用于实现圆TE11模和矩TE01模之间的电磁场波型过渡,并再一次扩展变换器结构的工作带宽;
其中,截顶圆波导一及截顶圆波导二可以看成是输出端的圆波导的上下两端被削平了一部分。
2.如权利要求1所述的一种宽带硅基金属波导矩‑圆模式变换器,其特征在于,所述输出端圆波导、所述变换器结构及所述输入端矩形波导采用晶圆硅片经过金属化处理实现。
3.如权利要求2所述的一种宽带硅基金属波导矩‑圆模式变换器,其特征在于,所述输出端圆波导、所述变换器结构及所述输入端矩形波导采用同样厚度的晶圆硅片加工而成,或者根据其实际工作频率,选择采用不同厚度的晶圆硅片或者总数多于3片的晶圆硅片堆叠而成。
4.如权利要求1所述的一种宽带硅基金属波导矩‑圆模式变换器,其特征在于,三段式结构的变换器结构的每一段硅基厚度的小于1/12波长。
5.如权利要求1所述的一种宽带硅基金属波导矩‑圆模式变换器,其特征在于,所述截顶圆波导一及所述截顶圆波导二的高度经由电磁场仿真优化结果确定。
说明书 :
一种宽带硅基金属波导矩‑圆模式变换器
技术领域
背景技术
铸加工等。这些加工方法的精度较高,但对于结构复杂的波导部件如波纹喇叭天线等采用
以上方法则存在加工困难、成本高,并且难以直接与其他部件进行集成的缺点。此外,为了
保证加工精度,传统机械加工通常采用逐个进行加工的方法。当需要加工阵列天线或者诸
如和差网络等复杂结构时,这种方式的效率就十分低下。硅刻蚀是半导体工业中一项重要
技术,随着硅刻蚀工艺的发展,硅衬底加工已经不再限制于表面,而是向着三维立体加工方
向发展,可以实现高深宽比的深硅刻蚀技术更是广泛的应用于各类微机电系统(MEMS)制备
过程中。这种工艺很容易实现优于1微米的加工精度。因而,如果采用深硅刻蚀技术对硅基
片进行孔洞、通道、腔体等复杂结构加工,并将其像三明治一样多层堆叠起来构成一个整
体,就可以实现满足从微波直到太赫兹以上工作频率的应用需求的硅基金属波导。这种堆
叠金属波导结构的实现方法在一定程度上克服了直接机械加工的很多缺点,同时可以方便
的和波导结构或者单片微波集成电路(MMIC)进行集成。
将其洗去;4)将上一步处理好的体硅片根据实际要求进行氢氧化钾(KOH)溶液或深反应离
子刻蚀(DRIE)刻蚀,形成喇叭、波纹、波导、盲文标记、划片槽以及定位槽等功能结构;5)将
刻蚀完毕的体硅片进行清洗,并对表面溅金;6)将对应的体硅片进行键合;7)按照划片槽将
键合好的体硅片划开;8)对划片侧壁进行金属化。
试仪器如矢量网络分析仪等的输入/输出端口也都采是矩形波导。因此,圆锥波导喇叭天线
必须经过矩‑圆模式变换器才能与这些模块或者设备相连。
发明内容
端圆波导之间的变换器结构组成,其中:
TE01模等效阻抗,实现与圆波导基模TE11模之间的阻抗匹配,提高模式转换能量转换的效率
和工作带宽;
模和矩TE01模之间的电磁场波型过渡,进一步提高模式转换能量转换的效率和工作带宽;
TE01模之间的电磁场波型过渡,并再一次扩展变换器结构的工作带宽。
电薄片材质。
数多于3片的晶圆硅片堆叠而成。
线等器件实现无缝衔接。
矩形TE01模到圆形TE11模的高效转换和宽的工作带宽。
建模和仿真优化。
附图说明
具体实施方式
员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定
的范围。
的工作基础。另一方面,矩形波导基模TE01模的等效阻抗Zr和圆波导的基模TE11模Zc可以采
用下式计算:
可知圆波导和标准矩形波导之间的等效阻抗具有明显不同的阻值和色散特性。因此,要高
效率的实现宽频带矩TE01模到圆TE11模的模式变换,必须同时实现电磁场的波型转换和等
效阻抗匹配。
圆波导分别与外部模块或者设备的波导接口尺寸保持一致。变换器结构则采用三段式结
构:
抗,初步实现与圆波导基模TE11模之间的阻抗匹配,提高模式转换能量转换的效率和工作带
宽。
低从圆波导输出端看到的基模TE11模等效阻抗,并部分实现圆TE11模和矩TE01模之间的电磁
场波型过渡。进一步提高模式转换能量转换的效率和工作带宽。
矩TE01模之间的电磁场波型过渡,并再一次扩展变换器的工作带宽。
晶圆硅片或者总数多于3片的晶圆硅片堆叠而成。其他各种直接采用各类金属或金属合金
以及使用塑料、高分子材料等表面金属化实现的导电薄片材质,亦在本专利的保护范围内。
纹喇叭天线设计要求确定为3.25mm,根据电磁场仿真结果进行电磁场建模和仿真优化,一
个较好的结果,其结构尺寸为L1=L2=L3=0.635mm(考虑到镀金层厚度,实际厚度为
0.64mm),H1=3.85mmH2=4.25mm。其总长度为1.92mm小于(矩形波导/圆波导)四分之一波
长。