[发明专利]一种毫米波及太赫兹单片电路过渡结构及其实现方法

权利要求书

1.一种毫米波及太赫兹单片电路过渡结构，其特征在于，所述毫米波及太赫兹单片电路过渡结构包括：输入封装过渡结构、输出封装过渡结构、单片电路腔和电磁带隙结构；其中，在基体内中心开设单片电路腔，单片电路放置在单片电路腔内；输入封装过渡结构和输出封装过渡结构关于单片电路呈中心对称结构；在单片电路腔内且位于单片电路之上设置电磁带隙结构；

电磁带隙结构包括多个相同的周期性二维排列的单元结构；每一个单元结构包括两个相同的金属销钉和一个空气销钉，空气销钉位于中间，两个金属销钉分别位于空气销钉的两侧并与其紧邻，空气销钉的下底面与金属销钉的上底面处于同一平面，空气销钉的下底面与两个金属销钉的上底面的中心位于同一条垂直于传播方向的直线上；金属销钉的上底面连接单片电路腔的顶壁，与基底连接为一个整体，空气销钉为在基底内开设的空腔位于基底内；金属销钉的下底面与单片电路的上表面之间有距离，并且距离小于工作频段的最高频率处工作波长的1/4；每一个金属销钉的形状为倒正四棱台，横截面的形状为正方形；每一个空气销钉的形状为正四棱台；单元结构的周期小于工作频段的中心频率处工作波长的1/4；

输入封装过渡结构包括：波导输入腔、输入波导过渡结构、输入匹配过渡电路、单片电路输入端互连过渡结构和输入过渡腔；在基体内且位于单片电路腔的输入端开设输入过渡腔；在基体内且位于输入过渡腔的输入端开设波导输入腔；在输入过渡腔内依次放置连接为一体的输入波导过渡结构和输入匹配过渡电路；单片电路输入端互连过渡结构位于输入过渡腔与单片电路腔的连接处，并与输入匹配过渡电路连接为一体；

输入波导过渡结构包括过渡介质板和二维调节探针；在过渡介质板的上表面中心设置二维调节探针；二维调节探针包括两个相互垂直的矩形，第一矩形的长边平行于传播方向，第二矩形的长边垂直传播方向，且第二矩形的中心与第一矩形的中心重合，第一矩形与第二矩形的尺寸相互独立，分别调节第一矩形与第二矩形的长度和宽度，以影响电磁能量的转换效率，从而具有二维调节的作用，提高电磁能量的转换效率；

输入匹配过渡电路包括匹配介质板、单节阻抗匹配导体带、微带线和多节阻抗变换导体带；匹配介质板位于输入过渡腔内，过渡介质板和匹配介质板连接为一体，在匹配介质板的上表面依次设置连接为一体的单节阻抗匹配导体带、微带线和多节阻抗变换导体带；单节阻抗匹配导体带的末端连接二维调节探针的第一矩形，单节阻抗匹配导体带的宽度窄于微带线的宽度；多节阻抗变换导体带的输入端连接微带线，输出端连接单片电路输入端互连过渡结构，包括多节宽度阶梯式减小的导体带，多节阻抗变换导体带的输入端的宽度与微带线的宽度一致，多节阻抗变换导体带的输出端的宽度与单片电路输入端互连过渡结构的中心导体带的宽度一致；多节阻抗变换导体带将电磁波匹配过渡至单片电路输入端互连过渡结构；二维调节探针中心距离波导输入腔的半圆形短路面的距离为工作频段的中心频率处波导波长的1/4；微带线的特性阻抗Z₀满足：

其中，中，ε_r为匹配介质板的相对介电常数，h为匹配介质板的厚度，W为微带线的宽度；微带线的长度根据匹配介质板的长度调节，并且微带线的长度不影响特性阻抗，从而通过微带线的特性阻抗Z₀确定微带线的宽度，并通过匹配介质板的长度确定微带线的长度并不改变特性阻抗，从而按需任意调整微带线的长度，同时不改变输入封装过渡结构的过渡性能；

输出封装过渡结构包括输出过渡腔、波导输出腔、输出波导过渡结构、输出匹配过渡电路、单片电路输出端互连过渡结构；

TE₁₀模式的电磁波从波导输入腔进入，形成驻波，并耦合到二维调节探针上；分别调节二维调节探针的第一矩形与第二矩形的长度和宽度，从两个维度上改变电磁能量的转换效率，从而提高电磁能量的转换效率，使电磁波更加充分地从TE₁₀模式转换为准TEM模式；准TEM模式的电磁波经二维调节探针、单节阻抗匹配导体带、微带线以及多节阻抗变换导体带传输至输入匹配过渡电路，沿电磁波的传播方向，输入匹配过渡电路将阻抗进一步降低；准TEM模式电磁波传经过单片电路输入端互连过渡结构传输至单片电路；单片电路上方的电磁带隙结构通过规则的二维周期性排列的单元结构，形成电磁波在工作频带的禁带，通过调整倒正四棱台形状的金属销钉和正四棱台形状的空气销钉上底面和下底面的边长，使得电磁带隙调节范围更宽，金属销钉与空气销钉相结合的形式使金属销钉获得更高的等效高度；电磁带隙结构的底部与单片电路上表面的距离小于工作频段的最高频率处的工作波长的1/4，单片电路的上表面到电磁带隙结构的底部之间的腔体因无法满足电磁波传输所需要的边界条件而禁止电磁波的传输，从而抑制腔体中产生的高次模谐振以及杂散辐射，提高了单片电路工作的稳定性与可靠性；之后，电磁波再经输出封装过渡结构输出。