CN100508275C - 小型化折叠式衬底集成波导 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型化折叠式衬底集成波导。它是在介质基板上设置中间层金属面和表层金属面，两排对称的金属柱垂直穿过介质基板，其中一排金属柱穿过中间层金属面，另一排金属柱的中心与中间层金属面有间隔，该两排金属柱的上表面为表层金属面；在两排金属柱之间的中间层金属面两端分别设置锥形过渡，该锥形过渡各连接一个中间层微带，所述的两个中间层微带分别通过过孔与两个作为外部接口的表层微带连接。本发明传输特性和截止频率不变；横向体积减少一半；其平面结构易于和其他平面电路或系统连接，到微带和共面波导的过渡可十分方便；能量传输效率更高；具有较高程度的集成性，加工简单，成本低。
Description
一 技术领域
本发明属于微波毫米波混合集成电路，特别是一种小型化折叠式衬底集成波导。
二 背景技术
衬底集成波导(SIW)是一种比较成熟的设计平台，融合了矩形波导和微带线的优点，体积小、重量轻，可承受较高的功率门限、Q值也较高。目前，已经有很多微波毫米波的无源或者有源器件用这种新型传输线来进行设计，理论和实验均表明这些器件具有非常突出的特点，兼具矩形波导器件和微带电路器件的优点，因而在微波毫米波混合集成电路(HMIC)以及毫米波单片集成电路(MMIC)中得到了很大的应用。如文献1(“Integrated microstrip and rectangular waveguide in planar form”，IEEEMicrowave and Wireless Comp.Lett.，Vol.11，No.2，2001，pp.68-70)，以及文献2(“Simulation and experiment on SIW slot array antennas，”IEEE Microwave and WirelessComp.Lett.，Vol.14，No.9，2004，pp446-448)中，都比较详细地介绍了用衬底集成波导这种新技术来设计新型的微波毫米波有源和无源器件。但是，目前的衬底集成波导在应用时，其横向尺寸依然比较大，无法满足对器件及系统小型化、集成化的要求。
三 发明内容
本发明的目的在于提供一种在保留衬底集成波导的传输特性和截止频率不变的同时，具有重量轻、横向体积小、易于和其他平面微波毫米波电路集成的小型化折叠式衬底集成波导。
实现本发明目的的技术解决方案：一种小型化折叠式衬底集成波导，在介质基板上设置中间层金属面和表层金属面，两排对称的金属柱垂直穿过介质基板，其中一排金属柱穿过中间层金属面，另一排金属柱的中心与所述的中间层金属面的间隔为0～两排金属柱中心距离，该两排金属柱的上表面为所述的表层金属面；在所述的两排金属柱之间的所述中间层金属面两端分别设置锥形过渡，该锥形过渡各连接一个中间层微带，所述的两个中间层微带分别通过过孔与两个作为外部接口的表层微带连接。
本发明小型化折叠式衬底集成波导的所述的介质基板的介电常数εr为2.2～10.2，高度h为0.2～2mm。
本发明小型化折叠式衬底集成波导的中间层金属面相对于所述介质基板的的高度为0.1～1mm；形状为长方形，长宽分别为(18.8～20.8mm)×(11.5～6.5mm)。
本发明小型化折叠式衬底集成波导的中间层金属面与另一排金属柱的中心之间的间隔g为0～7mm。
本发明小型化折叠式衬底集成波导的两排金属柱的高度与介质基板的高度一致，每根金属柱半径为0.2～0.4mm。
本发明小型化折叠式衬底集成波导的锥形过渡的形状为直角梯形，上底边宽度与中间层微带的宽度一致，下底边的宽度为0.74～6.26mm；该锥形过渡的长度为0.5～6.1mm。
本发明小型化折叠式衬底集成波导的中间层微带对应特性阻抗50Ω，相对于所述介质基板的高度是介质基板的一半，宽为0.72～0.76mm，长度为1～7mm。
本发明小型化折叠式衬底集成波导的过孔的底端设置在中间层微带上，顶端设置在表层微带上，该过孔长为介质基板的一半，半径为0.2～0.4mm。
本发明小型化折叠式衬底集成波导的表层微带的特性阻抗为50Ω，宽度为1.46～1.5mm，长度为3～6mm。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)传输特性和截止频率不变；(2)横向体积减少一半；(3)其平面结构易于和其他平面电路或系统连接，到微带和共面波导的过渡可十分方便；(4)采用了新型的锥形过渡方式即直角梯形状，能量传输效率更高；(5)微带过渡和小型化折叠式衬底集成波导共用同一介质衬底，具有较高程度的集成性，加工简单，成本低；(6)在40％的带宽内，回波损耗低于10dB，插入损耗小于0.2dB。
四 附图说明
图1是本发明小型化折叠式衬底集成波导的结构平面示意图。
图2是本发明小型化折叠式衬底集成波导的中间层微带与表层微带衔接结构的局部放大图。
图3是本发明小型化折叠式衬底集成波导中间结构的局部放大图。
图4是本发明小型化折叠式衬底集成波导的立体示意图。
五 具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
结合图1至图3，本发明小型化折叠式衬底集成波导是在介质基板1上设置中间层金属面4和表层金属面9，两排对称的金属柱2、3垂直穿过介质基板1，其中一排金属柱2穿过中间层金属面4，另一排金属柱3的中心与中间层金属面4有间隔g，该两排金属柱2、3的上表面为表层金属面9；该两排金属柱2、3对称。其中，介质基板1的介电常数εr可以为2.2～10.2，高度h可以为0.2～2mm。中间层金属面4的高度可以为0.1～1mm；形状为长方形，长宽分别可以为18.8～20.8mm×11.5～6.5mm；另一排金属柱3的中心与中间层金属面4的间隔g为0～两排金属柱2、3中心距离，即0～波导的宽度。间隔g为0时，即中间层金属面4与另一排金属柱3刚好接触。根据上述介质基板1和中间层金属面4的参数，中间层金属面4与另一排金属柱3的中心之间的间隔具体为0～7mm。两排金属柱2、3的高度与介质基板1的高度一致，即为0.2～2mm，每根金属柱半径可以为0.2～0.4mm，该每排金属柱的相邻两根金属柱的中心间距小于每根金属柱半径的四倍。在中间层金属面4两端分别设置锥形过渡5、10，该锥形过渡5、10各连接一个中间层微带6、11，所述的两个中间层微带6、11分别通过过孔7、12与两个作为外部接口的表层微带8、13连接。其中，锥形过渡5、10的形状为直角梯形，上底边宽度与中间层微带6、11的宽度一致，下底边的宽度可以为0.74～6.26mm；锥形过渡5、10的长度可以为0.5～6.1mm。中间层微带6、11对应特性阻抗50Ω，高度是介质基板1的一半，即高度为0.1～1mm，宽为0.72～0.76mm，长度为1～7mm。过孔7、12的底端设置在中间层微带6、11上，顶端设置在表层微带8、13上，该过孔7、12高为介质基板1的一半，即为0.1～1mm，半径可以为0.2～0.4mm。其表层微带8、13的宽度可以为1.46～1.5mm，也对应50ohm的特性阻抗。表层微带8、13的作用是方便与平面电路相连接，长度在3～6mm内，当然可根据整个波导的长度进行适当的调整。
实施例：结合图1，本发明小型化折叠式衬底集成波导，它是由一常规的SIW折叠而形成，整个介质基板1的尺寸是40mm*20mm*0.508mm，介质基板[1]的介电常数为2.33。在介质基板1上设置中间层金属面4和表层金属面9，该中间层金属面4的长度是19.8mm，宽度是10.85mm。表层金属面9的尺寸为19.8mm*20mm。在该中间层金属面4和表层金属面9上分别设置一排金属柱2、3，该两排金属柱2、3对称。两排金属柱2、3的直径为0.6mm，相邻两金属柱之间的间距为0.9mm，两排金属柱之间的间距为7mm。中间层的金属面4在介质基板1的中间，高度0.254mm，与一排金属柱3圆心之间的间隔g定为0.65mm。
为了便于和其他平面电路和系统连接，在中间层金属面4的两边的分别连接一个到中间层微带6、11的锥形过渡5、10，中间层微带6、11通过过孔7、12和表层微带8、13连接，过孔7、12的作用是衔接中间层微带6、11和表层微带8、13进行能量过渡。其中，锥形过渡5、10的宽边宽度为3.6mm，长度为4.75mm，窄边宽度为0.74mm。中间层微带6、11为高度0.254mm的50欧姆的微带线，宽度为0.74mm，长度2.35mm。过孔7的直径为0.6mm，高度0.254mm。表层微带8、13是高度0.508mm的50欧姆的微带线，宽度为1.48mm，长度4mm。
本发明小型化折叠式衬底集成波导，首先是由一常规的SIW折叠后形成，此时波导宽度变为原来的一半，在中间层留下一层金属面，中间层金属面和与靠近一边的金属柱3中心的间隔g为折叠前的高度，折叠后其传输特性和截止频率与未折叠前的波导一定范围内近似；调节g的大小(g越大，截止频率越大，相当于保持间隔不变，波导宽度变小一致)，找到与未折叠前的波导的传输特性和截止频率最接近的值，经优化得出中间层金属面与一排金属柱3的间隔为0.65mm。
在形成折叠式衬底集成波导后，折叠式的衬底集成波导能量主要集中在中间层金属面，通过一锥形进行能量的过渡，它不同于一般的等腰梯形状的锥形，在本发明中选用了便于能量更集中过渡的直角体形状的锥形过渡，结果表明所取得的效果很好。然后锥形过渡经由中间层微带6、11相连接，中间层微带6、11的宽度满足高度是0.254mm，特性阻抗是50ohm微带线的值0.74mm。选择过孔7、12使得中间层微带线的能量过渡到表层微带8、13上。过孔半径的大小最好与金属柱的半径一致，以便加工工艺的方便。上下两层微带进行能量的过渡是可以通过过孔来实现的，仿真实验可以验证此结论。表层的微带8、13是高度0.508mm的50欧姆的微带线，宽度为1.48mm，长度4mm。
以上便是由小型化的衬底集成波导所构成的传输线，上表层采用微带，便于和平面电路连接，同时本发明的结构是对称式的波导结构，两边都可以做输入或输出端口。用矢量网络分析仪HP8510C测试的结果表明：本发明小型化折叠式衬底集成波导提出的新型小型化折叠式衬底集成波导在40％的带宽内，回波损耗低于10dB，插入损耗小于0.2dB。总体积(含微带转换)为40mm*20mm*0.508mm，重量不足100克。
Claims (9)
1、一种小型化折叠式衬底集成波导，其特征在于：在介质基板(1)上设置中间层金属面(4)和表层金属面(9)，两排对称的金属柱(2，3)垂直穿过介质基板(1)，其中一排金属柱(2)穿过所述的中间层金属面(4)，另一排金属柱(3)的中心与所述的中间层金属面(4)的间隔为0～两排金属柱(2，3)中心距离，该两排金属柱(2，3)的上表面为所述的表层金属面(9)；在所述的两排金属柱(2，3)之间的所述中间层金属面(4)两端分别设置锥形过渡(5，10)，该锥形过渡(5，10)各连接一个中间层微带(6，11)，所述的两个中间层微带(6，11)分别通过过孔(7，12)与两个作为外部接口的表层微带(8，13)连接。
2、根据权利要求1所述的小型化折叠式衬底集成波导，其特征在于：所述的介质基板(1)的介电常数εr为2.2～10.2，高度h为0.2～2mm。
3、根据权利要求1所述的小型化折叠式衬底集成波导，其特征在于：所述的中间层金属面(4)相对于所述介质基板(1)的底面的高度为0.1～1mm；形状为长方形，长宽分别为(18.8～20.8mm)×(11.5～6.5mm)。
4、根据权利要求1所述的小型化折叠式衬底集成波导，其特征在于：所述的中间层金属面(4)与另一排金属柱(3)的中心之间的间隔g为0～7mm。
5、根据权利要求1所述的小型化折叠式衬底集成波导，其特征在于：所述的两排金属柱(2，3)的高度与介质基板(1)的高度一致，每根金属柱半径为0.2～0.4mm。
6、根据权利要求1所述的小型化折叠式衬底集成波导，其特征在于：所述的锥形过渡(5，10)的形状为直角梯形，上底边宽度与中间层微带(6，11)的宽度一致，下底边的宽度为0.74～6.26mm；该锥形过渡(5，10)的长度为0.5～6.1mm。
7、根据权利要求1所述的小型化折叠式衬底集成波导，其特征在于：所述的中间层微带(6，11)对应特性阻抗50Ω，相对于所述介质基板(1)的底面的高度是介质基板(1)的一半，宽为0.72～0.76mm，长度为1～7mm。
8、根据权利要求1所述的小型化折叠式衬底集成波导，其特征在于：所述的过孔
(7，12)的底端设置在中间层微带(6，11)上，顶端设置在表层微带(8，13)上，该过孔(7，12)长为介质基板(1)的一半，半径为0.2～0.4mm。
9、根据权利要求1所述的小型化折叠式衬底集成波导，其特征在于：所述的表层微带(8，13)的特性阻抗为50Ω，宽度为1.46～1.5mm，长度为3～6mm。
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