CN102709658A - 一种平衡微带线过渡的半模双脊基片集成波导 - Google Patents

Abstract

一种平衡微带线过渡的半模双脊基片集成波导，它涉及一种基片集成脊波导，具体涉及一种平衡微带线过渡的半模双脊基片集成波导，以解决现有介质集成波导尺寸较大及单模工作带宽较窄的问题，它包括上层介质基片、中层介质基片、下层介质基片、上金属贴片、下金属贴片、上金属带条、下金属带条和四个平衡微带线；上金属贴片附着在上层介质基片的上表面上，下金属贴片附着在下层介质基片的下表面上；中层介质基片的上表面上附着有上金属带条，中层介质基片的下表面上附着有下金属带条，中层介质基片的上表面上设置的上金属带条的两端和中层介质基片的下表面上设置的下金属带条的两端各连接有一个平衡微带线，本发明用于无线电领域中。

Description

一种平衡微带线过渡的半模双脊基片集成波导

技术领域

本发明涉及一种基片集成脊波导，具体涉及一种平衡微带线过渡的半模双脊基片集成波导，属于无线电技术领域。

背景技术

传统的金属矩形波导具有低损耗、高功率容量而在微波和毫米波领域中得到了大量的应用，但它是非平面的结构，具有难于和平面的印刷电路板集成等缺点。印刷电路技术由于具有结构紧凑、易于和通信系统集成等特点，受到了广泛的关注。介质集成波导（SIW）结构综合了金属矩形波导和平面印刷电路技术，从而在通信领域获得了广泛的应用，介质集成波导（SIW）结构具有很多传统的矩形波导的优点，可以印刷在平面电路板上，损耗小、过渡简单、易于集成，但由于其截止波长与波导截面尺寸成正比，在结构小型化和单模工作频带上受到限制，在较低的微波频段（如C波段、X波段和Ku波段）工作，单模工作带宽较窄。多层介质集成波导（SIFW），虽然波导尺寸减小了，但损耗较高，半模介质集成波导（HMSIW），波导尺寸减小了一半，并且在滤波器和耦合器等方面得到了很好的应用，但是单模工作带宽仍然较窄。

发明内容

本发明的目的是为解决现有介质集成波导尺寸较大及单模工作带宽较窄的问题，进而提供一种平衡微带线过渡的半模双脊基片集成波导。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的一种平衡微带线过渡的半模双脊基集成波导所述双脊基片集成波导包括上层介质基片、中层介质基片、下层介质基片、上金属贴片、下金属贴片、上金属带条、下金属带条和四个平衡微带线；

所述上层介质基片、下层介质基片和中层介质基片均为矩形板，上层介质基片和下层介质基片形状和大小相同，上层介质基片的长度小于中层介质基片的长度，上层介质基片、中层介质基片和下层介质基片由上至下依次叠放设置且三者的长度方向一致，上层介质基片和下层介质基片正对设置，上金属贴片附着在上层介质基片的上表面上，下金属贴片附着在下层介质基片的下表面上，上层介质基片的上表面的长边的边缘处沿上层介质基片的长度方向等间距设置有多个第一金属化过孔，所述第一金属化过孔贯通上层介质基片、中层介质基片和下层介质基片且第一金属化过孔的上下端分别与上金属贴片和下金属贴片相连接；

与上层介质基片相贴合的中层介质基片的上表面上附着有上金属带条，与下层介质基片相贴合的中层介质基片的下表面上附着有下金属带条，上金属带条和下金属带条正对设置且二者均与第一金属化过孔具有间隙，上层介质基片的上表面的中部沿上层介质基片的长度方向设置有多个第二金属化过孔，下层介质基片的下表面的中部沿下层介质基片的长度方向设置有多个第三金属化过孔，第二金属化过孔穿过上层介质基片且第二金属化过孔的上下端分别与上金属贴片和上金属带条相连接并形成上脊；第三金属化过孔穿过下层介质基片且第三金属化过孔的上下端分别与下金属贴片和下金属带条相连接并形成下脊，上脊和下脊形成双脊；

所述上层介质基片、上层介质基片和下层介质基片之间的中层介质基片、下层介质基片、上金属贴片、下金属贴片、上金属带条和下金属带条构成波导体；

中层介质基片的上表面上设置的上金属带条的两端和中层介质基片的下表面上设置的下金属带条的两端各连接有一个平衡微带线，平衡微带线分别位于中层介质基片的上表面上和下表面上，所述平衡微带线的截面积由与上金属带条和下金属带条相连接的一端向中层介质基片的端部逐渐减小。

本发明的有益效果是：一、本发明的半模结构可以显著降低波导尺寸；二、引入了起过渡作用的截面积渐变的平衡微带线，该平衡微带线属于小尺寸的TEM波传输线，这种传输线的端口尺寸很小，可以提高整个传输线系统的高次模的截止频率，能有效滤除低频段的高次模，平衡微带线与脊平面内的上金属带条和下金属带条相连，而不是与波导中上层介质基片的上表面金属和下层介质基片的下表面金属相连，降低了平衡微带线的端口电压，从而降低了平衡微带线的等效输入阻抗，容易与双脊波导匹配，截面积渐变的平衡微带线起到了阻抗匹配的作用；三、双脊波导相比矩形波导具有主模场的截止波长较长的特点，在相同的工作波长时，波导尺寸可以缩小，主模和其它高次模截止波长相隔较远，因此，单模工作频带较宽，等效阻抗较低，可以与低阻抗的同轴线或微带线匹配；四、金属化过孔可以等效为直立振子阵列，可以解释介质集成波导（SIW）的辐射效应和辐射损耗问题，仿真实验结果表明，当金属化过孔的高度可以引起串联谐振时，即介质中的波长低于过孔高度的四倍的电磁波的辐射效应开始明显，并且辐射方向偏向波导中电磁波传播的方向；五、经计算机仿真得出，不具有过渡结构的单纯脊介质集成波导的多模传输系数较低，且单模传输的频率范围也显著减小，仅为2.16-4.80GHz，绝对带宽仅为具有过渡结构的40%，而本发明的双脊波导能在2.0-9.0GHz的频带内实现高效传输，单模工作带宽达到3.0，将应用于C波段以上较大波长频段的介质集成波导（SIW）的应用范围搬移到S波段，可以在微波的S波段的电路设计中广泛地使用这种复合结构的波导（传输线），双脊波导在高效工作频段内的插入损耗在0.28Np/波长以下（其中：Np（奈培）是一种表明级差的单位，和分贝（dB）类似，区别在于：分贝是能量或者功率的比值取常用对数后乘10，而Np是场强的比值取自然对数，换算关系为：1Np=8.686dB），性能良好；六、本发明的双脊波导为平面印刷波导，采用双面印刷电路工艺生产，可以作为印刷电路的一部分集成到大规模电路中去，尺寸小，易于集成，能够大规模生产，加工难度低。

附图说明

图1是本发明立体结构示意图，图2是图1的俯视图，图3是图1的仰视图，图4是图2的K-K剖视图，图5是图2的A处放大图，图6是图2的B处放大图，图7是图3的C处放大图，图8是本发明波导的功率传输系数曲线图，图9是本发明的波导的衰减系数曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图7说明本实施方式，本实施方式的一种平衡微带线过渡的半模双脊基片集成波导包括上层介质基片1、中层介质基片2、下层介质基片3、上金属贴片4、下金属贴片5、上金属带条6、下金属带条7和四个平衡微带线8；

所述上层介质基片1、下层介质基片3和中层介质基片2均为矩形板，上层介质基片1和下层介质基片3形状和大小相同，上层介质基片1的长度小于中层介质基片2的长度，上层介质基片1、中层介质基片2和下层介质基片3由上至下依次叠放设置且三者的长度方向一致，上层介质基片1和下层介质基片3正对设置，上金属贴片4附着在上层介质基片1的上表面上，下金属贴片5附着在下层介质基片3的下表面上，上层介质基片1的上表面的长边的边缘处沿上层介质基片1的长度方向等间距设置有多个第一金属化过孔1-1，所述第一金属化过孔1-1贯通上层介质基片1、中层介质基片2和下层介质基片3且第一金属化过孔1-1的上下端分别与上金属贴片4和下金属贴片5相连接；

与上层介质基片1相贴合的中层介质基片2的上表面上附着有上金属带条6，与下层介质基片3相贴合的中层介质基片2的下表面上附着有下金属带条7，上金属带条6和下金属带条7正对设置且二者均与第一金属化过孔1-1具有间隙，上层介质基片1的上表面的中部沿上层介质基片1的长度方向设置有多个第二金属化过孔1-2，下层介质基片3的下表面的中部沿下层介质基片3的长度方向设置有多个第三金属化过孔3-1，第二金属化过孔1-2穿过上层介质基片1且第二金属化过孔1-2的上下端分别与上金属贴片4和上金属带条6相连接并形成上脊；第三金属化过孔3-1穿过下层介质基片3且第三金属化过孔3-1的上下端分别与下金属贴片5和下金属带条7相连接并形成下脊，上脊和下脊形成双脊；

所述上层介质基片1、上层介质基片1和下层介质基片3之间的中层介质基片2、下层介质基片3、上金属贴片4、下金属贴片5、上金属带条6和下金属带条7构成波导体；

中层介质基片2的上表面上设置的上金属带条6的两端和中层介质基片2的下表面上设置的下金属带条7的两端各连接有一个平衡微带线8，平衡微带线8分别位于中层介质基片2的上表面上和下表面上，所述平衡微带线8的截面积由与上金属带条6和下金属带条7相连接的一端向中层介质基片2的端部逐渐减小。

本实施方式的第一金属化过孔、第二金属化过孔和第三金属化过孔是指在相应介质基片上开设通孔，在通孔内壁上设置金属套并将金属套与附着于上金属贴片和下金属贴片、上金属贴片和上金属带条以及下金属贴片和下金属带条连接起来。

具体实施方式二：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述每个平衡微带线8由沿中层介质基片长度方向并列设置的直角梯形板8-1和矩形板8-2构成，直角梯形板8-1的大底端面分别与上金属带条6的两端和下金属带条7的两端连接，直角梯形板8-1的小底端面与矩形板8-2的厚度方向的宽侧面相连接且二者制成一体。本实施方式制成一体的平衡微带线具有渐变的截面积，形成一定倾角，达到微带过度的目的，能起到阻抗匹配的作用，如此设置，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式直角梯形板8-1的小底端的宽度W4为2.5mm，直角梯形板8-1的大底端的宽度W5为9mm，直角梯形板的高度L4为30mm。如此设置，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式所述上层介质基片1、下层介质基片3和中层介质基片2均采用相对介电常数均为4.4，厚度均为1.5mm的环氧玻璃布层压板制成。如此设置，高湿下电气性能稳定性好，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式五：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的上层介质基片1的长度L1和下层介质基片3的长度L3均为100mm，上层介质基片1的宽度W1和下层介质基片3的宽度W3均为17.5mm，上层介质基片1的厚度H1和下层介质基片3的厚度H3均为1.5mm。如此设置，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式六：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的中层介质基片2的长度L2为170mm，宽度W2为17.5mm，厚度H2为1.5mm。如此设置，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式七：结合图2和图5说明本实施方式，本实施方式的第一金属化过孔1-1的内径D1为1mm，相邻两个第一金属化过孔1-1的中心间距D为3mm。如此设置，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式八：结合图2、图3、图6和图7说明本实施方式，本实施方式的第二金属化过孔1-2的内径D2和第三金属化过孔3-1的内径D3均为1mm，且第二金属化过孔1-2的中心至与第二金属化过孔1-2相邻的上层介质基片1的长边缘处的距离m2和第三金属化过孔3-1的中心至与第三金属化过孔3-1相邻的下层介质基片3的长边缘处的距离m3相等，均为8mm。如此设置，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式一或三相同。

具体实施方式九：结合图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式的上金属带条6和下金属带条7均为矩形板，且上金属带条6的长度L5和下金属带条7的长度L6均为100mm，上金属带条6的宽度W6和下金属带条7的宽度W7均为8mm，上金属带条6的厚度H4和下金属带条7的厚度H5均为0.01mm-0.04mm。如此设置，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式十：结合图2-图7说明本实施方式，本实施方式的上层介质基片1的长度L1和下层介质基片3的长度L3均为100mm，上层介质基片1的宽度W1和下层介质基片3的宽度W3均为17.5mm，上层介质基片1的厚度H1和下层介质基片3的厚度H3均为1.5mm；中层介质基片的长度L2为170mm，宽度W2为17.5mm，厚度H2为1.5mm；直角梯形板8-1的小底端的宽度W4为2.5mm，直角梯形板8-1的大底端的宽度W5为9mm，直角梯形板的高度L4为30mm；第一金属化过孔1-1的内径D1为1mm，相邻两个第一金属化过孔的中心间距D为3mm，第二金属化过孔1-2的内径D2和第三金属化过孔3-1的内径D3均为1mm，且第二金属化过孔1-2的中心至与第二金属化过孔1-2相邻的上层介质基片1的长边缘处的距离m2和第三金属化过孔3-1的中心至与第三金属化过孔3-1相邻的下层介质基片3的长边缘处的距离m3相等，均为8mm。本实施方式的双脊波导采用常见的FR4环氧敷铜板制作了传输线的模型，并进行了实验测试，测试采用的仪器是Anritsu37247D型矢量网络分析仪。在制作模型时，将所有的金属化过孔都填充了焊锡，从而使三层介质板牢固地连接在一起，用SMA同轴接头给系统两端的平衡微带线馈电，实验测试的内容为S参数，仿真和测试结果如图8和图9所示，从图8可看出，电磁波的功率传输系数在整个的仿真频段内（20GHz以下）都很低，这是由于给本发明端口馈电的是平衡微带线这种小尺寸的TEM波传输线导致的，由于这种传输线的多模传输截止频率很高，所以限制了整个复合传输线的多模传输。从图9可看出，整个传输线系统的衰减系数随着频率的升高而升高，能够保证高效传输的频带范围为2.16-8.7GHz。在更高的频段，除了辐射损耗加大以外，又由于实验中使用的FR4材料本身的损耗过大（损耗正切为10^-2量级），所以使传输线系统的插入损耗增加。仿真和实验的结果表明，本传输线系统的高效工作频段内的插入损耗在0.25Np/波长以下，性能良好。其它与具体实施方式二相同。

Claims (10)

1.一种平衡微带线过渡的半模双脊基片集成波导，其特征在于：所述双脊基片集成波导包括上层介质基片（1）、中层介质基片（2）、下层介质基片（3）、上金属贴片（4）、下金属贴片（5）、上金属带条（6）、下金属带条（7）和四个平衡微带线（8）；

所述上层介质基片（1）、下层介质基片（3）和中层介质基片（2）均为矩形板，上层介质基片（1）和下层介质基片（3）形状和大小相同，上层介质基片（1）的长度小于中层介质基片（2）的长度，上层介质基片（1）、中层介质基片（2）和下层介质基片（3）由上至下依次叠放设置且三者的长度方向一致，上层介质基片（1）和下层介质基片（3）正对设置，上金属贴片（4）附着在上层介质基片（1）的上表面上，下金属贴片（5）附着在下层介质基片（3）的下表面上，上层介质基片（1）的上表面的长边的边缘处沿上层介质基片（1）的长度方向等间距设置有多个第一金属化过孔（1-1），所述第一金属化过孔（1-1）贯通上层介质基片（1）、中层介质基片（2）和下层介质基片（3）且第一金属化过孔（1-1）的上下端分别与上金属贴片（4）和下金属贴片（5）相连接；

与上层介质基片（1）相贴合的中层介质基片（2）的上表面上附着有上金属带条（6），与下层介质基片（3）相贴合的中层介质基片（2）的下表面上附着有下金属带条（7），上金属带条（6）和下金属带条（7）正对设置且二者均与第一金属化过孔（1-1）具有间隙，上层介质基片（1）的上表面的中部沿上层介质基片（1）的长度方向设置有多个第二金属化过孔（1-2），下层介质基片（3）的下表面的中部沿下层介质基片（3）的长度方向设置有多个第三金属化过孔（3-1），第二金属化过孔（1-2）穿过上层介质基片（1）且第二金属化过孔（1-2）的上下端分别与上金属贴片（4）和上金属带条（6）相连接并形成上脊；第三金属化过孔（3-1）穿过下层介质基片（3)且第三金属化过孔（3-1）的上下端分别与下金属贴片（5）和下金属带条（7）相连接并形成下脊，上脊和下脊形成双脊；

所述上层介质基片（1）、上层介质基片（1）和下层介质基片（3）之间的中层介质基片（2）、下层介质基片（3）、上金属贴片（4）、下金属贴片（5）、上金属带条（6）和下金属带条（7）构成波导体；

中层介质基片（2）的上表面上设置的上金属带条（6）的两端和中层介质基片（2）的下表面上设置的下金属带条（7）的两端各连接有一个平衡微带线（8），平衡微带线（8）分别位于中层介质基片（2）的上表面上和下表面上，所述平衡微带线（8）的截面积由与上金属带条（6）和下金属带条（7）相连接的一端向中层介质基片（2）的端部逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的一种平衡微带线过渡的半模双脊基片集成波导，其特征在于：所述每个平衡微带线（8）由沿中层介质基片长度方向并列设置的直角梯形板（8-1）和矩形板（8-2）构成，直角梯形板（8-1）的大底端面分别与上金属带条（6）的两端和下金属带条（7）的两端连接，直角梯形板（8-1）的小底端面与矩形板（8-2）的厚度方向的宽侧面相连接且二者制成一体。

3.根据权利要求2所述的一种平衡微带线过渡的半模双脊基片集成波导，其特征在于：直角梯形板（8-1）的小底端的宽度（W4）为2.5mm，直角梯形板（8-1）的大底端的宽度（W5）为9mm，直角梯形板的高度（L4）为30mm。

4.根据权利要求1或2所述的一种平衡微带线过渡的半模双脊基片集成波导，其特征在于：所述上层介质基片（1）、下层介质基片（3）和中层介质基片（2）均采用相对介电常数均为4.4，厚度均为1.5mm的环氧玻璃布层压板制成。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种平衡微带线过渡的半模双脊基片集成波导，其特征在于：上层介质基片（1）的长度（L1）和下层介质基片（3）的长度（L3）均为100mm，上层介质基片（1）的宽度（W1）和下层介质基片（3）的宽度（W3）均为17.5mm，上层介质基片（1）的厚度（H1）和下层介质基片（3）的厚度（H3）均为1.5mm。

6.根据权利要求1、2或3所述的一种平衡微带线过渡的半模双脊基片集成波导，其特征在于：中层介质基片（2）的长度（L2）为170mm，宽度（W2）为17.5mm，厚度（H2）为1.5mm。

7.根据权利要求1、2或3所述的一种平衡微带线过渡的半模双脊基片集成波导，其特征在于：第一金属化过孔（1-1）的内径（D1）为1mm，相邻两个第一金属化过孔（1-1）的中心间距（D）为3mm。

8.根据权利要求1或3所述的一种平衡微带线过渡的半模双脊基片集成波导，其特征在于：第二金属化过孔（1-2）的内径（D2）和第三金属化过孔（3-1）的内径（D3）均为1mm，且第二金属化过孔（1-2）的中心至与第二金属化过孔（1-2）相邻的上层介质基片（1）的长边缘处的距离（m2）和第三金属化过孔（3-1）的中心至与第三金属化过孔（3-1）相邻的下层介质基片（3）的长边缘处的距离（m3）相等，均为8mm。

9.根据权利要求1或2所述的一种平衡微带线过渡的半模双脊基片集成波导，其特征在于：上金属带条（6）和下金属带条（7）均为矩形板，且上金属带条（6）的长度（L5）和下金属带条（7）的长度（L6）均为100mm，上金属带条（6）的宽度（W6）和下金属带条（7）的宽度（W7）均为8mm，上金属带条（6）的厚度（H4）和下金属带条（7）的厚度（H5）均为0.01mm-0.04mm。

10.根据权利要求2所述的一种平衡微带线过渡的半模双脊基片集成波导，其特征在于：上层介质基片（1）的长度（L1）和下层介质基片（3）的长度（L3）均为100mm，上层介质基片（1）的宽度（W1）和下层介质基片（3）的宽度（W3）均为17.5mm，上层介质基片（1）的厚度（H1）和下层介质基片（3）的厚度（H3）均为1.5mm；中层介质基片的长度（L2）为170mm，宽度（W2）为17.5mm，厚度（H2）为1.5mm；直角梯形板（8-1）的小底端的宽度（W4）为2.5mm，直角梯形板（8-1）的大底端的宽度（W5）为9mm，直角梯形板的高度（L4）为30mm；第一金属化过孔（1-1）的内径（D1）为1mm，相邻两个第一金属化过孔的中心间距（D）为3mm，第二金属化过孔（1-2）的内径（D2）和第三金属化过孔（3-1）的内径（D3）均为1mm，且第二金属化过孔（1-2）的中心至与第二金属化过孔（1-2）相邻的上层介质基片（1）的长边缘处的距离（m2）和第三金属化过孔（3-1）的中心至与第三金属化过孔（3-1）相邻的下层介质基片（3）的长边缘处的距离（m3）相等，均为8mm。

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