CN103022611B - 一种宽带微带到微带的垂直过渡 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种宽带微带到微带的垂直过渡，由平行排布的第一介质基板、中间地层和第二介质基板组合而成，其中第一介质基板的一端设置有顶层微带结构、第二介质基板的另一端设置有底层微带结构，顶层微带结构与底层微带结构结构完全相同，相对排布，中间地层为开有U型耦合槽的金属层，其中顶层微带结构与底层微带结构包括第一微带线、第二微带线和两阶终端开路的高低阻抗短截线，两阶终端开路的高低阻抗短截线位于第一微带线和第二微带线之间，本发明垂直过渡结构简单，大大拓展了带宽，降低系统损耗，使得设计更加灵活，并且降低了成本，适用范围更广。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽带微带到微带的垂直过渡结构，适用于射频电路多层技术的立体互连，特别是三维微波毫米波集成电路的垂直互连，属于微波毫米波通讯技术领域。
背景技术
随着无线通信系统在微波毫米波频段的广泛应用，军用电子系统对体积和重量要求越来越小，高度集成需求日趋严峻，三维集成电路是一种实现微波毫米波电路小型化的一个主要手段和趋势。三维集成微波电路是在二维MMCM的基础上，使组装和互连技术从二维向三维发展而实现的三维立体结构的微波电路，以提高组装密度、减小体积，从而进一步提高集成度和可靠性。由于微波集成电路LTCC等多层技术使得设计更加灵活，具有广阔的应用前景。微带到微带垂直互连结构是三维微波毫米波集成电路的一种基本结构形式。然而目前微带到微带的垂直互连技术有限使多层技术的应用受到限制，为了实现微带到微带垂直互连，文献“基于LTCC技术的三维集成微波组件”Vol.33 No.11，Nov 2005和文献Vertical Microstrip Transition forMultilayer Microwave Circuits With Decoupled Passive and ActiveLayers”，IEEE Microw.WirelessCompon.lett.，vol.16，no.7，pp.401-403，Jul.2006中均提到采用垂直通孔实现微波互连，由于垂直通孔可等效为电感，而通过在垂直通孔与微波传输线的连接处适当扩展微波传输线(环状)，可以起到补偿电容的作用，从而可以改善传输性能。这种方法的缺点是：这种结构可等效为低通电路，尤其是高频处由不连续性产生的寄生模使电磁波出现谐振，限制了这种结构的带宽，而且孔结构对加工精度要求较高，提高了加工成本。
文献“Analysis of microstrip line coupled through an arbitraily shapedaperture in a thick common ground plane”IEEE MTT-S Int.Microw.Symp.Dig.，Atlanta，GA，1993，vol.3，pp.819-822.中利用电磁波的空间耦合，提出了通过耦合槽实现过渡的结构，并进行数值分析。文献“Ultrawideband vertical microstrip-microstrip transition”，IET Microw.AntennasPropag.，vol.1，no.5，pp.968-972，Oct 2007.中提出了采用椭圆形耦合槽实现过渡，在一定程度上提高了带宽(3GHz～10GHz)，但插入损耗较大(0.7dB)。
在宽带微波毫米波系统中，目前的微带到微带垂直过渡技术仍然不能更好地满足应用中的要求，使其应用受到一定的限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种宽带微带到微带的垂直过渡，该垂直过渡结构简单，大大拓展了带宽，降低系统损耗，使得设计更加灵活，并且降低了成本，适用范围更广。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种宽带微带到微带的垂直过渡，由平行排布的第一介质基板、中间地层和第二介质基板组合而成，其中第一介质基板的一端设置有顶层微带结构、第二介质基板的另一端设置有底层微带结构，顶层微带结构与底层微带结构结构完全相同，相对排布，中间地层为开有U型耦合槽的金属层，其中顶层微带结构与底层微带结构包括第一微带线、第二微带线和两阶终端开路的高低阻抗短截线，两阶终端开路的高低阻抗短截线位于第一微带线和第二微带线之间。
在上述宽带微带到微带的垂直过渡中，第一介质基板和第二介质基板的厚度为0.1～3mm。
在上述宽带微带到微带的垂直过渡中，顶层微带结构与底层微带结构的厚度为8～70um。
在上述宽带微带到微带的垂直过渡中，中间地层的厚度为8～70um。
在上述宽带微带到微带的垂直过渡中，U型耦合槽的中心O点到顶层微带结构的终端A的水平距离为3/20λ～7/20λ，U型耦合槽的中心O点到底层微带结构的终端B的水平距离为3/20λ～7/20λ，其中λ为微带信号中心频率对应的介质波长。
在上述宽带微带到微带的垂直过渡中，两阶终端开路的高低阻抗短截线中第一阶高阻抗线7a1的宽度为0.5～1mm，长度为1/20λ～3/20λ，第一阶低阻抗线7a2的宽度为3～5mm，长度为0.2～0.8mm；第二阶高阻抗线7b1的宽度为0.2～0.8mm，长度为1/20λ～3/20λ，第二阶低阻抗线7b2的宽度为3～5mm，长度为0.2～0.8mm，其中λ为微带信号中心频率对应的介质波长。
在上述宽带微带到微带的垂直过渡中，两阶终端开路的高低阻抗短截线中第二阶低阻抗线7b2的中心与U型耦合槽的中心O点间距为2/W-0.5mm～2/W+0.5mm，其中W为U型耦合槽的槽宽。
在上述宽带微带到微带的垂直过渡中，中间地层开设的U型耦合槽的槽宽为0.2～0.8mm，纵向长度H为3/20λ～7/20λ，横向长度L为3/20λ～7/20λ，其中λ为微带信号中心频率对应的介质波长。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明对垂直过渡结构中的顶层微带结构、底层微带结构和中间地层开设的槽结构进行了创新设计，大大提高了带宽，使得传输性能良好，试验表明本发明垂直过渡结构在5GHz～15GHz频率范围内大部分插损不大于0.3dB，驻波达到-15dB以下，大大拓展了带宽，使其具有更广的适用范围；
(2)本发明提出了基于多阶短截线和U型耦合槽过渡的方式，在微带线的接近末端位置采用两阶终端开路短截线，选取中间层耦合槽的位置，使得上下两层位于耦合槽传输后端部分微带线长度约为四分之一波长的谐振器，在耦合槽处呈现短路特性，使得两层微带线之间通过U型耦合槽实现电磁波的垂直传输，形成三个传输零点，等效为三阶带通滤波器，大大提高了带宽，使得传输性能优异；
(3)本发明通过大量试验结合电磁仿真对高低阻抗短截线和U型耦合槽的结构尺寸进行了优化设计，进一步提高了垂直过渡结构的带宽，使其传输性能达到最优；
(4)本发明垂直过渡结构简单，加工制作方便，可以有效降低制作成本，并且具有适应各种微波毫米波集成电路多层技术的微带垂直互连，可广泛应用于射频电路多层技术中，可进行大规模生产；
(5)本发明垂直过渡结构通过U型槽设计可以降低系统损耗，使得设计更加灵活。
附图说明
图1为本发明宽带微带到微带垂直过渡结构分解图；
图2为本发明垂直过渡结构中第一介质基板结构示意图；
图3为本发明垂直过渡结构中中间地层结构示意图；
图4为本发明垂直过渡结构中第二介质基板结构示意图；
图5为本发明垂直过渡结构中高低阻抗短截线结构示意图；
图6为本发明垂直过渡结构中顶层微带结构与U型耦合槽位置关系示意图；
图7为本发明垂直过渡结构中底层微带结构与U型耦合槽位置关系示意图；
图8为本发明实施例中垂直过渡传输性能的优化结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的描述：
如图1所示为本发明宽带微带到微带垂直过渡结构分解图，本发明垂直过渡结构由平行排布的第一介质基板1、第二介质基板2和中间地层5贴合而成，中间地层5位于第一介质基板1和第二介质基板2之间。其中第一介质基板1的一端设置有顶层微带结构3、第二介质基板2的另一端设置有底层微带结构4，顶层微带结构3与底层微带结构4结构完全相同，方向相反，相对排布。中间地层5为开有U型耦合槽6(通孔结构)的金属层，例如金属层可以为铜。第一介质板1和第二介质基板2的厚度为0.1～3mm。中间地层5的厚度为8～70um。
如图2所示为本发明垂直过渡结构中第一介质基板结构示意图，图4所示为本发明垂直过渡结构中第二介质基板结构示意图，顶层微带结构3与底层微带结构4结构包括第一微带线8、第二微带线9和两阶终端开路的高低阻抗短截线7，两阶终端开路的高低阻抗短截线7位于第一微带线8和第二微带线9之间。
如图3所示为本发明垂直过渡结构中中间地层结构示意图，结合图1可知，U型耦合槽6的中心O点到顶层微带结构3的终端A的水平距离为3/20λ～7/20λ，U型耦合槽6的中心O点到底层微带结构4的终端B的水平距离为3/20λ～7/20λ。中间地层5开设的U型耦合槽6的槽宽为0.2～0.8mm，纵向长度H为3/20λ～7/20λ，横向长度L为3/20λ～7/20λ，其中λ为微带信号中心频率对应的介质波长。
如图5所示为本发明垂直过渡结构中高低阻抗短截线结构示意图，两阶终端开路的高低阻抗短截线7中第一阶高阻抗线7a1的宽度为0.5～1mm，长度为1/20λ～3/20λ，第一阶低阻抗线7a2的宽度为3～5mm，长度为0.2～0.8mm；第二阶高阻抗线7b1的宽度为0.2～0.8mm，长度为1/20λ～3/20λ，第二阶低阻抗线7b2的宽度为3～5mm，长度为0.2～0.8mm。其中λ为微带信号中心频率对应的介质波长。
如图6所示为本发明垂直过渡结构中顶层微带结构与U型耦合槽位置关系示意图，第二阶低阻抗线7b2的中心与U型耦合槽6的中心O点间距为2/W-0.5mm～2/W+0.5mm，其中W为U型耦合槽6的槽宽。
如图7所示为本发明垂直过渡结构中底层微带结构与U型耦合槽位置关系示意图，第二阶低阻抗线7b2的中心与U型耦合槽6的中心O点间距为2/W-0.5mm～2/W+0.5mm，其中W为U型耦合槽6的槽宽。
实施例1
垂直过渡结构采用由两层介电常数2.2的Rogers5880基板1、2，每层厚度为0.508mm。中间地层5为开有U型槽6的金属铜层，微带线结构3、4由50欧微带线8、9以及两阶终端开路的高低阻抗短截线7组成，经电磁仿真优化结构的具体尺寸为：
(1)第一介质基板1的长度为24mm，宽度为8mm，高度为0.508mm；
(2)第二介质基板2的长度为24mm，宽度为8mm，高度为0.508mm；
(3)顶层微带线结构3的总长度18.35mm，厚度17um；
(4)底层微带线结构4的总长度18.35mm，厚度17um；
(5)中间地层5的长度24mm，宽度8mm，覆铜厚度为17um；
(6)U型槽6的宽度为0.55mm，纵向长度为4mm，横向长度为5mm，。U型槽的中心O到顶层微带线结构3终端A的水平距离为4mm，U型耦合槽6的中心O点到底层微带结构4的终端B的水平距离为3.8mm；
(7)第一阶高阻抗线7a1的宽度为0.7mm，长度为2mm；第一阶低阻抗线7a2的宽度为4mm，长度为0.6mm，第二阶高阻抗线7b1的宽度为0.6mm，长度为2mm，第二阶低阻抗线7b2的宽度为4mm，长度为0.6mm；
(8)顶层微带线结构3中第二阶低阻抗线7b2的中心与U型耦合槽6的中心O点间距为0.275mm。
(9)底层微带线结构4中第二阶低阻抗线7b2的中心与U型耦合槽6的中心O点间距为0.075mm。
(10)50欧姆微带线8、9的宽度为1.5mm。
如图8所示为本发明实施例中垂直过渡传输性能的优化结果。由结果可以看出，存在三个传输零点，分别在6GHz、13GHz、14.9GHz，5GHz～15GHz绝大部分范围内插入损耗不大于0.3dB，回波损耗优于15dB，大大提高了带宽，具有宽带带通滤波器的特性。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (4)
1.一种宽带微带到微带的垂直过渡，其特征在于：由平行排布的第一介质基板(1)、中间地层(5)和第二介质基板(2)组合而成，其中第一介质基板(1)的一端设置有顶层微带结构(3)、第二介质基板(2)的另一端设置有底层微带结构(4)，顶层微带结构(3)与底层微带结构(4)结构完全相同，相对排布，中间地层(5)为开有U型耦合槽(6)的金属层，其中顶层微带结构(3)与底层微带结构(4)包括第一微带线(8)、第二微带线(9)和两阶终端开路的高低阻抗短截线(7)，两阶终端开路的高低阻抗短截线(7)位于第一微带线(8)和第二微带线(9)之间；
所述两阶终端开路的高低阻抗短截线(7)中第一阶高阻抗线(7a1)的宽度为0.7mm，长度为2mm；第一阶低阻抗线(7a2)的宽度为4mm，长度为0.6mm；第二阶高阻抗线(7b1)的宽度为0.6mm，长度为2mm；第二阶低阻抗线(7b2)的宽度为4mm，长度为0.6mm；
所述U型槽(6)的宽度为0.55mm，纵向长度为4mm，横向长度为5mm，U型槽的中心O点到顶层微带线结构(3)终端A的水平距离为4mm，U型耦合槽(6)的中心O点到底层微带结构(4)的终端B的水平距离为3.8mm；
所述顶层微带线结构(3)中第二阶低阻抗线(7b2)的中心与U型耦合槽(6)的中心O点间距为0.275mm；所述底层微带线结构(4)中第二阶低阻抗线(7b2)的中心与U型耦合槽(6)的中心O点间距为0.075mm。
2.根据权利要求1所述的一种宽带微带到微带的垂直过渡，其特征在于：所述第一介质基板(1)和第二介质基板(2)的厚度为0.1～3mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种宽带微带到微带的垂直过渡，其特征在于：所述顶层微带结构(3)与底层微带结构(4)的厚度为8～70um。
4.根据权利要求1所述的一种宽带微带到微带的垂直过渡，其特征在于：所述中间地层(5)的厚度为8～70um。
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