CN103633403A - 传输线及用于制造其的方法 - Google Patents

Abstract

一种传输线，其包括由多个介电层所限定的传输介质，其中，介电层包括具有第一介电常数的第一层、具有第二介电常数的第二层以及具有小于第一及第二介电常数的第三介电常数的第三层。

Description

传输线及用于制造其的方法

技术领域

本发明涉及传输线，特别地为，但非专用于，毫米波应用的平面型传输线。

背景技术

在无线通信、雷达技术导航、无线电天文学、成像等等范围的领域中已发现微波应用。通常，这些应用以高数据速率或高分辨率工作。考虑到微波应用的这些大多数应用，工业上存在在各种系统中，将微米波段的工作频率用于毫米波段的趋势。

在毫米波段的电路研究中，毫米波段的传输线为毫米波技术的设计和应用的重要部件。这是因为传输线为用于构建无源/有源元件的基本组件。然而，诸如曾用于微波混合及单块集成电路的微带线和共面波导的，利用印刷电路技术的传统传输线，实际上很差地工作着。这是由于，这些线及波导没有满足毫米波范围处的低损耗需求，特别低是由于，穿过传输线的毫米波信号的严重损耗。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种传输线，其包括：传输介质，其被设置成传递由多个介电层限定的信号，其中，介电层包括具有第一介电常数的第一层、具有第二介电常数的第二层、和具有闭第一和第二介电常数小的第三介电常数的位于第一与第二层之间的第三层。

在第一方面的实施例中，该信号为电磁信号。

在第一方面的实施例中，每个介电层都为非金属的。

根据本发明的第二方面，提供一种传输线，其包括：传输介质，其被设置成传递电磁信号，其中，传输介质由多个非金属的介电层限定。

根据本发明的第三方面，提供一种传输线，其包括：传输介质，其由多个介电层所限定，其中，介电层包括：

具有第一介电常数的第一层；

具有第二介电常数的第二层以及

具有小于第一和第二介电常数的第三介电常数的第三层。

在第三方面的实施例中，第三层被设置在第一与第二层之间。

在第三方面的实施例中，每个介电层都为非金属的。

在第三方面的实施例中，传输介质被设置成传递波信号。

在第三方面的实施例中，波信号为具有位于微波段、毫米波段或亚毫米波段的频段的电磁信号。

在第三方面的实施例中，第一介电常数等于第二介电常数。

在第三方面的实施例中，第一层为带。

在第三方面的实施例中，

第一和第二介电常数为10.2；

第三介电常数为2.94；

第一和第二层具有1.27mm的厚度；

第三层具有0.381mm的厚度；

带具有5mm的宽度；以及

第二和第三层具有50mm的宽度。

在第三方面的实施例中，第三层为由第一与第二层之间的间隙限定的空气层。

在第三方面的实施例中，传输线在传递波信号时具有精确场解，为：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_x=E_z=H_y=0\\ E_y=A({\mathrm{\β}}^2+\frac{{\mathrm{\π}}^2}{w^2})\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{w}x\right)e^{-\mathrm{j\βz}}\\ H_x=-A{\mathrm{\β\ω\ϵ}}_{\mathrm{rl}}\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{w}x\right)e^{-\mathrm{j\βz}}\\ H_z=-\mathrm{jA}{\mathrm{\ω\ϵ}}_{\mathrm{rl}}\frac{\mathrm{\π}}{w}\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{w}x\right)e^{-\mathrm{j\βz}}\end{array}\right.$

其中：

w为第一层的宽度；

A为场的量级；

β为传播常数；

ε_rh为第一和第二层的介电常数；以及

ε_rl为第三层的介电常数。

根据本发明的第四方面，提供一种波导，其包括：

波传输介质，其由多个介电层所限定，其中，介电层包括：

第一层，其具有第一介电常数；

第二层，其具有第二介电常数，以及

第三层，其具有比第一和第二介电常数小的第三介电常数。

在第四方面的实施例中，第三层设置在第一与第二层之间。

在第四方面的实施例中，每个介电层为非金属的。

在第四方面的实施例中，波导被设置成传递波信号。

在第四方面的实施例中，波信号为具有微波段、毫米波段或亚毫米波段中的频段的电磁信号。

在第四方面的实施例中，第一介电常数等于第二介电常数。

在第四方面的实施例中，第一层为带。

在第四方面的实施例中，其中：

第一和第二介电常数为10.2；

第三介电常数为2.94；

第一和第二层具有1.27mm的厚度；

第三层具有0.381mm的厚度；

带具有5mm的宽度；以及

第二和第三层具有50mm的厚度。

在第四方面的实施例中，第三层为由第一与第二层之间的间隙限定的空气层。

在第四方面的实施例中，波导在传递波信号中的精确场解为：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_x=E_z=H_y=0\\ E_y=A({\mathrm{\β}}^2+\frac{{\mathrm{\π}}^2}{w^2})\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{w}x\right)e^{-\mathrm{j\βz}}\\ H_x=-A{\mathrm{\β\ω\ϵ}}_{\mathrm{rl}}\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{w}x\right)e^{-\mathrm{j\βz}}\\ H_z=-\mathrm{jA}{\mathrm{\ω\ϵ}}_{\mathrm{rl}}\frac{\mathrm{\π}}{w}\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{w}x\right)e^{-\mathrm{j\βz}}\end{array}\right.$

其中：

w为第一层的宽度；

A为场的量级；

β为传播常数；

ε_rh为第一和第二层的介电常数；以及

ε_rl为第三层的介电常数。

在一个实施例中，第一层为DML的顶层。

根据本发明的第五方面，提供一种用于制造波导的方法，其包括下面的步骤：

在第一和第二外部层之间设置传输层，其中，传输层具有比第一和第二外部层小的介电常数。

在第五方面的实施例中，传输层以及第一和第二外部层为非金属的。

在第五方面的实施例中，第一外部层为带。

根据本发明的第六方面，提供一种印刷电路板，其包括根据权利要求1的传输线。

根据本发明的第七方面，提供一种传输线，其包括：设置成传递电磁信号的传输介质，其中，传输介质由多个非金属的介电层所限定。

附图说明

现在将参考附图，通过示例的方式，描述本发明的实施例，其中：

图1A为根据本发明的一个实施例的介电微带线（DML）的三维视图；

图1B为图1A的介电微带线（DML）的侧视图；

图2A为在低介电常数层中的图1A和1B的DML的示例模拟磁矢量场分布的3D（x-y-z）图表；

图2B为在低介电常数层中的图1A和1B的DML的示例模拟磁矢量场分布的2D（x-y）图表；

图3A为在低介电常数层中的图1A和1B的DML的示例模拟电矢量场分布的3D（x-y-z）视图；

图3B为在低介电常数层中的图1A和1B的DML的示例模拟电矢量场分布的2D（x-y）视图；

图4为阐释沿着如图1B中所示的线a－a’的模拟功率分布的结果的图表；

图5A为具有模拟中的2个过渡结构的图1A和1B的DML的EM模型的图解；

图5B为图1A和1B的DML的照片；

图6为阐明长度上具有w＝5mm和25mm的DML的示例部分的模拟及测量S参数的频响的图表；

图7A为阐明图6的DML的模拟及测量S参数的频响的图表；

图7B为阐明图6的DML的传播常数的频响的图表；

图8A为阐明在x-z和x-y平面上的图1A和1B的DML的电场分布的另一图表；

图8B为阐明在图1A和1B的DML的x-z和x-y平面中的磁场分布的另一图表；

图8C为阐明沿着x方向在x-y平面上的模拟功率分布的图表；

图9为不同位置处的图1A和1B的DML的3D结构以及波导过渡结构及过渡结构剖面的电场分布的图解；

图10A为图1A和1B的DML的模拟及测量S参数的频响的图解；以及

图10B为图1A和1B的DML的传播常数的频响的图解。

具体实施方式

发明人，通过他们的试验和研究，已经证实了由于金属损耗，其引起在这些线上所传递的这些信号的损耗，传输微带线可能不满足毫米波段处的低损耗的需求。对于该损耗的一个原因是由于微带线的金属成分中的电流传导体积被显著降低了，并反过来，由于集肤效应，在这些频段引入较高的损耗。反过来，金属损耗在这些传输线的总损耗中占主导地位，并对微带线在波信号的传输中的使用产生有害作用。

此外，作为毫米波元件的物理尺寸非常小。包括传输线的毫米波应用的电性能对每个小的制造误差都非常敏感。该容错的不足将使得许多电路不可实现。为了同样的原因，出现在金属传输线中的金属表面粗糙度也可能在毫米波及高频段变得重要，这是因为这些粗糙度可引起电流沿着表面的流动路径曲折，并由此使得有效电流路径的长度变得比实际距离更长。

发明人，通过他们的试验和研究也已经证实，诸如映象导体、非辐射介质导波管、和光纤的介质导波管为传递毫米波和太赫兹信号（亚毫米波）的好的候选者。根据它们的试验，电磁（EM）波由全内反射高介电常数材料中被引导，该材料可由空气、金属或包层来围绕。

参考图1A和1B，示出了一种传输线的实施例，其包括：

传输介质，其设置成传递由多个介电层所限定的信号，其中，介电层包括具有第一介电常数的第一层、具有第二介电常数的第二层和具有比第一及第二介电常数小的第三介电常数的位于第一与第二层之间的第三层。

在该实施例中，导波结构100包括3层的结构，其可被称作介电微带线（DML）100。在该示例中，3层的结构可在外观上类似于微带线，但是不具有任何金属或金属导体。优选地，如在该示例中所示的，金属导体的这种缺失可导致非金属的结构并因此当信号传递穿过DML100时不具有任何金属损耗。

在该实施例中，EM场聚集在低介电常数层。因此，作为低损耗介电材料的空气也可在理论上用于导引EM波。

由于DML100能够在没有显著损耗的情况下传递毫米波，DML可被用于诸如微波段中的微带线的毫米波机制中的许多应用。

在一个实施例中，DML100由具有不同介电常数和厚度的，设置在（粘贴在）彼此顶部或以其它方式接合在一起的三层介电衬底所形成或制造。优选地，每一层都被粘合在一起，以至避免在每一层之间出现任何不必要的气隙，尽管如下面将被阐释的，空气也具有介电常数，它本身可被用作一层。

如图1A和1B中所示的，DML100的3D及剖视图分别具有不同的介电常数ε_rh和ε_rl，和衬底厚度t_h和t_l。优选地，如图1A和1B的阐明中所示的，ε_rh大于ε_rl。

为了证明本发明的实施例，利用

衬底的DML100利用下面描述的结果来制造和检测。在该示例中，

6010利用ε_rh＝10.2的介电常数和t_h＝1.27mm的衬底厚度来制造。这些被选择以使得具有较高介电常数的材料被放置在顶部102和底部层104。为了提供支撑，具有介电常数ε_rl＝2.94和衬底厚度t_l＝0.381mm的6002被用于中间层106。在某些示例中，理论上，空气也可被用做中间层106。在该示例中，顶部介电带的宽度为w＝5mm，其在30GHz处具有半自由空间的波导，而中间和底部介电层的宽度为w’＝50mm，其为w的10倍。

如可在该示例中所观测到的，从这些附图中示出了DML100支持LSM₁₀(y)传播模式的波。DML的精确场解下面以式（1）呈现：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_x=E_z=H_y=0\\ E_y=A({\mathrm{\β}}^2+\frac{{\mathrm{\π}}^2}{w^2})\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{w}x\right)e^{-\mathrm{j\βz}}\\ H_x=-A{\mathrm{\β\ω\ϵ}}_{\mathrm{rl}}\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{w}x\right)e^{-\mathrm{j\βz}}\\ H_z=-\mathrm{jA}{\mathrm{\ω\ϵ}}_{\mathrm{rl}}\frac{\mathrm{\π}}{w}\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{w}x\right)e^{-\mathrm{j\βz}}\end{array}\right.---\left(1\right),$

其中，w为DML的顶层的宽度，A为场的量级，且β为传播常数。部分DML导波特性被重新确认并由Ansoft HFSS所模拟。所导引的EM波利用单端口激励沿着z方向传播。图2A，2B和3A及3B中分别示出了3-D视图和x-z或x-y平面中的低介电常数层的电和磁矢量场分布。

如图4中所示的，沿着图1B中所示出的截面a-a’的归一化功率密度，x-y平面对称的线。观测到不同层中的功率密度的明显急剧变化。这表明，DML能够限制大多数EM波的功率。该结果也已通过模拟来确认，超过96%的波功率被整个DML100所导引。

在一个实施例中，标准矩形波导与DML之间的过渡部分必须被设计成用于测量的目的。过渡部分基本上为插入到矩形波导的线性锥形DML，以使得EM场分布逐渐交换。在一个实施例中，工作在26.5GHz-40GHz频率范围内的WR28标准进矩形波导在该研究中使用。

如图5A中所示的，示出了DML的实施例。在该实施例中，示出了具有两个用于模拟的过渡部分的DML的整个结构。用于测量的原型的照片也被在图5B中示出，其适用于具有波导接口的矢量网络分析器。

参考图6，阐释了25mm长的DML的S参数S₁₁和S₂₁的所测得的频响。部分DML的平均测得插入损耗为2.3dB，且最大值为4.3dB，而测得的回波损耗大于12dB。制造两个具有25mm和30mm长的直DML部分。需要两组测得的S参数以确定传播常数、衰减常数和Q因子的DML，正如图7A和7B中所示的。获得可接受的一致损耗。

在该实施例中，DML的Q因子在30GHz处大约为55且它倾向于随着频率而增加。在该示例中，所有的介电衬板都只是被放置（粘贴）在一起。因此，介电衬板之间的非预期的气隙可导致模拟和测字之间的小小的不一致。观测所有参数的小波纹，这是因为由辐射和连接器所引起的损耗被考虑。一定的偏差可归因于制造和测量公差。

DML100的实施例的优点在于，DML至少对毫米波频段形成低损耗的传输线。在模拟期间，呈现了指示S参数和传播常数的这些模拟的测量和结果。DML适于低成本和低损耗的毫米电路，其可能不需要使用金属或金属元件，而是可利用纯的介电材料来构建。DML的这些实施例也可用于太赫兹（亚毫米波）应用。此外，DML100也可被实施或制造在印刷电路板（PCB）上，其中，介电材料层可被部分包含于用于制造PCB的材料。

在可替换的实施例中，部分DML100的导波特性进一步由Ansoft HFSS模拟。根据该模拟，所导引的EM波利用单端口激励沿着z方向传播。图8A和8B中分别示出了x－z和x－y平面中的电和磁的场分布。从这些图中可观测到，DML支持准横向磁（准TM）波。大部分磁场分量存在于y方向并且在z方向上为零，而大部分电场分量存在于x和z方向上。

参考图8C，阐释了沿着a－a’的归一化功率密度，该线在x－y平面对称。如在图8C中所示的，观测到不同层中的功率密度的明显急剧变化。具有超过96％波功率的受限的大多数的EM波功率由整个DML所导引。

在该示例试验中，WR28标准的矩形波导端口已被选择用于测量来检测DML的性能。因此，矩形波导与DML之间的过渡部分必须设计用于测量的目的。利用图5A的灵感，过渡部分502基本上为被插入到矩形波导的线性锥形的DML，以使得EM场分布逐渐地变换。波导与DML之间的接口处的阶梯不连续被用于将波导内部的DML的宽度降低成波导外部的较窄的一个以便阻抗匹配。过渡部分的EM模型已经借助于也在图9中示出的AnsoftHFSS来实现。图9中示出了在过渡部分的不同位置（A，B，C，D和E）处的模拟的横截面的电场分布，电场在波导（TE₁₀）与DML（准TM）之间的逐渐变化。

参考图10A，示出了部分DML的S参数S11和S12的测得的频响。在WR28（26.5GHz－40GHz）的频段内，部分DML的平均测得插入损耗为2.3dB，且最大值为4.3dB，而测得的回波损耗大于12dB。所有介电衬底只是放置在一起。因此，介电衬底之间的非预期的气隙可导致模拟与测量之间的小小的不一致。S参数的小波纹被观测到，因为由辐射和连接器引起的损耗被在一个示例中进行考虑。

在一个示例实施例中，具有5mm长差值的两个笔直DML部分被制造。两组测得的S参数被用于测得DML的损耗的传播常数。在测量期间，在插入损耗上没有明显的差异可被在具有不同长度的两个DML之间被观测到，证实了DML为非常低损耗的传输线。当然，这两个DML的相位角可不相同，并因此传播常数于是可由通过长度差划分的两个DML的相位差来计算。图10B中示出了这个实施例的DML的模拟及测得的传播常数，特定的偏差归因于制造及测量公差。

本领域技术人员会理解，可对如在特定实施例中所示出的本发明进行多个变型和/或改变，而不脱离如广义上所描述的本发明的精神或范围。因此，本实施例在各个方面应被看作示例性的而非限定性的。

本文中所包含的对现有技术的任何参考将不被看作承认该信息为公知常识，除非以其它方式指明。

Claims (25)

1.一种传输线，该传输线包括：

由多个介电层所限定的传输介质，其中，介电层包括：

具有第一介电常数的第一层；

具有第二介电常数的第二层以及－具有小于第一与第二介电常数的第三介电常数的第三层。

2.根据权利要求1的传输线，其中，第三层被设置在第一与第二层之间。

3.根据权利要求1或2的传输线，其中，介电层的每一个都为非金属的。

4.根据权利要求1的传输线，其中，传输介质被设置成传递波信号。

5.根据权利要求4的传输线，其中，波信号为具有微波段、毫米波段或亚毫米波段中的频段的电磁信号。

6.根据权利要求1的传输线，其中，第一介电常数等于第二介电常数。

7.根据权利要求1的传输线，其中，第一层为带。

8.根据权利要求7的传输线，其中：

第一和第二介电常数为10.2；

第三介电常数为2.94；

第一与第二层具有1.27mm的厚度；

第三层具有0.381mm的厚度；

带具有5mm的宽度；以及

第二和第三层具有50mm的厚度。

9.根据权利要求1的传输线，其中，第三层为由第一与第二层组件的缝隙所限定的空气层。

10.根据权利要求4的传输线，其中，在传递波信号中的传输线的精确场解为：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_x=E_z=H_y=0\\ E_y=A({\mathrm{\β}}^2+\frac{{\mathrm{\π}}^2}{w^2})\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{w}x\right)e^{-\mathrm{j\βz}}\\ H_x=-A{\mathrm{\β\ω\ϵ}}_{\mathrm{rl}}\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{w}x\right)e^{-\mathrm{j\βz}}\\ H_z=-\mathrm{jA}{\mathrm{\ω\ϵ}}_{\mathrm{rl}}\frac{\mathrm{\π}}{w}\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{w}x\right)e^{-\mathrm{j\βz}}\end{array}\right.$

其中：

w为第一层的宽度；

A为场的量级；

β为传播常数；

ε_rh为第一和第二层的介电常数；以及

ε_rl为第三层的介电常数。

11.一种波导，该波导包括：

由多个介电层所限定的波传输介质，其中，介电层包括：

具有第一介电常数的第一层；

具有第二介电常数的第二层以及－具有小于第一及第二介电常数的第三介电常数的第三层。

12.根据权利要求11的波导，其中，第三层被设置在第一与第二层之间。

13.根据权利要求11或12的波导，其中，介电层中的每一个都为非金属的。

14.根据权利要求11的波导，其中，波导被设置成传递波信号。

15.根据权利要求14的波导，其中，波信号为具有微波段、毫米波段或亚毫米波段中的频段的电磁信号。

16.根据权利要求11的波导，其中，第一介电常数等于第二介电常数。

17.根据权利要求11的波导，其中，第一层为带。

18.根据权利要求17的波导，其中：

第一及第二介电常数为10.2；

第三介电常数为2.94；

第一及第二层具有1.27mm的厚度；

第三层具有0.381mm的厚度；

带具有5mm的宽度；以及

第二和第三层具有50mm宽度。

19.根据权利要求11的波导，其中，第三层为由第一与第二层之间的缝隙所限定的空气层。

20.根据权利要求14的波导，其中，在传递波信号中的波导的精确场解为：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_x=E_z=H_y=0\\ E_y=A({\mathrm{\β}}^2+\frac{{\mathrm{\π}}^2}{w^2})\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{w}x\right)e^{-\mathrm{j\βz}}\\ H_x=-A{\mathrm{\β\ω\ϵ}}_{\mathrm{rl}}\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{w}x\right)e^{-\mathrm{j\βz}}\\ H_z=-\mathrm{jA}{\mathrm{\ω\ϵ}}_{\mathrm{rl}}\frac{\mathrm{\π}}{w}\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{w}x\right)e^{-\mathrm{j\βz}}\end{array}\right.$

其中：

w为第一层的宽度；

A为场的量级；

β为传播常数；

ε_rh为第一和第二层的介电常数；以及

ε_rl为第三层的介电常数。

21.一种用于制造波导的方法，该方法包括下面的步骤：

在第一与第二外部层之间设置传输层，其中，传输层具有小于第一及第二外部层的介电常数。

22.根据权利要求21的方法，其中，传输层和第一及第二外部层为非金属的。

23.根据权利要求21的方法，其中，第一外部层为带。

24.一种印刷电路板，该印刷电路板包括根据权利要求1的传输线。

25.一种传输线，该传输线包括：设置成传递电磁信号的传输介质，其中，传输介质由多个非金属的介电层所限定。

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