CN103762401B - 一种使用基片集成波导连通电路的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用基片集成波导连通电路的方法和装置，设计出用于连接两个电路的两个基片集成波导；使两个所述基片集成波导使其与各自的所述电路连通；将两个所述基片集成波导对齐，并使用金属板压紧所述电路所在的两个电路板。使用本发明所提出的使用基片集成波导进行连通电路的方法，可以获得良好的连接效果，连接也可以根据需要随时更换，使得连通更加稳定可靠，微波电路设计更加自由。

Description

一种使用基片集成波导连通电路的方法和装置

技术领域

本发明涉及通讯领域，尤其涉及一种使用基片集成波导进行连通电路的方法。

背景技术

基片集成波导（substrateintegratedwaveguide，SIW）是一种可以集成于介质基片中的新型导波结构，这种结构在介质基片中按一定间隔排列多个金属化通孔成为波导光滑侧壁的替代结构，从而与上下表面金属围成一个准封闭的导波结构，被成功的用于设计多种微波结构，如基片集成波导天线、滤波器、双工器、功分器等。

微带电路是微波领域传统的传输线结构，其具有的平面结构特点使其广泛的应用于微波与毫米波电路。由于电路功能的区分以及方便移植与测试的需要，微带电路会被划分为不同的功能模块并单独设计和测试。当需要进一步组建完整的电路时，微带电路通常需要使用接头进行连接。比如天线和射频接收机就通常会分开设计并测试，测试完毕后根据需要组装在一起。

同轴接头是微波电路中最常使用的接头类型之一。在频率较低时使用同轴接头可以达到很好的性能与成本的平衡。随着频率变高特别是到了毫米波频段，同轴接头变得非常昂贵而且其连接性能也在恶化，进一步的，当频率高到W波段（75-110GHz）以上，目前还没有合适的商用同轴接头，于是设计中要求设计者要一体化设计尽量避免需要连接的情况出现，如果必须要进行连接，通常要过渡到传统的金属波导来进行连接。目前的连接技术性能较差，且大大限制了微波电路设计的自由度，对电路的仿真与测试带来极大的不便。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出了一种在毫米波频段的微波电路中，使用基片集成波导连通电路的方法。

为达到上述目的，本发明技术方案是这样实现的：

首先本发明提供一种使用基片集成波导连通电路的方法,首先设计出用于连接两个电路的两个基片集成波导；使两个所述基片集成波导使其与各自的所述电路连通；将两个所述基片集成波导对齐，并使用金属板压紧所述电路所在的两个电路板。

进一步地，在使两个所述基片集成波导使其与各自的所述电路连通之前，还设计所述电路的连接部件到所述电路所连接的基片集成波导的过渡电路；相应地，通过所述过渡电路使两个所述基片集成波导使其与各自的电路连通。

进一步地，设计基片集成波导具体是指，用一个具有与所述基片集成波导相同特性的介质填充矩形波导来等效所述基片集成波导的导波模式；按照传统介质填充矩形波导传输理论，计算出相应的传统介质矩形波导的截面的较长边的长度；根据所述长度，以及基片集成波导与介质填充矩形波导之间的等效公式，计算出所述基片集成波导的两排金属化通孔列的中心线之间的距离。

基片集成波导与介质填充矩形波导之间的等效公式可以为

$a\_\mathrm{RWG}=a\×({\mathrm{\ξ}}_1+\frac{{\mathrm{\ξ}}_2}{p/d+({\mathrm{\ξ}}_1+{\mathrm{\ξ}}_2-{\mathrm{\ξ}}_3)/({\mathrm{\ξ}}_3-{\mathrm{\ξ}}_1)})---\left(1\right)$

${\mathrm{\ξ}}_1=1.0198+\frac{0.3465}{a/p-1.0684}$

${\mathrm{\ξ}}_2=-0.1183-\frac{1.2729}{a/p-1.2010}$

${\mathrm{\ξ}}_3=1.0082-\frac{0.9163}{a/p+0.2152}$

其中d为金属化通孔直径，p为相邻金属化通孔中心距离；

或者，当p足够小，同时满足等效波导宽度a_RWG介于a和a-d之间的时候，

所述公式可以为

$a\_\mathrm{RWG}=a-\frac{d^2}{0.95\×p}$

毫米波频段，常用的PCB工艺结构下，d取0.3mm-1mm，p取0.6mm-2mm。

进一步地，电路所在的两个电路板介电常数相同、厚度相同。

将两个所述基片集成波导对齐具体指，将所述两个基片集成波导的两排金属化通孔中心线对齐，将所述两块基片集成波导互相拼接在一起。

使用金属板压紧所述电路所在的两个电路板具体指：在所述电路板上预留相应的定位孔，该定位孔位于电路板上SIW结构之外，用于上下两块金属板的安装紧固。在两个所述基片集成波导接口处的上下表面分别安装并紧固一块所述金属板；将所述金属板紧贴在两个所述基片集成波导的上下表面并延伸覆盖到两个所述基片集成波导。

另外本发明还提供一种使用基片集成波导连通电路的装置，该装置包括待连的两个电路、两个基片集成波导，以及金属板；其中，两个待连接的电路分别连接各自的所述基片集成波导，所述两个基片集成波导通过所述金属板固定。

进一步地，两个待连接的电路分别通过过渡电路，连接各自的所述基片集成波导。

进一步地，两个基片集成波导按照两排金属化通孔中心线对齐的方式，互相拼接在一起；两个所述基片集成波导接口处的上下表面分别安装并紧固一块所述金属板；所述金属板紧贴在两个所述基片集成波导的上下表面并延伸覆盖到两个所述基片集成波导。

进一步地，电路包括但不限于微带电路、共面波导。

本发明连接电路的方法和装置采用两个基片集成波导分别连接一个对应的电路，并在两个基片集成波导之间用金属板实现连接，SIW的传输中，电流是沿着金属壁传输，如果金属壁中断，电流无法传输，电磁波信号也无法进行传输。所以SIW互连中，关键的一个步骤是需要将SIW的接口出的上下表面使用金属板紧固，一方面用来保证电流的正常传输，另一方面也可以保证SIW的上下对齐。同时，SIW的窄边因为具有了致密的金属化通孔，可以保证即使没有金属板屏蔽，也基本没有信号外泄。

使用本发明所提出的使用基片集成波导进行连通电路的方法，可以获得良好的连接效果，连接也可以根据需要随时更换，使得连通更加稳定可靠，微波电路设计更加自由。

附图说明

图1是基片集成波导结构示意图

图2是图1的等效波导示意图。

图3是一种基片集成波导-微带线转换器。

图4是两基片集成波导电路板的互连。

其中：1、金属化通孔，2、金属面，3、介质基片，4、金属壁，5、微带渐变线，6、微带线，7、8、基片集成波导，9、金属板，10、定位孔。

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

本发明所提供的用基片集成波导连通电路的方法，所连通的电路并不局限于连通微带电路，也可以是连通共面波导等平面电路或结构。

本发明方法主要包括如下一些步骤：

一、计算出需要连接两个电路的基片集成波导的参数。

根据电路工作频率与基片属性设计基片集成波导的宽度、金属化通孔直径、孔距等指标。参考附图1、图2，基片集成波导的设计方法如下：

由于基片集成波导与传统波导的传播模式类似，可以将二者等效起来。即用一个具有与基片集成波导相同特性的介质填充矩形波导来近似的等效基片集成波导的导波模式。基片集成波导的两排金属化通孔1等效为等效波导中的光滑金属壁4。2为上下金属面，3为介质基片。这样，按照传统介质填充矩形波导传输理论，可以计算出在相应的传统介质矩形波导的截面的较长边的长度a_RWG。然后根据基片集成波导与介质填充矩形波导之间的等效公式（1），可以计算出两排金属化通孔列的中心线之间的距离a的值。d为金属化通孔直径，p为相邻金属化通孔中心距离。

$a\_\mathrm{RWG}=a\×({\mathrm{\ξ}}_1+\frac{{\mathrm{\ξ}}_2}{p/d+({\mathrm{\ξ}}_1+{\mathrm{\ξ}}_2-{\mathrm{\ξ}}_3)/({\mathrm{\ξ}}_3-{\mathrm{\ξ}}_1)})---\left(1\right)$

${\mathrm{\ξ}}_1=1.0198+\frac{0.3465}{a/p-1.0684}$

${\mathrm{\ξ}}_2=-0.1183-\frac{1.2729}{a/p-1.2010}$

${\mathrm{\ξ}}_3=1.0082-\frac{0.9163}{a/p+0.2152}$

在相邻金属化通孔中心的距离p足够小，同时满足等效波导宽度a_RWG介于a和a-d之间的时候有另一种简化的计算公式（2）：

$a\_\mathrm{RWG}=a-\frac{d^2}{0.95\×p}---\left(2\right)$

在毫米波频段，常用的PCB工艺结构下，d一般取0.3mm-1mm，p一般取0.6mm-2mm。

一般来说，需要连通的两个电路的工作频段与基片是相同的，因此各自所连接的基片集成波导参数也可以是相同的。该两个基片集成波导两排金属化通孔中心线之间的距离是相同的。每个基片集成波导的相邻金属化通孔的中心距离取决于工艺和设计的需要；两个基片集成波导各自的相邻金属化通孔的中心距离可以有差别，但都要满足基片集成波导的传输要求。

二、设计出电路的连接部件到该电路所连接的基片集成波导的过渡电路。

一般来说，由于需要连通的两个电路的工作频段与基片是相同的，因此需要连通的两个电路的连接部件到该电路所连接的基片集成波导的过渡电路是相同的。

本实施例中，以微带电路为例，微带电路的连接部件为微带线。则需要设计该微带电路的微带线到该基片集成波导的过渡电路。

微带线到基片集成波导的过渡电路，如附图3所示，为一种基片集成波导-微带线转换器的结构形式。它的主体为一段微带渐变线5，该段渐变线实现基片集成波导7和50欧姆微带线6之间的阻抗变化。微带渐变线可以有多种形式(如圆弧渐变线、阶梯渐变线、线性渐变线等)，此处以微带线性渐变线为例。基片集成波导-微带线转换器的过渡电路设计有多种方法。由于所有参数中仅渐变线的参数W和L未知，一般可采用较为方便的全波分析方法，使用软件进行优化设计。对图3所示模型在三维电磁场仿真软件中(如CSTMicrowaveStudio、HighFrequencyStructureSimulator(HFSS)、AdvancedDesignSystem(ADS)、AWRMicrowaveOffice等)进行建模并全波仿真与调谐优化，优化目标为设计的目标频率带宽内的S参数(散射参数)中的S11幅值很小(一股低于-20dB以下)，S21幅值较大(一般应高于-ldB)。表明该过渡电路回波损耗较小，插入损耗较小。即可以根据需要计算出比较合适的微带渐变线的长度。

三、根据上述已经确定的基片集成波导和过渡电路，设计两个基片集成波导的互连。

如附图4所示，两片基片集成波导的基片互相连接的情况。

(1)图中相连接的是两块介电常数相同、厚度相同的基片集成波导7和8的电路板(比如两块RogersRT/Duroid5880基片集成波导电路板或者一块RogersRT/Duroid5880，另一块为同样厚度的TaconicTLY板材)。

(2)按照两排金属化通孔中心线对齐的方式，将两块基片集成波导7和8互相拼接在一起。在电路板上预留相应的定位孔10，该定位孔位于电路板上SIW的两排金属化通孔之外，用于上下两块金属板的定位、安装与紧固；在两块基片集成波导接口处的上下表面分别安装并紧固一块金属板9。安装后，各金属板要紧贴在两基片集成波导的上下表面并延伸覆盖到两块基片集成波导。两金属板不可覆盖或触碰到需要转接的其他电路结构部分等（比如微带线6或共面波导部分）。

如果需要和其他的电路或模块进行连接，可以将上下表面的两金属板取下，即可分离相连接的两电路板，再取其中需要的电路采用类似步骤与其他电路或模块相连即可。

另外，本发明还提供一种使用基片集成波导连通电路的装置。该装置包括待连接的两个电路、两个基片集成波导、两个过渡电路、金属板。其中，该两个待连接的电路分别通过一个过渡电路连接一个基片集成波导，该两个基片集成波导使用金属板固定。

其中，两个基片集成波导按照两排金属化通孔中心线对齐的方式，互相拼接在一起。

这里所说的电路所连通的电路并不局限于连通微带电路，也可以是连通共面波导等平面电路或结构。

通过本发明提供的方法和装置，可以更方便地连接电路，可以获得更好的连接效果，设计、安装、拆卸都更加方便。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种使用基片集成波导连通电路的方法，其特征在于，包括步骤：设计出用于连接第一电路的第一基片集成波导和用于连接第二电路的第二基片集成波导；使所述第一基片集成波导与所述第一电路连通，所述第二基片集成波导与所述第二电路连通；将所述第一基片集成波导和第二基片集成波导的两排金属化通孔中心线对齐拼接，并在第一基片集成波导和第二基片集成波导的接口处的上表面使用一金属板、在第一基片集成波导和第二基片集成波导的接口处的下表面使用一金属板，通过上表面的金属板和下表面的金属板将所述的第一基片集成波导和第二基片集成波导连接。

2.如权利要求1所述的使用基片集成波导连通电路的方法，其特征在于，还包括设计所述第一电路连接到所述第一基片集成波导的第一过渡电路和设计所述第二电路连接到所述第二基片集成波导的第二过渡电路。

3.如权利要求1所述的使用基片集成波导连通电路的方法，其特征在于，设计出用于连接第一电路的第一基片集成波导或用于连接第二电路的第二基片集成波导具体指：

用一个具有与所述第一基片集成波导或所述第二基片集成波导相同特性的介质填充矩形波导来等效所述第一基片集成波导或所述第二基片集成波导的导波模式；按照传统介质填充矩形波导传输理论，计算出相应的传统介质矩形波导的截面的较长边的长度；根据所述长度，以及第一基片集成波导或所述第二基片集成波导与介质填充矩形波导之间的等效公式，计算出所述第一基片集成波导或所述第二基片集成波导的两排金属化通孔列的中心线之间的距离。

4.如权利要求3所述的使用基片集成波导连通电路的方法，其特征在于，所述第一基片集成波导或所述第二基片集成波导与介质填充矩形波导之间的等效公式为

$a\_RWG=a\×({\mathrm{\ξ}}_1+\frac{{\mathrm{\ξ}}_2}{p/d+({\mathrm{\ξ}}_1+{\mathrm{\ξ}}_2-{\mathrm{\ξ}}_3)/({\mathrm{\ξ}}_3-{\mathrm{\ξ}}_1)})---\left(1\right)$

${\mathrm{\ξ}}_1=1.0198+\frac{0.3465}{a/p-1.0684}$

${\mathrm{\ξ}}_2=-0.1183-\frac{1.2729}{a/p-1.2010}$

${\mathrm{\ξ}}_3=1.0082-\frac{0.9163}{a/p+0.2152}$

其中d为金属化通孔直径，p为相邻金属化通孔中心距离；a_RWG为等效波导宽度，a为两排金属化通孔列的中心线之间的距离。

5.如权利要求4所述的使用基片集成波导连通电路的方法，其特征在于，在毫米波频段，d取0.3mm-1mm，p取0.6mm-2mm。

6.如权利要求1所述的使用基片集成波导连通电路的方法，其特征在于，所述第一电路和第二电路所在的两个电路板介电常数相同、厚度相同。

7.如权利要求2所述的使用基片集成波导连通电路的方法，其特征在于，使用金属板连接所述第一基片集成波导和所述第二基片集成波导的方法为：在所述金属板上预留相应的定位孔，将所述金属板紧贴在所述第一基片集成波导和第二基片集成波导的上下表面并延伸覆盖到所述第一基片集成波导和第二基片集成波导。

8.一种使用基片集成波导连通电路的装置，其特征在于，该装置包括待连的两个电路、两个基片集成波导，以及金属板；其中，所述两个待连接的电路分别连接各自的所述基片集成波导，两个基片集成波导按照两排金属化通孔中心线对齐的方式拼接在一起，所述金属板为两块并设置在拼接结合处的上表面和下表面，所述两个基片集成波导通过所述两块金属板固定。

9.如权利要求8所述的使用基片集成波导连通电路的装置，其特征在于，所述两个待连接的电路分别通过过渡电路，连接各自的所述基片集成波导。

10.如权利要求8所述的使用基片集成波导连通电路的装置，其特征在于，所述电路包括但不限于微带电路、共面波导。