CN105958167B - 垂直基片集成波导及包括该波导的垂直连接结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开垂直基片集成波导及包括该波导的垂直连接结构，包括，介质基片以及附着于所述介质基片上下表面的金属层；其中，所述介质基片上下表面平行，所述介质基片内设有多个垂直于介质基片的金属化通孔，所述上下表面金属层覆盖所述金属化通孔，并刻蚀有相同且上下对应的孔缝结构，所述金属化通孔沿所述孔缝结构围成闭合结构，所述垂直基片集成波导可实现电磁能量在多层介质基片内的垂直传输。

Description

垂直基片集成波导及包括该波导的垂直连接结构
技术领域
本发明涉及一种集成于介质基片的电磁波传输结构。更具体地，涉及垂直基片集成波导及包括该波导的垂直连接结构。
背景技术
传输线作为电磁能量的传输结构，是微波毫米波电路系统中的重要组成部分。各类金属波导作为传输线结构之一，在微波毫米波频段具有传输损耗低、基本无电磁能量漏泄的优点。然而，随着工作频率的升高，金属波导的结构尺寸将越来越小，由此导致金属波导对于机械加工精度的要求不断提高，加工难度和成本也会相应增加。另一方面，包括微带线、带状线在内的多种平面传输线结构具有可集成于介质基片、易于加工实现的优点，但在毫米波频段具有相对较大的传输损耗。与以上两类传输线结构相比，基片集成波导具有易于加工制造、可集成于介质基片的优点，且具有与金属波导结构相类似的工作特性，近年来已广泛用于微波毫米波器件和系统的研究设计中。
目前已有的各类基片集成波导传输结构均集成于一层或几层介质基片内，使得电磁能量在基片集成波导内沿着与介质基片平行的方向传播，而采用已有基片集成波导结构，难以实现电磁能量在与介质基片垂直的方向上的传输，因而不能方便地连接位于不同介质基片层内的电路器件结构。
因此，需要提供一种垂直基片集成波导。
目前已有的各类基片集成波导传输结构均集成于一层或几层介质基片内，使得电磁能量在基片集成波导内沿着与介质基片平行的方向传播，而采用已有基片集成波导结构，难以实现电磁能量在与介质基片垂直的方向上的传输，因而不能方便地连接位于不同介质基片层内的电路器件结构。
在由微带线、共面波导等平面传输线结构构成的多层器件和电路中，通常采用金属过孔或耦合缝隙等结构来实现不同层间的垂直连接。然而由于基片集成波导所具有的波导工作模式，采用金属过孔作为不同层内基片集成波导器件或电路间的垂直连接结构，将存在不易于集成实现、工作带宽较窄等问题，而采用缝隙耦合的方法又仅限于相邻层间的垂直连接。
因此需要提供一种适用于多层基片集成波导器件和电路中任意层间垂直连接的结构。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种垂直基片集成波导，以实现电磁能量在与介质基片垂直的方向上的传输。
本发明的另一个目的在于提供一种包括该波导的垂直连接结构，以实现不同层间波导的垂直连接。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
垂直基片集成波导，包括，
介质基片1以及附着于所述介质基片1上下表面的金属层2；其中，所述介质基片1上下表面平行；
所述介质基片1内设有多个垂直于介质基片1的金属化通孔4，所述金属化通孔4围成闭合结构。
所述上下表面金属层2至少覆盖所述金属化通孔4，并在所述金属化通孔4围成闭合结构范围内刻蚀有上下对应的孔缝结构3；
所述介质基片1和金属层2构成单层垂直基片集成波导。
优选的，所述集成波导包括，n个上下重叠放置的单层垂直基片集成波导，所述n个上下重叠放置的单层垂直基片集成波导的孔缝结构3相互对应；其中，n>1且为正整数。
优选的，所述金属层2覆盖所述介质基片1上下表面。
优选的，所述介质基片1厚度不大于四分之一介质波长，相对介电常数不大于20，上下表面面积大于垂直于所述介质基片的切面面积。
优选的，所述金属层2厚度不大于0.15mm。
优选的，所述金属层2为铜。
优选的，所述孔缝结构3为圆形孔、椭圆形孔或等多边形孔且孔缝结构3的尺寸保证垂直基片波导在所需工作频带内不处于截止状态。
优选的，所述金属化通孔4的直径小于二十分之一介质波长，金属化通孔4孔间距小于十分之一介质波长。
带有如上所述垂直基片集成波导的垂直连接结构，还包括，
第一水平基片集成波导和第二水平基片集成波导；
所述水平基片集成波导包括水平介质基片5、附着于所述水平介质基片5上下表面的水平波导金属层6以及两排平行设置的水平波导金属化通孔7；
其中，
所述水平介质基片5一端还设置有短路金属化通孔8，所述短路金属化通孔8将所述水平基片集成波导一端短路，所述水平介质基片5另一端作为水平基片集成波导输入或输出端；
所述上下表面水平波导金属层6中的一层刻蚀有水平波导孔缝结构9，所述水平波导孔缝结构9位于两排平行设置的金属化通孔7和短路金属化通孔8围成的范围内；
所述垂直基片集成波导设置于第一水平基片集成波导上，所述第一水平基片集成波导上设有孔缝结构9的水平波导金属层6与所述垂直基片集成波导相连，且两者孔缝结构9相互匹配；
所述第二水平基片集成波导设置于所述垂直基片集成波导上，所述第二水平基片集成波导上设有孔缝结构9的水平波导金属层6与所述垂直基片集成波导相连，且两者的孔缝结构9相互匹配。
优选的，所述第一和第二水平基片集成波导的输入或输出端设置在所述水平垂直集成波导的同一侧或两侧。
本发明的有益效果如下：
1、可实现电磁能量在多层介质基片内的垂直传输。
2、可实现位于任意不同介质基片层内的基片集成波导电路器件间的相互连接。
3、结构紧凑，集成度高，在各层介质基片内占用的面积较小。
4、易于加工实现，整个基片集成波导结构由金属层和集成于各基片内的金属化通孔共同实现。
5、具有良好的传输带宽和低损耗特性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明所述具有9层结构的垂直基片集成波导结构图。
图2示出本发明所述垂直基片集成波导单层结构图。
图3示出本发明所述垂直基片集成波导单层侧面剖视图。
图4示出本发明所述垂直基片集成波导孔缝结构形状示意图。
图5示出本发明所述垂直基片集成波导内电场分布设计结果。
图6示出本发明所述垂直基片集成波导的S参数设计结果。
图7示出本发明所述垂直连接结构的分层结构图。
图8示出本发明所述垂直连接结构的三维结构图。
图9示出本发明所述垂直连接结构的S参数设计结果。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
·垂直基片集成波导
本发明所述垂直基片集成波导，包括介质基片1以及附着于所述介质基片1上下表面的金属层2；其中，所述介质基片1上下表面平行；所述介质基片1内设有多个垂直于介质基片1的金属化通孔4；所述上下表面金属层2覆盖所述金属化通孔4，并刻蚀有相同且上下对应的孔缝结构3；所述金属化通孔4沿所述孔缝结构3围成闭合结构。
所述介质基片1和金属层2构成单片垂直基片集成波导。
此外，所述垂直基片集成波导还可以由n个所述单片垂直基片集成波导组成，所述n个单片垂直基片集成波导上下重叠放置；其中，n为正整数，相邻的介质基片1共用一个金属层2。
所述介质基片1上下表面面积和所述金属层2面积可以相同，也可以不同。
所述介质基片1厚度不大于四分之一介质波长，相对介电常数不大于20，面积大于所述垂直基片集成波导的垂直于所述介质基片的竖直横截面积。
所述金属层2厚度不大于0.15mm，材质为铜或金，也可以为其他金属。
所述孔缝结构3为圆形孔、椭圆形孔或等多边形孔且其尺寸应保证垂直基片波导在所需工作频带内不处于截止状态。
所述金属化通孔4的直径小于二十分之一介质波长，金属化通孔4孔间距小于十分之一介质波长。
如图1所示，当n为9时，即所述垂直基片集成波导包括9层上下平行重叠放置的介质基片1以及10层附着于所述介质基片1上下表面的金属层2，并且所述金属层2面积和所述介质基片1上下表面积相同。
如图2所示，所述介质基片1厚度不大于四分之一介质波长，介质基片1上下表面面积大于垂直于所述介质基片1的切面面积，相对介电常数不大于20，且所述金属层2为铜或金等常见金属；当所述金属层2为铜时，厚度不大于4oz，即0.15mm。
如图3所示，所述金属化通孔4的直径小于二十分之一介质波长，金属化通孔4孔间距小于十分之一波长。
如图4所示，所述孔隙结构3可以为圆形孔、椭圆形孔或等多边形孔，所述孔隙结构3尺寸应保证垂直基片波导在所需工作频带内不处于截止状态。
进一步，当所述孔缝结构3为圆形孔时，该圆形孔的直径大小应保证垂直基片波导在所需工作频带内不处于截止状态；当所述孔缝结构3为椭形孔时，该椭圆形孔的较大直径大小应保证垂直基片波导在所需工作频带内不处于截止状态；当所述孔缝结构3为等多边形时，该等多边形孔的最大间距大小应保证垂直基片波导在所需工作频带内不处于截止状态
<垂直基片集成波导实施例>
本发明在Ka波段实现了上述垂直基片集成波导设计。用来构成垂直基片集成波导的介质基片1厚度为0.787mm，介电常数为2.2，金属层2厚度为0.035mm，刻蚀于金属层上的矩形孔隙结构3尺寸为4.7mm*0.7mm，位于介质基片1内的金属化通孔4的直径为0.4mm，孔径间距为0.7mm。
垂直基片集成波导内的电场分布结果如图5所示，由场分布可以看出该设计的工作模式为基片集成波导的基模TE10模。
所设计的垂直基片集成波导的S参数结果如图6所示，可以看出在整个单模工作频带范围内，垂直基片集成波导的|S11|低于-30dB,同时|S21|不大于0.2dB。
·带有上述垂直基片集成波导的垂直连接结构
带有如上述垂直基片集成波导的垂直连接结构，包括，第一水平基片集成波导和第二水平基片集成波导。
如图7所示，所述水平基片集成波导包括水平介质基片5、附着于所述水平介质基片5上下表面的水平波导金属层6以及两排平行设置的水平波导金属化通孔7；其中，所述介质基片一端还设置有短路金属化通孔8，所述短路金属化通孔8将所述水平基片集成波导一端短路，另一端作为输入或输出端；所述上下表面水平波导金属层6中的一层刻蚀有水平波导孔缝结构9，所述水平波导孔缝结构9位于两排平行设置的金属化通孔7和短路金属化通孔8围成的范围内。
所述垂直基片集成波导设置于第一水平基片集成波导上，所述第一水平基片集成波导上设有水平波导孔缝结构9的水平波导金属层与所述垂直基片集成波导相连，两者孔缝结构相互匹配；所述第二水平基片集成波导设置于所述垂直基片集成波导上，其设有水平波导孔缝结构9的水平波导金属层与所述垂直基片集成波导相连且两者的孔缝结构9相互匹配。
所述第一和第二水平基片集成波导的输入或输出端设置在所述水平垂直集成波导的同一侧或两侧。
<垂直连接结构实施例>
如图9所示，本发明在Ka波段实现了上述基片集成波导垂直连接设计。用来构成该设计的介质基片厚度为0.787mm，介电常数为2.2，金属层厚度为0.035mm，位于水平方向基片集成波导的宽度为4.98mm，刻蚀于上表面的矩形缝隙尺寸为4.7mm*0.43mm，组成连接结构垂直部分的各介质层上下表面金属层上刻蚀的矩形缝隙尺寸为4.7mm*0.7mm，位于各介质基片内的金属化通孔的直径为0.4mm，孔径间距为0.7mm。所设计的基片集成波导垂直连接结构的S参数结果如图5所示，可以看出该设计在22.5GHz至40GHz频带范围内|S11|低于-20dB,同时插入损耗|S21|不大于0.2dB。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种垂直连接结构，其特征在于，包括垂直基片集成波导、第一水平基片集成波导和第二水平基片集成波导；
所述垂直基片集成波导包括n个上下重叠放置的单层垂直基片集成波导，其中，n>1且为正整数；
所述单层垂直基片集成波导包括：
介质基片(1)以及附着于所述介质基片(1)上下表面的金属层(2)；其中，所述介质基片(1)上下表面平行；
所述介质基片(1)内设有多个垂直于介质基片(1)的金属化通孔(4)，所述金属化通孔(4)围成闭合结构；
所述上下表面金属层(2)至少覆盖所述金属化通孔(4)，并在所述金属化通孔(4)围成闭合结构范围内刻蚀有上下对应的孔缝结构(3)；
所述介质基片(1)和金属层(2)构成单层垂直基片集成波导；
所述n个上下重叠放置的单层垂直基片集成波导的孔缝结构(3)相互对应；
所述第一水平基片集成波导和第二水平基片集成波导分别包括水平介质基片(5)、附着于所述水平介质基片(5)上下表面的水平波导金属层(6)以及两排平行设置的水平波导金属化通孔(7)；
其中，
所述水平介质基片(5)一端还设置有短路金属化通孔(8)，所述短路金属化通孔(8)将所述水平基片集成波导一端短路，所述水平介质基片(5)另一端作为水平基片集成波导输入或输出端；
所述上下表面水平波导金属层(6)中的一层刻蚀有水平波导孔缝结构(9)，所述水平波导孔缝结构(9)位于两排平行设置的金属化通孔(7)和短路金属化通孔(8)围成的范围内；
所述垂直基片集成波导设置于第一水平基片集成波导上，所述第一水平基片集成波导上设有孔缝结构(9)的水平波导金属层(6)与所述垂直基片集成波导相连，且两者的孔缝结构相互匹配；
所述第二水平基片集成波导设置于所述垂直基片集成波导上，所述第二水平基片集成波导上设有孔缝结构(9)的水平波导金属层(6)与所述垂直基片集成波导相连，且两者的孔缝结构相互匹配。
2.根据权利要求1所述垂直连接结构，其特征在于，所述金属层(2)覆盖所述介质基片(1)上下表面。
3.根据权利要求1所述垂直连接结构，其特征在于，所述介质基片(1)厚度不大于四分之一介质波长，相对介电常数不大于20，上下表面面积大于垂直于所述介质基片的切面面积。
4.根据权利要求1所述垂直连接结构，其特征在于，所述金属层(2)厚度不大于0.15mm。
5.根据权利要求4所述垂直连接结构，其特征在于，所述金属层(2)的材质为铜。
6.根据权利要求1所述垂直连接结构，其特征在于，所述孔缝结构(3)为圆形孔、椭圆形孔或等多边形孔且孔缝结构(3)的尺寸保证垂直基片波导在所需工作频带内不处于截止状态。
7.根据权利要求1所述垂直连接结构，其特征在于，所述金属化通孔(4)的直径小于二十分之一介质波长，金属化通孔(4)孔间距小于十分之一介质波长。
8.根据权利要求1所述垂直连接结构，其特征在于，所述第一和第二水平基片集成波导的输入或输出端设置在所述垂直基片集成波导的同一侧或两侧。
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