CN106785285B - 一种信号跨层传输结构设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在微波毫米波垂直传输过程中，用共面波导‑类同轴结构‑共面波导进行信号传输，在信号通孔两侧设计一排接地孔，构成共面波导形式，然后信号通孔与两侧的地孔构成类同轴结构，通过调整地孔与微带线之间的间距、类同轴结构的类外半径来使传输性能达到最优。

Description

一种信号跨层传输结构设计方法
技术领域
本发明属于微波技术领域，具体涉及一种信号跨层传输结构设计方法，应用双层或多层印制板层间垂直传输当中。
背景技术
随着现代雷达系统的迅速发展，高集成度，小型化产品越来越受到大家的青睐，随之带来的技术进步也层出不穷。微波印制板的设计从单层板到多层板，产生了微波混压板技术和LTCC技术，这两种技术的诞生将之前的多层板频率大幅的提升至毫米波频段。现如今的多层板定义和几年前已经大不相同。随着多层板技术的大幅提高，信号跨层传输就成为了一个重要问题。现有的文献材料没有对可以延伸至毫米波频段的信号跨层传输问题做出明确的分析和研究，仅有的某些专利虽然讨论了垂直传输但是受限于其发表的年代，当时的印制板(尤其是多层板)能承载的频率远没有到达现在的毫米波频段。面对新问题，我们必须有新办法去应对。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的微波信号跨层传输驻波系数大的问题，本发明提出一种信号跨层传输结构设计方法，极大的提高了微波混压板信号跨层传输的质量。
技术方案
一种信号跨层传输结构设计方法，其特征在于采用共面波导-类同轴结构-共面波导进行信号跨层传输，步骤如下：
步骤1：在底层铜皮上设计微带线，在微带线的输出端设计一个信号通孔，信号通孔从底层铜皮穿过基板到达顶层铜皮，信号通孔在顶层铜皮连接与底层铜皮上的微带线一样的微带线；
步骤2：在微带线两侧各设计一排地孔，地孔从顶层铜皮穿过基板到达底层铜皮，将地孔与微带线之间的金属覆铜腐蚀掉；所述的地孔、微带线、顶层铜皮、基板和底层铜皮一起组成共面波导，共面波导的阻抗计算公式为：
式中，K'(k)＝K(k')，k＝S/(S+2W)；K(k)表示第一类完全椭圆函数，K'(k)表示第一类完全椭圆余函数；当W足够小时，K(k)/K'(k)的近似公式，精确到8×10-6为
h为基板的厚度，εr为基板的介电常数，S为微带线的宽度，W为地孔与微带线之间的距离；
W与传输性能成正比，W越小，传输性能越好，通过调整h和εr使W在满足目前的加工精度要求下尽量小；
步骤3：在信号通孔的两侧设有第一同轴地孔和第二同轴地孔；所述的信号通孔、第一同轴地孔、第二同轴地孔、顶层铜皮、基板和底层铜皮一起构成类同轴结构，类同轴结构的阻抗计算公式为：
R1为信号通孔的半径，R2为第一同轴地孔边缘到信号通孔中心的距离，μr为空气介电常数；
调整R1与R2使类同轴结构的阻抗接近50欧姆；
步骤4：在尺寸调整过程中，应尽量保证R2-R1≈W，当W和R2-R1相差较大的时候，忽略类同轴结构的阻抗要求。
所述的W为0.001mm。
调整底层铜皮上的微带线形状或者顶层铜皮上的微带线形状来消除寄生效应。
在微带线上增加一个小突块或者减去一个小凹块。
有益效果
本发明提出的一种信号跨层传输结构设计方法，在WC～毫米波频段范围较以往的传输方式该专利所提及的电路结构具有优异的插入损耗和回波损耗，可以大幅提高信号传输质量。
附图说明
图1垂直传输结构顶视图
图2垂直传输结构底视图
图3垂直传输结构侧视图
图4垂直传输结构剖面图
图5引入调整电路抵消工艺制作和仿真模型误差引起的寄生参量
图6例举另一种调谐块变形方式
图7垂直传输方式仿真曲线
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
在微波毫米波垂直传输过程中，用共面波导-类同轴结构-共面波导进行信号传输。
本实施例用共面波导-类同轴结构-共面波导进行信号跨层传输，图1为垂直传输结构顶视图，1为地孔和1相同大小的也为视为1，2为信号通孔，3为微带线，6、7为和2组成类同轴结构的地孔。8为顶层铜皮，9为基板，10为底层铜皮。1、3、8、9、10一起组成共面波导，W为1和3的距离。
共面波导的阻抗公式为
式中，K'(k)＝K(k')，k＝S/(S+2W)；K(k)表示第一类完全椭圆函数，K'(k)表示第一类完全椭圆余函数。当W足够小时，K(k)/K'(k)的近似公式(精确到8×10-6)为
h为基板的厚度，εr为基板的介电常数，S为微带线的宽度，W为地孔与微带线之间的距离；
W与传输性能成正比，W越小，传输性能越好，通过调整h和εr使W在满足目前的加工精度要求下尽量小；本实施例中的W选用0.001mm。
2、6、7、8、9、10一起构成类同轴结构。整个微波、毫米波传播的路径经过了共面波导-类同轴结构-共面波导的结构完成信号跨层传输。同轴结构的阻抗计算公式业内人士应该熟悉
R1为信号通孔的半径，R2为第一同轴地孔边缘到信号通孔中心的距离，μr为空气介电常数；调整R1与R2使类同轴结构的阻抗接近50欧姆；
由于加工精度、工艺因素等限制，仿真模型和实际印制板必然会存在差异，这种差异带来的寄生效应必然会影响垂直传输结果。图5，图6中的4、5为引入的调整电路，该调整电路的形式并不局限于列举的两种，一切基于该目的的调整电路变形都应列为本发明的保护范围。
其中1、3、8、9、10组成的共面波导还应选择合适的基材和板厚使得W尽可能的小，在基板确定的情况下，W的大小直接决定了毫米波高端的传输效果。对整个垂直传输将产生很大影响。
当W的大小和2、6、7、8、9、10所组成的类同轴结构产生矛盾的时候，W的影响力因子大于2、6、7、8、9、10所组成的类同轴结构，在设计中要以保证W尽量小的情况为前提设计类同轴结构。当W和R2-R1相差较大的时候，应该尽量保证W尽量小(越小越好)同时令R2-R1≈W。具体数值可以带入ADS或者HFSS等仿真软件确定。
图7为使用该方法设计的垂直结构的S参数仿真曲线。由图7可以看出在40GHz以内回波损耗大于20WB，插入损耗小于0.1WB。表现出非常好的垂直传输特性。
该实施例只是例举双层板的情况，对于多层板(包括微波混压板)信号跨层垂直传输依然适用，W很小的共面波导的引入可以极大的提高整个垂直过渡的传输效果。

Claims (4)

1.一种信号跨层传输结构设计方法，其特征在于采用共面波导-类同轴结构-共面波导进行信号跨层传输，步骤如下：
步骤1：在底层铜皮(10)上设计微带线(3)，在微带线的输出端设计一个信号通孔(2)，信号通孔(2)从底层铜皮(10)穿过基板(9)到达顶层铜皮(8)，信号通孔(2)在顶层铜皮(8)连接与底层铜皮(10)上的微带线(3)一样的微带线；
步骤2：在微带线两侧各设计一排地孔(1)，地孔(1)从顶层铜皮(8)穿过基板(9)到达底层铜皮(10)，将地孔(1)与微带线之间的金属覆铜腐蚀掉；所述的地孔(1)、微带线(3)、顶层铜皮(8)、基板(9)和底层铜皮(10)一起组成共面波导，共面波导的阻抗计算公式为：
式中，K'(k)＝K(k')，k＝S/(S+2W)；K(k)表示第一类完全椭圆函数，K'(k)表示第一类完全椭圆余函数；当W足够小时，K(k)/K'(k)的近似公式，精确到8×10-6为
h为基板的厚度，εr为基板的介电常数，S为微带线的宽度，W为地孔与微带线之间的距离；
W与传输性能成正比，W越小，传输性能越好，通过调整h和εr使W在满足目前的加工精度要求下尽量小；
步骤3：在信号通孔(2)的两侧设有第一同轴地孔(6)和第二同轴地孔(7)；所述的信号通孔(2)、第一同轴地孔(6)、第二同轴地孔(7)、顶层铜皮(8)、基板(9)和底层铜皮(10)一起构成类同轴结构，类同轴结构的阻抗计算公式为：
R1为信号通孔(2)的半径，R2为第一同轴地孔(6)边缘到信号通孔(2)中心的距离，μr为空气介电常数；
调整R1与R2使类同轴结构的阻抗接近50欧姆；
步骤4：在尺寸调整过程中，应保证R2-R1≈W，当W和R2-R1相差大的时候，忽略类同轴结构的阻抗要求。
2.根据权利要求1所述的信号跨层传输结构设计方法，其特征在于所述的W为0.001mm。
3.根据权利要求1所述的信号跨层传输结构设计方法，其特征在于调整底层铜皮(10)上的微带线形状或者顶层铜皮(8)上的微带线形状来消除寄生效应。
4.根据权利要求3所述的信号跨层传输结构设计方法，其特征在于在微带线上增加一个小突块或者减去一个小凹块。
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