CN107293842A - 一种基于介质集成悬置线的巴特勒矩阵网络结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于介质集成悬置线的巴特勒矩阵网络结构，所述结构包括：巴特勒矩阵网络和介质集成悬置线，巴特勒矩阵网络封装固定在介质集成悬置线的空腔中，巴特勒矩阵网络的部件与介质集成悬置线的空腔一一对应，解决了现有的巴特勒矩阵网络存在电路版图布局困难，损耗较大的技术问题，实现了基于介质集成悬置线的巴特勒矩阵网络损耗较低，易于集成的技术效果。

Description

一种基于介质集成悬置线的巴特勒矩阵网络结构
技术领域
本发明涉及微波毫米波电路与系统技术，具体涉及一种基于介质集成悬置线的巴特勒矩阵网络结构。
背景技术
汽车防撞雷达可以使汽车驾驶人员及时了解周围车辆的距离和速度，并在关键时刻向司机报警，从而避免事故的发生。汽车防撞雷达中的一个关键部件是天线馈电网络，主要用于波束形成。巴特勒矩阵网络是一种无源的波束形成网络，相比较有源的移相电路，具有损耗小的优势。传统的板级的巴特勒矩阵网络通常采用微带或带线的结构，其中所用到的耦合器也一般采用分支线耦合器或者耦合线耦合器的拓扑，但是当频率较高时(比如对于24GHz汽车防撞雷达频段)，导波波长和物理尺寸相比拟，导致电路版图布局变得困难。于此同时，电路损耗问题在高频时也变得较为凸显。对于贴片结构的耦合器，由于这类耦合器通常具有较大的金属面积和电路尺寸，在高频时具有金属损耗小、易加工的优势。但是其辐射损耗和介质损耗在高频时较大，从而使得其构成的巴特勒矩阵网络也具有较大的损耗。
综上所述，本申请发明人在实现本申请发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：
在现有技术中，现有的巴特勒矩阵网络存在电路版图布局困难，损耗较大的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种基于介质集成悬置线的巴特勒矩阵网络结构，解决了现有的巴特勒矩阵网络存在电路版图布局困难，损耗较大的技术问题，实现了基于介质集成悬置线的巴特勒矩阵网络损耗较低，易于集成的技术效果。
为解决上述技术问题，本申请提供了一种基于介质集成悬置线的巴特勒矩阵网络结构，所述结构包括：
巴特勒矩阵网络和介质集成悬置线，巴特勒矩阵网络封装固定在介质集成悬置线的空腔中，巴特勒矩阵网络的部件与介质集成悬置线的空腔一一对应。
其中，介质集成悬置线包括：从上到下排列的五层介质基板，每层介质基板正面和背面均设有电路板，其中，对第2-4层介质基板分别进行挖槽镂空处理，挖槽的数量与巴特勒矩阵网络的部件数量匹配，镂空槽与上下电路板形成空腔。
其中，介质集成悬置线的空腔分布形状与巴特勒矩阵网络的部件分布形状匹配。
其中，介质集成悬置线的空腔数量与巴特勒矩阵网络的部件数量相等。
其中，空腔与空腔之间采用金属化通孔进行隔离。因此器件与器件之间可以实现相互隔离，互不影响，使得整个电路系统的设计变得更加灵活和高效。
其中，所述巴特勒矩阵网络为4乘4的巴特勒矩阵网络，所述巴特勒矩阵网络包括：4个正交耦合器、2个交叉结、2个45度的移相器、2个0度的移相器。
其中，所述巴特勒矩阵网络包括：4个输入端口1-4和4个输出端口5-8，其中，正交耦合器的四个端口分别为输入端，耦合器，直通端和隔离端。移相器的两个端口一个为输入(输出)，一个为输出(输入)。交叉结的四个端分别为输入端，直通端，以及2个隔离端。正交耦合器的耦合端与移相器的一个端口连接，正交耦合器的直通端与交叉结的输入端连接，正交耦合器的输入端和隔离端分别作为巴特勒矩阵网络的输入端口1和输入端口2。其他连接方式类似。
其中，五层介质基板Substrate1-Substrate5为：Substrate1:Fr4材料，厚度0.6mm,介电常数4.4；Substrate2:Fr4材料，厚度0.6mm,介电常数4.4；Substrate3:Rogers5880材料，板厚0.25mm，介电常数2.2；Substrate4:Fr4材料，厚度0.6mm,介电常数4.4；Substrate5:Fr4材料，厚度0.6mm,介电常数4.4，巴特勒矩阵的中心频率25.45GHz,带宽为24.5GHz-26.5GHz。介质基板的也可以采用其他材料和其他厚度的介质基板，此处仅仅是一个样例。
本申请还提供了一种天线馈电网络，所述天线馈电网络采用上述基于介质集成悬置线的巴特勒矩阵网络结构与天线连接。
本申请还提供了一种汽车防撞雷达，汽车防撞雷达的天线馈电网络部件为上述的天线馈电网络。
本发明提供的巴特勒矩阵网络，可以应用在24GHz汽车防撞雷达系统。该巴特勒矩阵网络基于介质集成悬置线(SISL)的平台，采用贴片结构的耦合器和交叉结，利用SISL的自封装特性，并采取切除介质和双层金属走线的，可以分别有效减小电路的辐射损耗、介质损耗和金属损耗，从而实现低损耗巴特勒矩阵网络的设计。与此同时，基于SISL的平台，可以实现较高的集成度，易于与天线、有源电路以及其他平面电路集成。采用标准的印制电路板加工工艺，加工成本低。
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1)自封装。基于介质集成悬置线的平台，所有的电路模块包括耦合器、交叉结、移相器都封装在多层板内部，实现自封装的性能。
2)低损耗。分别利用自封装性能、双层金属布线、挖除介质的方法，减小了辐射损耗、金属损耗、介质损耗，进而实现了低损耗的性能。
3)低成本。由于采用多层印制电路的加工工艺，并且不需要额外的机械加工和后期装配，具有加工成本低廉的优势。
4)高集成度。采用了“蜂窝”的概念结构，将所有的电路模块分别分配一个独立的空腔腔体结构，各个腔体结构采用一排或多排金属化通孔进行隔离，从而使得电路模块之间可以实现互相隔离，使得整个系统网络的设计更加灵活高效。另外，与天线以及其他平面的电路也易于集成。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1是4乘4巴特勒矩阵网络及其天线波束图；
图2是SISL巴特勒矩阵横截面图；
图3是SISL巴特勒矩阵三维结构图及每层图形；
图4是SISL巴特勒矩阵的第三层介质基板的形状示意图；
图5是SISL巴特勒矩阵的平面视图；
图6是加上过渡结构的SISL巴特勒矩阵平面视图；
图7是SISL巴特勒矩阵的测试散射参数示意图；
图8是SISL巴特勒矩阵的测试相位信息示意图；
图9是SISL巴特勒矩阵网络与SISL天线的集成示意图；
图10是SISL巴特勒矩阵网络与SISL天线集成后的天线辐射方向示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于介质集成悬置线的巴特勒矩阵网络结构，解决了现有的巴特勒矩阵网络存在电路版图布局困难，损耗较大的技术问题，实现了基于介质集成悬置线的巴特勒矩阵网络损耗较低，易于集成的技术效果。
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
巴特勒矩阵网络是一种N乘N的多端口网络，有N个输入端口，N个输出端口。一个4乘4的巴特勒矩阵网络由4个正交耦合器(coupler)，2个交叉结(crossover)，2个45度的移相器，以及2个0度的移相器构成，如图1所示。其中2个0度的移相器主要用来补偿在实际电路中交叉结所产生的相位延迟。输出端口5到输出端口8分别接天线，当输入端口1到端口4分别激励时，将产生4个不同方向的波束，如图1所示。
最终，该巴特勒矩阵网络在SISL的平台上进行了实现。SISL结构由五层双面PCB构成，包括五层介质基板Substrate1到Substrate5，十层电路板G1到G10。第二层和第四层介质基板进行挖槽镂空，其中每一层介质基板共挖除10个槽，主体电路部分位于第三层介质基板，第三层介质基板也进行一定形状的挖除镂空。SISL巴特勒矩阵的横截面视图如图2所示。其三维多层分解图，以及五层介质基板和十层金属层的结构如图3所示。
从图3中可以看出，该SISL巴特勒矩阵网络的实现采用“蜂窝”的概念，即每一个器件分配一个单独的空气腔体结构，空腔与空腔之间采用一排金属化通孔进行隔离，如图2所示，因此器件与器件之间可以实现相互隔离，互不影响，使得整个电路系统的设计变得更加灵活和高效。
耦合器和交叉结都采用的是贴片形状的结构，移相器采用的是弯曲线的结构。
为了减小电路的损耗，我们分别从辐射损耗、导体损耗、介质损耗三个方面进行。
1)减小辐射损耗。采用介质集成悬置线自封装的形式，几乎所有的电磁场能量都被限制在空腔内部，所以内部电路的辐射损耗可以得到减小。
2)减小导体损耗。采用双层金属层，并用金属化通孔进行连接，可以增大金属的等效横截面积，从而减小金属损耗。
3)减小介质损耗。除了第二层介质基板和第四层介质基板进行挖空之外，第三层介质基板也进行了挖槽处理，并且同时保证必要的介质连接和机械支撑。详见图4，图4为第三层介质基板的形状。图5为SISL巴特勒矩阵的平面视图。
最后，所实现的巴特勒矩阵网络和天线统一在介质集成悬置线的平台上进行了一体化加工和实现。
该设计具有的优势如下：
1)自封装。基于介质集成悬置线的平台，所有的电路模块包括耦合器、交叉结、移相器都封装在多层板内部，实现自封装的性能。
2)低损耗。分别利用自封装性能、双层金属布线、挖除介质的方法，减小了辐射损耗、金属损耗、介质损耗，进而实现了低损耗的性能。
3)低成本。由于采用多层印制电路的加工工艺，并且不需要额外的机械加工和后期装配，具有加工成本低廉的优势。
4)高集成度。采用了“蜂窝”的概念结构，将所有的电路模块分别分配一个独立的空腔腔体结构，各个腔体结构采用一排或多排金属化通孔进行隔离，从而使得电路模块之间可以实现互相隔离，使得整个系统网络的设计更加灵活高效。另外，与天线以及其他平面的电路也易于集成。
实施例一：五层介质基板选为：
Substrate1:Fr4材料，厚度0.6mm,介电常数4.4
Substrate2:Fr4材料，厚度0.6mm,介电常数4.4
Substrate3:Rogers5880材料，板厚0.25mm，介电常数2.2
Substrate4:Fr4材料，厚度0.6mm,介电常数4.4
Substrate5:Fr4材料，厚度0.6mm,介电常数4.4
巴特勒矩阵的设计频段为：中心频率25.45GHz,带宽为24.5GHz-26.5GHz。
G1到G10为十层金属层。可以敷铜或者镀金。
耦合器和交叉结都采用的是贴片形状的结构，移相器采用的是弯曲线的结构。为了减小电路的损耗，我们分别从辐射损耗、导体损耗、介质损耗三个方面进行。如横截面视图所示，所有的空腔之间都采用至少一排金属化通孔进行隔离，因此电路模块与电路模块之间可以有很好的隔离作用，使得整个系统网络的设计更加灵活高效合理。最后加上过渡部分已进行测试，如图6所示。，采用多层PCB的加工工艺，进行了一体化加工，(S-Parameters:散射参数)(S11,S21….S81:端口1输入时的散射参数)(Frequency：频率)(GHz：千兆赫兹)，测试结果如图7和图8所示，(Frequency：频率)(GHz：千兆赫兹)phasedifference(degree):相位差(角度)；phase(61-51),端口1输入时，端口6和端口5的相位差；phase(62-52),端口2输入时，端口6和端口5的相位差；phase(63-53),端口3输入时，端口6和端口5的相位差；phase(64-54),端口4输入时，端口6和端口5的相位差；phase(71-61),端口1输入时，端口7和端口6的相位差；phase(72-62),端口2输入时，端口7和端口6的相位差；phase(73-63),端口3输入时，端口7和端口6的相位差；phase(74-64),端口4输入时，端口7和端口6的相位差；phase(81-71),端口1输入时，端口8和端口7的相位差；phase(82-72),端口2输入时，端口8和端口7的相位差；phase(83-73),端口3输入时，端口8和端口7的相位差；phase(84-74),端口4输入时，端口8和端口7的相位差；在24.5GHz到26.5GHz的频率范围内，所测得插损为1.1dB，输出相位误差小于8度。
实施例2
五层介质基板选为：
Substrate1:Fr4材料，厚度0.6mm,介电常数4.4
Substrate2:Fr4材料，厚度0.6mm,介电常数4.4
Substrate3:Rogers5880材料，板厚0.25mm，介电常数2.2
Substrate4:Fr4材料，厚度0.6mm,介电常数4.4
Substrate5:Fr4材料，厚度0.6mm,介电常数4.4
巴特勒矩阵的设计频段为：中心频率25.45GHz,带宽为24.5GHz-26.5GHz。
耦合器和交叉结都采用的是贴片形状的结构，移相器采用的是弯曲线的结构。天线同样也在SISL的平台上进行了实现。为了减小电路的损耗，我们分别从辐射损耗、导体损耗、介质损耗三个方面进行。最后加上过渡部分已进行测试，如图9所示。对于巴特勒矩阵网络与天线的集成，共有14个空气腔体部分。
仿真的天线扫描角范围为正负47度，如图10所示，Gain(dB)：增益(分贝)；Port1-4:端口1到4分别激励时；Angle(degree)：扫描角(角度)。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种基于介质集成悬置线的巴特勒矩阵网络结构，其特征在于，所述结构包括：
巴特勒矩阵网络和介质集成悬置线平台，巴特勒矩阵网络封装固定在介质集成悬置线平台的空腔中，巴特勒矩阵网络的部件与介质集成悬置线平台的空腔一一对应。
2.根据权利要求1所述的基于介质集成悬置线的巴特勒矩阵网络结构，其特征在于，介质集成悬置线平台包括：从上到下排列的五层介质基板，每层介质基板正面和背面均设有金属层，其中，对第2至4层介质基板分别进行挖槽镂空处理，挖槽的数量与巴特勒矩阵网络的部件数量匹配，镂空槽与上下电路板形成空腔。
3.根据权利要求2所述的基于介质集成悬置线的巴特勒矩阵网络结构，其特征在于，介质集成悬置线平台的空腔分布形状与巴特勒矩阵网络的部件分布形状匹配。
4.根据权利要求2所述的基于介质集成悬置线的巴特勒矩阵网络结构，其特征在于，介质集成悬置线平台的空腔数量与巴特勒矩阵网络的部件数量相等。
5.根据权利要求2所述的基于介质集成悬置线的巴特勒矩阵网络结构，其特征在于，空腔与空腔之间采用金属化通孔进行隔离。
6.根据权利要求1所述的基于介质集成悬置线的巴特勒矩阵网络结构，其特征在于，所述巴特勒矩阵网络为4乘4的巴特勒矩阵网络，所述巴特勒矩阵网络包括：4个正交耦合器、2个交叉结、2个45度的移相器、2个0度的移相器。
7.根据权利要求2所述的基于介质集成悬置线的巴特勒矩阵网络结构，其特征在于，巴特勒矩阵的应用频段范围包括但不限于：24GHz、28GHz、60GHz、77GHz中的一种。
8.一种天线馈电网络，其特征在于，所述天线馈电网络采用权利要求1-7中任意一个所述的基于介质集成悬置线的巴特勒矩阵网络结构与天线连接。
9.一种汽车防撞雷达，其特征在于，所述汽车防撞雷达的天线馈电网络部件为权利要求8所述的天线馈电网络。
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