CN108511864A - 基于ltcc的缝隙耦合型波导微带转换装置及制备方法 - Google Patents

基于ltcc的缝隙耦合型波导微带转换装置及制备方法 Download PDF

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    • H01P5/00Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/08Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices
    • H01P5/10Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices for coupling balanced lines or devices with unbalanced lines or devices
    • H01P5/107Hollow-waveguide/strip-line transitions

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  • Waveguide Switches, Polarizers, And Phase Shifters (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于LTCC的缝隙耦合型波导微带转换装置及制备方法,包括:波导1;基板2,设置于所述波导1的第一端面;金属柱阵列3,设置于所述基板2内;接地板4,设置于所述基板2上;介质板5,设置于所述接地板4上;微带板6,设置于所述介质板5上。本发明提供的基于LTCC基板的E波段缝隙耦合型波导微带转换装置,在获得较大的传输带宽的同时解决了相关波导微带转换装置在LTCC基板上的装配问题,并使得波导微带在水平方向上占用的空间有所减小,进一步地提高波导微带转换装置在LTCC基板上的实用性。

Description

基于LTCC的缝隙耦合型波导微带转换装置及制备方法
技术领域
本发明涉及毫米波通信技术领域,具体涉及一种频段在E波段,且基于LTCC的缝隙耦合型波导微带转换装置及制备方法。
背景技术
随着微波、毫米波技术在现代无线通信系统中的高速发展,微波毫米波混合集成电路在军用雷达、制导等武器系统以及民用通信等领域得到了广泛的应用,尤其是未来5G潜在使用频段-E波段在近几年也引起了移动通信领域的关注。Nokia、华为与德国电信陆续在2015、2016年展出了73GHz空中传输(Over-the-Air Technology,简称OTA)成果,相关的研究也在持续进行。由于73GHz频段有2GHz的连续带宽可以使用,而这是5G拟议频率频谱中范围最广的,所以对该波段的研究尤为重视。
毫米波固态电路的对外接口大多采用波导结构,同时电路测试模块也大多采用波导结构,方便进行测试,也方便与其它有源、无源电路及天线等互联组成毫米波频段的电路模块以及系统。在毫米波频段进行电路测试时,需要采用波导微带过渡结构实现电磁波的过渡,即从波导的TE10模式转换为微带的准TEM模式。另外,波导微带转换装置也常用于微带天线和微波传输线之间,由于矩形波导功率容量较大,衰减较小,因而波导微带转换装置可用于降低微带天线的损耗。
常用的波导微带转换装置可以分为以下几类:脊波导转换、过渡鳍线转换和探针转换型。在毫米波低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic,简称LTCC)组件中,上述的几种转换结构的过渡基本都是水平过渡,横向占用的空间比较大,而且在LTCC基板上进行装配时,会落到基板的外侧,不利于整体结构的设计和各个组件之间的衔接,此外,上述几种结构还需要将LTCC基板切割成特殊形状,加大了加工难度,使得组件的设计复杂化。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题,本发明提出一种基于LTCC的缝隙耦合型波导微带转换装置及制备方法。
具体地,一方面,本发明的一个实施例提供了一种基于LTCC的缝隙耦合型波导微带转换装置,包括:
波导1;
基板2,设置于所述波导1的第二端面;
金属柱阵列3,设置于所述基板2内;
接地板4,设置于所述基板2上;
介质板5,设置于所述接地板4上;
微带板6,设置于所述介质板5上。
在本发明的一个实施例中,所述接地板4上开有矩形槽7,其中,所述矩形槽7位于所述金属柱阵列3上方,且小于所述金属柱阵列3。
在本发明的一个实施例中,所述矩形槽7为耦合槽,长度为1/2导波波长,宽度为1/4的导波波长。
在本发明的一个实施例中,所述波导1为矩形波导;其中,所述金属柱阵列3与所述矩形波导的第一端面的开口对齐。
在本发明的一个实施例中,所述基板2为四层Ferro-A6S生瓷带。
在本发明的一个实施例中,所述金属柱阵列3为矩形铜柱阵列。
在本发明的一个实施例中,所述接地板4的材料为铜。
在本发明的一个实施例中,所述介质板5为两层Ferro-A6S生瓷带。
在本发明的一个实施例中,所述微带板6包括依次电连接的耦合探头61、第一渐变线62、高阻抗线63、第二渐变线64及微带线65。
另一方面,本发明的一个实施例提供了一种基于LTCC的波导微带转换装置的制备方法,包括:
步骤1:在四层Ferro-A6S生瓷介质基板中制备金属柱阵列;
步骤2:在所述四层Ferro-A6S生瓷介质基板上方铺铜材料作为接地板;
步骤3:在所述金属柱阵列上方的所述接地板上开设矩形槽,所述矩形槽小于所述金属柱阵列;
步骤4:在所述接地板上制备两层Ferro-A6S生瓷介质板;
步骤5:在所述两层Ferro-A6S生瓷介质板铺铜材料;
步骤6:在所述铜材料刻蚀微带板;
步骤7:在所述基板下方装配波导以完成所述波导微带转换装置的制备,其中,所述波导第一端面的开口与所述金属柱阵列对齐。
本发明的有益效果在于:提供一种基于LTCC基板的E波段缝隙耦合型波导微带转换装置,得到较大的传输带宽,同时解决相关波导微带转换装置在LTCC基板上的装配问题,并使得波导微带在水平方向上占用的空间有所减小,进一步地提高波导微带转换装置在LTCC基板上的实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于LTCC的波导微带转换装置结构示意图;
图2为本发明实施例提供的微带板结构示意图;
图3为本发明实施例提供的波导微带转换装置的尺寸标注示意图;
图4为本发明实施例提供的波导微带转换装置的介质板尺寸标注示意图;
图5为本发明实施例提供的波导微带转换装置的主视图;
图6为本发明实施例提供的波导微带转换装置的俯视图;
图7为本发明实施例提供的波导微带转换装置的左视图;
图8-图10为本发明实施例提供的基于LTCC的波导微带转换装置的制备方法流程图;
图11为本发明实施例提供的波导微带转换装置的电磁仿真结果图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
实施例一
请参见图1,图1为本发明实施例提供的基于LTCC的波导微带转换装置结构示意图,包括:
波导1,第一端面开有开口;
基板2,设置于所述波导的第二端面;
接地板4,设置于所述基板上;
介质板5,设置于所述接地板上;
微带板6,设置于所述介质板上。
进一步地,还包括金属柱阵列3,其中,所述金属柱阵列3设置于所述基板2内;利用金属柱阵列作为波导壁,因而不需要对标准波导和基板形状作任何改变。
具体地,所述金属柱阵列3为矩形铜柱阵列。
进一步地,所述接地板4上开有矩形槽7;所述矩形槽7作为耦合槽,其长度约为1/2导波波长,其宽度约为1/4的导波波长;优选地,所述矩形槽7的长度为1/2导波波长,其宽度为1/4的导波波长。
优选地,所述矩形槽7的位于所述金属柱阵列3上方,且小于所述金属柱阵列3。
具体地,所述波导1为矩形波导,为中空的长方体结构,所述波导1的第一端面开有第一开口,所述第一开口与所述金属柱阵列3对齐;所述波导1的第二端面开有第二开口,所述第一开口至所述第二开口形成中空腔体;
优选地,所述第一开口与所述第二开口均为长方形结构且大小相等,所述中空腔体为长方体结构;所述第二开口处用于电磁波的馈入,电磁波穿过中空腔体并通过所述第一开口进入所述金属柱阵列3。
具体地,所述基板2为四层Ferro-A6S生瓷带介质基板;
优选地,所述接地板4的材料为铜。
优选地,所述介质板5为两层Ferro-A6S生瓷带。
具体地,请参见图2,图2为本发明实施例提供的微带板结构示意图,所述微带板6包括依次电连接的耦合探头61、第一渐变线62、高阻抗线63、第二渐变线64及微带线65。
其中,所述第一渐变线62可以减小耦合探头61与高阻抗线63之间的反射,同时具有约束电磁能量的作用;第二渐变线64用于阻抗匹配。
优选地,所述微带线65为50Ohm微带线。
本实施例提供的波导微带转换装置,通过将矩形波导安装在LTCC基板下方,节省了空间,有助于整体微波结构的设计与拓展;同时,该结构在LTCC多层布线基板中采用了金属柱阵列等效替换波导壁,因而不需要对标准波导和LTCC基板形状作任何改变,在LTCC组件中使用很方便,便于加工,而且转换对LTCC基板和波导的机械安装公差要求较低。
实施例二
为了便于理解本发明提供的基于LTCC的波导微带转换装置,本实施例在上述实施例的基础上列举具体参数对基于LTCC的波导微带转换装置进行详细描述。
具体地,请参见图3,图3为本发明实施例提供的波导微带转换装置的尺寸标注示意图;请参见图4,图4为本发明实施例提供的波导微带转换装置的介质板尺寸标注示意图;请参见图5,图5为本发明实施例提供的波导微带转换装置的主视图;请参见图6,图6为本发明实施例提供的波导微带转换装置的俯视图;请参见图7,图7为本发明实施例提供的波导微带转换装置的左视图。
请参见图3,其中,所述矩形波导中空的内切面形成的矩形即所述波导壁截面的尺寸为3.0988mm*1.5494mm;所述耦合探头61与波导壁间距d为0.54mm,所述耦合探头61宽度wp为0.652mm,所述耦合探头61长度lp为0.666mm,所述耦合探头61与所述高阻抗线63之间的所述第一渐变线62长度l1为0.34mm,所述高阻抗线63宽度wm为0.1mm,所述高阻抗线63长度l2为0.7mm,所述第二渐变线64长度l3为0.3mm,所述微带线65宽度w为0.285mm,所述矩形槽7长度a为2mm,所述矩形槽7宽度b为1mm。
优选地,所述基板2的四层Ferro-A6S生瓷带每一层的厚度均为0.094mm;其中,所述Ferro-A6S生瓷带的介电常数为6.2,损耗正切值为0.002。
进一步地,请参见图4,图4为本发明实施例提供的波导微带转换装置的介质板尺寸标注示意图;其中,所述基板2的尺寸hsub1为0.376mm,所述介质板5的厚度为0.188mm,即为两层Ferro-A6S生瓷带的厚度。所述基板2与所述介质板5的中间层即所述接地板4,材料为铜,厚度为0.017mm;所述微带板6的材料为铜,厚度为0.017mm。所述基板2打孔并填充金属铜形成所述金属柱阵列3,打孔直径为0.097mm,孔间距为0.2425mm,即为孔径的2.5倍。
本实施例提供的波导微带转换装置,相比较KU波段的缝隙耦合型波导微带转换结构,带宽从约1.2GHz增加到约3GHz,带宽得到了很大的提高。
实施例三
为了便于理解本发明的工作原理,本实施例在上述实施例的基础上对基于LTCC的波导微带转换装置的制备方法进行详细描述。
具体地,请参见图8-图10,图8-图10为本发明实施例提供的基于LTCC的波导微带转换装置的制备方法流程图,包括:
步骤1:选取四层Ferro-A6S生瓷带作为基板,在所述基板中制备金属柱阵列;
步骤2:在所述基板上方铺铜材料作为接地板;
步骤3:在所述金属柱阵列上方的所述接地板上开设矩形槽,所述矩形槽小于所述金属柱阵列;
步骤4:在所述接地板上制备两层Ferro-A6S生瓷带介质板;
步骤5:在所述两层Ferro-A6S生瓷带介质板上铺铜材料;
步骤6:在所述铜材料刻蚀微带板;
步骤7:在所述基板下方装配矩形波导以完成所述波导微带转换装置的制备。
本实施例提供的基于LTCC的波导微带转换装置的制备方法,制备的波导微带转换装置可以得到较大的传输带宽,同时解决相关波导微带转换结构在LTCC基板上的装配问题,并使得波导微带在水平方向上占用的空间有所减小,进一步地提高波导微带转换结构在LTCC基板上的实用性。
实施例四
为了便于理解本发明的工作原理,本实施例在上述实施例的基础上对基于LTCC的波导微带转换装置的工作原理进行详细描述。
具体地,请再次参见图1,以E波段的毫米波电磁波输入信号为例,输入信号从波导1的开口处馈入,穿过基板2中的金属柱阵列3,到达接地板4的平面层,输入信号进一步通过矩形槽7,然后穿过介质板5;进一步将信号耦合到微带板6的耦合探头61上,经过约束电磁能量的第一渐变线62,利用高阻抗线63进行容性去耦,利用第二渐变线64完成和微带线65的阻抗匹配,最后传输到微带线65上,完成整个信号转换与传输过程。
实施例五
为了便于理解本发明的工作原理,本实施例在上述实施例的基础上采用三维电磁仿真软件建模对基于LTCC的波导微带转换装置的工作性能进行分析。
优选地,使用三维电磁仿真软件Ansys HFSS建模,其中,波导1为矩形波导,材料使用金属铜,波导1内部介质为空气,金属柱阵列3均为金属铜,基板2和介质板5均为Ferro-A6S生瓷带,微带板6与接地板4的材料均为金属铜。波导1下侧输入E波段的毫米波激励信号,即为port1,在微带输出部分测试输出信号的性能,即为port2。信号从port1到port2,完成了从矩形波导到微带信号的转换;其中,E波段电磁信号的中心频率选用73GHz。
具体地,E波段的毫米波通过矩形波导到达基板和介质板,通过在接地板上开一矩形槽,E波段的毫米波穿过该矩形槽,再由矩形槽上方的耦合探头耦合到微带线上;同时,通过对基板进行打孔并填充金属,形成通孔阵列等效代替波导壁,亦即用以等效深入LTCC基板内部的矩形波导。其中,所述介质板的上表面设置有微带板,所述介质板的下表面为接地板(该接地板做了开槽)。按照开槽耦合微带天线的设计理论,开槽的长度为1/2导波波长,开槽的宽度为1/4的导波波长。E波段的毫米波到达耦合探头后,经过高阻抗线进行电容的去耦,之后利用第二渐变线完成和50Ohm微带线之间的阻抗匹配,最终完成整个信号转换与传输过程。
优选地,本发明用第二渐变线代替四分之一阻抗匹配结构。
具体地,请参见图11,图11为本发明实施例提供的波导微带转换装置的电磁仿真结果图,完成建模后,通过对整体结构的优化。得到了图11的结果,其中曲线分别为插入损耗S21、回波损耗S11。可以看出本发明在频率为73GHz时,电磁波具有极小的回波损耗,约为-49.16dB,远小于-20dB,同时S11在-20dB以下的频率范围有3GHz,大致为71.73GHz~74.76GHz,S21在该范围内均大于-0.68dB。
本实施例结合三维电磁场仿真软件,对结构进行了建模和合理的优化,得到了较好的结果。在73GHz附近,可以得到回波损耗在-20dB以下时具有3GHz的带宽,进一步地,在该条件下KU波段的转换结构仅有1.2GHz的带宽,因而在提高了导波频率的同时,也得到了更大的带宽。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于LTCC的缝隙耦合型波导微带转换装置,其特征在于,包括:
波导(1);
基板(2),设置于所述波导(1)的第一端面;
金属柱阵列(3),设置于所述基板(2)内;
接地板(4),设置于所述基板(2)上;
介质板(5),设置于所述接地板(4)上;
微带板(6),设置于所述介质板(5)上。
2.根据权利要求1所述的波导微带转换装置,其特征在于,所述接地板(4)上设置有矩形槽(7),其中,所述矩形槽(7)位于所述金属柱阵列(3)上方,且矩形槽(7)小于所述金属柱阵列(3)。
3.根据权利要求2所述的波导微带转换装置,其特征在于,所述矩形槽(7)为耦合槽,长度为1/2导波波长,宽度为1/4的导波波长。
4.根据权利要求1所述的波导微带转换装置,其特征在于,所述波导(1)为矩形波导;其中,所述金属柱阵列(3)与所述矩形波导的第一端面的开口对齐。
5.根据权利要求1所述的波导微带转换装置,其特征在于,所述基板(2)为四层Ferro-A6S生瓷带。
6.根据权利要求1所述的波导微带转换装置,其特征在于,所述金属柱阵列(3)为矩形铜柱阵列。
7.根据权利要求1所述的波导微带转换装置,其特征在于,所述接地板(4)的材料为铜。
8.根据权利要求1所述的波导微带转换装置,其特征在于,所述介质板(5)为两层Ferro-A6S生瓷带。
9.根据权利要求1所述的波导微带转换装置,其特征在于,所述微带板(6)包括依次连接的耦合探头(61)、第一渐变线(62)、高阻抗线(63)、第二渐变线(64)及微带线(65)。
10.一种基于LTCC的缝隙耦合型波导微带转换装置的制备方法,特征在于,包括:
步骤1:选取四层Ferro-A6S生瓷带作为基板,在所述基板中制备金属柱阵列;
步骤2:在所述基板上方铺铜材料作为接地板;
步骤3:在所述金属柱阵列上方的所述接地板上开设矩形槽,所述矩形槽小于所述金属柱阵列;
步骤4:在所述接地板上制备两层Ferro-A6S生瓷带介质板;
步骤5:在所述两层Ferro-A6S生瓷带介质板上铺铜材料;
步骤6:在所述铜材料刻蚀微带板;
步骤7:在所述基板下方装配波导以完成所述波导微带转换装置的制备,其中,所述波导第一端面的开口与所述金属柱阵列对齐。
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