CN108550969A - 一种可调谐介质集成射频传输线、耦合器及馈电网络 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可调谐介质集成射频传输线结构、耦合器及馈电网络，可调谐介质集成射频传输线结构，包括至少两层相互叠加在一起的介质基板，所述介质基板相互叠加接触的面之间设有至少一条金属信号线枝节，所述介质基板在远离金属信号线枝节的表面设有第一金属地层；所述第一金属地层设有至少一个调谐窗口，通过改变调谐窗口大小实现改变传输线的阻抗。耦合器，采用上述任意一项所述集成射频传输线结构构成。馈电网络，包括了以上所述的耦合器。本发明可以通过改变位于介质表面的调谐窗口的大小来改变传输线的特性阻抗以改善馈电网络输入输出端的阻抗匹配，简单易操作，大大提高了生产调试的效率。
Description
技术领域
本发明涉及微波毫米波通信技术领域，尤其涉及一种可调谐介质集成射频传输线结构、耦合器及馈电网络。
背景技术
随着第5代移动通信系统（5G）的迅速发展，无线通信频率越来越高，微波毫米波技术受到前所未有的关注。5G通信采用大规模天线阵列技术，馈电网络复杂度和损耗的大大增加成为制约其小型化，高度集成，易于生产调试的关键因素。传统的微带传输线以及波导网络在微波毫米波频段，暴露出了严重的缺陷，诸如损耗高，加工困难，体积大，难以调试，一致性差等缺点。
因此急需一种适用于微波毫米波频段大规模复杂馈电网络设计，并具有损耗小，互耦低，尺寸小，易集成，工艺难度低，生产效率高等优点的新型可调谐介质集成射频传输线。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可调谐介质集成射频传输线结构，包括至少两层相互叠加在一起的介质基板，所述介质基板相互叠加接触的面之间设有至少一条金属信号线枝节，所述介质基板在远离金属信号线枝节的表面设有第一金属地层；
所述第一金属地层设有至少一个调谐窗口，所述调谐窗口的垂直方向投影在介质基板相互叠加接触的面时能与金属信号线枝节能够干涉，用于通过改变调谐窗口大小改变传输线的阻抗。
进一步的，所述调谐窗口的深度不小于第一金属地层厚度，同时也不大于介质基板与第一金属地层厚度的和。
进一步的，所述调谐窗口还可以被非金属材料覆盖。
进一步的，所述调谐窗口形状包括矩形、梯形、多边形、圆形或者不规则形状。
进一步的，所述集成射频传输线结构还沿金属信号线边缘贯穿介质基板的设有金属化过孔，所述金属化过孔与第一金属地层接触。
进一步的，所述金属化过孔与金属信号线枝节边缘的距离设为小于0.1λ；
相邻的两个金属化过孔之间的间距小于0.05λ。
进一步的，所述金属信号线枝节相同的面还设有第二金属地层，所述第二金属地层与所述金属信号枝节为非接触。
公开了一种耦合器，采用上述任意一项所述集成射频传输线结构组成。
还公开了一种馈电网络，包括了上所述的耦合器。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明改变传输线的特性阻抗，主要是可通过介质基板表层的调谐窗口进行改变，应用在设计阶段，如果所需要的传输线特性阻抗很高，而很细的金属信号线受现有工艺难度的影响无法实现，就可以应用调谐窗口来实现高阻抗，降低了对工艺难度和精度的要求；同时也可以，通过改变金属化过孔与金属信号线边缘之间的距离进一步改变传输线特性阻抗，以便采用较细的金属信号线实现较低的阻抗，节省布局空间。另外，金属化过孔之间的间距的合理设置，可以有效减小能量损耗，减小各信号线之间的串扰，以使各条信号线可以靠的更近，进一步减小布局空间。
本发明相对传统技术中在生产调试阶段，调节馈电网络的阻抗匹配无法通过伸入到介质基板内部去改变金属信号线的宽度来实现，而采用本发明可以通过改变位于介质表面的调谐窗口的大小来改变传输线的特性阻抗以改善馈电网络输入输出端的阻抗匹配，简单易操作，大大提高了生产调试的效率。
本发明能适应5G馈电网络小型化，易集成，可调谐的系统要求。
【附图说明】
图1为集成射频传输线结构的示意图；
图2为集成射频传输线结构的剖视示意图；
图3为金属信号线枝节与第二金属地层的示意图；
图4为无调谐窗口的电场分布图的示意图；
图5为带有调谐窗口的电场分布图的示意图；
图6为改变调谐窗口大小而改变特性阻抗的线性变化图；
图7为改变调谐窗口深度而改变特性阻抗的线性变化图。
图8为集成射频传输线构成的耦合器结构俯视图；
图9为集成射频传输线构成的耦合器结构的中间层示意图；
图中标识：10-第一金属地层；20-介质基板；30-第二金属地层；40-金属信号线枝节；401-间隙；50-调谐窗口；60-金属化过孔。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参考附图1-3所示本发明中提供了一种可调谐介质集成射频传输线结构，包括至少两层相互叠加在一起的介质基板20，所述介质基板20相互叠加接触的面之间设有至少一条金属信号线枝节40，所述介质基板20在远离金属信号线枝节40的表面设有第一金属地层10；
所述第一金属地层10设有至少一个调谐窗口50，所述调谐窗口50的垂直方向投影在介质基板20相互叠加接触的面时能与金属信号线枝节40能够干涉，用于通过改变调谐窗口50大小实现改变传输线的阻抗。
也可以认为所述第一金属地层10设在介质基板20的最上表面和最下表面，形成基础的介质基板20。需要指出的是，本实施例中所述调谐窗口50设于最上表面；另外的实施例中也可以是设这在最下表面，或者两个表面都设置有，也就是说可以根据具体要调节的要求进行合理的设计。
通常的，介质基板20可以是多层结构，这里主要针对两层结构进行介绍，但是不局限于两层结构，也就是说其它的实施例中介质基板20可以是三层或者四层，根据实际要求进行增减设计。两层介质基板20压合在一起形成一个整体，同时在两层介质基板20的中间接触结合的部位设置金属信号线枝节40。
在其他实施案例中，介质基板20设为三层结构，此时介质基板20为依次叠加结构，在最上介质基板与中间介质基板，中间介质基板与最下介质基板之间分别接触，而接触面设有所述金属信号线枝节40。也可以理解为中间层的介质基板的上下两个面分别设置有所述金属信号线枝节40。也就是说在在另外的实施例中在介质基板进行增加的情况下接触面都可以增设所述金属信号线枝节40。
本方案进一步的，所述还设有贯穿介质基板20的金属化过孔60，金属化过孔60与第一金属地层10接触。所述金属化过孔60是沿着靠近金属信号线枝节40的边缘均匀的设置，金属化过孔60之间的间距小于0.05λ，金属化过孔60将最上表面和最下表面的第一金属地层10相连通，形成等电势，以减小能量损耗，减小传输线间的串扰。这里需要指出的是λ为工作波长。
本方案还可以通过改变金属化过孔60与金属信号线枝节40边缘之间的距离，从而实现改变所对应的金属信号线枝节40的特性阻抗。本实施例具体的，金属化过孔60与金属信号线边缘之间的距离设为D，同时D小于0.1λ，然后通过改变这个D的大小来改变所对应的信号线的特性阻抗。
还需要指出的是，金属化过孔60不与所述调谐窗口50接触，也可以认为是，调谐窗口50的长度小于金属信号线40两侧的金属化过孔60之间的距离。
本方案中进一步的，为了达到更好的调节相应的金属信号线枝节的特性阻抗，可以对调谐窗口50的深度进行改变，所述调谐窗口50的深度不小于第一金属地层10厚度，同时也不大于介质基板20与第一金属地层10厚度的和。
可以理解的，一实施例中调谐窗口50的深度等于第一金属地层10厚度；另外的实施例中调谐窗口50的深度可以继续向介质基板20延伸，但是最深深度不能接触穿透介质基板20的厚度。生产时可以根据实际使用的情况进行改变调谐窗口50的深度进行改变相应的金属化信号线枝节的特性阻抗，也达到了实现改变阻抗的多样性。
本方案中进一步的，所述调谐窗口50还可以被非金属材料覆盖。可以认为是填充有非金属材料，通过填充改变调谐窗口50的深度改变，从而达到调节相应的金属信号线枝节的特性阻抗，同时也可以达到后期通过改变调谐窗口的深度达到特性阻抗的目的，可以根据需要改变使得产品的用户体验更好也节省使用成本，这里非金属材料如陶瓷、橡胶或玻璃等。
本方案中进一步的，所述调谐窗口50形状包括矩形、梯形、多边形、圆形或者不规则形状，对应更复杂的阻抗变化。
本实施例中，所述调谐窗口50的形状为矩形，另外的实施例中，调谐窗口50可以是单独的一个或多个梯形结构凹槽、圆形凹槽、椭圆形凹槽或者八边形凹槽。也就是说可以阻抗匹配设计需要进行改变调谐窗口50的形状，上述形状只是作为举例说，也就是说并不局限于上述的形状。
进一步的，所述金属信号线枝节40相同的面还设有第二金属地层30，所述第二金属地层30与所述金属信号枝节为非接触。具体的，另一实施例中，由于介质基板20为三层结构，此时介质基板20为依次叠加结构，在最上介质基板与中间介质基板，中间介质基板与最下介质基板之间分别接触，而接触面设有所述金属信号线枝节40。也可以理解为中间层的介质基板的上下两个面分别设置有所述金属信号线枝节40，此时也可选择的在中间层的介质基板的上下两个面还分别设有第二金属地层30，而该第二金属地层30与金属信号线枝节40之间存在一定的距离。
同时的，金属化过孔60不但将最上表面和最下表面的第一金属地层10相连通，同时还与第二金属地层30相连通，形成等电势，以减小能量损耗，减小传输线间的串扰。
对本发明的可调谐介质集成射频传输线结构进行电磁场理论分析，由附图4和5所示的剖面图给出，图中的箭头代表电场分布状态，箭头的大小代表场强大小。图4中无调谐窗口的存在，电场分布及场强大小关于两层介质的接触面对称，两层介质的等效介电常数保持相同；图5中引入调谐窗口，电场分布向上层介质表面扩散，场强大小将随调谐窗口的大小发生变化，上层介质的等效介电常数随之改变，使两层介质相叠加后总的等效介电常数也随之改变，进而改变了传输线自身的特性阻抗。另外，沿金属信号线边缘设置的金属化过孔，能够将介质内部的电磁场束缚在有限空间内，金属信号线与金属化过孔之间的电场分布及电场大小将随两者之间的间距大小改变而变化，金属信号线对金属地所产生的容感性随之改变，进而改变传输线自身的特性阻抗。
如附图6可见，通过改变调谐窗口的大小可使传输线的特性阻抗近似的线性变化，调谐窗口宽度从0mm增加到2mm，特性阻抗从39.5Ω增加到59Ω；为进一步增加传输线的特性阻抗，可以改变调谐窗口的深度，如附图7可见，调谐窗口深度从0.2mm增加到0.7mm，特性阻抗从62Ω增加到78.2Ω。
公开了一种耦合器，采用上述任意一项所述可调谐介质集成射频传输线结构构成。参考附图7-9所示如下详细介绍如下：
在本实施例中，采用所述的可调谐介质集成传输线构成了一个耦合器，金属信号线枝节40为两条，金属信号线枝节40其中一边相互接近设置，两相互靠近的边形成了一条间隙401，所述金属信号线枝节40的末端形成四个端口，其中一个端口接有隔离电阻，另外三个端口接射频转接头，用于实现信号输入、信号输出和信号耦合的目的。在本实施例中所述的间隙401是规则的直线间隙；另外的实施例中间隙401可以是锯齿形等不规则的间隙。
在本实施例中，由于是两个金属信号线枝节40，所述调谐窗口50设为跨越两个金属信号线枝节40中间的间隙401，调谐窗口50的垂直方向投影能与两个金属信号线枝节40都有干涉部分。
而为了跟好的达到调节阻抗的目的，可以针对需求对调谐窗口50数量进行调整。本实施例中调谐窗口50的数量设为五个，同时五个调谐窗口50之间为等距的均匀沿着缝隙设置。
本方案是通过改变调谐窗口50的长宽，达到特性阻抗形成高阻-低阻交替变化的调节目的。
本实施例采用了五个调谐窗口50，长度设为L，宽度设为W，彼此间距设为S，例进行说明。当线性的改变L和W，调谐窗口50正下方所对应的这一段金属信号线的特性阻抗可随之产生连续的变化，但S正下方所对应的这一段金属信号线的特性阻抗保持不变，这样整条传输线的特性阻抗就会形成不同阻抗的级联，以有效改善输入输出端的阻抗匹配。
还公开了一种馈电网络，包括了上所述的耦合器。
本发明改变传输线的特性阻抗，主要是可通过介质基板表层的调谐窗口进行改变，应用在设计阶段，如果所需要的传输线特性阻抗很高，而很细的金属信号线受现有工艺难度的影响无法实现，就可以应用调谐窗口来实现高阻抗，降低了对工艺难度和精度的要求；同时也可以，通过改变金属化过孔与金属信号线边缘之间的距离进一步改变传输线特性阻抗，以便采用较细的金属信号线实现较低的阻抗，节省布局空间。另外，金属化过孔之间的间距的合理设置，可以有效减小能量损耗，减小各信号线之间的串扰，以使各条信号线可以靠的更近，进一步减小布局空间。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可调谐介质集成射频传输线结构，其特征在于：包括至少两层相互叠加在一起的介质基板（20），所述介质基板（20）相互叠加接触的面之间设有至少一条金属信号线枝节（40），所述介质基板（20）在远离金属信号线枝节（40）的表面设有第一金属地层（10）；
所述第一金属地层（10）设有至少一个调谐窗口（50）；
所述调谐窗口（50）的垂直方向投影在介质基板（20）相互叠加接触的面时能与金属信号线枝节（40）能够干涉，用于通过改变调谐窗口（50）大小实现改变传输线的特性阻抗。
2.如权利要求1所述的集成射频传输线结构，其特征在于：所述调谐窗口（50）的深度不小于第一金属地层（10）厚度，同时也不大于介质基板（20）与第一金属地层（10）厚度的和。
3.如权利要求2所述的集成射频传输线结构，其特征在于：所述调谐窗口（50）还可以被非金属材料覆盖。
4.如权利要求1所述的集成射频传输线结构，其特征在于：所述调谐窗口（50）形状包括矩形、梯形、多边形、圆形或者不规则形状。
5.如权利要求1所述的集成射频传输线结构，其特征在于：所述集成射频传输线结构还沿金属信号线枝节（40）边缘贯穿介质基板（20）的设有金属化过孔（60），所述金属化过孔（60）与第一金属地层（10）接触连接。
6.如权利要求5所述的集成射频传输线结构，其特征在于：所述金属化过孔（60）与金属信号线枝节（40）边缘的距离设为小于0.1λ。
7.如权利要求5所述的集成射频传输线结构，其特征在于：相邻的两个金属化过孔（60）之间的间距小于0.05λ。
8.如权利要求1所述的集成射频传输线结构，其特征在于：所述金属信号线枝节（40）相同的面还设有第二金属地层（30），所述第二金属地层（30）与所述金属信号枝节为非接触。
9.一种耦合器，其特征在于：采用权利要求1-8任意一项所述集成射频传输线结构构成。
10.一种馈电网络，其特征在于：包括了权利要求9所述的耦合器。
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