CN109802211A - 一种基于模式转换的csiw传输线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模式转换的CSIW传输线，包括介质基板以及分别设置在介质基板上、下表面的顶层金属层、底层金属层，所述顶层金属层和所述底层金属层的一侧分别上下对应设置有多个开路枝节，所述顶层金属层远离所述开路枝节的一侧设置有长条缝隙，所述长条缝隙远离所述开路枝节的一侧为中心导带。本发明的基于模式转换的CSIW传输线具有两种传输模式，与传统的CSIW相比，其整体尺寸缩小近一半；且其带宽更宽，插入损耗与回波损耗更好。

Description

一种基于模式转换的CSIW传输线

技术领域

本发明涉及微波传输线技术领域，尤其涉及一种基于模式转换的CSIW传输线。

背景技术

近些年，微波传输线技术快速发展。继波导、微带线、槽线等传输线相继出现后，一种新型微波传输线基片集成波导(SIW)也相继出现。传统的微带线具有体积小、易于与平面电路集成等优点；但另一方面由于其半开放结构使得微带传输线在频率比较高的时候辐射损耗变得十分大，因此导致微带线在高频时的应用受到限制。传统的矩形波导具有功率容量大、损耗较小等优点，因此在高频时得到广泛应用；但另一方面，由于其体积比较大，在与平面电路集成时会显得十分困难。因此，为了解决这两种缺点，出现了基片集成波导(SIW)这种新型微波传输线。它既具有损耗较小，又具有功率容量大、易于与平面电路集成等优点。因此在频率较高时，基片集成波导(SIW)得到了非常广的应用。

基片集成波导的上下铜面由金属通孔相连，因此其在于有源器件集成时会造成短路的现象，而且金属通孔的加工也十分不便，误差很大。所以为了解决上述两个问题，出现了梳状基片集成波导(CSIW)这种新型传输线，它在传输线的两侧用四分之一波长的开路枝节来代替金属通孔。因此与基片集成波导相比，CSIW既易于加工也能和有源器件集成。

但是，CSIW传输线在频率较低时可近似为两侧加载枝节的微带传输线，插入损耗波动较大，在高频时又由于高次模的影响其传输性能也十分不理想。因此在这两种因素的影响下，CSIW的传输带宽相对较窄，限制了其应用范围。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于模式转换的CSIW传输线，该传输线具有两种传输模式，且与传统的CSIW相比，其整体尺寸缩小近一半；在同等条件情况下，该传输线与传统的CSIW相比，其带宽更宽，插入损耗与回波损耗更好。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种基于模式转换的CSIW传输线，包括介质基板以及分别设置在介质基板上、下表面的顶层金属层、底层金属层，所述顶层金属层和所述底层金属层的一侧分别上下对应设置有多个开路枝节，所述顶层金属层远离所述开路枝节的一侧设置有长条缝隙，所述长条缝隙远离所述开路枝节的一侧为中心导带。

本发明技术方案的特点和进一步的改进在于：

优选的，多个所述开路枝节相互平行且均匀布设。

进一步优选的，所述开路枝节的长度为工作频率波长的四分之一。

优选的，相邻两个所述开路枝节之间的间距小于所述CSIW传输线的宽度。

优选的，所述长条缝隙的宽度满足：w+s>h；式中，w为中心导带的宽度，s为长条缝隙的宽度，h为介质基板的厚度。

优选的，所述中心导带的宽度为在8GHz工作频率下工作且阻抗为50Ω的微带线的宽度。

优选的，所述长条缝隙的两端还分别设置有与所述长条缝隙相连通的三角形缝隙。

本发明的基于模式转换的CSIW传输线的工作频率为3.3-11.8GHz；在3.3-6GHz内，所述CSIW传输线在准TEM模的模式下工作；在8-11.8GHz内，所述CSIW传输线在准TE10模的模式下工作；在6-8GHz内，所述CSIW传输线在过渡模的模式下工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的基于模式转换的CSIW传输线具有两种传输模式，相对于传统的CSIW，其具有更长的带宽，插入损耗与回波损耗更好，并且在尺寸方面整体缩小近一半，解决了传统的CSIW因两侧枝节过长而造成的尺寸过大的问题，有利于小型化，拓宽了其应用范围；同时，与SIW传输线相比，易于与有源电路集成且易于加工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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是本发明的基于模式转换的CSIW传输线的一种实施例的正面结构示意图；

图2是本发明的基于模式转换的CSIW传输线的一种实施例的背面结构示意图；

图3是本发明的基于模式转换的CSIW传输线与相同条件下的半模CSIW的插入损耗参数对比图；其中：1为本发明的基于模式转换的CSIW传输线；2为同等条件下半模CSIW传输线；

图4是本发明的基于模式转换的CSIW传输线与相同条件下的半模CSIW的回波损耗参数对比图；其中：1为本发明的基于模式转换的CSIW传输线；2为同等条件下半模CSIW传输线；

图5是本发明的基于模式转换的CSIW传输线在准TEM模工作条件下的电场能量分布图；

图6是本发明的基于模式转换的CSIW传输线在由准TEM模向准TE10模过渡的过渡模工作条件下的电场能量分布图；

图7是本发明的基于模式转换的CSIW传输线在准TE10模工作条件下的电场能量分布图；

图8是SIW的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明的实施例提供了一种基于模式转换的CSIW传输线，包括介质基板以及分别设置在介质基板上、下表面的顶层金属层、底层金属层；本实施例中金属层为铜层，即在介质基板的上下表面覆盖一层金属铜。

参考图1和图2，顶层金属层和底层金属层的一侧分别上下对应设置有多个开路枝节，其中，多个开路枝节相互平行且均匀布设，且开路枝节的长度为工作频率波长的四分之一。开路枝节的作用等效为SIW的金属化通孔，代替了传统的金属柱通孔，因此避免了由金属化通孔造成的加工复杂的问题以及与有源电路集成时短路的问题。本发明实施例的顶层金属层的另一侧没有开路枝节，为平滑的金属边缘。

参考图1，顶层金属层远离开路枝节的一侧，即没有开路枝节的一侧设置有长条缝隙，长条缝隙远离开路枝节的一侧为中心导带，即顶层金属层没有开路枝节的一侧的边缘为中心导带，该长条缝隙将中心导带与长条缝隙另一侧的CSIW传输部分分隔开形成两部分。在频率较低时，将能量限制在中心导带传输，此时可近似为微带线传输，传输模式近似为准TEM模；当频率升高时，传输能量逐渐从中心导带向传输线两侧蔓延，并逐渐形成准TE10模。

本发明实施例提供的该基于模式转换的CSIW传输线整体工作在3.3-11.8GHz的频率范围；在3.3-6GHz内，所述CSIW传输线在准TEM模的模式下工作；在8-11.8GHz内，所述CSIW传输线在准TE10模的模式下工作；在6-8GHz内，所述CSIW传输线在过渡模的模式下工作。

具体的，本发明实施例提供的基于模式转换的CSIW传输线的设计方法如下：

步骤1，本发明的传输线宽度近似同等条件下的SIW宽度设计(SIW的结构示意图如图8所示)，以对应的SIW宽度经验公式为参考进行仿真优化，并将该宽度除以2，得到本实施例的传输线的宽度a。其中，SIW宽度经验公式如下：

式中：W_eff为SIW的整体等效有效宽度；w1为SIW的物理尺寸宽度；d1为SIW的金属通孔的直径；s1为SIW的各个金属柱之间的间距。

步骤2，以工作频率波长的四分之一长度确定一侧开路枝节的长度l。

步骤3，相邻两个开路枝节之间的间距p应该远远小于传输线的宽度a，以保证较低的辐射损耗。

经过仿真优化，为了保证整个传输带宽内插入损耗不小于-1.75dB，回波损耗不大于-15dB，本实施例优化后的结果为相邻两个开路枝节之间的间距p为0.8mm。

步骤4，中心导带的宽度设置为在8GHz工作频率下工作且阻抗为50欧姆的微带线的宽度。本实施例的中心导带的宽度为1.3mm。

步骤5，在距离传输线无枝节一侧1.3mm(中心导带宽度)处刻蚀一条长缝隙，并进行缝隙宽度的仿真优化。

另外，为了避免CPW模式的出现，需要注意缝隙的宽度应满足w+s>h的关系，式中，w为中心导带的宽度，s为长条缝隙的宽度，h为介质基板的厚度；本实施例所采用的介质基板的厚度h为0.5mm；且在通带范围内也需要满足插入损耗不小于-1.75dB，回波损耗不大于-15dB。在此要求上经仿真最终确定缝隙宽度s为0.4mm。

步骤6，在本实施例的传输线的长条缝隙两端分别刻蚀适当尺寸的直角三角形缝隙，进行仿真优化，完成传输线的过渡匹配。在仿真过程中需要保证整个传输带宽内插入损耗不小于-1.75dB，回波损耗不大于-15dB。

根据上述设计方法，本发明实施例通过将传统CSIW尺寸缩小一半，并在距无枝节一侧1.3mm处刻蚀一条0.4mm宽的长条缝隙，从而实现传输线双模式传输的特性。

图3是基于模式转换的CSIW传输线与相同条件下的半模CSIW的插入损耗参数对比图；图4是基于模式转换的CSIW传输线与相同条件下的半模CSIW的回波损耗参数对比图。

由图3和图4可知，本实施例提供的基于模式转换的CSIW传输线的工作带宽为3.3-11.8GHz；要明显优于相同条件下的半模CSIW的带宽；并且，本实施例提供的基于模式转换的CSIW传输线的插入损耗与回波损耗优于相同条件下的半模CSIW的插入损耗与回波损耗。

图5-图7为本实施例的基于模式转换的CSIW传输线在不同模式条件下工作的电场能量分布图，由图可知，在频率较低时，将能量限制在中心导带传输，此时可近似为微带线传输，传输模式近似为准TEM模；当频率升高时，传输能量逐渐从中心导带向传输线两侧蔓延，并逐渐形成准TE10模。以此形成本实施例的基于模式转换的CSIW传输线的双模传输特性。

综上可知，本发明的基于模式转换的CSIW传输线具有两种传输模式，相对于传统的半模的CSIW传输线具有更长的带宽，插入损耗与回波损耗更好，并且在尺寸方面整体缩小近一半，解决了传统的CSIW因两侧枝节过长而造成的尺寸过大的问题，有利于小型化，拓宽了其应用范围；同时，与SIW传输线相比，易于与有源电路集成且易于加工。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于模式转换的CSIW传输线，包括介质基板以及分别设置在介质基板上、下表面的顶层金属层、底层金属层，其特征在于，所述顶层金属层和所述底层金属层的一侧分别上下对应设置有多个开路枝节，所述顶层金属层远离所述开路枝节的一侧设置有长条缝隙，所述长条缝隙远离所述开路枝节的一侧为中心导带。

2.根据权利要求1所述的基于模式转换的CSIW传输线，其特征在于，多个所述开路枝节相互平行且均匀布设。

3.根据权利要求2所述的基于模式转换的CSIW传输线，其特征在于，所述开路枝节的长度为工作频率波长的四分之一。

4.根据权利要求1所述的基于模式转换的CSIW传输线，其特征在于，相邻两个所述开路枝节之间的间距小于所述CSIW传输线的宽度。

5.根据权利要求1所述的基于模式转换的CSIW传输线，其特征在于，所述长条缝隙的宽度满足：w+s>h；式中，w为中心导带的宽度，s为长条缝隙的宽度，h为介质基板的厚度。

6.根据权利要求5所述的基于模式转换的CSIW传输线，其特征在于，所述中心导带的宽度为在8GHz工作频率下工作且阻抗为50Ω的微带线的宽度。

7.根据权利要求1所述的基于模式转换的CSIW传输线，其特征在于，所述长条缝隙的两端还分别设置有与所述长条缝隙相连通的三角形缝隙。

8.根据权利要求1所述的基于模式转换的CSIW传输线，其特征在于，所述CSIW传输线的工作频率为3.3-11.8GHz。

9.根据权利要求7所述的基于模式转换的CSIW传输线，其特征在于，在3.3-6GHz内，所述CSIW传输线在准TE模的模式下工作；在8-11.8GHz内，所述CSIW传输线在准TE10模的模式下工作；在6-8GHz内，所述CSIW传输线在过渡模的模式下工作。

10.根据权利要求1-9任一所述的基于模式转换的CSIW传输线，其特征在于，所述介质基板的厚度为0.5mm，所述长条缝隙的宽度为0.4mm所述中心导带的宽度为1.3mm，相邻两个所述开路枝节之间的间距为0.8mm。