CN109860970A - 一种微带线到空心基片集成波导esiw的过渡结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波技术，具体涉及一种微带线到空心基片集成波导ESIW的过渡结构。本发明在ESIW的内部，按照一定的规律加入了高度低于PCB介质基板厚度的金属柱，通过调整金属柱的高度，改变ESIW内部人工介质基板的等效相对介电常数。本发明消除了在薄PCB介质基板中锥形渐变介质基板结构容易断裂的隐患，同时也保持了较小的电路尺寸。

Description

一种微带线到空心基片集成波导ESIW的过渡结构

技术领域

本发明涉及微波技术，具体涉及一种微带线到空心基片集成波导(Emptysubstrate integrated waveguide，ESIW)的过渡结构。

背景技术

基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)作为一种新型的传输线结构已经被广泛地用于微波与毫米波电路，其具有损耗低、微波性能优良、易于集成等优点。另一方面，为了进一步减少SIW的损耗，空心基片集成波导(ESIW)传输结构被提出。与SIW相比，ESIW在保留SIW易于集成的优点的同时，传输的插损也进一步降低。与SIW的性能类似，ESIW同时也具备了传统金属波导和微带线的优点，能够在平面电路中很方便的实现高性能微波毫米波电路结构。

由于微带线传输的是准TEM模，ESIW传播的是TE₁₀模，因此从微带线到ESIW，需要相应的过渡结构来完成模式之间的转换。根据工程实践经验和现有的文献报道，已有一些从微带线到ESIW的过渡结构被提出。

现有技术主要有以下结构和方法可供参考：

研究者Héctor Esteban等人，在微带线和锥形渐变介质板结构之间，加入了一段梯形渐变过渡微带结构；并与ESIW相连的地方，使用一种锥形渐变介质基板结构，将这种锥形渐变介质基板嵌入到ESIW的输入输出端，能够在薄的PCB中实现微带线到ESIW的过渡。并引入了两个非金属化半圆过孔，在ESIW的外侧各开了两排金属化通孔，以防止电磁波的泄露，获得了优于20dB的回波损耗。参见文献Héctor Esteban,Angel Belenguer,Juan R.Sánchez,Carmen Bachiller,Vicente E.Boria,“Improved Low Reflection TransitionFrom Microstrip Line to Empty Substrate Integrated Waveguide,”IEEE Microwaveand Wireless Components letters,Vol.27,No.8,August 2017:685-687。

研究者Zhiqiang Liu等人在局部空气区域加宽了ESIW的宽度，形成工字型的空气区域，省去了锥形渐变介质基板，在整个Ku波段获得了优于21dB的回波损耗和0.83±0.25dB的插损。参见文献Zhiqiang Liu,Jinping Xu,Wenbo Wang,“Wideband TransitionFrom Microstrip Line to Empty Substrate Integrated Waveguide Without SharpDielectric Taper,”IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2018:1-3。

以上两种微带线和ESIW之间的过渡结构：一种采用锥形渐变介质基板结构作为过渡结构，并引入了两个非金属化半圆过孔，在ESIW的外侧各开了两排金属化通孔，以防止电磁波的泄露，获得了优于20dB的回波损耗；但是锥形渐变介质基板结构在薄PCB介质基板中，锥形渐变介质板的加工存在难度，且容易断裂。另一种在微带线和ESIW之间的局部空气区域加宽了ESIW宽度，消除了锥形渐变介质板结构，使其能在柔软和薄的基板上实现过渡功能，在整个Ku波段获得了优于21dB的回波损耗和0.83±0.25dB的插损，但其存在电路尺寸过大的缺点。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为了解决现有微带线与ESIW的过渡结构存在的小电路尺寸和加工难度低不易断裂不可兼具的问题。本发明提供了一种微带线到空心基片集成波导ESIW的过渡结构。

该微带线到ESIW的过渡结构设置于微带线与ESIW本体的输入端和输出端之间，ESIW的输入端和输出端与各自对接的过渡结构为镜像关系。

在ESIW的输入端侧壁上，引入两个直径为d(d<2mm)的半圆非金属化通孔来进行钳位，两个半圆非金属化通孔的圆心均位于ESIW输入端侧壁上，两个半圆非金属化通孔间的最远距离为w_ir(w_ir<a)，a为ESIW的空气腔宽度。

所述微带线通过一段等腰梯形渐变微带线与过渡结构连接，等腰梯形渐变微带线的上底与微带线相适应连接，长度为w_ms；等腰梯形渐变微带线的下底与空心基片集成波导ESIW的过渡结构相适应连，长度为w_tms；等腰梯形渐变微带线的高为l_tms，l_tms<λ_g(f₀)，w_ms<w_tms<a。

所述ESIW输入端侧壁上的两个半圆非金属化通孔及其之间的ESIW输入端侧壁不金属化，ESIW侧壁的其余部分全部金属化，如图1、2所示。

在ESIW的上覆铜层引入(N+1)/2列矩形金属柱阵列，各矩形金属柱相同；在ESIW的输入端，以电磁波传播方向为x轴，垂直方向为y轴，引入如图3所示排列的(N+1)/2列矩形金属柱阵列，各矩形金属柱相同。由于中心金属柱对电磁波的引导作用，y轴方向上各列矩形金属柱的数量从微带线一侧起按N、N-2、N-4…、1的规律逐渐减少，每个金属柱长度为l_x、宽度为l_y、高度为h₁，N为奇数。各列矩形金属柱位于中心的矩形金属柱，其xy平面上的中心点与微带线传播方向上的中心线、梯形渐变微带线传播方向上的中心线以及ESIW传播方向上的中心线均在一条直线上。各列矩形金属柱的其他金属柱呈镜像分列于中心金属柱的两侧，同一列中的两个相邻金属柱间的中心距为svp_y(svp_y<2mm)，相邻两列金属柱之间的中心距为svp_x(svp_x<2mm)。金属柱数量为N的那一列金属柱，其与传播方向垂直的中心线与ESIW输入端侧壁的距离为del₁(del₁<2mm)。

矩形金属柱的高度为h₁，截面图如图4所示。在图4中，t为ESIW敷铜的厚度，h为ESIW介质基板的厚度，h₂是矩形金属柱端面与底部金属板的间距，h_total是空气腔的最大高度。由于PCB印制板前后均有敷铜，因此金属柱的理论可调范围是0＜h₁＜h+2·t＝h_total，图中的h₂＝h_total-h₁。

进一步的，所述ESIW金属化侧壁的外围引入金属化通孔，用来防止ESIW电磁波的泄露，每个金属化通孔的直径为d_v(d_v<2mm)，且任意两个相邻的金属化通孔的中心距为s_v(d_v<s_v<2*d_v)。

实际的安装制造中，矩形金属柱被设计在ESIW的金属盖板上，将金属盖板作为上覆铜层，金属盖板的示意图如图5所示，图1和图2是金属盖板安装完成后的整体透视示意图。

电磁波在微带线中以准TEM模传播，经过梯形渐变微带线过渡后，进入到锥形渐变人工介质基板过渡结构中，该人工介质基板模拟锥形渐变介质板的电磁场传播特性，从而将准TEM模转化为ESIW中传播的TE10模。本发明在ESIW的内部，按照一定的规律加入了高度低于PCB介质基板厚度的金属柱，通过调整金属柱的高度，改变ESIW内部人工介质基板的等效相对介电常数。

关于锥形渐变人工介质基板，其等效相对介电常数ε_{r_eff}与金属柱的高度h₁关系如下：

可见，可以通过调节h₁的高度来变换ε_{r_eff}的值。由于锥形渐变人工介质基板结构模拟了锥形渐变介质基板结构的电磁特性，而且主要由金属柱的排列构成，消除了在薄PCB介质基板中锥形渐变介质基板结构容易断裂的隐患，同时也保持了较小的电路尺寸。

附图说明

图1是本发明的整体示意图

图2是本发明的尺寸示意图

图3为金属柱的排列示意图

图4为金属柱人工介质基板的截面图

图5是金属盖板的示意图

图6是Ku波段ESIW及其过渡结构的仿真优化结果

图7是Ku波段不同金属柱高度h₁对ESIW及其过渡结构的S11的影响对比图

图8是Ku波段ESIW及其过渡结构仿真结果和实测结果的对比图

图9是Ka波段ESIW及其过渡结构的仿真优化结果

附图说明：1-微带线，2-梯形渐变微带线，3-锥形人工介质基板，4-安装螺丝用的通孔，5-ESIW本体，6-ESIW的金属化侧壁，7-防泄漏用的金属化通孔，8-匹配用的半圆非金属化通孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

为了进一步验证我们的发明结构的可行性，我们依据之前所叙述的结构，在Ku、Ka两个频段，使用了不同厚度的Rogers5880、Rogers4350两种不同的介质基板来验证。对于Ku、Ka两个频段，金属柱数量最多的一列的数量N分别是7和5。为了加快优化仿真的速度，表1中给出了各物理尺寸的初始优化值。

该微带线到ESIW的过渡结构设置于微带线与ESIW本体的输入端和输出端之间，ESIW输入端和输出端与各自对接的过渡结构为镜像关系。其具体位置如图1和图2所示，而人工介质基板的结构图如图1中的灰色部分所示(灰色三角形部分是为方便辨认而标识的，实际上并无灰色的锥形块)。在图2中，微带线的宽度为w_ms，长度为l_ms。ESIW的宽度为a，长度为b。

表1

表2中给出了不同频段、不同板材和不同厚度的情况，以证明该过渡结构的普遍适应性：

表2

频率范围	介质基板	介质厚度	N
				12GHz-18GHz(Ku波段)	Rogers5880	0.508mm	7
12GHz-18GHz(Ku波段)	Rogers4350	0.508mm	7
				26GHz-40GHz(Ka波段)	Rogers5880	0.254mm	5
26GHz-40GHz(Ka波段)	Rogers4350	0.254mm	5

方案实施例中使用的电路板材、尺寸等参数如表3所示：

Ku波段的最终仿真优化结果如图6所示。从图6可以看出，不论是使用Rogers5880还是Rogers4350，最终的S11在12GHz～18GHz的频率范围内均优于-25dB，在整个Ku波段显示出极好的驻波性能。

为了探究金属柱的高度h₁对驻波性能的影响，我们在Ku波段还针对几个不同的h₁的值，进行了仿真，仿真结果如图7所示。具体分析结果如表4：

表4

从上表可以看出，当柱子高度在0.35mm～0.39mm之间时，整个电路在Ku波段的驻波均有良好的表现。在这个高度范围内，我们的金属柱的加工精度完全可以胜任，这说明本方案有实际可行性。

基于上面的仿真结果，我们基于厚度为0.508mm的Rogers 5880，在Ku波段加工了PCB印制板进行实测验证，并与仿真结果进行对比，对比结果如图8所示。具体分析结果如表5所示：

表5

	频率范围	S11	S21
				仿真结果	12GHz-18GHz(Ku波段)	＜-27dB	0.4±0.05dB
测试结果	12GHz-18GHz(Ku波段)	＜-20dB	0.85±0.2dB

从上表可以看出，测试结果与仿真结果非常吻合。在整个Ku波段，驻波与插损均非常优良。

另外，证明该过渡结构的普遍适应性，我们在Ka波段使用之前所论述的结构，分别使用0.254mm的Rogers5880、Rogers4350的介质基板进行了优化仿真，其优化结果如图9所示。从图9可以看出，无论使用Rogers5880还是Rogers4350介质基板，经过优化后，在整个Ka波段，其S11均小于-22.5dB。

通过对以上的仿真以及实测结果的分析，可以看出，本发明提出的人工介质基板过渡结构，不仅有保留了现有锥形人工介质基板的结构中较宽的工作频带、较小的回波损耗，较低的插入损耗，较紧凑的电路结构，另外，基于实现在金属盖板上的锥形渐变人工介质基板过渡结构，消除了在薄PCB介质基板中锥形渐变介质基板结构容易断裂的隐患。

Claims (2)

1.一种微带线到空心基片集成波导ESIW的过渡结构，设置于微带线与ESIW本体的输入端和输出端之间，ESIW的输入端和输出端与各自对接的过渡结构为镜像关系，在ESIW的输入端侧壁上，引入两个直径为d的半圆非金属化通孔来进行钳位，d<2mm，其特征在于：

所述两个半圆非金属化通孔的圆心均位于ESIW输入端侧壁上，两个半圆非金属化通孔间的最远距离为w_ir，w_ir<a，a为ESIW的空气腔宽度；

所述微带线通过一段等腰梯形渐变微带线与过渡结构连接，等腰梯形渐变微带线的上底与微带线相适应连接，长度为w_ms；等腰梯形渐变微带线的下底与空心基片集成波导ESIW的过渡结构相适应连，长度为w_tms；等腰梯形渐变微带线的高为l_tms，l_tms<λ_g(f₀)，w_ms<w_tms<a；

所述ESIW输入端侧壁上的两个半圆非金属化通孔及其之间的ESIW输入端侧壁不金属化，ESIW侧壁的其余部分全部金属化；

在ESIW的上覆铜层引入(N+1)/2列矩形金属柱阵列，各矩形金属柱相同；在ESIW的输入端，以电磁波传播方向为x轴，垂直方向为y轴，y轴方向上的各列矩形金属柱数量从微带线一侧起按N、N-2、N-4…、1的规律逐渐减少，每个金属柱长度为l_x、宽度为l_y、高度为h₁，N为奇数；各列金属柱位于中心的矩形金属柱，其xy平面上的中心点与微带线传播方向上的中心线、梯形渐变微带线传播方向上的中心线以及ESIW传播方向上的中心线均在一条直线上；各列矩形金属柱的其他矩形金属柱呈镜像分列于中心矩形金属柱的两侧，同一列中的两个相邻金属柱间的中心距为svp_y，相邻两列金属柱之间的中心距为svp_x，svp_y<2mm，svp_x<2mm；矩形金属柱数量为N的那一列矩形金属柱，其与传播方向垂直的中心线与ESIW输入端侧壁的距离为del₁，del₁<2mm；

所述矩形金属柱的高度为h₁，t为ESIW敷铜的厚度，h为ESIW介质基板的厚度，h₂是矩形金属柱端面与底部金属板的间距，h_total是空气腔的最大高度，0＜h₁＜h+2·t＝h_total，h₂＝h_total-h₁。

2.如权利要求1所述微带线到空心基片集成波导ESIW的过渡结构，其特征在于：所述ESIW金属化侧壁的外围引入金属化通孔，以防止ESIW电磁波的泄露，每个金属化通孔的直径为d_v，且任意两个相邻的金属化通孔的中心距为s_v，d_v<2mm，d_v<s_v<2*d_v。