CN110112568B - 一种面向大阵列毫米波系统应用的表面波隔离器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种面向大阵列毫米波系统应用的表面波隔离器，包括设置于第二金属层上的一个以上第一金属层，第一金属层包括若干个平行共面且具有一定间距的线型金属、位于线型金属两端的第一金属平面和第二金属平面、连接在第一金属平面和第二金属平面下方的若干个金属通孔，线型金属的两端分别与第一金属平面和第二金属平面相连接，线型金属上均设置有一个间隙，间隙设置于靠近第一金属平面或第二金属平面的一侧，相邻线型金属上的间隙分别设置于不同侧；第二金属层包括与金属通孔下端连接的接地金属平面。本发明的表面波隔离器电路结构简单新颖，在一个宽的工作频率范围内，可以有效抑制天线间表面波的传播，显著改善天线阵列间的隔离度。
Description
技术领域
本发明属于毫米波技术领域，具体而言，涉及一种面向大阵列毫米波系统应用的表面波隔离器。
背景技术
天线作为毫米波无线通信系统中的关键组成部分，分别位于发射机的最末端和接收机的最前端，用于辐射和接收毫米波信号。硅基半导体工艺具有低成本、低功耗和高集成度的优势。随着半导体工艺的快速发展，基于硅基半导体工艺的毫米波单片全集成系统已经得到了成功的验证。在这些先进的电子系统中，收发机前端与天线之间的集成方式，主要分为片内集成和片外集成两种方式。片内集成虽然可以获得更高的集成度，但是由于硅基半导体工艺具有天然的高衬底损耗以及表面波串扰严重，导致硅基片上天线的增益低和辐射效率差，很难满足实际需求。另外，当发射机片上天线辐射大功率毫米波信号的时候，由于天线与其他电路距离很近很容易发生信号干扰。因此，采用片外集成是目前的主流集成方式。目前，无线电子系统越来越要求轻、薄、短、小，毫米波发射机/接收机/收发机前端电路系统芯片与板级天线互相集成组装成一个大阵列的片上系统，已经成为一种主流的发展趋势。然而，对于这种高集成度的大阵列无线系统的开发，存在的一个主要挑战是如何在一个紧凑的封装尺寸下，解决相邻天线间表面波的串扰问题，提高隔离度。
两种常用的提高天线间隔离度的技术是电磁带隙和交叉极化。但是，电磁带隙结构复杂，尺寸大，工作频率一般在微波频段；交叉极化技术，虽然在一定程度上可以较好地抑制表面波的传播，但是其工作频带窄且存在极化干扰现象。因此，传统的天线隔离技术存在着一些明显的不足，极大的限制了其在大阵列毫米波系统的应用。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种面向大阵列毫米波系统应用的表面波隔离器，可以在宽的工作频率范围内提高天线间隔离度。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
如图1、图2、图3所示，一种面向大阵列毫米波系统应用的表面波隔离器，包括设置于第二金属层上的一个以上第一金属层，第一金属层包括若干个平行共面且具有一定间距的线型金属1、位于线型金属1两端的第一金属平面2和第二金属平面3、连接在第一金属平面2和第二金属平面3下方的若干个金属通孔4，线型金属1的两端分别与第一金属平面2和第二金属平面3相连接，线型金属1上均设置有一个间隙6，间隙6设置于靠近第一金属平面2或第二金属平面3的一侧，相邻线型金属1上的间隙分别设置于不同侧；第二金属层包括与金属通孔4下端连接的接地金属平面5。
本技术方案中，进一步地，线型金属1的两端分别与第一金属平面2和第二金属平面3直接电气连接，金属通孔4与第一金属平面2和第二金属平面3直接电气连接，金属通孔4与接地金属平面5直接电气连接。
进一步地，表面波隔离器包括两层及两层以上的第一金属层，上层的第一金属层的金属通孔4与下层的第一金属平面2和第二金属平面3直接电气连接，最下层的第一金属层的金属通孔4与接地金属平面5直接电气连接。
进一步地，金属通孔4为实心的圆柱或者实心的棱柱。
进一步地，接地金属平面5覆盖第一金属层。
进一步地，间隙6为长方体的空隙。
进一步地，相间隔的线型金属1的间隙6的位置和大小相同。
进一步地，线型金属1为直线型、折线型或者蛇线型。
进一步地，线型金属1、第一金属平面2、第二金属平面3、金属通孔4和接地金属平面5的材质可为任意金属，铜、铝、铁等。
表面波隔离器由一系列的线型金属1以一定的间距通过叉指互锁的形式组成一个共面阵列，相邻的线型金属之间存在着电磁场耦合。线型金属1的两端分别与第一金属平面2和第二金属平面3相连接。对于任意两个相邻的线型金属1，其中一条在靠近一金属平面2处存在间隙6，则另一条在靠近二金属平面3处存在间隙6，各个间隙6处存在着电磁场耦合。
如图4所示，通过垂直的金属通孔4把第一金属平面2、第二金属平面3和接地金属平面5连接在一起。当表面波隔离器工作在谐振频率附近时，会表现出高阻抗特性。将表面波隔离器放置在相邻天线单元之间用于抑制由于天线辐射引起的表面波的传播，显著提高相邻天线间的隔离度。
具体地，表面波隔离器结构的电特性可以被描述为等效的并联电感电容LC网络。当它工作在谐振频率时，会表现出高阻抗特性。此时，表面波隔离器表现出的强大表面阻抗可以充当一个带阻滤波器来抑制表面波的传播。其中，表面电流流经线型金属1会形成有效电感L，而线型金属1之间的边缘电场形成有效电容C。有效电感L和有效电容C的值可以分别通过下公式被近似表达，
在这里，μ0和ε0分别表示自由空间的磁导率和介电常数。εr表示基板的介电常数，h是基板的厚度，a是金属层的长度，b是金属层的宽度，s是相邻金属层之间的间隙宽度。等效并联LC网络的阻抗和谐振频率可以分别被如下公式表示，
从公式(3)中可以看到，当工作频率接近于谐振频率的时候，表面波隔离器的阻抗非常大。表面波隔离器的谐振频率与线型金属1的长度、宽度、形状、数量、间距和第一金属层的数量以及相邻第一金属层间的间距有关。
有益效果
1、本技术方案的表面波隔离器电路结构简单且新颖，在一个宽的工作频率范围内，可以有效地抑制天线间表面波的传播，显著改善天线阵列间的隔离度，非常适合应用到工作频率大于100GHz以上的毫米波高频端。
2、本技术方案的表面波隔离器，整体结构十分紧凑，极大地减小了电路面积，制造成本低，为大阵列毫米波无线通信系统集成提供了一种更加紧凑的低成本解决方案，在毫米波无线通信系统中具有很明显的优势和科学应用价值。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明实施例1中的表面波隔离器的立体结构示意图。
图2是本发明实施例2中的表面波隔离器的立体结构示意图。
图3是本发明实施例2中的表面波隔离器的侧面结构示意图。
图4是本发明表面波隔离器的原理图。
图5是本发明表面波隔离器对于阵列天线间隔离度性能的测试结果图。
附图中：
1、线型金属 2、第一金属平面 3、第二金属平面 4、金属通孔
5、接地金属平面 6、间隙
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，并不用于限定本发明。
实施例1：
如图1所示，一种面向大阵列毫米波系统应用的表面波隔离器，包括谐振电路和接地单元，谐振电路包括7个平行共面且具有一定间距的线型金属1、位于线型金属1两端的第一金属平面2和第二金属平面3，线型金属1的两端分别与第一金属平面2和第二金属平面3相连接，线型金属1靠近述第一金属平面2或第二金属平面3的一端设置有一个间隙6，相邻的线型金属1的间隙6的位置相反，接地单元包括垂直连接在第一金属平面2和第二金属平面3下方的16个金属通孔4，第一金属平面2和第二金属平面3下方分别连接有8个金属通孔4、与金属通孔4下端连接的接地金属平面5，线型金属1、第一金属平面2、第二金属平面3和金属通孔4形成第一金属层，接地金属平面5构成第二金属层。
本实施例中，线型金属1的两端分别与第一金属平面2和第二金属平面3直接电气连接，金属通孔4与第一金属平面2和第二金属平面3直接电气连接，金属通孔4与接地金属平面5直接电气连接。
金属通孔4为实心的圆柱或者实心的棱柱，本实施例中，金属通孔4为实心的圆柱。
接地金属平面5覆盖第一金属层。
间隙6为长方体的空隙。
相间隔的线型金属1的间隙6的位置和大小相同。
本实施例中，表面波隔离器包括单层第一金属层。
线型金属1为直线型、折线型或者蛇线型。本实施例中，线型金属1为直线型。
本实施例中，线型金属1、第一金属平面2、第二金属平面3、金属通孔4和接地金属平面5的材质为铜。
如图5所示，对比含有本实施例的表面波隔离器和不含表面波隔离器时，阵列天线间隔离度性能，结果显示，在工作频率为120GHz至140GHz的范围内，相邻天线间的隔离度提高了大约8dB至15dB。
实施例2：
如图2和图3所示，一种面向大阵列毫米波系统应用的表面波隔离器，包括谐振电路和接地单元，谐振电路包括若干个平行共面且具有一定间距的线型金属1、位于线型金属1两端的第一金属平面2和第二金属平面3，线型金属1的两端分别与第一金属平面2和第二金属平面3相连接，线型金属1靠近述第一金属平面2或第二金属平面3的一端设置有一个间隙6，相邻的线型金属1的间隙6的位置相反，接地单元包括垂直连接在第一金属平面2和第二金属平面3下方的若干个金属通孔4、与金属通孔4下端连接的接地金属平面5，线型金属1、第一金属平面2、第二金属平面3和金属通孔4形成第一金属层，接地金属平面5构成第二金属层。
本实施例中，线型金属1的两端分别与第一金属平面2和第二金属平面3直接电气连接，金属通孔4与第一金属平面2和第二金属平面3直接电气连接，金属通孔4与接地金属平面5直接电气连接。
金属通孔4为实心的圆柱或者实心的棱柱，本实施例中，金属通孔4为实心的圆柱。
接地金属平面5覆盖第一金属层。
间隙6为长方体的空隙。
相间隔的线型金属1的间隙6的位置和大小相同。
本实施例中，表面波隔离器包括两层第一金属层，上下两层相同，每一层包括7个线型金属1，每一层的第一金属平面2和第二金属平面3下方均连接16个金属通孔4，第一金属平面2和第二金属平面3下方分别连接有8个金属通孔4，上层的金属通孔4与下层的第一金属平面2和第二金属平面3直接电气连接，下层的第一金属层的金属通孔4与接地金属平面5直接电气连接。
线型金属1为直线型、折线型或者蛇线型。本实施例中，线型金属1为直线型。
本实施例中，线型金属1、第一金属平面2、第二金属平面3、金属通孔4和接地金属平面5的材质为铁。
实施例3：
本实施例中，表面波隔离器的线型金属1为折线型，其他结构同实施例1。
实施例4：
本实施例中，表面波隔离器的线型金属1为蛇线型，其他结构同实施例2。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种面向大阵列毫米波系统应用的表面波隔离器，其特征在于：包括设置于第二金属层上的一个以上第一金属层，所述第一金属层包括若干个平行共面且具有一定间距的线型金属、位于线型金属两端的第一金属平面和第二金属平面、连接在所述第一金属平面和第二金属平面下方的若干个金属通孔，所述线型金属的两端分别与第一金属平面和第二金属平面相连接，所述线型金属上均设置有一个间隙，所述间隙设置于靠近第一金属平面或第二金属平面的一侧，相邻线型金属上的间隙分别设置于不同侧；第二金属层包括与所述金属通孔下端连接的接地金属平面，所述接地金属平面覆盖第一金属层，所述间隙为长方体的空隙。
2.如权利要求1所述的表面波隔离器，其特征在于：所述线型金属的两端分别与第一金属平面和第二金属平面直接电气连接，所述金属通孔与第一金属平面和第二金属平面直接电气连接，所述金属通孔与接地金属平面直接电气连接。
3.如权利要求1所述的表面波隔离器，其特征在于：包括两层及两层以上的第一金属层，上层的所述第一金属层的金属通孔与下层的第一金属平面和第二金属平面直接电气连接，最下层的第一金属层的金属通孔与接地金属平面直接电气连接。
4.如权利要求1所述的表面波隔离器，其特征在于：所述金属通孔为实心的圆柱或者实心的棱柱。
5.如权利要求1所述的表面波隔离器，其特征在于：相间隔的线型金属的间隙的位置和大小相同。
6.如权利要求1所述的表面波隔离器，其特征在于：所述线型金属为直线型、折线型或者蛇线型。
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