CN110268576B - 传输线-波导管过渡装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种传输线‑波导管过渡装置，该传输线‑波导管过渡装置包括：板状侧面和上面，其具有与用于传递传输线信号的波导管对应的尺寸及形状；板状隆起线，其形成于由所述侧面和上面形成的内部空间，且具有一端与所述传输线连接而另一端与所述上面接触的倾斜面。
Description
技术领域
本发明涉及在超高频信号传输和处理中使用的中空型波导管技术，特别是，涉及一种用于连接如微带线、带状线、共面波导(CPW，Coplanar Waveguide)、接地共面波导(CPWG，CPW with Ground)等印刷电路基板(PCB：Printed Circuit Board)型的传输线与中空型的波导管的传输线-波导管过渡装置(transmission line-waveguide transitiondevice)。
[谢辞标记]
本研究的进行受到了韩国未来创造科学部'所有政府部门Giga KOREA项目'的支助(项目固有号码：1711021003，具体项目号码：GK16NI0100)[This work was supportedby'The Cross-Ministry Giga KOREA Project'grant to the Ministry of Science，ICTand Future Planning，Korea。]
背景技术
波导管结构主要用于在具有超高频如28GHz或者60GHz等的毫米级的波长的毫米波(Millimeter Wave)频带中实现损失小且性能高的无源元件(例如，缝隙阵天线、号角天线、滤波器、天线共用器等)。
波导管利用封闭的空间即波导管结构本身的共振现象传输信号，而且管状的波导管大致可设计为具有与所述传输信号的频率性能对应的长度。根据内部填充的介电质，可区分所述波导管的种类及使用用途。
中空型波导管通常具有矩形金属块结构，其内部填充有空气(air)，由于介电质损失最小且传输性能优秀，因此具有能够实现高性能的优点。然而，通常，为了与由PCB型方式实现的其他电子装备进行结合(即，为了与PCB型的传输线连接)，需要额外的过渡(transition)结构。
图1a是现有的传输线-波导管过渡装置的一例，已在韩国国内专利申请号第10-2009-0026489号(名称：“波导管-微带线变换装置”，申请人：三星泰利斯，发明人：朴大成，申请日：2009年3月27日)中公开。图1a所示的过渡装置是将微带线a32的信号通过在PCBa20上形成的缝隙a22(slot)向波导管a10传递的结构。波导管a10的外部与PCBa20的接地是以通路孔a24形式进行接触。图1a所示的结构是传输线与波导管相互垂直连接的结构，为了使波导管与设置有传输线的基板平行设置，需要增加使波导管以90度弯折的结构，由此导致整体的体积及结构的复杂度增加。
图1b是现有的传输线-波导管过渡装置的另一例，已在韩国国内专利申请号第10-2010-0040863号(名称：“光频带传输线-波导管变换装置”，申请人：三星电机，发明人：LeeJeongeon，申请日：2010年4月30日)中公开。图1b所示的过渡装置是同轴线b22与波导管间的过渡装置。同轴线b22与波导管相互以垂直方向连接，同轴线b22的中心导体b21a作为探头(Probe)向波导管内部传递信号。该结构同样为了使波导管与同轴线相互平行布置，例如需要将同轴线以90度弯折。如果同轴线被弯折90度，则不仅需要基于最小旋转半径的空间，而且由此在同轴线的外部导体上可能会发生裂缝(crack)。
图1c是现有的传输线-波导管过渡装置的又一例，已在美国专利号码第8188805号(名称：“Triplate line-to-waveguide transducer having spacer dimensions whichare larger than waveguide dimensions”，申请人：Hitachi Chemical，发明人：TaketoNomura及多人，授权日：2012年5月29日)中公开。图1c所示的过渡装置具有从三板线c1、c4、c5向波导管c6的过渡结构。该结构是在叠层型线结构中向波导管c6传递信号的结构。信号线c3位于叠层结构的内部，其上面有接地面c5。下面c1具有与波导管内部尺寸类似的开口部，从而可向波导管c6传递信号。这种结构中信号线与波导管仍具有相互垂直的结构，为了变形为相互平行的结构需要将波导管进行90度变形，由此存在导致整体尺寸增加等问题。
图1d是现有的传输线-波导管过渡装置的另一例，已在美国专利号第6917256号(名称：“Low loss waveguide launch”，申请人：Motorola，发明人：Rudy Michael Emrick外1名，授权日：2005年7月12日)中公开。图1d所示的过渡装置是用于连接波导管与微带线的比较广泛地使用的结构。通过所谓的背向短路器(Back-short)结构将微带线d350的信号向垂直方向的波导管d310过渡的结构。所述结构位于波导管方向朝向下侧时，波导管上侧，即微带线d350的上侧需要4/λg(λg：管内波长)左右的用于共振的空间，由此导致产品厚度变厚。
如上所述，对于传输线-波导管过渡装置已提出了各种结构，为了更加简单、小型化的同时为了能够更加提高信号传递性能，研究正不断地进行。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的至少一部分实施例的目的在于，提供一种传输线-波导管过渡装置，其结构能够实现更加简单、更加小型化，且性能稳定、制造方便。
此外，本发明的至少一部分实施例的目的在于，提供一种传输线-波导管过渡装置，其无需新增额外的使波导管弯折的结构，便能够以与PCB上形成的PCB型的传输线平行的状态连接波导管。即，参照图2a可知，图2a概略地图示了所述图1d图示的现有结构，现有的过渡结构具有使用于形成传输线的PCB与波导管以相互90度直角的方式垂直连接的结构。此时如图2b所示，如果想要使波导管与用于形成传输线的PCB平行设置，则还需要使波导管弯折的结构。与此相比，如图2所示，本发明的传输线-波导管过渡装置具有十分简单的结构，本发明提供了一种可使PCB与波导管平行连接的结构。
此外，本发明的至少一部分实施例的目的在于，提供一种传输线-波导管过渡装置，其广泛应用于如微带线、带状线、CPW、CPWG等各种形状的PCB型传输线。
(二)技术方案
为了实现上述目的，本发明提供一种传输线-波导管过渡装置，其特征在于包括:板状侧面和上面，其具有与用于传递传输线信号的波导管对应的尺寸及形状；板状隆起线，其形成于由所述侧面和上面形成的内部空间，且具有一端与所述传输线连接而另一端与所述上面接触的倾斜面。
在所述隆起线中与所述传输线相接触的部位可以形成为与所述传输线以缓角接触而非以陡角接触，且整体上形成曲线形状。
所述传输线-波导管过渡装置设置为以焊接方式或者螺丝结合方式固定在用于形成所述传输线的基板上，所述基板上至少用于设置所述过渡装置的部位上可形成有接地面。
在所述基板中用于设置所述过渡装置的部位上形成的接地面上，与所述隆起线对应的部位上可形成有部分接地面被去除形状的接地过渡区域。
(三)有益效果
如上所述，本发明的至少一部分实施例涉及的传输线-波导管过渡装置提出一种在PCB型的传输线上通过使用类似于盖子形状附接的方式向波导管过渡信号的十分简单且有效的结构，从而可将传输线与波导管简单地水平连接。由此能够将使用本发明的产品的厚度维持在较薄的状态，从而最终产品可实现较薄的外形(low profile)。
此外，还提出一种通过与传输线直接接触的方式，从传输线接收信号并向波导管过渡的结构，从而与现有的一般的耦合结构相比，本发明更稳定且低损失。
此外，在本发明的至少一部分实施例涉及的过渡装置中，无需焊接等作业便可在PCB上进行组装，因此可在组装前进行性能检验及更换实验等，从而可减少部件的损失率。这只需要在产品量产时进行在PCB上覆盖盖子的二维作业，从而可实现快速组装工艺。
特别地，本发明的过渡装置可广泛地应用于各种形状的PCB型传输线上。
附图说明
图1a、图1b、图1c及图1d是现有的传输线-波导管过渡装置的示例图。
图2a、图2b及图2c是概略地图示相比于现有的传输线-波导管过渡装置之本发明的传输线-波导管过渡装置的特征的结构图。
图3是本发明的第一实施例涉及的传输线-波导管过渡装置及形成有传输线的基板的分离立体图。
图4是图3的A-A'部分的截面图。
图5是图3的基板的平面图。
图6a和图6b是图3的传输线-波导管过渡装置的放大立体图。
图7是本发明的第二实施例涉及的传输线-波导管过渡装置及形成有传输线的基板的分离立体图。
图8是本发明的第三实施例涉及的传输线-波导管过渡装置及形成有传输线的基板的分离立体图。
图9是图8的A-A'部分的截面图。
图10是本发明的第四实施例涉及的传输线-波导管过渡装置及形成有传输线的基板的分离立体图。
图11a、图11b、图11c及图11d是图示本发明的各种实施例涉及的传输线-波导管过渡装置的性能的曲线图。
图12a、图12b及图12c是可应用于本发明的各种实施例涉及的过渡装置中的隆起线结构的变形示例图。
图13是设计图12a、图12b及图12c的隆起线结构的倾斜面时应用的函数模型的曲线图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明涉及的优选实施例进行详细说明。附图中对于相同的组成素尽量使用了相同的附图标记，为了便于说明，其尺寸和形状等多少被简化或者部分地被放大。
图3是本发明的第一实施例涉及的传输线-波导管过渡装置20(以下可简称为'过渡装置')及形成有传输线101的基板10的分离立体图。例如图示了由CPW结构实施的传输线101。图4是图3的A-A'部分的截面图，图示了过渡装置20与传输线101结合状态的截面形状。图5是图3的基板10的平面图。图6a和图6b是图3的传输线-波导管过渡装置20的放大立体图。图6b中为了能够更加清晰地看到过渡装置20的内部的结构图示了过渡装置20的上面被去除的形态。
参照图3至图6b，本发明的第一实施例涉及的传输线-波导管过渡装置20基本上具有板状侧面202、204和上面206，所述板状侧面202、204和上面206具有与用于传递传输线101信号的标准化波导管(图4的30)对应的尺寸及形状。即，由所述侧面202、204和上面206形成的内部空间具有符合标准化波导管的尺寸及形状。
此外，在由所述侧面202、204和上面206形成的内部空间的中央形成有板状隆起线(ridge)210，所述板状隆起线(ridge)210具有倾斜面(图4的G)，所述倾斜面的一端与形成于基板10上的传输线101连接，另一端与所述上面206接触。隆起线210的倾斜面G的宽度可设计为与传输线101的宽度相对应，例如可设计为与传输线101的宽度相同。
所述隆起线210的倾斜面G作为将从传输线101传递的信号向波导管过渡的主要构成，整体上设计成预先适当地设计的曲线形状。即，所述倾斜面G的曲线形状可通过适当地组合多个三角函数曲线来进行设计。例如，与传输线101接触的部位(图4的Gs)至少可设计为以平缓的倾斜度开始的曲线的形状。为了根据不同的传输线的种类及传输信号的频率等使所述隆起线210的倾斜面G的曲线形状达到最优化，可通过多个实验和分析进行设计。
特别是，在隆起线210中与传输线101相接触的部位(图4的Gs)的曲线形状的设计要求应满足与传输线101以缓角而非以陡角接触。这作为使传输线101与隆起线210间的连接点上的接触性能提高及可实现如最小化反射损失等有效地传递信号的主要特征，本发明发现，如果不以这种缓角连接传输线101和隆起线210，则信号传递性能十分差。因此，本发明的实施例中，至少在所述隆起线210中与所述传输线101相接触的部位(Gs)的曲线形状实质上可设计为倾斜角从0度缓慢地增加的形状。
隆起线210与传输线101的连接点通过利用焊接方式或者涂布导电性树脂(例如，silver epoxy)的方式可相互固定地连接。以焊接方式连接时在隆起线210的对应部位上可预先进行用于焊接的镀敷处理。另外，除此之外，隆起线210与传输线101还可以构成为以简单接触方式连接。
由具有如上所述的构成的隆起线210、侧面202、204和上面206形成的过渡装置20整体上可由导电金属例如铝(合金)材料或者铜(合金)材料构成。根据情况，为了使信号传递性能更加良好，所述过渡装置20也可镀银。
此外，所述过渡装置20可设置为固定于基板10上。例如，可以焊接方式固定在基板10上。这种情况下，过渡装置20的侧面202、204的下端部位上可预先进行用于焊接的镀敷处理。或者，除此之外，过渡装置20可设置为以螺丝结合方式固定在基板10上。这种情况下，过渡装置20的侧面202、204上以从上至下整个贯通该侧面的形态形成有螺丝孔(未图示)，基板10上也与其对应地形成有螺丝孔(或者槽)，并且通过结合螺丝(未图示)实现相互结合。当然，除此之外过渡装置20的侧面202、204上还形成有用于螺丝结合的额外的法兰(未图示)，藉此也可具有以螺丝结合方式与基板10结合的结构。
另外，基板10中至少在用于设置所述过渡装置20的部位上形成有接地面(图3和图5中表示的虚线区域)。图3至图6b图示的实施例中，传输线101为CPW结构，由此图示的基板10的上面皆为接地面。
此时，如图3和图5所示，在基板10上面形成的接地面上，在与过渡装置20的隆起线210对应的部位上形成有接地过渡区域102，所述接地过渡区域102形成为部分接地面被去除的形态。所述接地过渡区域102形成为从所述隆起线210与传输线101间的连接点开始宽度逐渐变窄，整体上大体形成为长三角形(例如，等腰三角形)。所述接地过渡区域102是为了传输线101与波导管间的阻抗匹配及信号传递性能的提高而形成的。为了更加精密地与接地性能匹配，例如，考虑到与隆起线210的倾斜面G间的距离等，所述等腰三角形形状的接地过渡区域102的三角形形状的两个边整体上也可以是曲线形状。
另外，如图4所示，具有如上所述的结构的过渡装置20还可具有用于与波导管30的法兰(flange)350结合的法兰250。波导管30可按照标准规格(例如，26.5GHz～40GHz的频带中的标准规格'WR-28'将波导管内部尺寸以横向纵向定义为'7.11mm x 3.56mm')而设计，与其对应地还可形成有过渡装置20及法兰250。另外，过渡装置20除了法兰结构之外还可通过焊接或者锻接等方式与波导管30附接，作为波导管30的末端结构物可与波导管30一体成型。
本发明的传输线-波导管过渡装置20可构成如所述图3至图6b所示。例如，可简单地设置在PCB基板10上，好似覆盖盖子的形状，由此可知，这可实现性能的稳定性和组装的简便性及小型化。特别是，能够与波导管沿着水平方向直接连接，因此可将产品的整体厚度保持在较薄水准上。
图7是本发明的第二实施例涉及的传输线-波导管过渡装置20及形成有传输线121的基板12的分离立体图，例如图示了由CPWG实施的传输线121。CPWG结构的基板12的上面形成有传输线121及接地面，下面也形成有接地面。图7的例子图示了为了提高接地性能在所述传输线121周边形成多个通路孔(via hole)124的情形。
参照图7，本发明的第二实施例涉及的传输线-波导管过渡装置20实质上与所述图3至图6b所示的构成相同，具有侧面202、204，上面206及隆起线210，此时隆起线210的一端与CPWG结构的传输线121相接触。此外，隆起线210如第一实施例的结构，可具有预先适当地设计的、曲线形状的倾斜面。
此外，基板10中至少用于设置所述过渡装置20的部位上形成有接地面(图7的虚线区域)，如第一实施例的结构，在与过渡装置20的隆起线210对应的部位上形成有接地过渡区域102，所述接地过渡区域102形成为部分接地面被去除的形状。
图8是本发明的第三实施例涉及的传输线-波导管过渡装置20及形成有传输线141的基板14的分离立体图，例如图示了由带状线(strip)结构实施的传输线141。图9是图8的A-A'部分的截面图，图示了过渡装置20和基板14结合状态的截面形态。带状线结构的基板14的上面及下面形成有接地面，其内层的非导电性介电质中埋设有传输线141。
参照图8和图9，本发明的第三实施例涉及的传输线-波导管过渡装置20实质上与前面另一实施例相同，且具有侧面202、204，上面206及隆起线210。此时，为了将隆起线210与带状线结构的传输线141连接，还可形成有金属通路孔143以贯通基板14并与基板内层的传输线141的末端连接。隆起线210通过与所述金属通路孔143相接触并可与传输线141连接。
基板14中至少用于设置所述过渡装置20的部位上形成有接地面(图8的虚线区域)，所述通路孔143周边部位的接地图案被去除。此外，如另一实施例的结构，在与过渡装置20的隆起线210对应的部位上形成有部分接地面被去除的形态的接地过渡区域142。此外，在图8和图9图示的第三实施例的结构中，为了提高接地性能,在所述接地过渡区域142的周边可形成多个通路孔(via hole)144以贯通基板14使基板的上面接地和下面接地连接。
图10是本发明的第四实施例涉及的传输线-波导管过渡装置及形成有传输线的基板的分离立体图，例如图示了由微带(microstrip)线结构实施的传输线161，微带线结构的基板16的上面基本上形成有传输线161的图案，下面形成有接地面。
参照图10，本发明的第四实施例涉及的传输线-波导管过渡装置20如另一实施例，具有侧面202、204，上面206及隆起线210。此时，隆起线210设置为与所述微带线结构的传输线161相接触。
基板16中至少用于设置所述过渡装置20的部位上还形成有额外的接地面。所述基板16上面新增形成的接地面如前面的实施例，在与隆起线210对应的部位上形成有接地过渡区域162，所述接地过渡区域162具有部分接地面被去除的形态。此外，为了提高接地性能,在所述接地过渡区域162的周边形成有贯通基板14的多个通路孔(via hole)164，从而可使在基板的上面新增形成的所述接地面和基板下面的接地面连接。
图11a、图11b、图11c及图11d是图示本发明的各种实施例涉及的传输线-波导管过渡装置的性能的曲线图，按照顺序依次图示了所述第一、第二、第三及第四实施例涉及的过渡装置20的性能。如图11a至图11d所示可知，在各自的过渡装置20中，以所期望的频带例如以28GHz频带为基准，反射损失S11可确保-15dB带宽。此外可知，由于插入损失S21大体上约在-0.5dB以内，因此可将其设计为十分小。而且损失的部分是由介电质基板产生的，因此可推导出实际的过渡结构的插入损失十分小可忽略不计。
在如所述本发明的第一至第四实施例的结构中，本发明涉及的传输线-波导管过渡装置可在任意形状的单层和多层结构的基板上的CPW、CPWG、带状线、微带线等的各种传输线的结构中广泛地使用。
图12a、图12b及图12c是本发明的各种实施例涉及的过渡装置中可应用的隆起线结构的变形的示例图，由此可知，隆起线的倾斜面的曲线分别设计为不同的形状。即图12a中图示的过渡装置20-1的隆起线210-1的倾斜面的形状为直线形状，图12b中图示的过渡装置20-2的隆起线210-2的倾斜面的形状具有倾斜区间的起点的倾斜度小而终点倾斜度大的曲线形状。图12c中图示的过渡装置20-3的隆起线210-3的倾斜面的形状由倾斜区间的起点和终点的倾斜度小，且与三角函数的一部分或者对数函数的形状类似的“S”字型曲线形状构成。
图13是图示在设计图12a、图12b及图12c的隆起线结构的倾斜面时应用的各自函数模型的曲线图。参照图13，图12a的隆起线210-1的倾斜面的直线形状可利用1元函数设计，图12b的隆起线210-2的倾斜面的曲线形状可利用2元函数进行设计。图12c的隆起线210-3的倾斜面的“S”字型曲线形状可利用三角函数设计。例如各函数可设定为满足以下数学公式。
[数学公式]
1元函数：y＝B/L*x
2元函数：y＝(B/L^2)*x^2
三角函数：y＝-0.5*B*cos(π/L*x)+0.5*B
(L：过渡结构的长度，B：过渡结构的高度(即，波导管的高度))
图13中图示的根据各函数的曲线图将与PCB的传输线接触的部分设置为原点(0，0)，并模拟隆起线的倾斜面的形态。如上所述，可适当地设定经过原点与倾斜面的终点(L，B)(L：隆起线长度，B：隆起线高度)的函数，由此可设计隆起线的倾斜面。
这种情况下，隆起线的长度L，即过渡结构的长度短且损失小的结构可为最优结构。所述例子中，利用在过渡结构的起点(0，0)与终点(L，B)上倾斜度小的三角函数的形状的结构的性能优秀。另外，除此之外根据采用的结构和PCB的厚度、传输线宽度等，也可对隆起线结构进行其他方式的最优化。此外，也可根据隆起线的不同部分分别采用不同的函数模型对整体的隆起线的倾斜面进行设计。
如上所述，在本发明的各种实施例中，过渡装置的隆起线的形状可通过以各种函数的曲线图形状作为模型进行最优化。本发明通过单一过渡结构产生由任意的PCB形态的传输线向波导管的变化，从而在各种函数模型中推导出性能优异的函数模型并应用。
本发明的各种实施例涉及的传输线-波导管过渡装置的构成和操作如上，另外，上述说明中对本发明的具体实施例进行了说明，但是本发明除此之外还可以有各种实施例或者变形例。例如，所述过渡装置20的长度、隆起线210的倾斜面G的曲面形状等可出于产品所需的性能的考虑进行各种设计。此外，除了所述实施例中提及的传输线之外，本发明的过渡装置20例如还可应用于同轴线。这种情况下，同轴线的内部的导体可具有与隆起线连接的结构。
如上所述，本发明可具有各种变形和变更，因此本发明的范围不应取决于所说明的实施例，而应取决于权利要求书和与权利要求书等同的内容。
Claims (8)
1.一种传输线-波导管过渡装置，其特征在于包括：
板状侧面和上面，其具有与用于传递传输线信号的波导管对应的尺寸及形状；
板状隆起线，其形成于由所述侧面和上面形成的内部空间，且具有一端与所述传输线连接而另一端与所述上面接触的倾斜面,
其中，所述传输线-波导管过渡装置设置为以焊接方式或者螺丝结合方式固定在用于形成所述传输线的基板上，
其中，所述基板上至少用于设置所述过渡装置的部位上形成有接地面,
其中，通过移除部分接地面，在接地面上与所述隆起线对应的部位形成接地过渡区域，所述接地过渡区域形成为从所述隆起线与所述传输线之间相接触的部位开始宽度逐渐变窄的形状。
2.如权利要求1所述的传输线-波导管过渡装置，其特征在于，
在所述隆起线中与所述传输线相接触的部位形成为与所述传输线以缓角接触而非以陡角接触，且整体上形成曲线形状。
3.如权利要求2所述的传输线-波导管过渡装置，其特征在于，
所述曲线形状整体上为“S”字形状。
4.如权利要求1所述的传输线-波导管过渡装置，其特征在于，
所述隆起线与所述传输线的相接触的部位以焊接方式、涂布导电性树脂的方式或者接触方式连接。
5.如权利要求1所述的传输线-波导管过渡装置，其特征在于，
所述接地过渡区域的周边形成有多个通路孔。
6.如权利要求1至5中任一项所述的传输线-波导管过渡装置，其特征在于，
所述过渡装置具有用于与波导管法兰结合的法兰。
7.如权利要求1至5中任一项所述的传输线-波导管过渡装置，其特征在于，
所述传输线具有共面波导、接地共面波导或者微带线结构。
8.如权利要求1至5中任一项所述的传输线-波导管过渡装置，其特征在于，
所述传输线具有带状线结构，所述隆起线通过所述传输线的基板上形成的通路孔与所述传输线连接。
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