CN112259944B - 一种宽带传输线和传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种宽带传输线和传输系统，应用于通信技术领域，可以包括：共面波导传输线、间隙层和间隙波导；共面波导传输线、间隙层和间隙波导组成传输线主体部分，其中，倒放的共面波导传输线位于间隙波导的上方，且间隙波导上表面与共面波导传输线之间存在间隙层。如此，能够实现在扩展带宽覆盖范围的同时，避免高频处损耗大的问题。

Description

一种宽带传输线和传输系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种宽带传输线和传输系统。
背景技术
第五代移动通信网络(5th generation mobile networks或5th generationwireless systems，5G)是面向移动通信需求而发展的新一代移动通信系统，5G通信频段包括Sub-6G和毫米波频段。Sub-6G是利用6GHz以下的带宽资源来发展5G，凭借其覆盖能力强、穿透能力好，目前已经逐渐商用。2019年世界无线电通信大会(WRC-19)公布的5G毫米波频段具有频谱宽、稳定性高、方向性好、频谱干净等优势，在未来具有非常大的发展潜力。传输线是导引电磁波传播的媒质，也是构成微波器件及电路的重要组成部分，其特性直接影响微波系统的带宽、尺寸及功能。事实上，传输线是所有高频集成电路(如射频集成电路(Radio frequency integrated circuits，RFICs)，微波集成电路(Monolithic MicrowaveIntegrated Circuit，MMICs)等的基础，其性能因素和成本指标均受到传输线的限制。随着通信领域的发展，毫米波通信系统实施的挑战涉及到多个方面，比如对低损耗、低衰减通信链路的研究，对具有宽带的小型高性能电路和器件提出了越来越高的要求等。在设计毫米波前端时，存在着成本问题、带宽、低损耗、更高的功率容量等技术问题和加工的挑战。具体的来说，需要高性能的传输线来弥补强的路径损耗和传输损耗，因此研究新型低损耗传输线是主要的挑战之一。
目前一些经典的传输线，如同轴线、矩形波导、微带线、共面波导已经成为现代电子集成电路和通信系统的支柱，然而，在毫米波频段及以上工作频段使用这些传输线时，需要考虑成本和应用等因素。一方面，波导类传输线凭借传输TE10模式在高频处具有损耗小的优势广泛的应用在微波射频的器件设计中，但是当其应用到复杂的馈电网络时，具有加工困难、成本高和很难保证良好的电气接触等问题，无法拓宽至更高频段；其次，波导类传输线存在截止频率，不能实现直流到5G毫米波/太赫兹频段的全覆盖。总的来说，波导类传输线存在截止频率，带宽覆盖范围较小。
另一方面，针对平面类传输线，微带线和共面线是最具代表性的平面传输线，这些传输线凭借着低成本、结构简单的特征广泛应用在集成有源微波/毫米波电路板中。然而，微带线和共面线的传输特性在很大程度上取决于介质基底板材，介质基板材料会引起介质损耗，此类平面传输线在毫米波频谱上都存在较高介质损耗以及导体损耗。此外，介质基板会激发无用的表面波模式，高次模辐射损耗也会影响传输性能。因此，平面类传输线在低频时损耗小，但在高频处，会发生信号损耗、衰减等问题，传播损耗太大，极大地影响信号的传播。
综上，现有的传输线无法同时权衡介质损耗和带宽覆盖范围。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种宽带传输线和传输系统，以实现在扩展带宽覆盖范围的同时，避免高频处损耗大的问题。具体技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种宽带传输线，包括：
共面波导传输线、间隙层和间隙波导；
所述共面波导传输线、所述间隙层和所述间隙波导组成传输线主体部分，其中，倒放的所述共面波导传输线位于所述间隙波导的上方，且所述间隙波导上表面与所述共面波导传输线之间存在所述间隙层。
可选的，还包括转换结构；
所述转换结构位于所述传输线主体部分的两侧，且位于所述传输线主体部分两侧的所述转换结构关于所述传输线主体部分的中心相对称；
其中，所述转换结构包括微带线、微带-锥形渐变结构和三角介质基板，且所述微带线、所述微带-锥形渐变结构和三角介质基板依次相连。
可选的，所述共面波导传输线包括覆铜金属地板、中心导体带和介质基板；所述中心导体带位于所述介质基板的上表面，所述覆铜金属地板位于所述中心导体带的两侧；
所述间隙波导包括鞘钉结构和金属地板；其中，在间隙波导的长边两侧和倒扣的共面波导传输线的下表面均匀分布着所述鞘钉结构；
所述间隙层位于所述共面波导传输线中所述覆铜金属地板，和所述间隙波导中所述鞘钉结构之间。
可选的，所述微带线包括第一介质基板、上表面为窄金属导体带，下表面为覆铜金属地板；且在微带线两端接口处设置第一端口和第二端口；
所述微带-锥形渐变结构包括第二介质基板、设置于第二介质基板上表面的中心锥形渐变导体带、位于两侧的第一覆铜金属地板和设置于第二介质基板下表面的第二金属覆铜地板；所述第二介质基板上设置有两排相互平行的金属化通孔且所述金属化通孔贯穿于所述第一金属覆铜层、所述第二介质基板、第二金属覆铜层以形成锥形渐变的基片集成波导；
所述三角介质基板包括第三介质基板、位于所述第三介质基板下表面的覆铜金属地板；
其中，所述第一介质基板、所述第二介质基板和所述三角介质基板依次连接，以及使用相同的介质材料且高度相等。
可选的，所述三角介质基板插入所述间隙波导，所述第一介质基板下表面的覆铜金属地板、所述微带-锥形渐变结构介质基板下表面的覆铜金属地板、所述三角介质基板下表面的覆铜金属地板，以及所述间隙波导的金属地板相贴合，所述第一介质基板上表面的窄金属导体带、所述微带-锥形渐变结构介质基板上表面中心导体带和共面波导介质基板上表面的中心导体带相贴合；
所述三角介质基板插入所述间隙波导，三角介质基板的两侧分布周期性的三排金属销钉，所述周期性的三排金属销钉和所述间隙波导两侧分布的鞘钉结构的尺寸、间隔周期相同；所述三角介质基板的上表面和设置于上方堆叠倒放的所述共面波导传输线的中心导体带和覆铜金属地板相接。
可选的，所述微带-锥形渐变结构两侧为金属化过孔。
可选的，所述微带-锥形渐变结构上表面的中心导体带在传输线传输方向呈锥形渐变的形式，以实现阻抗匹配。
可选的，所述共面波导传输线的介质基板、所述三角介质基板和所述微带-锥形渐变结构的第二介质基板采用相对介电常数在预设范围内的罗杰斯材料。
可选的，所述间隙波导的介质为空气。
第二方面，本发明实施例提供了一种传输系统，上述第一方面所述的宽带传输线和传输设备。
本发明实施例有益效果：
本发明实施例提供的宽带传输线，可以包括：共面波导传输线、间隙层和间隙波导；所述共面波导传输线、所述间隙层和所述间隙波导组成传输线主体部分，其中，倒放的所述共面波导传输线位于所述间隙波导的上方，且所述间隙波导上表面与所述共面波导传输线之间存在所述间隙层。
本发明实施例提供的宽带传输线由共面波导传输线和间隙波导耦合组成，可以理解为多导体传输线，这是一种不对称的非均匀截面的纵向均匀导波结构，模式转换和耦合通常发生在沿传播方向存在几何不连续或场中断的情况下，这是由于波导或传输线的横截面内存在物理场向不规则或场奇异性，边界条件被不连续性所破坏。而纵向均匀波导或传输线中也会发生模式转换和模式耦合现象，随着频率的增加，传输线的传输模式从共面波导(Coplanar waveguide，CPW)的横电磁波模式(Transverse Electromagnetic mode，TEM)转换到波导的TE10模式，能够解决矩形波导存在截止频率的问题，即能够避免高频时传输损耗大。且共面波导传输线具有低损耗的特性，间隙波导具有良好的阻带特性，有效的防止高频处波的泄露，共面波导传输线和间隙波导的模式转换和模式耦合即能够实现在扩展带宽覆盖范围的同时，避免高频处损耗大的问题。
当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
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实施例。
图1为本发明实施例提供的宽带传输线的一种结构示意图；
图2为图1所示的结构示意图对应的截面图；
图3为本发明实施例提供的宽带传输线的另一种结构示意图；
图4为图3所示宽带传输线的结构示意图对应的俯视图；
图5为图1所示宽带传输线的回波损耗|S11|参数的仿真结果；
图6为图1所示宽带传输线的插入损耗|S21|参数的仿真结果；
图7为本发明提供的宽带传输线的衰减常数的仿真结果；
图8本发明提供的宽带传输线的传播常数的仿真结果；
图9为图1所示宽带传输线在20GHz和100GHz的电场分布图；
图10为图3所示宽带传输线的|S11|参数的仿真结果；
图11为图3所示宽带传输线的|S21|参数的仿真结果；
图12为本发明实施例提供的传输系统的结构示意图。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除了对低损耗的需求，随着对高通信速率不断增长的需求，传输线的工作带宽直接影响相关器件设计的性能，因此提出了覆盖从直流(DC)到毫米波/太赫兹(THz)大带宽的概念。因此，直流至太赫兹传输线已在各个领域受到广泛关注。因此，在低功耗大连接、低时延高可靠、超低的终端功耗与成本等应用需求下，对传输线大带宽、低损耗、传输速率有更高的要求。
现有传输线存在的问题是：微波传输线如微带线、共面波导和带状线等，随着频率的增加，其存在的高损耗和衰减性能会成为主要的瓶颈，使其难以应用到高频；毫米波传输线如波导、间隙波导等，无法应用到低频段，波导类传输线存在固有的截止频率，极大地限制了低于截止频率的工作频段的使用，无法拓展至DC到太赫兹频段的全覆盖；目前的DC-THz传输线，仍依托平面类传输线作为传输介质，传输线存在的固有损耗，如介质损耗、金属损耗等，造成高频时传输损耗大。现有的传输线无法同时权衡介质损耗和带宽覆盖范围。
本发明实施例提供的宽带传输线可以结合共面波导传输线和间隙波导的传输特点，使其具有“模式转换”的特性，以实现在扩展带宽覆盖范围的同时，避免高频处损耗大，解决现有传输线中带宽窄的问题以及在高频处损耗大的问题。
下面对本发明实施例提供的宽带传输线进行详细说明。
本发明实施例提供了一种宽带传输线，可以包括：
共面波导传输线、间隙层和间隙波导；
所述共面波导传输线、所述间隙层和所述间隙波导组成传输线主体部分，其中，倒放的所述共面波导传输线位于所述间隙波导的上方，且所述间隙波导上表面与所述共面波导传输线之间存在所述间隙层。
本发明实施例中，由共面波导传输线和间隙波导通过间隙层耦合组成，可以理解为多导体传输线，这是一种不对称的非均匀截面的纵向均匀导波结构，模式转换和耦合通常发生在沿传播方向存在几何不连续或场中断的情况下，这是由于波导或传输线的横截面内存在物理场向不规则或场奇异性，边界条件被不连续性所破坏。而纵向均匀波导或传输线中也会发生模式转换和模式耦合现象，随着频率的增加，传输线的传输模式从共面波导CPW的TEM波模式转换到波导的TE10模式，能够解决矩形波导存在截止频率的问题，即能够避免高频时传输损耗大。且共面波导传输线具有低损耗的特性，间隙波导具有良好的阻带特性，有效的防止高频处波的泄露，共面波导传输线和间隙波导的模式转换和模式耦合即能够实现在扩展带宽覆盖范围的同时，避免高频处损耗大的问题。利用了共面波导低频无截止频率和矩形波导高频衰减小的优势。
图1为本发明实施例提供的宽带传输线的一种结构示意图，参照图1，对本发明实施例提供的宽带传输线进行说明。
本发明实施例提供了一种宽带传输线，如图1所示，可以包括：
共面波导传输线、间隙层和间隙波导；
所述共面波导传输线、所述间隙层和所述间隙波导组成传输线主体部分，其中，倒放的所述共面波导传输线位于所述间隙波导的上方，且所述间隙波导上表面与所述共面波导传输线之间存在所述间隙层。
其中，所述共面波导传输线包括覆铜金属地板100、中心导体带200和介质基板300；所述中心导体带200位于所述介质基板300的上表面，所述覆铜金属地板100位于所述中心导体带200的两侧。
所述介质基板300下表面无金属覆铜。
所述间隙波导包括鞘钉结构400和金属地板500；其中，在间隙波导的长边两侧和倒扣的共面波导传输线的下表面均匀分布着所述鞘钉结构400。
所述间隙层600位于所述共面波导传输线中所述覆铜金属地板100，和所述间隙波导中所述鞘钉结构400之间。
可以理解，鞘钉结构400可以构成电磁带隙结构(Electromagnetic Bandgap，EBG)。EBG结构由周期性排布的金属销钉、金属地板组成，两侧分别有三排金属销钉排列，关于中心对称；EBG结构表现为高阻状态，而且对入射电磁波具有同相反射作用，可以防止能量外泄，避免外部电磁场的干扰，并且可以增大加工容忍度。
为了更清楚地理解，本发明实施例还提供了宽带传输线的结构示意图对应的结构面，如图2为图1所示的结构示意图对应的截面图。
本发明实施例中，由共面波导传输线和间隙波导通过间隙层耦合组成，可以理解为多导体传输线，这是一种不对称的非均匀截面的纵向均匀导波结构，模式转换和耦合通常发生在沿传播方向存在几何不连续或场中断的情况下，这是由于波导或传输线的横截面内存在物理场向不规则或场奇异性，边界条件被不连续性所破坏。而纵向均匀波导或传输线中也会发生模式转换和模式耦合现象，随着频率的增加，传输线的传输模式从共面波导(Coplanar waveguide，CPW)的Transverse Electromagnetic mode(TEM)-TEM波模式转换到波导的TE10模式，能够解决矩形波导存在截止频率的问题，即能够避免高频时传输损耗大。且共面波导传输线具有低损耗的特性，间隙波导具有良好的阻带特性，有效的防止高频处波的泄露，共面波导传输线和间隙波导的模式转换和模式耦合即能够实现在扩展带宽覆盖范围的同时，避免高频处损耗大的问题。
一种可选的实施例中，本发明实施例提供的宽带传输线，还可以包括转换结构。也可以理解在图1所示宽带传输线上可以加载转换结构。转换结构用于宽带传输线的电气测量。
所述转换结构位于所述传输线主体部分的两侧，且位于所述传输线主体部分两侧的所述转换结构关于所述传输线主体部分的中心相对称。
其中，所述转换结构包括微带线、微带-锥形渐变结构和三角介质基板，且所述微带线、所述微带-锥形渐变结构和三角介质基板依次相连。
也可以理解，转换结构可以采用back-to-back形式，分别连接在传输线主体部分的两侧、关于中心对称，负责传输线的电气测量；传输线采用back-to-back、双端口激励的形式，在微带线两端接口处分别设置一个端口，分别为第一端口和第二端口。
微带线包括第一介质基板、上表面为窄金属导体带，下表面为覆铜金属地板；且在微带线两端接口处设置第一端口和第二端口。
所述微带-锥形渐变结构包括第二介质基板、设置于第二介质基板上表面的中心锥形渐变导体带、位于两侧的第一覆铜金属地板和设置于第二介质基板下表面的第二金属覆铜地板；所述第二介质基板上设置有两排相互平行的金属化通孔且所述金属化通孔贯穿于所述第一金属覆铜层、所述第二介质基板、第二金属覆铜层以形成锥形渐变的基片集成波导.
所述微带-锥形渐变结构上表面的中心导体带在传输线传输方向呈锥形渐变的形式，以实现阻抗匹配。所述转换结构阻抗匹配结构使用三角形介质衬底组成，从基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)逐渐过渡到间隙波导，本质上是使SIW介质层的高介电常数过渡到间隙波导层的低介电常数，这不仅消除了从SIW到间隙波导跃迁的影响，而且此结构具有自屏蔽性能和噪声干扰小的优势。
所述微带-锥形渐变结构通过中心锥形渐变导体带保持特性阻抗随频率变化的稳定和场分布匹配。
所述三角介质基板包括第三介质基板、位于所述第三介质基板下表面的覆铜金属地板。
其中，所述第一介质基板、所述第二介质基板和所述三角介质基板依次连接，以及使用相同的介质材料且高度相等。
其中，所述三角介质基板插入所述间隙波导，所述第一介质基板下表面的覆铜金属地板、所述微带-锥形渐变结构介质基板下表面的覆铜金属地板、所述三角介质基板下表面的覆铜金属地板，以及所述间隙波导的金属地板相贴合，所述第一介质基板上表面的窄金属导体带、所述微带-锥形渐变结构介质基板上表面中心导体带和共面波导介质基板上表面的中心导体带相贴合。所述间隙波导的介质可以为空气。
所述三角介质基板插入所述间隙波导，三角介质基板的两侧分布周期性的三排金属销钉，所述周期性的三排金属销钉和所述间隙波导两侧分布的鞘钉结构的尺寸、间隔周期相同；所述三角介质基板的上表面和设置于上方堆叠倒放的所述共面波导传输线的中心导体带和覆铜金属地板相接。
三角介质基板起到阻抗匹配电路的作用；微带-锥形渐变结构利用中心锥形渐变信号线，实现特性阻抗随频率变化保持稳定，场分布匹配，便于集成。
共面波导传输线的介质基板、所述三角介质基板和所述微带-锥形渐变结构的第二介质基板采用相对介电常数在预设范围内的罗杰斯材料。
本发明提供了一种具有低介质损耗的传输线。在本发明的宽带传输线结构中，巧妙的结合了共面波导传输线和间隙波导的传输特点，使其具有“模式转换”的特性，即在低频时利用共面波导传输线介质基板上表面的中心导体带(信号线)传输TEM模式，在高频时利用间隙波导的阻带特性，传输TE10模式，所述TE10模式具有色散低、损耗小、功率容量高的特性，并且间隙波导的介质为空气，满足传输线在高频处介质损耗低、色散低的需求。
本发明提供了一个具体实施例，图3为本发明实施例提供的宽带传输线的另一种结构示意图。图4为图3所示宽带传输线的结构示意图对应的俯视图；参照图3和图4，进行详细说明。
宽带传输线的两侧加载转换结构，此转换结构是back-to-back形式，关于中心对称；转换结构部分由三角介质基板1000、微带-锥形渐变结构900、微带线结构1200构成；微带-锥形渐变过渡结构两侧为匹配金属化过孔1100，在三角介质基板两侧加载的三排周期性的鞘钉结构1500；三角介质基板、微带-锥形渐变结构和微带线结构依次连接到一起，三角介质基板插入到间隙波导里；三角介质基板的下表面覆铜金属地板、微带-锥形渐变结构下表面覆铜金属地板1300、微带线下表面覆铜金属地板1300和间隙波导下表面金属地板500贴合，微带线上表面窄金属导体带、微带-锥形渐变结构上表面中心导体带和共面波导传输线上表面的中心导体带(信号线)贴合；微带-锥形渐变结构上表面的中心信号线和两侧接地板在y轴方向上长度渐变；微带线结构1200分别在一端设置一个50欧姆的端口，为第一端口700、第二端口800。
其中，三角介质基板起到阻抗匹配电路的作用；微带-锥形渐变结构利用中心锥形渐变信号线，实现特性阻抗随频率变化保持稳定，场分布匹配，便于集成。所述转换结构阻抗匹配结构使用三角形介质衬底组成，从基片集成波导逐渐过渡到间隙波导，本质上是使基片集成波导介质层的高介电常数过渡到间隙波导层的低介电常数，这不仅消除了从基片集成波导到间隙波导跃迁的影响，而且此结构具有自屏蔽性能和噪声干扰小的优势。
本发明中介质基板300、三角介质基板1000、微带线和微带-锥形渐变结构的介质基板1400采用相对介电常数为2.2的罗杰斯5880材料，其损耗正切仅为0.0009，介质基板300的厚度为0.127mm，长为38.5mm，宽为12mm；三角介质基板1000为等腰三角体，厚度为0.508mm，x轴方向的短边为4mm，y轴方向两腰长为10.69mm；微带线和微带-锥形渐变结构的介质基板1400的厚度为0.508mm，长为41.8mm,宽为12mm。
用于构成EBG结构的金属鞘钉(即鞘钉结构)400、在三角介质基板两侧加载的三排周期性的鞘钉结构1500的尺寸为0.55mm*0.55mm，同侧鞘钉y轴方向相邻两个金属鞘钉之间的中心距离为1.35mm，同侧鞘钉x轴方向相邻两个金属鞘钉之间的中心距离为1.35mm；间隙波导两侧鞘钉结构(以中心为坐标，两侧第一列鞘钉距离)之间的距离为3.759mm，三角介质基板1000两侧鞘钉结构1500(以中心为坐标，两侧第一列鞘钉距离)为4mm；
构成共面波导的中心导体带200的宽度为0.66mm，长度为38.5mm，高度为0.035mm，两侧金属覆铜接地板100距离中心导体带200的宽度为0.295mm，宽度为5.37mm，长度为38.5mm，高度为0.035mm；共面波导和间隙波导之间的间隙层(空气间隙)600为0.02mm；
在微带-锥形渐变结构900两侧的匹配金属化过孔1100的直径为0.4mm，y轴方向金属通孔的中心距离为0.6mm，x轴方向金属化通孔的中心距离为3.759mm；微带-锥形渐变结构的中心信号线由0.66mm渐变到1.55mm，信号线距离两侧接地线的缝隙由0.295mm渐变到0.7mm，其y轴方向的渐变长度为25.2mm，其高度均为0.035mm；
在微带线结构部分，介质基板上表面中心导体带的宽度为1.55mm，长度为5mm，高度为0.035mm；在三角介质基板1000的下表面为覆铜金属地，沿着x轴方向的短边为4mm，y轴方向两腰长为10.69mm，高度为0.035mm。
在本发明实例中覆铜接地板(也即覆铜金属地板)的高度均为0.035mm。
本发明提供了一种宽带传输线，属于通信领域中的新型微波器件领域。该宽带传输线可以包括倒放的共面波导传输线、间隙层、间隙波导、微带线、微带-锥形渐变结构、三角介质基板；间隙波导的上方堆叠着倒放的共面波导传输线，间隙波导上表面和上层共面波导传输线下表面之间存在空气间隙层。间隙波导的长边两侧分布着EBG结构，所述EBG结构由周期性排布的金属销钉、金属地板组成。微带线接口、微带-锥形渐变结构和三角介质基板部分属于传输线的转换结构，所述转换结构负责传输线的电气测量；本发明提供的新型传输线，巧妙利用了共面波导低频无截止频率和矩形波导高频衰减小的优势，能够实现大宽带、损耗小、低衰减、易集成的优点。可以解决传统传输线在5G通信系统、高速传输系统以及集成电路系统中具有损耗大、带宽窄等瓶颈问题。可以满足对更高通信数据速的需求，适用于超宽带的毫米波/太赫兹通信系统，同时还能确保其传输的低损耗、低衰减的特性。在毫米波通信系统、器件设计、器件测试技术、片上集成系统等领域都有非常广泛的应用，对太赫兹频段的发展亦具有重要指导意义和参考价值。
本发明利用宽带传输线进行了仿真实验以验证宽带传输线的性能。
具体地，图5、图6为图1所示宽带传输线的S参数，图5为本发明提供的图1所示宽带传输线的|S11|参数的仿真结果；图6为本发明提供的图1所示宽带传输线的|S21|参数的仿真结果；图5横坐标表示频率(Frequency)，纵坐标表示回波损耗|S11|；图6横坐标表示频率(Frequency)，纵坐标表示插入损耗|S21|。
由图5和图6可以看出，在DC～150GHz范围内，回波损耗|S11|优于25dB，且在相同频带上的插入损耗|S21|优于0.4dB。
即本发明实施例提供的宽带传输线，解决了带宽窄的问题，宽带传输线可以实现直流到5G毫米波频段的全覆盖，并且可以拓展到太赫兹频段。
图7为本发明提供的宽带传输线的衰减常数的仿真结果，图7横坐标表示频率，纵坐标表示衰减常数Attenuation。
具体地，图7所示为介质损耗和金属损耗的衰减常数对比示意图，在DC～150GHz范围内，介质损耗的值αd的值小于0.005dB/mm，金属损耗的值αc的值小于0.015dB/mm，对于宽带传输线，其金属损耗αc无法避免，但是看出在高频时极大地减少了介质损耗值。
即本发明实施例提供的宽带传输线，解决了传输线在高频处损耗大的问题，提出的宽带传输线由CPW和间隙波导组成，波导类传输线具有低损耗的特性，间隙波导具有良好的阻带特性，有效的防止高频处波的泄露，并且结构紧凑、便于加工。
图8本发明提供的宽带传输线的传播常数的仿真结果，具体地，图7横坐标表示频率，纵坐标表示归一化相位常数Nomalized Phase Constant(归一化相位常数)单位：β/k0。
图9为图1所示宽带传输线在20GHz和100GHz的电场分布图。
由图9可以看出，在20GHz时，利用共面波导传输线介质基板上表面的中心导体带(信号线)，传输TEM模式，在100GHz时利用间隙波导的阻带特性，传输TE10模式，满足宽带传输线在高频处介质损耗低、色散低的需求，即发生了“模式转换”的现象。
图10为本发明提供的图3所示宽带传输线的|S11|参数的仿真结果；图11为本发明提供的图3所示宽带传输线的|S21|参数的仿真结果；图10横坐标表示频率(Frequency)，纵坐标表示回波损耗|S11|；图11横坐标表示频率(Frequency)，纵坐标表示插入损耗|S21|。
由图可以看出，在DC～150GHz范围内，回波损耗|S11|优于10dB，且在相同频带上的插入损耗|S21|优于4dB，满足设计的要求。
通过仿真结果可得，本发明实施提供的宽带传输线，具有“模式转换”的特性，即随着频率的增加，传输线的工作模式会自动地从CPW的TEM模式转换到波导的TE10模式，解决矩形波导存在截止频率的问题。具体地，本发明实施例提供的宽带传输线可以理解为一种多导体传输线，即由共面波导传输线和间隙波导两条传输线耦合组成，这是一种不对称的非均匀截面的纵向均匀导波结构。模式转换和耦合通常发生在沿传播方向存在几何不连续或场中断的情况下，这是由于波导或传输线的横截面内存在物理场向不规则或场奇异性，边界条件被不连续性所破坏。在研究中发现，纵向均匀波导或传输线中也会发生模式转换和模式耦合现象，随着频率的增加，宽带传输线的传输模式从CPW的TEM模式转换到波导的TE10模式，通过仿真结果，从各种场分量的场分布中得到了证明，验证了模式转换的准确性和有效性。
另外，宽带传输线具有较宽的工作带宽，工作频率从DC-150GHz的全覆盖并且可以拓展到太赫兹频段；易集成，易加工，易互联；采用销钉结构的EBG单元结构，可以防止能量外泄，避免外部电磁场的干扰，并且增大了加工容忍度，能有效提高电磁带隙的带宽。且在通信链路中具有良好的匹配特性，具体表现为回波损耗小，插入损耗低，同时易与其它5G通信系统中微波器件集成，展现了良好的应用前景。
且在高频时利用间隙波导的阻带特性，传输TE10模式，TE10模式具有色散低、损耗小、功率容量高的特性。并且，间隙波导的介质为空气，可以满足传输线在高频处介质损耗低、色散低的需求。
本发明实施例提供的宽带传输线应用在电路封装、电路设计、天线设计以及通信系统等应用中，可以在这些应用中安装该宽带传输线。
本发明实施例提供了一种传输系统，如图12所示，可以包括：宽带传输线1201和传输设备1202。宽带传输线即如上述实施例提供的宽带传输线。
传输设备1202可以是电路封装、电路设计、天线设计或通信系统等应用中的设备。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种宽带传输线，其特征在于，包括：
共面波导传输线、间隙层、间隙波导和转换结构；
所述共面波导传输线、所述间隙层和所述间隙波导组成传输线主体部分，其中，倒放的所述共面波导传输线位于所述间隙波导的上方，且所述间隙波导上表面与所述共面波导传输线之间存在所述间隙层；
所述间隙波导的介质为空气；
所述转换结构位于所述传输线主体部分的两侧，且位于所述传输线主体部分两侧的所述转换结构关于所述传输线主体部分的中心相对称；
其中，所述转换结构包括微带线、微带-锥形渐变结构和三角介质基板，且所述微带线、所述微带-锥形渐变结构和三角介质基板依次相连。
2.根据权利要求1所述的宽带传输线，其特征在于，所述共面波导传输线包括覆铜金属地板、中心导体带和介质基板；所述中心导体带位于所述介质基板的上表面，所述覆铜金属地板位于所述中心导体带的两侧；
所述间隙波导包括鞘钉结构和金属地板；其中，在间隙波导的长边两侧和倒扣的共面波导传输线的下表面均匀分布着所述鞘钉结构；
所述间隙层位于所述共面波导传输线中所述覆铜金属地板，和所述间隙波导中所述鞘钉结构之间。
3.根据权利要求1所述的宽带传输线，其特征在于，所述微带线包括第一介质基板、上表面为窄金属导体带，下表面为覆铜金属地板；且在微带线两端接口处设置第一端口和第二端口；
所述微带-锥形渐变结构包括第二介质基板、设置于第二介质基板上表面的中心锥形渐变导体带、位于两侧的第一覆铜金属地板和设置于第二介质基板下表面的第二金属覆铜地板；所述第二介质基板上设置有两排相互平行的金属化通孔且所述金属化通孔贯穿于第一金属覆铜层、第二介质基板、第二金属覆铜层以形成锥形渐变的基片集成波导；
所述三角介质基板包括第三介质基板、位于所述第三介质基板下表面的覆铜金属地板；
其中，所述第一介质基板、所述第二介质基板和所述三角介质基板依次连接，以及使用相同的介质材料且高度相等。
4.根据权利要求3所述的宽带传输线，其特征在于，所述三角介质基板插入所述间隙波导，所述第一介质基板下表面的覆铜金属地板、所述微带-锥形渐变结构介质基板下表面的覆铜金属地板、所述三角介质基板下表面的覆铜金属地板，以及所述间隙波导的金属地板相贴合，所述第一介质基板上表面的窄金属导体带、所述微带-锥形渐变结构介质基板上表面中心导体带和共面波导介质基板上表面的中心导体带相贴合；
所述三角介质基板插入所述间隙波导，三角介质基板的两侧分布周期性的三排金属销钉，所述周期性的三排金属销钉和所述间隙波导两侧分布的鞘钉结构的尺寸、间隔周期相同；所述三角介质基板的上表面和设置于上方堆叠倒放的所述共面波导传输线的中心导体带和覆铜金属地板相接。
5.根据权利要求3所述的宽带传输线，其特征在于，所述微带-锥形渐变结构两侧为金属化过孔。
6.根据权利要求3所述的宽带传输线，其特征在于，所述微带-锥形渐变结构上表面的中心导体带在传输线传输方向呈锥形渐变的形式，以实现阻抗匹配。
7.根据权利要求4所述的宽带传输线，其特征在于，所述共面波导传输线的介质基板、所述三角介质基板和所述微带-锥形渐变结构的第二介质基板采用相对介电常数在预设范围内的罗杰斯材料。
8.一种传输系统，其特征在于，包括：如权利要求1至7任一项所述的宽带传输线和传输设备。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113131164B (zh) * 2021-03-07 2022-01-14 西安电子科技大学 基于堆叠蘑菇型电磁带隙结构封装的悬置线间隙波导
CN114156658B (zh) * 2021-11-26 2022-12-06 北京邮电大学 宽带传输线
WO2023106860A1 (en) * 2021-12-08 2023-06-15 Samsung Electronics Co., Ltd. Wireless interconnect for high-rate data transfer
CN114759331B (zh) * 2022-03-25 2023-03-14 北京邮电大学 一种低损耗宽带传输线及传输结构
CN115411479B (zh) * 2022-08-16 2023-04-07 厦门大学 一种基于玻璃基板的双间隙波导器件及制作方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104241794A (zh) * 2013-06-09 2014-12-24 华为技术有限公司 一种组合波导
US9444147B2 (en) * 2011-07-18 2016-09-13 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Ultra-wide-band (UWB) antenna assembly with at least one director and electromagnetic reflective subassembly and method
CN109792102A (zh) * 2016-10-05 2019-05-21 深谷波股份公司 包括形成无接触接口的至少一个过渡的封装结构
CN110731028A (zh) * 2017-06-20 2020-01-24 雷声公司 频率选择性限制器

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015172948A2 (en) * 2014-05-14 2015-11-19 Gapwaves Ab Waveguides and transmission lines in gaps between parallel conducting surfaces
CN208849053U (zh) * 2018-10-24 2019-05-10 云南大学 一种新型基片集成槽间隙波导
CN111668582B (zh) * 2020-06-15 2021-04-13 南京航空航天大学 半空气填充基片集成凹槽间隙波导及其微带过渡转换装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9444147B2 (en) * 2011-07-18 2016-09-13 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Ultra-wide-band (UWB) antenna assembly with at least one director and electromagnetic reflective subassembly and method
CN104241794A (zh) * 2013-06-09 2014-12-24 华为技术有限公司 一种组合波导
CN109792102A (zh) * 2016-10-05 2019-05-21 深谷波股份公司 包括形成无接触接口的至少一个过渡的封装结构
CN110731028A (zh) * 2017-06-20 2020-01-24 雷声公司 频率选择性限制器

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Design of a Simple Transition From Microstrip to Ridge Gap Waveguide Suited for MMIC and Antenna Integration;Ashraf Uz Zaman et.al;《 IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters》;20131205;全文 *
Design of F-Band Transition From Microstrip to Ridge Gap Waveguide Including Monte Carlo Assembly Tolerance Analysis;Astrid Algaba Brazález et.al;《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》;20160317;第1246页第4段-1247页第1段及图1-3 *

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