CN113422187A - 一种基于印刷脊隙波导技术的交叉结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于印刷脊隙波导技术的交叉结构，包括依次叠设的上层介质接地金属板、上层介质层、下层介质层和下层介质接地金属板；所述上层介质层的下表面印刷有上层交叉结构，所述下层介质层上表面印刷有与所述上层交叉结构相重合的下层交叉结构。本发明的显著优点是器件带宽宽，传输损耗小，构剖面低，易于集成。

Description

一种基于印刷脊隙波导技术的交叉结构
技术领域
本发明涉及一种交叉结构，尤其涉及一种基于印刷脊隙波导技术的交叉结构。
背景技术
平面微带微波交叉结构因低成本，易生产、低剖面、重量轻、易调试、成本低等特点成为毫米波频段的理想解决方案。在过去的几十年中印刷电路板PCB的RF材料和电路印刷技术有了显著改善，但来自介质内部的辐射泄漏和功率耗散使微带交叉结构的插入损耗仍然很高，尤其是在毫米波段。传统上，微波交叉结构一般可以通过空气桥接器或线键合结构实现。尽管引线键合和空气桥接器很好地发挥了作用，但它们要求使用非平面结构，封装技术复杂且昂贵，而且一致性不佳，从而无法满足电路和系统设计对于小型化和紧凑设计的需求。交叉结构也可以使用带有或不带有附加基板层的布线过孔来形成。然而，有线通孔通常导致制造成本增加，封装复杂以及在高微波频带下增加的插入损耗。在另一种方法中，利用了能够将交叉结构的四个端口定位在不同层的多层结构。但是，这些结构增加了结构的垂直高度，并且避开了如果当四个端口位于同一层交叉时出现的实际问题。为了在不使用引线键合，空气桥接器和导线过孔的情况下实现交叉功能，从而引入了平面交叉结构的概念。器件利用改进的平面环形谐振器，贴片谐振器以在其工作频带内实现小于低于0.5dB的插入损耗。但是，一般频段的相对带宽小于25％。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于印刷脊隙波导技术的交叉结构，解决了传统交叉结构插入损耗高，带宽相对较窄的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
本发明提供了一种基于印刷脊隙波导技术的交叉结构，包括依次叠设的上层介质接地金属板、上层介质层、下层介质层和下层介质接地金属板；
所述上层介质层的下表面印刷有上层交叉结构，所述下层介质层上表面印刷有与所述上层交叉结构相重合的下层交叉结构。
进一步地，所述上层交叉结构包括印刷在所述上层介质层下表面的微带三级分支线耦合结构、微带线结构以及电磁带隙EBG阵列单元，所述微带三级分支线耦合结构包括由微带线构成的三个分支线耦合结构和微带线上的第一金属过孔。
进一步地，所述微带线结构包括连接四个端口的微带线，所述微带线上开设有第二金属过孔。
进一步地，三个分支线耦合结构的外形均呈长方形，三个所述分支线耦合结构依次级联，呈中心对称性。
进一步地，所述电磁带隙EBG阵列单元包括印刷在上层介质层下表面的第一圆形贴片，所述第一圆形贴片上开设有第三金属过孔。
进一步地，所述下层交叉结构包括印刷在所述下层介质层上表面的微带三级分支线耦合结构、微带线结构以及电磁带隙EBG阵列单元，所述微带三级分支线耦合结构包括由微带线构成的三个分支线耦合结构。
进一步地，所述微带线结构包括连接四个端口的微带线。
进一步地，三个分支线耦合结构的外形均呈长方形，三个所述分支线耦合结构依次级联，呈中心对称性。
进一步地，所述电磁带隙EBG阵列单元包括印刷在上层介质层下表面的第二圆形贴片。
进一步地，所述上层介质层采用厚度为0.762mm的Rogers4350B，所述下层介质层采用厚度为0.508mm的Rogers3003；
所述上层介质层上表面和下层介质层下表面分别印刷17um厚的铜金属。
本发明的有益效果：
本发明的显著优点是器件带宽宽，传输损耗小，构剖面低，易于集成；
在15.75GHz至19.25GHz范围内，插入损耗小于1dB，在整个频率范围内变化为±0.5dB，隔离度低于-20dB；
分别在16GHz和19GHz出有一个传输极点，拓宽了工作频带，该结构具有3.5GHz带宽，相对带宽20％。
附图说明
图1为根据本发明实施例提供的一种基于印刷脊隙波导技术的交叉结构的上层结构的俯视透视图；
图2为根据本发明实施例提供的一种基于印刷脊隙波导技术的交叉结构的上层结构的三维剖分图；
图3为根据本发明实施例提供的一种基于印刷脊隙波导技术的交叉结构中下层结构的俯视透视图；
图4为根据本发明实施例提供的一种基于印刷脊隙波导技术的交叉结构中下层结构的三维剖分图；
图5为根据本发明实施例提供的一种基于印刷脊隙波导技术的交叉结构的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
由图1-图4可知，本发明所述的交叉结构，从上而下依次包括上层介质接地金属板15、上层介质层16、下层介质层17和下层介质接地金属板18。其中1、2、3、4既表示四个端口的位置也表示连接4个端口的微带线结构。
上层介质层16的下表面印刷上层交叉结构，下层介质层17上表面印刷下层交叉结构。构成在工作频带内有两个传输极点的交叉结构。上层交叉结构由微带三级分支线耦合结构20、21、22和连接四个端口的微带线结构1、2、3、4和EBG阵列单元构成；下层交叉结构由印刷在下层介质上表面的连接四个端口的微带线结构10、11、12、13和微带三级分支线耦合结构23、24、25以及EBG阵列单元的第二圆形贴片14构成。
本发明还包括印刷在上层介质层16下表面连接四个端口的微带线结构1、2、3、4包括连接四个端口的微带线，微带线上开设有第二金属过孔27，其中微带线为17um厚的铜，其上第二金属过孔27的直径为0.3mm。构成微带三级分支线耦合结构的各段微带线均为17um厚的铜，其上第一金属过孔26直径为0.4mm。印刷在下层介质层17上表面连接四个端口的微带线结构10、11、12、13和微带三级分支线耦合结构各段微带线均为17um厚的铜。上层介质层下表面连接四个端口的微带线结构1、2、3、4，分别与下层介质层上表面连接四个端口的微带线结构10、11、12、13重合。
微带三级分支线耦合结构20、21、22及微带三级分支线耦合结构23、24、25均包括由微带线构成的三个分支线耦合结构，三个分支线耦合结构的外形均呈长方形，三个所述分支线耦合结构依次级联，呈中心对称性。
电磁带隙EBG阵列单元由印刷在上层介质层下表面的第一圆形贴片5和第一圆形贴片上的第三金属过孔19构成。第一圆形贴片5为17um厚的铜，第三金属过孔19为直径0.15mm的铜孔，其中第三金属过孔19嵌入上层介质层16中。
印刷在下层介质层17的上表面的EBG阵列单元的第二圆形贴片14与印刷在上层介质层16下表面的EBG阵列单元的圆形贴片5分别重合。下层介质层17厚度为0.508mm，材料为Rogers3003，上层介质层16厚度为0.762mm，材料为Rogers4350B。上下两层介质层紧密贴合在一起，17um厚的铜金属分别印刷于上层介质层16上表面和下层介质层17下表面。
本实施例中EBG阵列单元在每个微带线两边为三行或四行排列。能有效抑制波导传输多带来的介质损耗，有效降低传输损耗。EBG阵列单元按2.5mm周期排布。
本发明中，6、7、8、9分别均为直径为2mm的装配通孔，用于固定上层介质层16、下层介质层17。
三级分支线耦合微带结构尺寸，包括构成每一级分支线耦合的微带线尺寸，以及微带线上金属过孔的间距和尺寸，决定交叉结构的工作频段以及传输极点位置和工作带宽。改变微带线的宽度以及长度等尺寸参数，可以改变谐振频率，进而影响交叉结构最终工作频点和传输极点位置和工作带宽。
调节印刷在上下两层介质上的连接四个端口的微带线的宽度尺寸，可以影响电路的输入输出阻抗，进而影响电路在频带范围内输入输出匹配特性。印刷脊隙波导传输Q-TEM模式，与微带线相似，因此，特征阻抗可以使用微带线理论计算印刷脊间隙波导导电脊的阻抗初始宽度。
EBG阵列单元的周期尺寸、圆形贴片的尺寸、金属过孔的尺寸影响电磁带隙的频带范围。通过控制EBG单元周期尺寸，改变圆形贴片尺寸，金属过孔尺寸，影响电磁带隙范围,进而影响通带范围内传输特性。同时EBG阵列单元的周期、圆形贴片的尺寸、接地通孔直径会影响EBG阵列单元在特定频段内的反射相位。通过调节中心圆形贴片半径，可以使电磁带隙覆盖工作频段从而实现降低传输损耗的作用。
图5是本发明的仿真结果。中心频率为17.5GHz，带宽为3.5GHz，相对带宽为20％。在15.75GHz至19.25GHz范围内，插入损耗(S31)为-1dB，在整个频率范围内变化为±0.15dB。从15.75GHz到19.25GHz，从图中可以看出传输系数(S21和S41)的隔离端口小于-20dB，这显示了两个不同通道之间的隔离特性很好。在通带内有两个传输极点，分别位于16GHz和19GHz处。可以从图中看出，该三级分支线交叉结构，由于引入了双极点，使得电路的带宽较宽。
以上对本发明的较佳实施进行了具体说明，当然，本发明还可以采用与上述实施方式不同的形式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下所作的等同的变换或相应的改动，都应该属于本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于印刷脊隙波导技术的交叉结构，其特征在于，包括依次叠设的上层介质接地金属板、上层介质层、下层介质层和下层介质接地金属板；
所述上层介质层的下表面印刷有上层交叉结构，所述下层介质层上表面印刷有与所述上层交叉结构相重合的下层交叉结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于印刷脊隙波导技术的交叉结构，其特征在于，所述上层交叉结构包括印刷在所述上层介质层下表面的微带三级分支线耦合结构、微带线结构以及电磁带隙EBG阵列单元，所述微带三级分支线耦合结构包括由微带线构成的三个分支线耦合结构和微带线上的第一金属过孔。
3.根据权利要求2所述的一种基于印刷脊隙波导技术的交叉结构，其特征在于，所述微带线结构包括连接四个端口的微带线，所述微带线上开设有第二金属过孔。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于印刷脊隙波导技术的交叉结构，其特征在于，三个分支线耦合结构的外形均呈长方形，三个所述分支线耦合结构依次级联，呈中心对称性。
5.根据权利要求2或3或4所述的一种基于印刷脊隙波导技术的交叉结构，其特征在于，所述电磁带隙EBG阵列单元包括印刷在上层介质层下表面的第一圆形贴片，所述第一圆形贴片上开设有第三金属过孔。
6.根据权利要求1所述的一种基于印刷脊隙波导技术的交叉结构，其特征在于，所述下层交叉结构包括印刷在所述下层介质层上表面的微带三级分支线耦合结构、微带线结构以及电磁带隙EBG阵列单元，所述微带三级分支线耦合结构包括由微带线构成的三个分支线耦合结构。
7.根据权利要求6所述的一种基于印刷脊隙波导技术的交叉结构，其特征在于，所述微带线结构包括连接四个端口的微带线。
8.根据权利要求6或7所述的一种基于印刷脊隙波导技术的交叉结构，其特征在于，三个分支线耦合结构的外形均呈长方形，三个所述分支线耦合结构依次级联，呈中心对称性。
9.根据权利要求7或8所述的一种基于印刷脊隙波导技术的交叉结构，其特征在于，所述电磁带隙EBG阵列单元包括印刷在上层介质层下表面的第二圆形贴片。
10.根据权利要求1所述的一种基于印刷脊隙波导技术的交叉结构，其特征在于，所述上层介质层采用厚度为0.762mm的Rogers4350B，所述下层介质层采用厚度为0.508mm的Rogers3003；
所述上层介质层上表面和下层介质层下表面分别印刷17um厚的铜金属。
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