CN113571859A - 一种基于腔体耦合的微带线-微带线垂直过渡结构及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于腔体耦合的微带线‑微带线垂直过渡结构及其应用，该结构由上层介质基板、公共接地板和下层介质基板组成，所述上层介质基板和下层介质基板上分别带有微带线，所述微带线的末端分别贴有贴片，贴片的长度为传输波长的四分之一，贴片的宽度大于微带线的宽度，所述公共接地板上带有金属腔体，电磁信号能够通过公共接地板上的金属腔体耦合至上下层微带线。本发明通过添加贴片的方法降低了模型插入损耗，大大提升了传输带宽，可应用于三维高速微波电路中。
Description
技术领域
本发明涉及微波电路技术领域，尤其涉及一种基于腔体耦合的微带线-微带线垂直过渡结构及应用。
背景技术
随着全球通信速率的迅速增长，以及器件小型化的需求，微波集成电路复杂度不断提高，速率不断增长。传统的二维单平面微波电路无法满足设计要求，三维微波集成电路(3DMIC,Three-dimensional microwave integrated circuit)被越来越广泛地应用于微波系统中。
而在三维微波集成电路中，上下层信号过渡是十分重要的，上下层信号传输质量影响着整个微波电路系统的性能。因而如何实现微波集成电路中的同层的及不同层的电磁信号宽带低损耗传输成为微波集成电路的重要课题之一。
作为三维微波电路中常用互连结构，不同层传输线的射频互连过渡影响着整个微波电路的传输性能。现有技术中，实现微波电路中上下层信号传输的方案有以下几种：
1、利用金属过孔实现信号过渡，如图1所示。这种方法具有成本低，易于实现的优点，但金属过孔在高频段会产生严重的寄生效应，劣化信号传输质量，很难应用于微波毫米波波段。
2、基于槽耦合实现上下层信号过渡，如图2所示。甚于槽耦合的过渡结构是通过在公共地板上开槽把实现上下层微带线过渡,呈现带通特性。这种结构具有损耗低，传输频带宽较宽的特点。但这种结构由于公共地层厚度低，散热性能较差，而且无法隔离上下层电路之间的串扰。
3、基于腔体耦合实现上下层信号过渡，如图3所示。基于腔体耦合的过渡结构呈现带通特性，其基本结构是在上下层微带线对应的地板上开一个耦合槽，在上下层微带线的地板之间夹着一个腔体，可以选择空气腔体也可是介质腔体，腔体的形状可以是矩形的也可以是圆形的。
本发明基于腔体耦合，通过结构上的优化，相较于传统的腔体耦合模型进一步降低了插入损耗，拓宽了传输带宽，对于设计三维高速微波电路有着重要的意义。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提供一种宽传输频带、低插入损耗的基于腔体耦合的微带线-微带线垂直过渡结构及应用。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明首先提供一种基于腔体耦合的微带线-微带线垂直过渡结构，由上层介质基板、公共接地板和下层介质基板组成，所述上层介质基板和下层介质基板上分别带有微带线，所述微带线的末端分别贴有贴片，贴片的长度为传输波长的四分之一，贴片的宽度大于微带线的宽度，所述公共接地板上带有金属腔体，电磁信号能够通过公共接地板上的金属腔体耦合至上下层微带线。
进一步地，所述贴片的形状由两条抛物线形状围成。
进一步地，所述贴片的形状由两条对称的抛物线形状围成，曲线方程可表示为y＝ax2+b1以及y＝-ax2+b2。
进一步地，所述金属腔体为圆柱形体或矩形体。
本发明还提供了上述的基于腔体耦合的微带线-微带线垂直过渡结构在三维高速微波电路中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的基于腔体耦合的微带线-微带线垂直过渡结构，基于腔体耦合技术实现上下层信号的垂直过渡，同时，为了加强上下层信号的电磁耦合，在微带线末端添加了基于抛物线结构的贴片，实现信号上下层过渡结构的宽传输频带，低插入损耗，使信号可以更好传输。
与传统金属过孔相比，本发明在高频传输性能优秀；与基于槽耦合的过渡结构相比，本发明在具有优秀高频性能同时具有良好散热性，且上下层电路串扰更小；与传统的腔体耦合结构相比，本发明通过添加贴片的方法降低了模型插入损耗，大大提升了传输带宽。可应用于三维高速微波电路中。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为利用金属过孔实现上下层信号过渡的结构示意图。
图2为利用槽耦合实现上下层信号过渡的结构示意图。
图3为利用腔体耦合实现上下层信号过渡的结构示意图。
图4为本发明实施例提供的基于腔体耦合的微带线-微带线垂直过渡结构示意图。
图5为本发明实施例提供的抛物线形状贴片示意图。
图6为本发明实施例提供的优化前后模型插入损耗对比结果。
附图标记说明：
1、上层介质基板，2、公共接地板，3、下层介质基板，4、微带线，5、贴片，6、金属腔体。
具体实施方式
为了更好地理解本技术方案，下面结合附图对本发明的方法做详细的说明。
如图4所示，本发明提供一种基于腔体耦合的微带线-微带线垂直过渡结构，由上层介质基板1、公共接地板2和下层介质基板3组成，所述上层介质基板1和下层介质基板3上分别带有微带线4，所述微带线4的末端分别贴有贴片5，贴片5的长度为传输波长的四分之一，贴片5的宽度大于微带线4的宽度，所述公共接地板2上带有金属腔体6，电磁信号能够通过公共接地板上的金属腔体耦合至上下层微带线。
由于距离传输线开路四分之一波长处等于短路接地，电磁信号可以较好地通过公共地板上的圆柱形金属腔体耦合至相邻一层，而加入贴片可以加强上下层信号之间的耦合。
具体地，如图5所示，所述贴片的形状由两条对称的抛物线形状围成由于抛物线形状围成的贴片类似于锥形，可以在宽频带内实现几乎恒定的耦合值，曲线方程可表示为y＝ax2+b1以及y＝-ax2+b2。根据电路尺寸要求不同，调节二次项系数a可以改善模型的传输性能，a的值过大，会造成阻抗突变，增大回波损耗，降低传输带宽，a的值过小，上下层贴片耦合面积小，无法实现上下层信号的强耦合。
回波损耗(Return Loss，RL)：由于传输端口阻抗不匹配，导致传输信号反射回原端口造成的损耗。公式如下：
其中，Pin：输入功率，Pr：负载端接收功率。
所述金属腔体为圆柱形体或矩形体。
在仿真实施例中，选取铜箔作为上下层微带线及其贴片以及公共地层的材料，上下层贴片长度选取为7mm，抛物线二次项系数a的值选为0.15。微带线宽度为1.1mm，公共接地板厚度为1mm，接地板上金属腔体形状为圆柱体，其半径为3.5mm。上下层介质基板材料选取为Rogers RO4350,相对介电常数为3.66，厚度为0.5mm。
使用HFSS仿真软件对本发明的结构模型进行仿真，性能指标为插入损耗和带宽，其中：
插入损耗(Insertion Loss，IL)：为信号在结构中传输时，能量或增益的损耗。公式如下：
带宽为通道的信号强度从峰值下降r dB时的频带宽度，反映器件滤波特性。在保证垂直过渡结构其他性能的前提下，适当增大其带宽，对于过渡结构正常工作将至关重要。
使用HFSS仿真软件对模型进行仿真，所得到的传输系数(插入损耗)S21与不加贴片的模型(如图3)进行对比，所得结果如图6所示。从仿真结果可知，模型的插入损耗在传输频段明显降低，其1dB带宽从3.5GHz-5.1GHz提升至3.3GHz-10.4GHz。
本发明提出一种基于腔体耦合具有抛物线贴片结构的微带线-微带线垂直传输过渡结构，其1dB带宽为3.3GHz-10.4GHz，高频传输性能优秀。同时体积小，结构紧凑；此外由于公共接地板有一定厚度，散热性能也较为优秀，同时公共接地板可以为上下层电路模块提供隔离，减小信号串扰，可应用在三维高速微波电路中。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种基于腔体耦合的微带线-微带线垂直过渡结构，其特征在于，由上层介质基板、公共接地板和下层介质基板组成，所述上层介质基板和下层介质基板上分别带有微带线，所述微带线的末端分别贴有贴片，贴片的长度为传输波长的四分之一，贴片的宽度大于微带线的宽度，所述公共接地板上带有金属腔体，电磁信号能够通过公共接地板上的金属腔体耦合至上下层微带线。
2.根据权利要求1所述的基于腔体耦合的微带线-微带线垂直过渡结构，其特征在于，所述贴片的形状由两条抛物线形状围成。
3.根据权利要求2所述的基于腔体耦合的微带线-微带线垂直过渡结构，其特征在于，所述贴片的形状由两条对称的抛物线形状围成，曲线方程可表示为y＝ax2+b1以及y＝-ax2+b2。
4.根据权利要求1所述的基于腔体耦合的微带线-微带线垂直过渡结构，其特征在于，所述金属腔体为圆柱形体或矩形体。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于腔体耦合的微带线-微带线垂直过渡结构在三维高速微波电路中的应用。
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