CN113991272B - 一种低成本基片集成波导、微波无源器件及制作方法 - Google Patents

一种低成本基片集成波导、微波无源器件及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低成本基片集成波导、微波无源器件及制作方法，其中基片集成波导的上导体层、介质层和下导体层分别设置有对应重合的上镂空孔、中镂空孔和下镂空孔。这些镂空孔可以作为该基片集成波导的侧壁，上导体层和下导体层可以分别作为该基片集成波导上壁和下壁，整个基片集成波导可以等效于一个矩形波导。同一排的上镂空孔中至少包括一个长条形的上目标孔，由于该上目标孔的存在减小了同一排的上镂空孔数量。中镂空孔和下镂空孔的情况与上镂空孔对应类似，镂空孔数量的减小，降低了制造工艺难度，降低了制造成本。

Description

一种低成本基片集成波导、微波无源器件及制作方法
技术领域
本发明涉及微波技术领域，特别涉及一种低成本基片集成波导以及基于该低成本基片集成波导技术设计的微波无源器件。
背景技术
随着移动通信技术的不断发展，对于不同功能电路间的集成化以及小型化要求越来越高，传统矩形波导往往难以满足，而基片集成波导(Substrate IntegratedWaveguide，SIW)由于其平面结构特性较容易与其他器件集成受到广泛地关注，因此，基于基片集成波导设计的滤波器、双工器、天线等器件被广泛应用于通信领域中。基片集成波导是集成在介质基片中的一种新型导波结构，其相对于传统矩形波导而言同样具有良好的传播特性、高品质因数以及低辐射损耗等特点，且重量以及长度方面相对于传统波导结构减小较多。由于PCB制造工艺日趋成熟，基片集成波导的加工难度大大减小，使得其更容易在多层PCB中或者LTCC工艺中与其他无源器件一起集成。
但是，现有的基片集成波导由于其本身特殊结构导致其金属化过孔的数量过多过密，导致其加工成本比较高昂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本基片集成波导，其能够改善上述问题。
本发明的实施例是这样实现的：
第一方面，本发明提供一种低成本基片集成波导，其包括：层叠设置的上导体层、介质层和下导体层；
所述上导体层沿第一方向设置有两排上镂空孔，同一排的所述上镂空孔中至少包括一个上目标孔；
在所述上导体层表面上与所述第一方向垂直的方向为第二方向，所述上目标孔在所述第一方向上的长度大于在所述第二方向上的长度；
所述介质层上设置有多个中镂空孔，所述下导体层上设置有多个下镂空孔，所述上镂空孔在所述介质层上的正投影区域与所述中镂空孔重合，所述上镂空孔在所述下导体层上的正投影区域与所述下镂空孔重合。
其中，上镂空孔、中镂空孔和下镂空孔均是金属过孔。
其中，上导体层和下导体层可以是金属敷层，该金属敷层可由薄芯基材采用敷铜等金属敷裹工艺制成，该薄芯基材可以采用陶瓷芯材制成。
可以理解，本发明公开了一种低成本基片集成波导，其上导体层、介质层和下导体层分别设置有对应重合的上镂空孔、中镂空孔和下镂空孔。这些镂空孔可以作为该基片集成波导的侧壁，上导体层和下导体层可以分别作为该基片集成波导上壁和下壁，整个基片集成波导可以等效于一个矩形波导。同一排的上镂空孔中至少包括一个长条形的上目标孔，由于该上目标孔的存在减小了同一排的上镂空孔数量。中镂空孔和下镂空孔的情况与上镂空孔对应类似，镂空孔数量的减小，降低了制造成本。
在本发明可选的实施例中，所述上镂空孔的各部分尺寸满足以下公式：
Figure BDA0003326483190000021
其中，λg为所述介质层中的导波波长，A为不同排的所述上镂空孔之间的距离，D为所述上镂空孔在所述第二方向上的长度，S为同排相邻的所述上目标孔之间的距离。
可以理解，整个基片集成波导可以等效于一个矩形波导，当传输TE10单模时，该等效矩形波导的宽度W满足以下公式：
Figure BDA0003326483190000031
W<λg<2W。
在本发明可选的实施例中，所述介质层的厚度H满足以下公式：
Figure BDA0003326483190000032
其中，H为所述介质层的厚度。
在本发明可选的实施例中，所述上镂空孔、所述中镂空孔和所述下镂空孔的截面长度和截面轮廓均一致。
其中，截面即平行于第一方向和第二方向的平面，上导体层、介质层和下导体层贴近后，上镂空孔、中镂空孔和下镂空孔是完全重合的。
在本发明可选的实施例中，所有的所述上镂空孔均为上目标孔。也就是说，上镂空孔、中镂空孔和下镂空孔均是第一方向长度大于第二方向长度的长条形通孔，比如椭圆形通孔或长方形通孔等。
其中，同排上目标孔的个数可以由本领域技术人员根据具体情况而设置，至少为一个。当然，为了保证同排相邻的上目标孔之间的距离足够小，同排的上目标孔的个数应该设置得足够多。
在本发明可选的实施例中，同排且相邻的所述上目标孔之间设置有间隔孔，所述间隔孔为其他形状的所述上镂空孔。其中，间隔孔可以是第一方向长度小于或等于第二方向长度的任一形状的通孔，比如：正方形通孔或矩形通孔等。具体可由本领域技术人员根据具体情况设定。
第二方面，本发明提供一种微波无源器件，包括如第一方面任一项所公开的的低成本基片集成波导。
该微波无源器件包括滤波器、双工器、天线等器件等。该微波无源器件还包括其他基于上述低成本基片集成波导设计的电路。
滤波器是射频微波系统必不可少的重要组成部分，性能优异的滤波器模块是射频微波通信系统能正常工作的必要前提。随着单片微波集成电路(MMIC)技术的飞速发展，对滤波器也提出了更高的要求。基片集成波导的滤波器就是其显著的成果。此结构在大幅缩小体积的同时仍具有较高Q(功率容量)值及电磁屏蔽能力。
双工器一般分为两种类型：收发开关和频段双工器。收发开关主要用于时分复用的雷达系统中，在发射脉冲时天线接通发射机，断开接收机；发射脉冲完成后，天线接通接收机，断开发射机。频段双工器是将不同频段的信号借助同一副天线分别进行发射和接收，它在雷达和通信技术中可以提高可靠性，对提高抗干扰性和保密程度来说，作用更加突出，因此频段双工器拥有更为广泛的应用范围，可用于微波中继通信、卫星通信、微波测量等。基于基片集成波导的双工器，减小了滤波器的长度，改善了滤波器的回波损耗，为基于基片集成波导的滤波器性能的提高提供了一条可行的思路。
基于基片集成波导的天线兼具平面天线和波导天线的优点，是两者的完美组合，研究前景可期。基于基片集成波导的缝隙阵列天线，近些年得到了广泛的研究和应用。
可以理解，一种低成本基片集成波导的提出，降低了基片集成波导的制造工艺难度和制造成本，也就是降低了基于基片集成波导的其他微波无源器件的成本，进一步促进了通信领域的发展。
第三方面，本发明提供了一种低成本基片集成波导制作方法，包括制成如第一方面任一项所公开的的低成本基片集成波导的步骤。
制成如第一方面任一项所公开的的低成本基片集成波导的步骤，包括：
提供上导体层、介质层和下导体层；
粘结压合上导体层、介质层和下导体层；
在上导体层、介质层和下导体层上钻孔，依次形成上镂空孔、中镂空孔和下镂空孔。
有益效果：
本发明公开了一种低成本基片集成波导，其上导体层、介质层和下导体层分别设置有对应重合的上镂空孔、中镂空孔和下镂空孔。这些镂空孔可以作为该基片集成波导的侧壁，上导体层和下导体层可以分别作为该基片集成波导上壁和下壁，整个基片集成波导可以等效于一个矩形波导。同一排的上镂空孔中至少包括一个长条形的上目标孔，由于该上目标孔的存在减小了同一排的上镂空孔数量。中镂空孔和下镂空孔的情况与上镂空孔对应类似，镂空孔数量的减小，降低了制造成本。
基于基片集成波导的天线兼具平面天线和波导天线的优点，是两者的完美组合，研究前景可期。基于基片集成波导的缝隙阵列天线，近些年得到了广泛的研究和应用。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举可选实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1是本发明提供的一种低成本基片集成波导的结构示意图；
图2是图1所示的低成本基片集成波导的馈电图；
图3是本发明提供的另一种低成本基片集成波导的结构示意图；
图4是图3所示的低成本基片集成波导的馈电图；
图5是图1和图3所示的低成本基片集成波导的等效矩形波导结构示意图；
图6是图1、图3和图5所示的波导的色散曲线对比图；
图7是图1、图3和图5所示的波导的品质因数对比图；
图8是图1、图3和图5所示的波导的仿真回波损耗对比图；
图9是图1、图3和图5所示的波导的仿真插入损耗对比图。
附图标号：
基片集成波导100/200、等效矩形波导300、上导体层10、上镂空孔11、上目标孔110、间隔孔111、介质层20、中镂空孔21、下导体层30、下镂空孔31。
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作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。
第一方面，如图1至图4所示，本发明提供一种低成本基片集成波导100和200，其包括层叠设置的上导体层10、介质层20和下导体层30。
上导体层10沿第一方向(如图中X方向)设置有至少一排上镂空孔11，同一排的上镂空孔11中至少包括一个上目标孔110；在上导体层10表面上与第一方向垂直的方向为第二方向(如图中Y方向)，上目标孔110在第一方向上的长度大于在第二方向上的长度。具体地，所述上目标孔110沿第一方向上的中轴线上的长度大于其沿第二方向上的中轴线上的长度。在本实施方式中，所述上导体层10沿第一方向设置有两排上镂空孔11。在其它的实施方式中，所述上导体层10沿第一方向可以设置其它数量排数的上镂空孔11，本发明对此不作限定。
介质层20上设置有多个中镂空孔21，下导体层30上设置有多个下镂空孔31，上镂空孔11在介质层20上的正投影区域与中镂空孔21重合，上镂空孔11在下导体层30上的正投影区域与下镂空孔31重合。换句话说，所述上镂空孔11、中镂空孔21和下镂空孔31的数量及形状完全相同，并且均一一对应设置。
其中，相对应的上镂空孔11、中镂空孔21和下镂空孔31为金属过孔。其中，上导体层10和下导体层30可以是金属敷层，该金属敷层可由薄芯基材采用敷铜等金属敷裹工艺制成，该薄芯基材可以采用陶瓷芯材制成。
在本发明可选的实施例中，上镂空孔11、中镂空孔21和下镂空孔31的截面长度和截面轮廓均一致。其中，截面即平行于第一方向和第二方向的平面，上导体层10、介质层20和下导体层30贴近后，上镂空孔11、中镂空孔21和下镂空孔31是完全重合的。
在本发明可选的实施例中，如图1和图2所示，所有的上镂空孔11均为上目标孔110。也就是说，上镂空孔11、中镂空孔21和下镂空孔31均是第一方向长度大于第二方向长度的长条形通孔，比如两端为弧形，中间部分为矩形的类跑道形通孔，椭圆形通孔或长方形通孔等。
其中，同排上目标孔110的个数以及具体的排布可以由本领域技术人员根据具体情况而设置，至少为一个。
在本发明可选的实施例中，如图3和图4所示，同排且相邻的上目标孔110之间设置有间隔孔111，间隔孔111为他其形状的上镂空孔11。
其中，间隔孔111可以是第一方向长度小于或等于第二方向长度的任一形状的通孔，比如：圆形孔、正方形通孔或矩形通孔等。具体可由本领域技术人员根据具体情况设定。图中，间隔孔111的截面轮廓为圆形，上目标孔110的截面轮廓为椭圆形。
可以理解，本发明公开了一种低成本基片集成波导，其上导体层10、介质层20和下导体层30分别设置有对应重合的上镂空孔11、中镂空孔21和下镂空孔31。这些镂空孔可以作为该基片集成波导的侧壁，上导体层10和下导体层30可以分别作为该基片集成波导上壁和下壁，整个基片集成波导可以等效于一个矩形波导300，如图5所示。同一排的上镂空孔11中至少包括一个长条形的上目标孔110，由于该上目标孔110的存在减小了同一排的上镂空孔11数量。中镂空孔21和下镂空孔31的情况与上镂空孔11对应类似，镂空孔数量的减小，降低了制造成本。
在本发明可选的实施例中，上镂空孔11的各部分尺寸满足以下公式：
Figure BDA0003326483190000081
其中，λg为介质层20中的导波波长，A为不同排的上镂空孔11之间的距离，D为上镂空孔11在第二方向上的长度，S为同排相邻的上目标孔110之间的距离。
可以理解，整个基片集成波导可以等效于一个矩形波导，当传输TE10单模时该等效矩形波导的宽度W满足以下公式：
Figure BDA0003326483190000082
W<λg<2W。
在本发明可选的实施例中，介质层20的厚度H满足以下公式：
Figure BDA0003326483190000083
其中，H为介质层20的厚度。
举例说明，如图1和图2所示的基片集成波导100，其长度l3为40mm，其过渡部分长度分别为：l1＝3mm，l2＝21.4mm，w1＝1.7mm，w2＝8.2mm，不同排的上镂空孔11之间的距离A为21.5mm，上镂空孔11在第二方向上的长度D为0.5mm，同排相邻的上镂空孔11之间的距离S为8mm。基片集成波导100中介质层20的厚度为0.76mm，该介质层20采用介电常数为3.5、损耗角的正切值为0.0037的材料制成。
举例说明，如图3和图4所示的基片集成波导200，其长度l3为40mm，其过渡部分长度分别为：l1＝3mm，l2＝21.4mm，w1＝1.7mm，w2＝8.2mm，不同排的上镂空孔11之间的距离A为21.5mm，上镂空孔11在第二方向上的长度D为0.5mm，同排相邻的上镂空孔11之间的距离S为10mm。基片集成波导200中介质层20的厚度为0.76mm，该介质层20采用介电常数为3.5、损耗角的正切值为0.0037的材料制成。
如图6所示为基片集成波导100、200以及其等效矩形波导300的色散曲线对比图；如图7所示为基片集成波导100、200以及其等效矩形波导300的品质因数对比图；由图中可以看出，基片集成波导100、200和等效矩形波导300的传播常数、品质因子以及介质填充波导非常接近，由此可以说明本发明所述低成本基片集成波导在降低加工成本的基础上同时拥有与矩形波导同样的传输性能。
进一步地，参考图8和图9。图8为基片集成波导100、200以及其等效矩形波导300的仿真回波损耗对比图；图9为基片集成波导100、200以及其等效矩形波导300的仿真插入损耗对比图。由图中也可以看出在同样的馈电条件下，本发明中所述低成本基片集成波导100和200与介质填充矩形波导的回波损耗与插入损耗非常接近，由此可以说明本发明中所述低成本基片集成波导在保持与介质填充矩形波导几乎相同的传播特性的同时可以有效降低加工成本。
第二方面，本发明提供一种微波无源器件，包括如第一方面任一项所公开的的低成本基片集成波导。
该微波无源器件包括滤波器、双工器、天线等器件等。该微波无源器件还包括其他基于上述低成本基片集成波导设计的电路。
滤波器是射频微波系统必不可少的重要组成部分，性能优异的滤波器模块是射频微波通信系统能正常工作的必要前提。随着单片微波集成电路(MMIC)技术的飞速发展，对滤波器也提出了更高的要求。基片集成波导的滤波器就是其显著的成果。此结构在大幅缩小体积的同时仍具有较高Q(功率容量)值及电磁屏蔽能力。
双工器一般分为两种类型：收发开关和频段双工器。收发开关主要用于时分复用的雷达系统中，在发射脉冲时天线接通发射机，断开接收机；发射脉冲完成后，天线接通接收机，断开发射机。频段双工器是将不同频段的信号借助同一副天线分别进行发射和接收，它在雷达和通信技术中可以提高可靠性，对提高抗干扰性和保密程度来说，作用更加突出，因此频段双工器拥有更为广泛的应用范围，可用于微波中继通信、卫星通信、微波测量等。基于基片集成波导的双工器，减小了滤波器的长度，改善了滤波器的回波损耗，为基于基片集成波导的滤波器性能的提高提供了一条可行的思路。
基于基片集成波导的天线兼具平面天线和波导天线的优点，是两者的完美组合，研究前景可期。基于基片集成波导的缝隙阵列天线，近些年得到了广泛的研究和应用。
可以理解，一种低成本基片集成波导的提出，降低了基片集成波导的制造工艺难度和制造成本，也就是降低了基于基片集成波导的其他微波无源器件的成本，进一步促进了通信领域的发展。
第三方面，本发明提供了一种低成本基片集成波导制作方法，包括制成如第一方面任一项所公开的的低成本基片集成波导的步骤。
制成如第一方面任一项所公开的的低成本基片集成波导的步骤，包括：
401、提供上导体层、介质层和下导体层。
其中，上导体层和下导体层可以是金属敷层，该金属敷层可由薄芯基材采用敷铜等金属敷裹工艺制成，该薄芯基材可以采用陶瓷芯材制成。可以根据实际需要确定介质层的材料。
402、粘结压合上导体层、介质层和下导体层。
403、在上导体层、介质层和下导体层上钻孔，依次形成上镂空孔、中镂空孔和下镂空孔。
可以根据所需要的导波波长λg，确定上镂空孔的各项长度参数，比如不同排的所述上镂空孔之间的距离A，所述上镂空孔在所述第二方向上的长度D，同排相邻的所述上目标孔之间的距离S。由此也可以确定中镂空孔和下镂空孔的各项长度参数。
钻孔后需要对上镂空孔、中镂空孔和下镂空孔进行孔金属化。
有益效果：
本发明公开了一种低成本基片集成波导，其上导体层10、介质层20和下导体层30分别设置有对应重合的上镂空孔11、中镂空孔21和下镂空孔31。这些镂空孔可以作为该基片集成波导的侧壁，上导体层10和下导体层30可以分别作为该基片集成波导上壁和下壁，整个基片集成波导可以等效于一个矩形波导。同一排的上镂空孔11中至少包括一个长条形的上目标孔110，由于该上目标孔110的存在减小了同一排的上镂空孔11数量。中镂空孔21和下镂空孔31的情况与上镂空孔11对应类似，镂空孔数量的减小，降低了制造成本。
基于基片集成波导的天线兼具平面天线和波导天线的优点，是两者的完美组合，研究前景可期。基于基片集成波导的缝隙阵列天线，近些年得到了广泛的研究和应用。
在本公开的各种实施方式中所使用的表述“第一”、“第二”、“所述第一”或“所述第二”可修饰各种部件而与顺序和/或重要性无关，但是这些表述不限制相应部件。以上表述仅配置为将元件与其它元件区分开的目的。例如，第一用户设备和第二用户设备表示不同的用户设备，虽然两者均是用户设备。例如，在不背离本公开的范围的前提下，第一元件可称作第二元件，类似地，第二元件可称作第一元件。
以上描述仅为本发明的可选实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种低成本基片集成波导，其特征在于，包括：
层叠设置的上导体层、介质层和下导体层；
所述上导体层沿第一方向设置有至少一排上镂空孔，同一排的所述上镂空孔中至少包括一个上目标孔；
在所述上导体层背离所述介质层的表面上与所述第一方向垂直的方向为第二方向，所述上目标孔在所述第一方向上的长度大于在所述第二方向上的长度；
所述介质层上设置有多个中镂空孔，所述下导体层上设置有多个下镂空孔，所述上镂空孔在所述介质层上的正投影区域与所述中镂空孔重合，所述上镂空孔在所述下导体层上的正投影区域与所述下镂空孔重合。
2.根据权利要求1所述的低成本基片集成波导，其特征在于，
所述上镂空孔的各部分尺寸需满足以下公式：
Figure FDA0003582656380000011
其中，λg为所述介质层中的导波波长，A为相邻两排所述上镂空孔在所述第二方向上的距离，D为所述上镂空孔在所述第二方向上的长度，S为同排相邻的所述上目标孔之间的距离。
3.根据权利要求2所述的低成本基片集成波导，其特征在于，
所述介质层的厚度H满足以下公式：
Figure FDA0003582656380000012
其中，H为所述介质层的厚度。
4.根据权利要求1所述的低成本基片集成波导，其特征在于，
所述上镂空孔、所述中镂空孔和所述下镂空孔的截面长度和截面轮廓均一致。
5.根据权利要求4所述的低成本基片集成波导，其特征在于，
所有的所述上镂空孔均为上目标孔。
6.根据权利要求4所述的低成本基片集成波导，其特征在于，
同排且相邻的所述上目标孔之间设置有间隔孔，所述间隔孔为他其形状的所述上镂空孔。
7.根据权利要求6所述的低成本基片集成波导，其特征在于，
所述间隔孔的截面轮廓为圆形。
8.根据权利要求5或6所述的低成本基片集成波导，其特征在于，
所述上目标孔的截面轮廓为长条形结构。
9.一种微波无源器件，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的低成本基片集成波导。
10.一种低成本基片集成波导制作方法，其特征在于，包括制成如权利要求1至8任一项所述的低成本基片集成波导的步骤。
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