CN114374094A - 基于脊间隙波导和倒置微带线间隙波导的垂直传输结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于脊间隙波导和倒置微带线间隙波导的垂直传输结构，包括微带线，所述垂直传输结构包括所述垂直传输结构依次包括从上至下贴合的顶层、中间层、底层、基质，所述基质设置在底层的内表面，所述中间层的中心位置进一步设置耦合窗口，所述耦合窗口形成空腔，所述谐振贴片设置在空腔表面，所述基质表面进一步设置第一端口，所述顶层朝向中间层的内表面进一步设置第二端口，所述中间层的两个背面分别设置第一引脚和第二引脚，所述第一引脚与第二引脚与输入微带线馈电的谐振贴片形成谐振腔。采用本发明的垂直传输结构，结构紧凑，降低了天线的设计成本和复杂度，提升了带宽，适用于多层天线阵列的应用。

Description

基于脊间隙波导和倒置微带线间隙波导的垂直传输结构
技术领域
本发明属于无线通信领域，具体涉及一种脊间隙波导和倒置微带线间隙波导的垂直传输结构。
背景技术
在毫米波频段（30-300GHz）无线通信的芯片封装与信号传输技术中，大多数商用单片微波集成电路(MMIC，Monolithic Microwave Integrated Circuit)都需要有带介质的微带线进行封装，并且需要金丝键合进行组装，因此，从微带线直接过渡到间隙波导传输线是非常重要的。然而，在毫米波频段（30-300 GHz），微带线的介质损耗和色散损耗是不能忍受的。近年来提出的倒置微带线间隙波导技术是可以完全克服微带线的很高的介质损耗的，所以利用倒置微带线间隙波导技术来进行MMIC的芯片的封装；传统的矩形波导损耗小，效率高，但是在毫米波波段加工困难很大，且频带很窄。最近新发明的脊间隙波导完全可以克服传统矩形波导所产生的这些问题。
本发明专利介绍了一种能够克服传统微带线在毫米波频段（30-300 GHz）封装MMIC产生的高介质损耗和色散损耗的方法，本发明的封装MMIC的倒置微带线间隙波导结构可以完成和脊间隙波导的垂直传输转换，完成MMIC在毫米波频段的超低损耗封装。
发明内容
为解决上述的MMIC在毫米波频段的封装瓶颈与不足，本发明提出一种基于脊间隙波导和倒置微带线间隙波导的垂直传输结构，技术方案如下：
一种基于脊间隙波导和倒置微带线间隙波导的垂直传输结构，包括微带线，所述垂直传输结构进一步依次包括从上至下贴合的顶层、中间层、底层、基质，所述基质设置在底层的内表面，所述中间层的中心位置进一步设置耦合窗口，所述耦合窗口形成空腔，所述谐振贴片设置在空腔表面。
进一步的，所述基质表面进一步设置第一端口，所述顶层朝向中间层的内表面进一步设置第二端口。
进一步的，所述中间层的两个背面分别设置第一引脚和第二引脚，所述第一引脚与第二引脚与输入微带线馈电的谐振贴片形成谐振腔。
进一步的，所述中间层的上表面和下表面分别设置多个金属柱，所述金属柱的横截面呈正方形，所述金属柱至少包括两种尺寸，所述两种尺寸的取值范围是0.5mm~0.7 mm。
进一步的，所述微带线参数是50欧姆。
进一步的，所述垂直传输结构的波导是WR-12。
进一步的，所述波导材料是黄铜，所述波导表面电镀0.5微米厚度的黄金。
进一步的，所述基质为0.127mm的Rogers 3003材料。
进一步的，所述耦合窗口的长度取值范围为2mm~3.2mm，宽度取值范围为1.1mm~2mm，所述谐振贴片的长度取值范围为2.4mm~4 mm，宽度取值范围为1.3mm~2.8 mm。
进一步的，所述垂直传输结构进一步设置过孔以响应谐振频率，所述过孔的横截面的长度L3取2.4mm~2.8 mm，宽度W3取值范围1.2mm~1.5 mm。
采用本发明的垂直传输结构，结构紧凑，降低了天线的设计成本和复杂度，提升了带宽，适用于多层天线阵列的应用。
附图说明
图1：本发明的垂直传输结构的整体结构示意图。
图2：本发明的倒置微带线间隙波导与WR-12波导之间的结构转换示意图。
图3：本发明的集成倒置微带线间隙波导的50欧姆无源MMIC与WR-12波导之间的结构转换示意图。
图4：本发明倒置微带线间隙波导与WR-12波导之间的底层结构转换实物图。
图5：本发明倒置微带线间隙波导与WR-12波导之间的顶层结构转换实物图。
图6：本发明倒置微带线间隙波导与WR-12波导之间的中间层底视图结构转换实物图。
图7：本发明倒置微带线间隙波导与WR-12波导之间的中间层俯视图结构转换实物图。
图8：本发明脊间隙波导和MMIC测量结果。
图示标号说明：第一端口101、第二端口102、顶层103、中间层104、底层105、基质106、耦合窗口107、空腔108、谐振贴片109、第一引脚110、第二引脚111，定位槽112。
具体实施方式
下面通过实施例详细描述本发明基于间隙波导和倒置微带缝隙波导的垂直传输结构的设计方法，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同的标号标实相同的含义。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明旨在提供一种基于脊间隙波导和倒置微带缝隙波导的垂直传输结构，该垂直传输结构将脊间隙波导转到微带线并通过倒置微带间隙波导传输电磁波。
请参考图1本发明的垂直传输结构整体结构示意图，本发明的垂直传输结构依次包括从上至下贴合的顶层103、中间层104、底层105及基质106，其中，基质106设置在底层105的内表面，基质106表面进一步设置第一端口101，第二端口102设置在顶层103朝向中间层104的内表面，所述中间层104的上表面和下表面分别设置多个金属柱，所述金属柱的横截面呈正方形，所述金属柱至少为两种大小的尺寸，所述两种横截面尺寸a1和a2的取值范围是0.5mm~0.7 mm，所述中间层的中心位置进一步设置耦合窗口107，所述耦合窗口107形成空腔108，所述谐振贴片109设置在空腔108表面，第二端口102通过微带线延伸至垂直传输结构中心的位置设置耦合窗口107，所述耦合窗口107的长度为l1，其取值范围为2mm~3.2mm，宽度为w1，其取值范围为1.1mm~2 mm，wp是过渡脊波导的脊宽度，其取值范围为0.4mm~0.7 mm，所述谐振贴片109的长度为l2，其取值范围为2.4mm~4 mm，宽度为w2，其取值范围为1.3mm~2.8 mm。
本发明采用谐振贴片109耦合实现微带与脊间隙波导之间的过渡，中间层104的两个背面分别设置第一引脚110和第二引脚111，所述第一引脚110、第二引脚111与输入微带线馈电的贴片上方形成特定的谐振腔，所述谐振腔和谐振贴片109的谐振经过优化后，使微带线的电磁信号通过中间层104的耦合窗口107有效耦合到脊间隙波导，MMIC由EBG（电磁场带隙，Electromagnetic Band Gap）引脚封装，所述第一引脚110与第二引脚111阻挡干扰信号，为组装提供良好的空间。
参考图2本发明的倒置微带线间隙波导与WR-12波导之间的结构转换示意图，本发明的垂直传输结构采用50欧姆的微带线和50微米的GaAs砷化镓衬底的无源MMIC，所述垂直传输结构设置过孔以响应谐振频率，所述过孔的横截面的长度L3取值2.4mm~2.8 mm，宽度W3取值范围1.2mm~1.5 mm。
进一步参考图3是本发明的集成倒置微带线间隙波导的50欧姆无源MMIC与WR-12波导之间的结构转换示意图，两端过渡到WR-12矩形波导。
进一步参考图4本发明倒置微带线间隙波导与WR-12波导之间的底层结构转换实物图，所述底层结构进一步设置定位槽112，方便安装上层结构时定位、图5本发明倒置微带线间隙波导与WR-12波导之间的顶层结构转换实物图、图6本发明倒置微带线间隙波导与WR-12波导之间的中间层底视图结构转换实物图、图7本发明倒置微带线间隙波导与WR-12波导之间的中间层俯视图结构转换实物图，所述波导材料采用黄铜，表面电镀0.5微米厚度的黄金，基质为0.127mm的Rogers 3003材料，线条长度约为10.6毫米。
考虑到倒置微带线间隙波导在79GHz下具有约0.8dB/cm的插入损耗，计算后约为0.85dB，每个标准波导过渡到倒置微带线间隙波导的损耗约为0.3dB，其测试结果请参考图8本发明脊间隙波导和MMIC测量结果，脊间隙波导集成的MMIC在69GHz~86GHz范围内具有大于17dB的小信号增益和大于-10dB的反射系数。
采用本发明的垂直传输结构，结构紧凑，降低了天线的设计成本和复杂度，提升了带宽，适用于多层天线阵列的应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明的保护范围，凡是基于本发明的构思作出的改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于脊间隙波导和倒置微带线间隙波导的垂直传输结构，包括微带线，其特征在于，所述垂直传输结构依次包括从上至下贴合的顶层、中间层、底层、基质，所述基质设置在底层的内表面，所述中间层的中心位置进一步设置耦合窗口，所述耦合窗口形成空腔，所述谐振贴片设置在空腔表面。
2.如权利要求1所述的垂直传输结构，其特征在于，所述基质表面进一步设置第一端口，所述顶层朝向中间层的内表面进一步设置第二端口。
3.如权利要求1所述的垂直传输结构，其特征在于，所述中间层的两个背面分别设置第一引脚和第二引脚，所述第一引脚与第二引脚与输入微带线馈电的谐振贴片形成谐振腔。
4.如权利要求1所述的垂直传输结构，其特征在于，所述中间层的上表面和下表面分别设置多个金属柱，所述金属柱的横截面呈正方形，所述金属柱至少包括两种尺寸，所述两种尺寸的取值范围是0.5mm~0.7 mm。
5.如权利要求1所述的垂直传输结构，其特征在于，所述微带线参数是50欧姆。
6.如权利要求1所述的垂直传输结构，其特征在于，所述垂直传输结构的波导是WR-12。
7.如权利要求6所述的垂直传输结构，其特征在于，所述波导材料是黄铜，所述波导表面电镀0.5微米厚度的黄金。
8.如权利要求1所述的垂直传输结构，其特征在于，所述基质为0.127mm的Rogers 3003材料。
9.如权利要求1所述的垂直传输结构，其特征在于，所述耦合窗口的长度取值范围为2mm~3.2mm，宽度取值范围为1.1mm~2 mm，所述谐振贴片的长度取值范围为2.4mm~4 mm，宽度取值范围为1.3mm~2.8 mm。
10.如权利要求1所述的垂直传输结构，其特征在于，所述垂直传输结构进一步设置过孔以响应谐振频率，所述过孔的横截面的长度L3取2.4mm~2.8 mm，宽度W3取值范围1.2mm~1.5 mm。
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