CN114759331B - 一种低损耗宽带传输线及传输结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低损耗宽带传输线及传输结构，低损耗宽带传输线包括介质基板、中心金属导体带和覆铜金属地板；中心金属导体带和覆铜金属地板均与介质基板上表面相连接，中心金属导体带设置于介质基板宽度方向的中心处，中心金属导体带沿介质基板的长度方向由一端延伸至另一端；覆铜金属地板包括第一板和第二板，第一板和第二板分别设置于中心金属导体带两侧，第一板和第二板均设置有连接带和与连接带相连接的凸肋，连接带的宽度小于等于凸肋宽度，凸肋向背离中心金属导体带方向延伸，相邻凸肋之间设置有间隔。传输结构包括端口和低损耗宽带传输线，端口连接于低损耗宽带传输线长度方向的端头处。采用枝节结构替代现有的通孔结构，提高电路性能。

Description

一种低损耗宽带传输线及传输结构

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种低损耗宽带传输线及传输结构。

背景技术

随着大速率低时延的通信需求，微波射频器件的工作频段逐渐趋于5G毫米波/太赫兹频段。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，所有微波射频器件/天线的设计都以传输线为载体，为了使能量可以在5G通信中低损、高速的传输，设计良好的传输线是关键。在设计毫米波/太赫兹传输线时，存在着成本问题、带宽、低损耗、集成度等技术问题和加工的挑战。具体来说，需要高性能的传输线来弥补毫米波通信中强的路径损耗和传输损耗，因此需要研究新型低损耗传输线。其次，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，因此需要研究宽带传输线。

目前，板材类传输线如共面波导(Coplanar waveguide,CPW)，接地共面波(Grounded coplanar waveguide,GCPW)和金属地共面波导(Conductor backed coplanarwaveguide,CBCPW)凭借易集成特性已成为现代电子集成电路和通信系统的支柱，但是也存在也存在一些问题。GCPW两侧的通孔柱间距需满足非常近(λ/16)才能满足高频损耗小，不漏波的特性，随着频率升高至5G毫米波频段/太赫兹频段，λ变得很小，该条件已超过现有PCB工艺的加工水平，而且金属通孔柱也变得很小，难以加工，导致GCPW在高频毫米波/太赫兹频段难以应用。而且，金属通孔在复杂的集成电路中可能造成短路，影响电路的性能；此外，电路通孔在“等效电路”模型中等效为引入电感，这样会降低了电路性能。

发明内容

鉴于此，本发明的实施例提供了一种低损耗宽带传输线及传输结构，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷。

本发明的一个方面提供了一种低损耗宽带传输线，所述低损耗宽带传输线包括介质基板、中心金属导体带和覆铜金属地板；

所述中心金属导体带和覆铜金属地板均与介质基板上表面相连接，所述中心金属导体带设置于介质基板宽度的中间，所述中心金属导体带沿介质基板的长度方向由介质基板的一端延伸至另一端；

所述覆铜金属地板包括第一板和第二板，所述第一板和第二板分别设置于中心金属导体带两侧，所述第一板和第二板均设置有连接带和与连接带相连接的多个凸肋，所述连接带的宽度小于或等于凸肋的宽度，所述凸肋向背离中心金属导体带的方向延伸，相邻凸肋之间设置有间隔。

采用上述方案，本方案将覆铜金属地板的边缘设置为由多个相互间隔的凸肋所构成的枝节结构，枝节结构为一种慢波结构，采用枝节结构替代现有技术中的通孔结构，解决了现有技术中由于通孔结构导致的难以加工且易造成短路的问题，降低加工难度，提高了电路性能。

在本发明的一些实施方式中，所述第一板或第二板上的多个凸肋均以相同的间隔沿介质基板的长度方向阵列设置。

在本发明的一些实施方式中，相邻所述凸肋之间的间隔的参数范围为0.1-0.3mm。

在本发明的一些实施方式中，单个所述凸肋的长度参数范围为0.4-0.8mm，单个所述凸肋的宽度参数范围为0.1-0.3mm。

在本发明的一些实施方式中，所述第一板和第二板分别设置于中心金属导体带两侧，且与所述中心导体带之间设置有间隙。

在本发明的一些实施方式中，所述第一板和第二板与中心导体带之间的间隙的参数范围为0.09-0.13mm。

在本发明的一些实施方式中，所述低损耗宽带传输线包括金属接地板，所述金属接地板与介质基板下表面相连接。

在本发明的一些实施方式中，所述连接带的宽度参数范围为0.05-0.2mm。

在本发明的一些实施方式中，所述介质基板的材质包括硅基材料和罗杰斯板材材料。

在本发明的一些实施方式中，所述介质基板长度方向的两端为用于连接端口的连接端。

本发明的另一个方面还提供了一种传输结构，所述传输结构包括端口和上述的低损耗宽带传输线，所述端口连接于所述低损耗宽带传输线长度方向的端头处。

在本发明的一些实施方式中，所述端口连接于所述介质基板长度方向的两端。

本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。

图1为本发明低损耗宽带传输线一种实施方式的结构示意图；

图2为本发明低损耗宽带传输线一种实施方式的俯视结构示意图；

图3为本发明低损耗宽带传输线一种实施方式的侧视结构示意图；

图4为本发明低损耗宽带传输线的S11和S21参数仿真结果；

图5为本发明低损耗宽带传输线在10GHz的电场分布图；

图6为本发明低损耗宽带传输线在30GHz的电场分布图；

图7为本发明低损耗宽带传输线在50GHz的电场分布图；

图8为本发明低损耗宽带传输线在70GHz的电场分布图；

图9为本发明低损耗宽带传输线在90GHz的电场分布图；

图10为本发明低损耗宽带传输线在110GHz的电场分布图；

图11为现有技术GCPW一种实施方式的结构示意图；

图12为现有技术GCPW另一种实施方式的结构示意图。

附图标记说明

通过上述附图标记说明，结合本发明的实施例，可以更加清楚的理解和说明本发明的技术方案。

1、覆铜金属地板；11、第一板；12、第二板；13、凸肋；14、连接带；2、中心金属导体带；3、介质基板；4、金属接地板；5、连接端。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

现有技术中GCPW两侧的通孔柱间距需满足非常近(λ/16)才能满足高频损耗小，不漏波的特性，随着频率升高至5G毫米波频段/太赫兹频段，λ变得很小，该条件已超过现有PCB工艺的加工水平，而且金属通孔柱也变得很小，难以加工，导致GCPW在高频毫米波/太赫兹频段难以应用。而且，金属通孔在复杂的集成电路中可能造成短路，影响电路的性能；此外，电路通孔在“等效电路”模型中等效为引入电感，这样会降低了电路性能；CBCPW由于表面波和空间波辐射造成的寄生模式，导致功率泄露到介质板材中产生串扰和模式耦合，不利于小型化集成，造成高频传输损耗大，极大的影响电路性能。随着5G通信的发展，在低功耗大连接、低时延高可靠、超低的损耗与成本等应用需求下，对传输线大带宽、低损有更高的要求。上述GCPW和CBCPW传输线存在带宽窄、难加工、损耗大、串扰大的问题，不能满足超快互连，低损耗的要求。

如图11、12所示，现有技术的Grounded coplanar waveguide(GCPW)是一种主流的板材类传输线，它的结构是必须在传输线两侧有两排金属通孔柱，而且两排金属柱的距离越近越好，传输微带线模式，在中心导体和地之间具有最强的场，更好的限制场泄露。因此，它具有非常好的传输性能。目前，Grounded coplanar waveguide(GCPW)是主要的板材类传输线，凭借易于集成的优点而广泛应用到微波射频器件设计，集成电路，芯片设计中，但是GCPW也存在了一些问题。(1)加工难度：随着频率升高至5G毫米波频段/太赫兹频段，GCPW两侧的通孔柱间距需满足非常近才能满足高频损耗小，不漏波的特性，该条件已超过现有PCB工艺的加工水平，而且金属通孔柱也变得很小难以加工，导致GCPW在高频毫米波/太赫兹频段难以应用。(2)金属通孔在复杂的集成电路中可能造成短路，影响电路的性能；(3)电路通孔在“等效电路”模型中等效为引入电感，这样会降低了电路性能。

本发明为一种适用于微波毫米波的无源电子器件，尤其涉及一种具有低损耗的宽带传输线。本发明专利针对GCPW主流传输线在5G毫米波/太赫兹存在的通孔间距近，现有PCB工艺难以加工，而造成其在高频损耗大、串扰大、带宽窄等问题。研究应用于5G通信系统中的新式传输线，解决的技术问题有以下几点：

1.结构创新-突破PCB工艺加工瓶颈限制；

本专利首次创新性的提出“慢波结构和CPW”结合的传输线，将通孔取代为平面慢波结构，打破PCB工艺对于通孔加工的瓶颈限制，极大地减少了加工难度与加工成本。

2.性能创新-传输性能在DC-110GHz损耗低，串扰小；

本专利提出宽带低损传输线，降低了辐射损耗，避免了串扰，减少了损耗，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。

本发明的目的是为了解决GCPW传输线在高频毫米波/太赫兹频段，现存PCB工艺难以加工金属通孔柱和CBCPW传输线损耗大的不足，研究设计一种新型低损耗且易于加工的超宽带传输线，工作带宽是DC-110GHz，助力毫米波/太赫兹的发展。

为解决以上问题，如图1-3所示，本发明提出一种低损耗宽带传输线，所述低损耗宽带传输线包括介质基板3、中心金属导体带2和覆铜金属地板1；

所述中心金属导体带2和覆铜金属地板1的材质都为金属，可以为铜或银等，优选为铜及铜合金。

所述介质基板3厚度的参数范围为0.11-0.14mm，可以为0.12或0.13等，所述金属导体带厚度的参数范围为0.02-0.05mm，所述覆铜金属地板1的厚度参数范围为0.02-0.05mm。

所述中心金属导体带2和覆铜金属地板1均与介质基板3上表面相连接，所述中心金属导体带2设置于介质基板3宽度方向的中心处，所述中心金属导体带2沿介质基板3的长度方向由介质基板3的一端延伸至另一端；

所述中心金属导体带2的长度与介质基板3俯视视角的长相等，所述介质基板3的俯视图优选为矩形。

所述中心金属导体带2的宽度参数范围为0.2-0.3mm。

所述覆铜金属地板1包括第一板11和第二板12，所述第一板11和第二板12分别设置于中心金属导体带2两侧，所述第一板11和第二板12均设置有连接带14和与连接带14相连接的多个凸肋13，所述连接带14的宽度小于等于凸肋13的宽度，所述凸肋13向背离中心金属导体带2的方向延伸，相邻凸肋13之间设置有间隔。

所述第一板11和第二板12以中心金属导体带2为对称轴，为轴对称图形。

多个所述凸肋13向背离中心金属导体带2的方向延伸的长度相等，所述第一板11的凸肋13边缘和第二板12的凸肋13边缘相距第一宽度。

本方案适用于宽带传输，即传输类微带线模式(TEM模式)，在传输类微带线模式下为保证传输质量，随着工作频段的升高需要第一宽度值越来越小，因此，在本方案中将所述连接带14的宽度设置为小于等于凸肋13的宽度，保障传输质量。

采用上述方案，本方案将覆铜金属地板1的边缘设置为由多个相互间隔的凸肋13所构成的枝节结构，枝节结构为一种慢波结构，采用枝节结构替代现有技术中的通孔结构，解决了现有技术中由于通孔结构导致的难以加工且易造成短路的问题，降低加工难度，提高了电路性能。

本方案结构的中心结构是共面波导传输线，多个相互间隔的凸肋13所构成的枝节结构属于周期性慢波结构传输线，可以相当于中心金属导体带2是一种传输线，其传播常数β1；多个相互间隔的凸肋13所构成的枝节结构是另一种传输线，慢波传输线，其传播常数β2；从模式耦合角度来看：两个传输线必须传播常数β1和β2相同，才会发生模式耦合及能量转换；在这个设计中，存在中心共面波导模式和边缘慢波结构模式，两者的传播常数不同，不能发生能量交换/模式耦合，防止能量交换/模式耦合影响传输质量。

现有技术的方案中边缘没有枝节结构，波会沿着轴向漏波漏到介质基板3中(xoy面)，中心和边缘都是传输共面波导模式；比如共面波导的波沿横向截面传播扩散到慢波结构边缘处，如果慢波结构和共面波导的传播常数相同，慢波结构会跟着共面波导沿轴向传播(xoy面)，容易发生能量交换/模式耦合；

但在本方案中慢波结构跟不上共面波导的波速/传播常数，共面波导无法与慢波结构有效的进行模式耦合和能量交换，抑制了慢波结构的传播，杂波无法向轴向传播，降低了共面波导原本的边缘损耗，导致慢波结构枝节部分像一个“等效金属壁”。所以，边缘慢波结构模式不会对中心共面波导模式产生影响，本方案能够防止能量交换/模式耦合影响传输质量。

在本发明的一些实施方式中，所述第一板11或第二板12上的多个凸肋13均以相同的间隔沿介质基板3的长度方向阵列设置。

在本发明的一些实施方式中，相邻所述凸肋13之间的间隔的参数范围为0.1-0.3mm，优选为0.2mm。

在本发明的一些实施方式中，单个所述凸肋13的长度参数范围为0.4-0.8mm，单个所述凸肋13的宽度参数范围为0.1-0.3mm。

在本发明的一些实施方式中，所述凸肋13在俯视视角下为矩形，所述凸肋13的宽度参数即为俯视视角下矩形的宽度参数，所述宽度参数可以为0.15、0.16、0.17、0.18、0.19或0.2mm等。

在本发明的一些实施方式中，所述第一板11和第二板12分别设置于中心金属导体带2两侧，且与所述中心导体带之间设置有间隙。

在本发明的一些实施方式中，所述第一板11或第二板12靠近中心金属导体带2一侧的各处到中心金属导体带2的距离相等，即各处的间隙参数相等。

在本发明的一些实施方式中，所述第一板11和第二板12与中心导体带之间的间隙的参数范围为0.09-0.13mm，优选为0.11mm。

在本发明的一些实施方式中，所述低损耗宽带传输线包括金属接地板4，所述金属接地板4与介质基板3下表面相连接。

在本发明的一些实施方式中，所述连接带14的宽度参数范围为0.05-0.2mm，可以为0.14、0.15、0.16、0.17、0.18或0.19等。

在本发明的一些实施方式中，所述介质基板3的材质包括硅基材料和罗杰斯板材材料，优选为罗杰斯板材材料。

在本发明的一些实施方式中，所述介质基板3长度方向的两端为用于连接端5口的连接端5。

本发明的另一个方面还提供了一种传输结构，所述传输结构包括端口和上述的低损耗宽带传输线，所述端口连接于所述低损耗宽带传输线长度方向的端头处。

在本发明的一些实施方式中，所述端口连接于所述介质基板3长度方向的两端。

在本发明的一些实施方式中，所述端口可以为同轴头。

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、难加工等瓶颈。为了满足对更高通信数据速的需求，提出的新型传输线不仅提高通信的传输效率，适用于超宽带、超快速的5G毫米波/太赫兹通信系统，而且还能确保其传输的低损耗、低衰减、低色散特性。并且，突破了加工瓶颈，节约加工成本。本方案提出的传输线在5G毫米波通信系统、器件设计、器件测试技术、片上集成系统、太赫兹通信超高速芯片互连、信号的无损检测与研究和高速通信设备等领域都能存在较好的应用。

本发明的目的是为了解决GCPW传输线在高频毫米波/太赫兹频段，现存PCB工艺难以加工金属通孔柱和CBCPW传输线损耗大的不足，研究设计一种新型低损耗且易于加工的超宽带传输线，工作带宽是DC-110GHz，助力毫米波/太赫兹的发展。

实验例：

本实验例中介质基板3采用相对介电常数为2.2的罗杰斯5880材料，其损耗正切为0.0009，介质基板3的厚度为0.127mm，长度为20mm，宽度为8mm；构成共面波导的中心金属导体带2的宽度为0.25mm，长度为20mm，厚度为0.035mm，所述第一板11和第二板12与中心导体带之间的间隙为0.11mm，连接带14的宽度为0.15mm，长度为20mm，厚度为0.035mm；凸肋13长度为0.6mm，凸肋13宽度为0.2mm，相邻所述凸肋13之间的间隔为0.2mm，凸肋13厚度为0.035mm；金属接地板4的厚度为0.035mm，长度为20mm，宽度为8mm，紧紧贴在所述介质基板3的下表面。端口采用对传输线采用双端口激励的形式，在介质基板3长度方向的两端各设置一个端口，所述端口为1mm同轴头，覆铜接地板的高度均为0.035mm。

对上述方案的传输线进行S参数仿真，仿真结果如图4所示，从图中可以看出在DC～110GHz范围内，回波损耗|S11|优于15dB，且在相同频带上的插入损耗|S21|优于2.5dB，传输线长度为20mm，在110GHz时，损耗是0.125db/mm，能够满足设计的要求。

分别测试上述方案的传输线在10GHz、30GHz、50GHz、70GHz、90GHz和110GHz的电场分布图，由图5-10可以看出，看出在1mm同轴馈电下，传输TEM模式且未发生场泄露的情况，场型很好的束缚在中心金属导体带2附近，满足传输线低损耗的需求。

本发明相对于现有技术的进步包括：

1.结构创新：

本专利首次创新性的提出“周期性枝节的慢波结构和CPW”结合的传输线，将通孔取代为平面慢波结构，打破PCB工艺对于通孔加工的瓶颈限制，极大地减少了加工难度与加工成本。

2.所述介质基板可以使用任意低损耗正切角的材料，如硅基材料，罗杰斯板材材料等。当设计到太赫兹的传输线时，可以使用低损耗的硅基材料或者其他新兴低损材料。

3.所述传输线两端可以连接1mm同轴测试头，直接与电气测试设备匹配，如使用矢量网络分析仪直接进行测试，无需额外的转换结构。便于集成和测试。

本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低损耗宽带传输线，其特征在于，所述低损耗宽带传输线包括介质基板、中心金属导体带和覆铜金属地板；

所述中心金属导体带和覆铜金属地板均与介质基板上表面相连接，所述中心金属导体带设置于介质基板宽度的中间，所述中心金属导体带沿介质基板的长度方向由介质基板的一端延伸至另一端，所述中心金属导体带的宽度参数范围为0.2-0.3mm；

所述覆铜金属地板包括第一板和第二板，所述第一板和第二板分别设置于中心金属导体带两侧，第一板和第二板与中心导体带之间的间隙的参数范围为0.09-0.13mm，所述第一板和第二板均设置有连接带和与连接带相连接的多个凸肋，所述连接带的宽度参数范围为0.05-0.2mm，单个所述凸肋的长度参数范围为0.4-0.8mm，所述凸肋向背离中心金属导体带的方向延伸，相邻凸肋之间设置有间隔，本方案在0-110GHz的带宽之下稳定传输TEM模式。

2.根据权利要求1所述的低损耗宽带传输线，其特征在于，所述第一板或第二板上的多个凸肋均以相同的间隔沿介质基板的长度方向阵列设置。

3.根据权利要求1所述的低损耗宽带传输线，其特征在于，所述第一板和第二板分别设置于中心金属导体带两侧，且与所述中心导体带之间设置有间隙。

4.根据权利要求1-3任一项所述的低损耗宽带传输线，其特征在于，所述低损耗宽带传输线包括金属接地板，所述金属接地板与介质基板下表面相连接。

5.根据权利要求1所述的低损耗宽带传输线，其特征在于，所述连接带的宽度小于或等于凸肋的宽度。

6.根据权利要求1所述的低损耗宽带传输线，其特征在于，所述介质基板的材质包括硅基材料和罗杰斯板材材料。

7.根据权利要求1所述的低损耗宽带传输线，其特征在于，所述介质基板长度方向的两端为用于连接端口的连接端。

8.一种传输结构，其特征在于，所述传输结构包括端口和如权利要求1-7任一项所述的低损耗宽带传输线，所述端口连接于所述低损耗宽带传输线长度方向的端头处。

9.根据权利要求8所述的传输结构，其特征在于，所述端口连接于所述介质基板长度方向的两端。

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