CN115020953B - 基于微带脊间隙波导的毫米波背靠背层间过渡转换结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微带脊间隙波导的毫米波背靠背层间过渡转换结构，包括：上层是通过多层印刷电路板技术加工而成的输入输出端口的介质馈电层，由微带线和非等宽基片集成波导谐振腔组成；下层是通过多层印刷电路板技术加工和机械加工制成的而成的微带脊间隙波导传输层，所述的微带脊间隙波导传输线层由上中下三层平面结构组成：上层是具有两个矩形耦合缝隙的金属接地面，中间层是包含微带线和金属化过孔的金属微带脊线，以及围绕在金属微带脊线周围的蘑菇型阵列，最下层是通过机械加工而成的封闭金属腔体。整个过渡转换结构体积小、质量轻，集成度高，在工作带宽内实现宽频带和低损耗传输。本申请可广泛应用于电磁场与微波技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及电磁场与微波技术领域，尤其涉及一种基于微带脊间隙波导的毫米波背靠背层间过渡转换结构。
背景技术
近年来，随着现代无线通信系统对传输速率要求的提高，满足信号高速传输的毫米波技术正在迅速发展；微波波段范围为0-30GHz，毫米波波段的范围为30GHz到300GHz，相比之下，毫米波频谱资源更丰富，可开发空间更大。同时，随着工作频率的提高，电磁波的波长相应减小，使得天线等无源器件趋向于小型化和集成化。因此，毫米波技术被广泛应用于多种短距离通信传播场景中。2008年，P.-S.Kildal基于电磁带隙结构的禁带特性提出了脊间隙波导结构，脊间隙波导结构主要由上下两层金属板之间的电磁带隙结构组成，电磁带隙结构的禁带特性阻止电磁波向两侧传播而沿着中间的金属脊传播，且间隙波导的电磁波是在空气中传播，所以大大减少了介质损耗，并且由于空气间隙的存在，上下层金属无需紧密的电接触，大大降低了加工难度。电磁带隙结构也使得其工作带宽比普通的波导结构更宽，非常适合毫米波波段内对带宽要求更高的器件设计。电磁带隙结构之间除了使用金属脊外，后来出现的槽和微带线等导体也引起了广泛研究，并实现了具有优秀性能的各类毫米波器件。为了在单片微波集成电路(MMIC，Monolithic Microwave Integrated Circuit)中与其他有源器件互连封装，研究低损耗的间隙波导到微带线的过渡结构尤为重要。
发明内容
为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种基于微带脊间隙波导的毫米波背靠背层间过渡转换结构。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于微带脊间隙波导的毫米波背靠背层间过渡转换结构，包括：上层介质基板、带有耦合窗口的接地层、下层介质基板、空气层和金属腔体；
所述上层介质基板包括输入微带线、输出微带线、输入锥形微带线、输出锥形微带线、基板集成波导谐振腔、金属贴片层，所述输入微带线连接所述输入锥形微带线，所述输入锥形微带线与所述金属贴片层相连，所述输出微带线连接所述输出锥形微带线，所述输出锥形微带线与所述金属贴片层相连；
所述基板集成波导谐振腔包括第一金属化过孔、第二金属化过孔、第三金属化过孔、第四金属化过孔、第五金属化过孔，所述第一金属化过孔、第二金属化过孔和第三金属化过孔构成第一谐振腔体，所述第三金属化过孔、第四金属化过孔和第五金属化过孔构成第二谐振腔；
所述带有耦合窗口的接地层位于所述上层介质基板和所述下层介质基板之间；
所述下层介质基板包括金属微带脊线结构、微带探针过渡转换结构、左右蘑菇型阵列、中心蘑菇型阵列；所述金属微带脊线结构包括多个金属圆柱单元和第一金属微带线，所述金属圆柱单元上下两端与所述第一金属微带线和所述带有耦合窗口的接地层相连；所述微带探针过渡转换结构由第二金属微带线和左右蘑菇型阵列组成，所述左右蘑菇型阵列和中心蘑菇型阵列包括多个金属蘑菇型单元，每个金属蘑菇型单元包括一个圆形金属贴片层和位于圆形金属贴片层上方与圆形金属贴片层相连的圆形金属通孔，所述金属蘑菇型单元上的圆形金属通孔与所述带有耦合窗口的接地层相连，所述下层介质基板位于所述接地层和所述空气层之间；
所述空气层位于所述下层介质基板和所述金属腔体之间，所述空气层的高度小于工作电磁波的四分之一波长；
所述金属腔体包括两个矩形金属臂构成凹槽，槽内为空气层，对整个结构进行封装。
进一步地，所述输入微带线和输出微带线参数为50欧姆，输入锥形微带线连接输入微带线和金属贴片层，输出锥形微带线连接金属贴片层和输出微带线。
进一步地，所述第一金属化过孔、第二金属化过孔、第三金属化过孔和第四金属化过孔均对称地分布在谐振腔体的两侧，且不同类的金属化过孔到达谐振腔体的距离不同；在对称的其中一侧，同一类的金属化过孔包括2个，且2个金属化过孔到达谐振腔体的距离不同；
所述第五金属化过孔位于第二谐振腔体的第三侧，与谐振腔体的对称轴垂直，所述第五金属化过孔包括两排平行的属化过孔。
进一步地，所述带有耦合窗口的接地层包括两个大小相同且对称分布的矩形耦合缝隙，所述矩形耦合缝隙位于第二谐振腔的下方，所述第一金属化过孔、第二金属化过孔、第三金属化过孔、第四金属化过孔、第五金属化过孔与所述的金属贴片层均与带有耦合窗口的接地层相连。
进一步地，所述微带探针过渡转换结构包含的第二金属微带线宽度和所述金属微带脊线结构的宽度不相等，所述微带探针过渡转换结构位于所述金属微带脊线结构的两端，实现阻抗匹配。
进一步地，所述微带探针过渡转换结构的周围包含左右蘑菇型阵列与中心蘑菇型阵列包含的金属蘑菇型单元尺寸相等，但周期不相等。
进一步地，所述金属微带脊线结构包含的相邻的每两个金属圆柱单元之间的距离相等。
进一步地，所述金属微带脊线结构包含的第一金属微带线和所述金属蘑菇型单元包含的金属贴片层在同一平面。
进一步地，所述中心蘑菇型阵列位于所述金属微带脊线结构的周围，所述中心蘑菇型阵列包含的每相邻的两个金属蘑菇型单元之间的距离相等，所述金属蘑菇型单元至少有2排。
进一步地，所述中心蘑菇型阵列上靠近第一金属微带线的第一排蘑菇单元，到达第一金属微带线的距离相等。
进一步地，整体结构对称，输入输出微带线和过渡转换结构可以相应的顺序变化。
本发明的有益效果是：本发明的过渡转换结构工作于E波段，采用微带脊间隙波导作为传输线结构，电磁波沿着金属微带脊在空气层中传播，降低了插入损耗，周期性排布的蘑菇型阵列有效抑制了电磁波向两侧的辐射，相对带宽14.6％，带内回波损耗大于15dB，实现了宽带和低损耗。另外，本发明的过渡转换结构实现了不同介质层之间的能量传输，结构紧凑，适用于和MMIC中的有源器件封装互连。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1是本发明实施例中基于微带脊间隙波导的毫米波背靠背层间过渡转换结构的三维示意图；
图2是本发明实施例中基于微带脊间隙波导的毫米波背靠背层间过渡转换结构的上层三维示意图及尺寸标注；
图3是本发明实施例中基于微带脊间隙波导的毫米波背靠背层间过渡转换结构的下层三维示意图及尺寸标注；
图4是本发明实施例中基于微带脊间隙波导的毫米波背靠背层间过渡转换结构的上层介质基板的xoy面视图；
图5是本发明实施例中基于微带脊间隙波导的毫米波背靠背层间过渡转换结构的下层介质基板的xoy面视图；
图6是本发明实施例中基于间隙波导结构的毫米波背靠背层间过渡转换结构的xoz面视图视图；
图7是本发明实施例中基于间隙波导结构的毫米波背靠背层间过渡转换结构的第一电场分布图；
图8是本发明实施例中基于间隙波导结构的毫米波背靠背层间过渡转换结构的第二电场分布图；
图9是本发明实施例中基于间隙波导结构的毫米波背靠背层间过渡转换结构的仿真结果图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图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。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
本实施例提供一种基于微带脊间隙波导的毫米波背靠背层间过渡转换结构，该过渡转换结构可通过机械加工技术和多层印刷电路板技术加工而成，包括上下两层结构：上层是通过多层印刷电路板技术加工而成的输入输出端口的介质馈电层，由微带线和非等宽基片集成波导谐振腔组成；下层是通过多层印刷电路板技术加工和机械加工制成的而成的微带脊间隙波导传输层，所述的微带脊间隙波导传输线层由上中下三层平面结构组成：上层是具有两个矩形耦合缝隙的金属接地面，中间层是包含微带线和金属化过孔的金属微带脊线，以及围绕在金属微带脊线周围的蘑菇型阵列，最下层是通过机械加工而成的封闭金属腔体。整个过渡转换结构体积小、质量轻，集成度高，在工作带宽内实现宽频带和低损耗传输。
如图1所示，基于微带脊间隙波导的毫米波背靠背层间过渡转换结构，包括上下两层结构，如图2所示：上层介质基板1的衬底材料是Rogers 4350B(介电常数εr＝3.66，正切损耗tanθ＝0.0004)，上层介质基板1的下表面是带有耦合窗口的接地层2，带有耦合窗口的接地层2包括两个大小相同且对称分布的矩形耦合缝隙3。上层介质基板1的上表面输入锥形微带线6连接输入微带线4与金属贴片层9，输出锥形微带线7连接输出微带线5与金属贴片层9，输入微带线4和输出微带线5参数为50欧姆，基板集成波导谐振腔8的上表面是金属贴片层9，下表面是带有耦合窗口的接地层2，基板集成波导谐振腔8包含中心间距不完全相等的第一金属化过孔10、第二金属化过孔11以及第三金属化过孔12构成第一谐振腔体15，中心间距不完全相等的金属化过孔第三金属化过孔12、第四金属化过孔13以及第五金属化过孔14构成第二谐振腔体16，矩形耦合缝隙3位于第二谐振腔体16的下方，第一金属化过孔10、第二金属化过孔11、第三金属化过孔12、第四金属化过孔13以及第五14连接金属贴片层9和带有耦合窗口的接地层2。
如图3所示：下层介质基板17包含带有耦合窗口的接地层2、空气层18、金属腔体19、金属微带脊线结构20、微带探针过渡转换结构24、左右蘑菇型阵列25和中心蘑菇型阵列26，下层介质基板17的衬底材料是Rogers 4350B(介电常数εr＝3.66，正切损耗tanθ＝0.0004)，带有耦合窗口的接地层2位于上层介质基板1和下层介质基板17之间，空气层18位于下层介质基板17和金属腔体19之间，金属腔体19包含的两个矩形金属臂构成凹槽，槽内为空气层18，空气层18的高度小于工作电磁波的四分之一波长，金属腔体19对整个结构进行封装，金属微带脊线结构20包括多个金属圆柱单元21和第一金属微带线22，金属圆柱单元21的上下两端与第一金属微带线22和带有耦合窗口的接地层2相连，金属微带脊线结构20的两端是由实现阻抗变换的第二金属微带线23组成的微带探针过渡转换结构24，微带探针过渡转换结构24的周围包含蘑菇型阵列25，蘑菇型阵列25包含的每两个金属蘑菇型单元27之间的距离与蘑菇型阵列26包含的每两个金属蘑菇型单元27之间的距离不相等，蘑菇型阵列26包含至少三排的金属蘑菇型单元27，每个金属蘑菇型单元27包括一个圆形金属贴片层28和位于圆形金属贴片层28上方与圆形金属贴片层28相连的圆形金属通孔29，金属蘑菇型单元27周期性排列，阻止能量向金属微带脊线结构20的两侧辐射，金属蘑菇型单元27包括的圆形金属通孔28与带有耦合窗口的接地层2相连，金属蘑菇型单元27包括的圆形金属贴片层28与金属微带脊线结构20和微带探针过渡转换结构24在同一平面。整个过渡转换结构通过50欧姆微带线输入电磁波，经过锥形微带线实现阻抗变换，在基板集成波导谐振腔内实现电磁波的模式转化和进一步的阻抗匹配，通过带有耦合缝隙的接地层上的矩形耦合缝隙3将能量从谐振腔耦合到下层介质基板的微带探针过渡结构，改变微带探针过渡结构包含的第二金属微带线宽度，进一步实现阻抗匹配和模式转化，蘑菇型阵列、空气层和金属腔体构成电磁带隙结构，抑制电磁波向金属微带脊线结构的两侧辐射，电磁波以准TEM模式沿着金属微带脊线结构传播，再进入另一侧过渡转换结构实现输出，由于结构对称，输入输出微带线和过渡转换结构可以相应的顺序变化。
以下结合附图及具体实施例对上述结构进行详细解释说明。
如图1、图2、图3所示，为基于微带脊间隙波导的毫米波背靠背层间过渡转换结构的三维图，通过机械加工技术和多层印刷电路板技术加工而成，包括上下两层结构。
如图4、图5和图6所示，为所述于微带脊间隙波导的毫米波背靠背层间过渡转换结构的尺寸标注。上层介质基板长度为25.2mm，宽度为12mm，高度为0.254mm，输入微带线和输出微带线宽度为0.52mm，长度为1.6mm，输入锥形微带线和输出锥形微带线上底边宽度为0.52mm，下底边宽度为0.8mm，垂直下底边的高度为1.4mm，金属贴片层宽度为5mm，长度为6mm，金属化过孔10、11、12、13、14直径为0.28mm，高度为0.254mm，金属化过孔之间的间距为0.8mm，带有耦合缝隙的接地层和上层介质基板长宽相等，矩形耦合缝隙的长度和宽度分别为1.8mm和1mm，下层介质基板长度为25.2mm，宽度为12mm，高度为0.508mm，金属腔体的长度为25.2mm，宽度为12mm，高度为0.708mm,槽的尺寸和空气层的尺寸相等，空气层长度为19.2mm，宽度为12mm，高度为0.2mm，在空气层的上方是基于微带脊间隙波导的传输线结构，金属微带脊线的宽度为0.8mm，长度为12.2mm，金属微带脊线两端的第二金属微带线的宽度为0.7mm，长度为0.6mm，金属微带脊线上的金属圆柱单元21的直径为0.72mm，高度为0.508mm，周期为1.2mm，蘑菇型阵列26距离金属微带脊线的距离为1.3mm，金属蘑菇型单元27的圆形金属贴片层28的直径为0.8mm，圆形金属通孔29的直径为0.64mm，高度为0.508mm，周期为1.24mm，蘑菇型阵列2距离微带探针过渡结构沿x方向0.7mm，沿y方向0.6mm，蘑菇型阵列25包含的金属蘑菇型单元27尺寸不变，但周期为1.4mm。
图7和图8为根据本发明所提出的一种基于间隙波导结构的毫米波背靠背层间过渡转换结构的电场分布图，从图中可以看出能量从输入端口进入到过渡转换结构再到微带脊间隙波导内，再以相同的方式进入过渡转化结构后从输出端口输出。
图9为本发明的仿真结果图，可以观察到，基于间隙波导结构的毫米波背靠背层间过渡转换结构在64.85GHz-77.29GHz频带范围内测量的平均插入损耗在1.7dB左右，带内回波损耗低于-15dB。
综上所述，本发明实施例的基于间隙波导结构的毫米波背靠背层间过渡转换结构，相对于现有技术，具有如下优点及有益效果：
(1)本发明过渡转换结构工作于E波段，采用微带脊间隙波导作为传输线结构，电磁波沿着金属微带脊在空气层中传播，降低了插入损耗，周期性排布的蘑菇型阵列有效抑制了电磁波向两侧的辐射，相对带宽14.6％，带内回波损耗大于15dB，实现了宽带和低损耗。
(2)本发明过渡转换结构实现了不同介质层之间的能量传输，结构紧凑，适用于和MMIC中的有源器件封装互连。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种基于微带脊间隙波导的毫米波背靠背层间过渡转换结构，其特征在于，包括：上层介质基板、带有耦合窗口的接地层、下层介质基板、空气层和金属腔体；
所述上层介质基板包括输入微带线、输出微带线、输入锥形微带线、输出锥形微带线、基板集成波导谐振腔、金属贴片层，所述输入微带线连接所述输入锥形微带线，所述输入锥形微带线与所述金属贴片层相连，所述输出微带线连接所述输出锥形微带线，所述输出锥形微带线与所述金属贴片层相连；
所述基板集成波导谐振腔包括第一金属化过孔、第二金属化过孔、第三金属化过孔、第四金属化过孔、第五金属化过孔，所述第一金属化过孔、第二金属化过孔和第三金属化过孔构成第一谐振腔体，所述第三金属化过孔、第四金属化过孔和第五金属化过孔构成第二谐振腔；
所述带有耦合窗口的接地层位于所述上层介质基板和所述下层介质基板之间；
所述下层介质基板包括金属微带脊线结构、微带探针过渡转换结构、左右蘑菇型阵列、中心蘑菇型阵列；所述金属微带脊线结构包括多个金属圆柱单元和第一金属微带线，所述金属圆柱单元上下两端与所述第一金属微带线和所述带有耦合窗口的接地层相连；所述微带探针过渡转换结构由第二金属微带线和左右蘑菇型阵列组成，所述左右蘑菇型阵列和中心蘑菇型阵列包括多个金属蘑菇型单元，每个金属蘑菇型单元包括一个圆形金属贴片层和位于圆形金属贴片层上方与圆形金属贴片层相连的圆形金属通孔，所述金属蘑菇型单元上的圆形金属通孔与所述带有耦合窗口的接地层相连，所述下层介质基板位于所述接地层和所述空气层之间；
所述空气层位于所述下层介质基板和所述金属腔体之间，所述空气层的高度小于工作电磁波的四分之一波长；
所述金属腔体包括两个矩形金属臂构成凹槽，槽内为空气层，对整个结构进行封装。
2.根据权利要求1所述的一种基于微带脊间隙波导的毫米波背靠背层间过渡转换结构，其特征在于，所述输入微带线和输出微带线参数为50欧姆，输入锥形微带线连接输入微带线和金属贴片层，输出锥形微带线连接金属贴片层和输出微带线。
3.根据权利要求1所述的一种基于微带脊间隙波导的毫米波背靠背层间过渡转换结构，其特征在于，所述第一金属化过孔、第二金属化过孔、第三金属化过孔和第四金属化过孔均对称地分布在谐振腔体的两侧，且不同类的金属化过孔到达谐振腔体的距离不同；在对称的其中一侧，同一类的金属化过孔包括2个，且2个金属化过孔到达谐振腔体的距离不同；
所述第五金属化过孔位于第二谐振腔体的第三侧，与谐振腔体的对称轴垂直，所述第五金属化过孔包括两排平行的金 属化过孔。
4.根据权利要求1所述的一种基于微带脊间隙波导的毫米波背靠背层间过渡转换结构，其特征在于，所述带有耦合窗口的接地层包括两个大小相同且对称分布的矩形耦合缝隙，所述矩形耦合缝隙位于第二谐振腔的下方，所述第一金属化过孔、第二金属化过孔、第三金属化过孔、第四金属化过孔、第五金属化过孔与所述的金属贴片层均与带有耦合窗口的接地层相连。
5.根据权利要求1所述的一种基于微带脊间隙波导的毫米波背靠背层间过渡转换结构，其特征在于，所述微带探针过渡转换结构包含的第二金属微带线宽度和所述金属微带脊线结构的宽度不相等，所述微带探针过渡转换结构位于所述金属微带脊线结构的两端，实现阻抗匹配。
6.根据权利要求1所述的一种基于微带脊间隙波导的毫米波背靠背层间过渡转换结构，其特征在于，所述微带探针过渡转换结构的周围包含左右蘑菇型阵列与中心蘑菇型阵列包含的金属蘑菇型单元尺寸相等，但周期不相等。
7.根据权利要求1所述的一种基于微带脊间隙波导的毫米波背靠背层间过渡转换结构，其特征在于，所述金属微带脊线结构包含的相邻的每两个金属圆柱单元之间的距离相等。
8.根据权利要求1所述的一种基于微带脊间隙波导的毫米波背靠背层间过渡转换结构，其特征在于，所述金属微带脊线结构包含的第一金属微带线和所述金属蘑菇型单元包含的金属贴片层在同一平面。
9.根据权利要求1所述的一种基于微带脊间隙波导的毫米波背靠背层间过渡转换结构，其特征在于，所述中心蘑菇型阵列位于所述金属微带脊线结构的周围，所述中心蘑菇型阵列包含的每相邻的两个金属蘑菇型单元之间的距离相等，所述金属蘑菇型单元至少有2排。
10.根据权利要求1所述的一种基于微带脊间隙波导的毫米波背靠背层间过渡转换结构，其特征在于，所述中心蘑菇型阵列上靠近第一金属微带线的第一排蘑菇单元，到达第一金属微带线的距离相等。
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