CN115275553B - 紧凑型宽带共面波导到共面带线转换结构及射频电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紧凑型宽带共面波导到共面带线转换结构及射频电路，所述转换结构包括介质基板，所述介质基板的上层设置有共面波导和共面带线，所述共面波导内导体的一侧连接信号输入端，内导体的另一侧在延长并弯折后形成耦合线，所述耦合线嵌入共面带线内组成耦合转换区结构，所述共面带线由两条紧邻且平行的带线组成，共面带线的一侧经过耦合转换区结构与共面波导连接，另一侧连接信号输出端；所述射频电路包括上述的转换结构。本发明结构简单紧凑、电路层数少，在一层介质基板的上层电路层内即可实现传输模式的转换，并输出差分信号，在电路底部有无地板时均适用。
Description
技术领域
本发明涉及一种紧凑型宽带共面波导到共面带线转换结构及射频电路，属于无线通信的射频电路技术领域。
背景技术
随着无线通信的快速发展，要求射频电路朝着小型化、集成化、低成本、简单化等方向发展。共面波导是一种常见的传输线，其特点是信号传输线和接地平面位于同一平面内，结构简单，常用于微波毫米波电路的信号传输线。而共面带线是由两条共面且平行的具备180°相位差的带线组成，其输出的差分信号可用于终端天线的馈电，获得宽带和对称的辐射特性。因此，由共面波导到共面带线的转换结构是一种常用的电路模块。
现有的共面波导到共面带线的报道中，最常见的结构如发表于IEEE的《A 0–55-GHz Coplanar Waveguide to Coplanar Strip Transition》文章，介绍了一种可在宽频带内实现共面波导到共面带线转换结构，即利用共面波导的內导体与一侧的地线逐渐转换为共面带线，但为了实现平衡，另一侧的地线需要通过一个“跳线”连接到对面的地线，这就增加了转换结构的层数和复杂度。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的缺点与不足，提供了一种紧凑型宽带共面波导到共面带线转换结构，该结构简单紧凑、电路层数少，在一层介质基板的上层电路层内即可实现传输模式的转换，并输出差分信号，在电路底部有无地板时均适用。
本发明的另一目的在于提供一种射频电路。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种紧凑型宽带共面波导到共面带线转换结构，包括介质基板，所述介质基板的上层设置有共面波导和共面带线，所述共面波导内导体的一侧连接信号输入端，内导体的另一侧在延长并弯折后形成耦合线，所述耦合线嵌入共面带线内组成耦合转换区结构，所述共面带线由两条紧邻且平行的带线组成，共面带线的一侧经过耦合转换区结构与共面波导连接，另一侧连接信号输出端。
进一步的，所述介质基板的下层设置有地板，所述共面波导外导体的两侧分别通过一排第一金属化过孔与地板连接。
进一步的，所述共面带线的两侧各设置有一条金属带线和一排第二金属化过孔，所述金属带线一侧与共面波导外导体连接，所述第二金属化过孔的上端与金属带线连接，下端与地板连接。
进一步的，所述介质基板的下层有地板时，介质基板的上层表面和下层表面均设置有金属层。
进一步的，所述介质基板的下层无地板时，介质基板的上层表面设置有金属层。
进一步的，所述耦合线与共面带线的两条带线之间具有缝隙。
进一步的，所述耦合线与共面带线的两条带线紧贴部分的长度相近。
进一步的，所述耦合线与共面带线的两条带线紧贴部分的长度均约为四分之一波长，所述波长是指工作频段的中心频率对应的导波波长。
进一步的，所述耦合线与共面带线的一条带线紧贴部分为延长并弯折的部分，耦合线与共面带线的另一条带线紧贴部分为弯折后反向的部分。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种射频电路，包括上述的紧凑型宽带共面波导到共面带线转换结构。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明结构简单紧凑、电路层数少，在一层介质基板的上层电路层内即可实现传输模式的转换，并输出差分信号，在电路底部有无下层地板时均适用，易于设计和加工，可以在不同的频段内工作，并且有无下层地板时均可以实现良好的转换，将单输入信号转换为差分信号，可满足包括5G毫米波段和Sub-6G频段电路集成化、小型化等要求。
2、本发明利用采用两段四分之一波长耦合线，将原先的共面波导外导体上的同相电流转换为共面带线上的差分电流，由于耦合结构是均匀直线，因此在满足四分之一波长条件下呈现宽带特性。
3、本发明在22.6 GHz-31.3 GHz频段内的反射系数|S11|<-10dB，插入损耗小于0.3dB，覆盖了5G 毫米波n257/n258工作频段，在3.30 GHz-3.94 GHz频段内的反射系数|S11|<-10dB，插入损耗小于0.2dB，覆盖了Sub-6G波段的n77/n78工作频段。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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的一些实施例，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的附图。
图1为本发明实施例1的紧凑型宽带共面波导到共面带线转换结构的示意图。
图2为本发明实施例1的紧凑型宽带共面波导到共面带线转换结构在毫米波段的电气仿真结果图。
图3为本发明实施例1的紧凑型宽带共面波导到共面带线转换结构在Sub-6G波段的电气仿真结果图。
图4为本发明实施例2的紧凑型宽带共面波导到共面带线转换结构（无地板）的示意图。
图5为本发明实施例2的紧凑型宽带共面波导到共面带线转换结构的电气初步仿真结果图。
图6为本发明实施例2的紧凑型宽带共面波导到共面带线转换结构的共面带线表面电流的电气仿真结果图。
其中，1-共面波导，2-共面带线，3-地板，4-第一金属化过孔，5-信号输入端，6-耦合线，7-信号输出端，8-金属带线，9-第二金属化过孔。
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做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。
实施例：
如图1所示，本实施例提供了一种紧凑型宽带共面波导到共面带线转换结构，可以应用于无线通信设备的射频电路，该结构适用于在电路底部有地板的情况，其包括介质基板，介质基板的上层表面和下层表面均设置有金属层，传输模式的转换在介质基板的上层电路层内完成，即介质基板的上层设置有共面波导1和共面带线2，介质基板的下层设置有地板3。
共面波导1外导体的两侧分别通过一排第一金属化过孔4与地板3连接，共面波导1内导体的一侧连接信号输入端5，内导体的另一侧在延长并弯折后形成耦合线6，信号输入端5为1端口；耦合线6通过嵌入共面带线2的一部分在共面带线2的侧边进行耦合组成耦合转换区结构，共面带线2由两条紧邻且平行的带线组成，共面带线2的一侧经过耦合转换区域与共面波导1的外导体连接，另一侧连接信号输出端7，信号输出端7为2端口。
信号从信号输入端5接入，先经过共面波导1，再经由耦合转换区域转为共面带线2，由信号输出端7输出，将原先的共面波导1外导体上的同相电流转换为共面带线2上的差分电流，将单输入信号转换为差分信号；其中，耦合线6与共面带线2的两条带线紧贴部分的长度相近，均约为四分之一波长，即采用了两段四分之一波长的耦合线6，其中一段延长并弯折，另一段弯折后反向，该波长是指工作频段的中心频率对应的导波波长，耦合线6的长度主要决定工作频率，而耦合线6与共面带线2的两条带线之间具有缝隙，该缝隙可调，主要影响传输S参数。
进一步地，共面带线2的两侧各设置有一条金属带线8和一排第二金属化过孔9，金属带线8一侧与共面波导1外导体连接，第二金属化过孔9的上端与金属带线8连接，下端与地板3连接，在共面带线2的周围设置第二金属化过孔9接地，可以限制在高频工作时（如毫米波频段及更高频段）的电磁波泄露和其他不必要的模式产生。
本实施例中，每排第一金属化过孔4的数量为6个，两排第一金属化过孔4共有12个，每排第二金属化过孔9的数量为10个，两排第二金属化过孔9共有20个，也就是说共有32个金属化过孔。
由于不同频段的波长不同，设计的尺寸也不同，因此本实施例针对工作于毫米波段和工作于Sub-6g波段分别说明如下：
1）工作于毫米波段的尺寸为：共面波导由外导体-内导体-内导体组成，两侧外导体的尺寸一致，均为1*2.8mm。内导体尺寸为0.2*2.8mm，内导体与外导体的间距为0.1mm。耦合线的宽度为0.2mm，耦合线与共面带线贴近部分长度为0.9mm，间距为0.1mm。共面带线的两条带线的间距为0.4mm，每条带线的尺寸为0.5*4.5mm。介质基板的介电常数为6.35，尺寸为0.5*2.4*7.3mm。
2）工作于Sub-6G波段的尺寸为：共面波导外导体的尺寸为3.2*5mm，内导体为0.5*5mm，内导体与外导体的间距为0.3mm。耦合线的宽度为0.5mm，与共面带线贴近部分长度为14mm，间距为0.3mm。共面带线的每条带线为2*25mm，间距为1.1mm。介质基板的介电常数为3.55，尺寸2*7.5*30mm。
图2所示为本实施例中的转换结构在毫米波段的的电气仿真结果，由图可见，在22.6 GHz-31.3 GHz频段内的反射系数|S11|<-10dB，插入损耗小于0.3dB，覆盖了5G 毫米波n257/n258工作频段，上述结果可通过优化结构参数进一步提升。
图3所示为本实施例中的转换结构在Sub-6G波段的的电气仿真结果，由图可见，在3.30 GHz-3.94 GHz频段内的反射系数|S11|<-10dB，插入损耗小于0.2dB，覆盖了Sub-6G波段的n77/n78工作频段。
实施例2：
如图4所示，本实施例提供了一种紧凑型宽带共面波导到共面带线转换结构，同样可以应用于无线通信设备的射频电路，该结构适用于在电路底部无地板的情况，其包括介质基板，介质基板的上层表面设置有金属层，传输模式的转换在介质基板的上层电路层内完成，即介质基板的上层设置有共面波导1和共面带线2。
共面波导1内导体的一侧连接信号输入端5，内导体的另一侧在延长并弯折后形成耦合线6，信号输入端5为1端口；耦合线6通过嵌入共面带线2的一部分在共面带线2的侧边进行耦合组成耦合转换区结构，共面带线2由两条紧邻且平行的带线组成，共面带线2的一侧经过耦合转换区域与共面波导1的外导体连接，另一侧连接信号输出端7，信号输出端7为2端口。
图5所示为本实施例中的转换结构的电气初步仿真结果图，由图可见，仍然可成功实现共面波导1到共面带线2的转换，即实现由单输入信号到差分信号的转换，并且实现较宽的带宽，插入损耗稍高，可通过参数优化提升。
图6所示为本实施例中的转换结构的共面带线表面电流的电气仿真结果，在上述提到的毫米波段和Sub-6G波段、以及有无地板的情况均可实现。由图可见，共面带线的表面电流相位差为180°，输出了差分电流。
综上所述，本发明结构简单紧凑、电路层数少，在一层介质基板的上层电路层内即可实现传输模式的转换，并输出差分信号，在电路底部有无下层地板时均适用，易于设计和加工，可以在不同的频段内工作，并且有无下层地板时均可以实现良好的转换，将单输入信号转换为差分信号，可满足包括5G毫米波段和Sub-6G频段电路集成化、小型化等要求。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
Claims (10)
1.一种紧凑型宽带共面波导到共面带线转换结构，其特征在于，包括介质基板，所述介质基板的上层设置有共面波导和共面带线，所述共面波导内导体的一侧连接信号输入端，内导体的另一侧在延长并弯折后形成耦合线，所述耦合线嵌入共面带线内组成耦合转换区结构，所述共面带线由两条紧邻且平行的带线组成，耦合线嵌入共面带线的两条带线之间，共面带线的一侧与共面波导外导体连接，另一侧连接信号输出端。
2.根据权利要求1所述的紧凑型宽带共面波导到共面带线转换结构，其特征在于，所述介质基板的下层设置有地板，所述共面波导外导体的两侧分别通过一排第一金属化过孔与地板连接。
3.根据权利要求2所述的紧凑型宽带共面波导到共面带线转换结构，其特征在于，所述共面带线的两侧各设置有一条金属带线和一排第二金属化过孔，所述金属带线一侧与共面波导外导体连接，所述第二金属化过孔的上端与金属带线连接，下端与地板连接。
4.根据权利要求2所述的紧凑型宽带共面波导到共面带线转换结构，其特征在于，所述介质基板的上层表面和下层表面均设置有金属层。
5.根据权利要求1所述的紧凑型宽带共面波导到共面带线转换结构，其特征在于，所述介质基板的上层表面设置有金属层。
6.根据权利要求1-5任一项所述的紧凑型宽带共面波导到共面带线转换结构，其特征在于，所述耦合线与共面带线的两条带线之间具有缝隙。
7.根据权利要求1-5任一项所述的紧凑型宽带共面波导到共面带线转换结构，其特征在于，所述耦合线与共面带线的两条带线紧贴部分的长度相近。
8.根据权利要求7所述的紧凑型宽带共面波导到共面带线转换结构，其特征在于，所述耦合线与共面带线的两条带线紧贴部分的长度均约为四分之一波长，所述波长是指工作频段的中心频率对应的导波波长。
9.根据权利要求7所述的紧凑型宽带共面波导到共面带线转换结构，其特征在于，所述耦合线与共面带线的一条带线紧贴部分为延长并弯折的部分，耦合线与共面带线的另一条带线紧贴部分为弯折后反向的部分。
10.一种射频电路，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的紧凑型宽带共面波导到共面带线转换结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Hu Zhenxin Inventor after: Zhang Zhenge Inventor after: He Zexi Inventor after: Liang Yuquan Inventor after: Wu Duolong Inventor before: Hu Zhenxin Inventor before: Zhang Zhenge Inventor before: He Zexi Inventor before: Wu Duolong |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information |