CN115799790B - 多层堆叠间隙波导结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层堆叠间隙波导结构，包括间隙波导结构单元，间隙波导结构单元包括介质层及其下表面的第一金属层，间隙波导结构单元包括传输线区域和非传输线区域，传输线区域上的介质层的上表面设有金属圆环层，金属圆环层内设有与金属圆环层同轴并贯穿介质层的金属过孔，金属圆环层与金属过孔构成EBG结构，EBG结构在介质层上呈周期性排列成两列，两列周期性排列的EBG结构之间形成波导，在非传输线区域上的介质层的上表面设有键合框架，上下两个间隙波导结构单元之间设有间隙层；或者键合框架上设有第二金属层以构成所述间隙层。该金属圆环层可将电磁波限制在一定的空间范围里向前传播，该波导结构具有低插入损耗、高结构稳定性、结构紧凑优点。
Description
技术领域
本发明涉及传输线波导技术领域，特别是一种多层堆叠间隙波导结构。
背景技术
随着传输线技术的发展，在无线电通信，导航，雷达等各种军用和民用系统中，传输线都发挥着重要的作用。而伴随着毫米波频段的普及，现有的传输线在实现低损耗、高集成度、低成本和易加工方面面临着挑战。传统的金属矩形波导具有损耗低、功率容量大、结构简单的优点，但存在体积重量大，不便于系统集成的问题。微带线具有易集成的优点，但用于在毫米波/太赫兹高频领域时，会存在较高的欧姆损耗和介电损耗，并会以表面波的形式产生辐射损耗，导致传输线的传输效率降低且隔离度变差。在带状线中，两个地面平面之间的任何垂直不对称都会导致高次模产生。与传统的波导结构和传播特性类似的基片集成波导SIW(Substrate Integrated Waveguide)在高频情况下有着很好的优势，具有低损耗、低辐射、高功率容量等特性。
其中多层SIW的堆叠键合方法有两种：采用半固化片黏合和采用锡焊键合。对于采用半固化片黏合的方法，由于材料本身的损耗角正切值较大，而且传统结构中电磁波容易沿着半固化片向外部泄露，因此实现的多层SIW插损特别大。对于锡焊键合的方式，容易出现漏锡现象，影响器件正常工作并引入额外插入损耗，工艺成本较高，良品率亟待改善。因此，对于传统SIW堆叠键合方式，具有成本高、焊接难度大、耦合匹配差、插入损耗高等问题。
为了实现低损耗、高集成度、低成本的设计目标，传输线通常应用于多层印刷电路板的使用场景。而当传输线在毫米波/太赫兹高频领域时，多层印刷电路板之间可能存在不良电接触，导致在不连续的地方，容易出现电磁能量泄露。为了实现多层印刷电路板之间良好的电接触，通常需要如低温共烧陶瓷技术、多层板技术，不过这种费用昂贵且废品率高的加工工艺。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种多层堆叠间隙波导结构。
为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
一种多层堆叠间隙波导结构，包括间隙波导结构单元，所述间隙波导结构单元包括介质层及其下表面的第一金属层，所述间隙波导结构单元包括传输线区域和非传输线区域，所述传输线区域上的所述介质层的上表面设有金属圆环层，所述金属圆环层内设有与所述金属圆环层同轴并贯穿所述介质层的金属过孔，所述金属圆环层与所述金属过孔构成EBG结构，所述EBG结构在所述介质层上呈周期性排列成两列，两列周期性排列的所述EBG结构之间形成波导，在非传输线区域上的所述介质层的上表面设有键合框架，上下两个间隙波导结构单元之间设有间隙层；或者所述键合框架上设有第二金属层以构成所述间隙层。
作为优选，每一列中所述EBG结构间隔设置，并且每一列中相邻两个EBG结构的中心距离为1.46mm。
作为优选，所述金属过孔包括通孔及设在通孔侧壁的金属层，所述金属层的外圈半径为0.31mm，内圈半径为0.26mm，厚度为0.05mm。
作为优选，所述金属圆环层的外圈半径为0.59mm，内圈半径为0.26mm，高度为0.03mm。
作为优选，所述介质层相对介电常数为2.91，损耗正切为0.0015，高度为0.762mm。
作为优选，所述波导的宽度为3.5mm，所述间隙层内部为空气介质，高度为0.04mm。
作为优选，上下两个间隙波导结构单元中上方间隙波导结构单元的第一金属层在所述传输线区域设有耦合缝隙，所述耦合缝隙裸露出上方间隙波导结构单元的介质层。
作为优选，所述耦合缝隙的长度为2.23mm，宽度为0.43mm，所述介质层还设有由所述EBG结构构成的短路端，所述耦合缝隙与所述短路端的中心之间的间距为2.83mm。
作为优选，在所述传输线区域的所述介质层的上表面还设有与所述EBG结构的排列方向平行的第三金属层。
作为优选，所述波导的长度为5mm，所述间隙层的高度为0.5mm，所述第三金属层的宽度为1.8mm，与两边的所述EBG结构的中心的距离均为1.6mm。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明公开了一种多层堆叠间隙波导结构，在设计方面着重设计间隙波导结构单元，主要控制间隙波导结构单元的金属过孔与金属圆环层的尺寸与间距，该金属圆环层可以把电磁波限制在一定的空间范围里向前传播。
(2)本发明通过金属过孔与金属圆环层组成的EBG结构作为封装结构，因此具有小尺寸，易集成，易加工的优势。
(3)相比其传统结构，本发明克服了电接触不良、焊接困难以及间隙高度不稳定的缺点，因此本发明具有低插入损耗和高结构稳定性，同时具有紧凑的导波结构，可以应用于毫米波频段具有多层波导结构的高性能天线微波器件和系统集成的设计与开发。
附图说明
包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。
图1为本申请的实施例一的多层堆叠间隙波导结构的示意图；
图2为本申请的实施例一的多层堆叠间隙波导结构的截面图；
图3为本申请的实施例一的多层堆叠间隙波导结构的EBG结构的示意图；
图4为本申请的实施例一的多层堆叠间隙波导结构的EBG结构的俯视图和截面图；
图5为本申请的实施例一的多层堆叠间隙波导结构的反射与损耗图；
图6为本申请的实施例二的多层堆叠间隙波导结构的示意图；
图7为本申请的实施例二的多层堆叠间隙波导结构的截面图；
图8为本申请的实施例二的多层堆叠间隙波导结构的俯视图；
图9为本申请的实施例二的多层堆叠间隙波导结构的反射与损耗图；
图10为本申请的实施例三的多层堆叠间隙波导结构的示意图；
图11为本申请的实施例三的多层堆叠间隙波导结构的截面图；
图12为本申请的实施例三的多层堆叠间隙波导结构的反射与损耗图；
附图标记：1、介质层；2、间隙层；3、金属过孔；4、金属圆环层；5、第一金属层；6、耦合缝隙；7、第二金属层；8、第三金属层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例一
参考图1-4，本发明的实施例中提出了一种多层堆叠间隙波导结构，包括间隙波导结构单元，间隙波导结构单元包括介质层1及其下表面的第一金属层5，间隙波导结构单元包括传输线区域和非传输线区域，传输线区域上的介质层1的上表面设有金属圆环层4，金属圆环层4内设有与金属圆环层4同轴并贯穿介质层1的金属过孔3，金属圆环层4与金属过孔3构成EBG结构，EBG结构在介质层1上呈周期性排列成两列，在非传输线区域上的介质层1的上表面设有键合框架，键合框架上设有第二金属层以构成间隙层2。该间隙层2内部为空气介质，高度为0.04mm。在其他实施例中，键合框架的上方也可以依次为另一个间隙波导结构单元的第一金属层5和介质层1。键合框架设在EBG结构的外侧，可以采用FR-25材料作为粘性材料，可以用于相邻两个间隙波导结构单元之间的键合，使相邻两个间隙波导结构单元堆叠键合，从而实现间隙层2具有稳定的间隙高度，并能使上下两个间隙波导结构单元紧密粘合在一起，便于集成。介质层1的上表面采用金属圆环层4，该结构可以把电磁波限制在一定的空间范围里向前传播。
在具体的实施例中，两列周期性排列的EBG结构之间形成波导，每一列中EBG结构间隔设置。具体的，波导的两侧分别设有两排周期性排列的EBG结构。EBG结构在谐振频率附近表现为高阻态，对入射电磁波具有同向反射作用，能够良好的抑制能量的外泄，避免其他电磁场的干扰。
在具体的实施例中，参考图1，波导的宽度a为3.5mm。介质层1采用相对介电常数为2.91、损耗正切仅为0.0015的0.762mm厚的TSM-DS3M介质板，非传输线区域使用相对介电常数为2.43、损耗正切仅为0.04的0.04mm厚的FR-25黏合胶作为键合框架。由于FR-25黏合胶具有一定的弹性，因此在具体加工时，与介质层1接触部分的高度为0.04mm。
在具体的实施例中，参考图3和图4，介质层1的高度h1为0.762mm，间隙层2的高度h2为0.04mm。第一金属层5、金属过孔3和金属圆环层4均为铜材料，金属过孔3包括通孔及设在通孔侧壁的金属层，金属层具有一定的厚度，厚度为0.05mm，即金属层的外圈半径r2为0.31mm，内圈半径r3为0.26mm。金属圆环层4的外圈半径r1为0.59mm，内圈半径r3为0.26mm，高度为0.03mm。金属过孔3和金属圆环层4构成EBG结构，其中，EBG结构呈周期性排列，相邻的两个EBG结构的中心距离，即周期s为1.46mm。金属圆环层4可采用电镀
本申请的实施例一的多层堆叠间隙波导结构的性能表征结果如图5所示，其中，黑色方框为S11，白色方块为S21损耗。因此本申请的实施例一的多层堆叠间隙波导结构在反射系数低于-20dB的工作范围为25.5GHz-45GHz，在传输损耗低于0.02dB/mm的工作频率为25.5GHz-45GHz。
本申请的实施例一的多层堆叠间隙波导结构的设计方法，包括以下步骤：
步骤1：根据设计天线工作频段确定波导长边和短边的范围，再根据间隙波导结构的设计进一步确定波导尺寸，最终确定波导的长边大小；
步骤2：对EBG结构单独设计，根据工作频段确定EBG结构的周期，调节金属过孔3和金属圆环层4的大小，使其大小在不高于周期，且不低于加工工艺要求的尺寸下，找到损耗最低的尺寸。
与传统堆叠方式对比，本发明的多层堆叠间隙波导结构具有易集成，易量产和成本低等优势，同时具有低损耗和低耦合的传播特性。
实施例二
参考图6-8，本申请的实施例二与实施例一的区别在于：导波结构不变，只需在上下两个间隙波导结构单元中的上方间隙波导结构单元的第一金属层5中蚀刻一个耦合缝隙6，通过调节其长宽与偏移量，使其达到良好的反射和耦合效果。上方的间隙波导结构单元的介质层1下表面的第一金属层5设在间隙层2上方。上下两个间隙波导结构单元中的上方间隙波导结构单元的第一金属层5在传输线区域设有耦合缝隙6，耦合缝隙6裸露出上方间隙波导结构单元的介质层1。在具体的实施例中，耦合缝隙6的长度为2.23mm，宽度为0.43mm，介质层1还设有由EBG结构构成的短路端，耦合缝隙6与短路端的中心之间的间距为2.83mm。其余与实施例一相同。
本申请的实施例二的多层堆叠间隙波导结构的性能表征结果如图9所示，其中黑色方框为S11，白色方块为S21损耗。因此在本实施例中，在毫米波频段32.16GHz-38.58GHz的范围内，多层堆叠间隙波导结构的S11均小于-15dB，S21大于-1.3dB，大部分大于-0.95dB的传输特性，耦合造成的插入损耗约为0.15dB，是一种尺寸小，易于集成的低损耗间隙波导。传统工艺两层板的插入损耗为0.45dB/mm，相比于传统工艺，本申请的实施例二的插入损耗小很多。传统多层SIW加工需要上下两层介质层在相同的地方开缝，中间键合的话需要使用半固化片黏合或者焊锡焊接，但前者损耗会很大，后者的话工艺不成熟，容易漏锡，导致尺寸不匹配，而本申请的实施例只需要在非传输线的部分使用半固化片，或者金属垫片保证间隙层2的高度，不需要焊接之类的，良品率较高。
本申请的实施例二的多层堆叠间隙波导结构的设计方法与实施例一相比，还包括以下步骤：
步骤3：在多层结构的情况下，在上层介质层1的下表面的第一金属层5处蚀刻一个耦合缝隙6，调节其长宽与偏移量，使其达到良好的反射和耦合效果，确认耦合缝隙6的各个参数。
实施例三
参考图10-11，本申请的实施例三与实施例一的区别在于：在传输线区域的介质层1的上表面还设有与EBG结构的排列方向平行的第三金属层8。在具体的实施例中，波导的宽度a为5mm，间隙层2的高度h2为0.5mm，第三金属层8的宽度w为1.8mm，与两边的EBG结构的中心的距离均为1.6mm。第三金属层8为悬置带线的内导体，可以通过在介质层1表面镀铜并蚀刻得到。
本申请的实施例三的多层堆叠间隙波导结构的性能表征结果如图12所示，其中黑色方框为S11，白色方框为S21损耗。本申请的实施例三的多层堆叠间隙波导结构在反射系数低于-20dB的工作范围为30GHz-50GHz，在传输损耗低于0.02dB/mm的工作频率为30GHz-50GHz。
本申请的实施例三的多层堆叠间隙波导结构的设计方法与实施例一相比，还包括以下步骤：
步骤3：根据计算得出其特征阻抗，调节第三金属层8(悬置带线的内导体)的宽度和间隙层2的高度，使其特征阻抗值达到50Ω，使该传输线达到最好的效果。
以上描述了本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种多层堆叠间隙波导结构，其特征在于，包括间隙波导结构单元，所述间隙波导结构单元包括介质层及其下表面的第一金属层，所述介质层相对介电常数为2.91，损耗正切为0.0015，高度为0.762mm，所述间隙波导结构单元包括传输线区域和非传输线区域，所述传输线区域上的所述介质层的上表面设有金属圆环层，所述金属圆环层的外圈半径为0.59mm，内圈半径为0.26mm，高度为0.03mm，所述金属圆环层内设有与所述金属圆环层同轴并贯穿所述介质层的金属过孔，所述金属过孔包括通孔及设在通孔侧壁的金属层，所述金属层的外圈半径为0.31mm，内圈半径为0.26mm，厚度为0.05mm，所述金属圆环层与所述金属过孔构成EBG结构，所述EBG结构在所述介质层上呈周期性排列成两列，两列周期性排列的所述EBG结构之间形成波导，每一列中所述EBG结构间隔设置，并且每一列中相邻两个EBG结构的中心距离为1.46mm，在非传输线区域上的所述介质层的上表面设有键合框架，上下两个间隙波导结构单元之间设有间隙层；或者所述键合框架上设有第二金属层以构成所述间隙层，所述波导的宽度为3.5mm，所述间隙层内部为空气介质，高度为0.04mm，上下两个间隙波导结构单元中上方间隙波导结构单元的第一金属层在所述传输线区域设有耦合缝隙，所述耦合缝隙裸露出上方间隙波导结构单元的介质层，所述耦合缝隙的长度为2.23mm，宽度为0.43mm，所述介质层还设有由所述EBG结构构成的短路端，所述耦合缝隙与所述短路端的中心之间的间距为2.83mm。
2.根据权利要求1所述的多层堆叠间隙波导结构，其特征在于，在所述传输线区域的所述介质层的上表面还设有与所述EBG结构的排列方向平行的第三金属层。
3.根据权利要求2所述的多层堆叠间隙波导结构，其特征在于，所述波导的长度为5mm，所述间隙层的高度为0.5mm，所述第三金属层的宽度为1.8mm，与两边的所述EBG结构的中心的距离均为1.6mm。
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| CN115799790A (zh) | 2023-03-14 |
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