CN116321711A - 用于免焊型连接器与pcb共面波导的过渡结构 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种用于免焊型连接器与PCB共面波导的过渡结构，包括自上而下依次布置的顶层连接器结构、共面波导上层金属结构、中间层介质结构和下层金属结构；顶层连接器结构上设置有介质通道和金属探针。共面波导上层金属结构包括金属盘、阻抗变换器、金属化通孔、中间传输线；其中，金属盘、阻抗变换器、中间传输线相连接，组成了共面波导的传输通道。共面波导中间层介质结构包括介质基板，其上设置有金属化通孔。共面波导下层金属结构含有金属背盘和金属化通孔。该方案的过渡结构，可覆盖带宽50GHz，覆盖了高频应用；并且避免了焊接型连接器中锡球等不可控因素影响。

Description

用于免焊型连接器与PCB共面波导的过渡结构

技术领域

本发明涉及各种微波通信领域，尤其涉及一种用于免焊型连接器与PCB共面波导的过渡结构。

背景技术

微波集成电路是工作在微波/毫米波波段的具备某种功能的电路，其是由一些微波无源器件、微波有源器件及大量的传输线之间的互连过渡结构集成在一个基片上的。其中微带线、共面带状线和接地共面波导等平面传输结构具有在设计、加工过程相对方便及易于集成等特点而在微波集成电路中广泛应用。这些利用PCB技术实现的微波电路，通常需要一些射频连接器便于与其他设备或者电路相连。随着微波集成电路工作频率要求越来越高，由于在连接面上的阻抗不连续，高频段的性能会变得很差，设计者就需要设计一些过渡结构来补偿连接器与电路间的阻抗不连续。因此，在高频应用中，连接器到其他平面传输线的过渡结构是微波集成电路中常常遇到的问题，其性能的优劣便成为影响系统特性的关键因素之一。

目前已有关于连接器与PCB接地共面波导的过渡结构的相关报道很少，过渡段阻抗补偿研究主要集中在焊接性连接器上，多集中于对焊点、温度等影响研究，补偿优化方案较少，而且性能上覆盖带宽较窄。对于免焊型连接器与PCB接地共面波导的过渡结构目前还没有相关报道。因此，提出一种免焊型连接器与PCB共面波导的过渡结构，具有重要的工程价值和意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种免焊接且具有良好传输性能的连接器与PCB共面波导的过渡结构。

为此，本申请提供了如下技术方案：一种用于免焊型连接器与PCB共面波导的过渡结构，其特征在于，包括自上而下依次布置的顶层连接器结构、共面波导上层金属结构、共面波导中间层介质结构和共面波导下层金属结构；其中，所述的共面波导上层金属结构包括上接地层、金属盘、阻抗变换器、位于所述上接地层上的若干个第一金属化通孔、中间传输线，所述的中间传输线与所述的阻抗变换器的一端部电性连接，所述的阻抗变换器的另一端部与所述的金属盘电性连接；所述的共面波导中间层介质结构包括介质基板和设置在所述的介质基板上的若干个第二金属化通孔；所述的共面波导下层金属结构包括下接地层、金属背盘以及位于所述下接地层上的若干个第三金属化通孔，所述的金属背盘位于所述的金属盘的正下方；所述的顶层连接器结构包括基座、介质通道、金属探针，所述的介质通道位于所述的基座的下表面处并且正对着所述的中间传输线，所述的金属探针与所述的金属盘抵触式电性连接；所述的若干个第一金属化通孔、所述的若干个第二金属化通孔以及所述的若干个第三金属化通孔分别相连通，以使得所述的上接地层和所述的下接地层连接在一起并共同组成共面波导中的信号地。

在过渡结构中，接地共面波导下层金属结构中的金属背盘形成阻抗补偿作用，可极大提高传输性能；阻抗变换器可调节金属盘与中间传输线间的匹配性能，进一步提高了过渡结构的传输性能，带宽可覆盖到50GHz。因而，本申请所设计的免焊型连接器与PCB共面波导的过渡结构，覆盖了高频应用，可覆盖带宽广；并且避免了焊接型连接器中锡球等不可控因素影响，具有易于加工制作，容易实现精确的组装良率。

在一种可能的实施方式中，所述的金属探针沿上下方向贯穿所述的基座，所述的金属探针与所述的金属盘垂直接触。本方案提供一种具体的金属探针的设计方案以及与金属盘的连接方案，结构紧凑，易于制作。

在一种可能的实施方式中，所述的中间传输线、上接地层、所述的介质基板以及所述的下接地层所构成共面波导传输结构阻抗为50欧姆。本方案提供一种具体的共面波导传输结构的阻抗值，其兼顾了耐压，功率传输和损耗等优势。

在一种可能的实施方式中，所述金属盘为圆盘，所述金属背盘为圆环。在该可能的实施方式中，优选地，所述圆盘的直径大于所述圆环的大圆直径。

在一种可能的实施方式中，所述金属盘的直径为0.2-0.7mm，所述金属背盘的大圆直径为0.2-0.6mm、小圆直径为0.1-0.3mm。

本方案提供的金属背盘和金属盘尺寸关系，可以保证对金属盘和连接器中的金属探针之间的阻抗不连续性形成有效的阻抗补偿作用。

在一种可能的实施方式中，所述阻抗变换器为金属线，其线宽小于所述中间传输线的线宽。

在一种可能的实施方式中，所述的若干个第一金属化通孔均匀间隔分布且围绕在所述中间传输线、所述的阻抗变换器以及所述金属盘的外侧。

在一种可能的实施方式中，所述的介质基板的介电常数选择为3.1-3.6。

在一种可能的实施方式中，所述基座、上接地层、介质基板和下接地层上相对应的位置分别设有至少一个螺纹孔。

本方案提供的螺纹孔设计方案，其易于制作，与之连接的螺纹紧固件类型易于选择，具有节约制作成本的优势；而且由于过渡结构实现利用螺纹紧固件将包含顶层连接器结构和共面波导的四层结构固定连接在一起，其免去了焊接工艺等不可控因素对性能的影响，对PCB产品损害小，可实现连接器的重复利用。

本申请的其他具体的实施方式和有益效果将在随后的具体实施例部分予以详细说明。

附图说明

下面对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍。

图1是本申请一种实施方式提供的过渡结构的立体分解示意图；

图2是本申请一种实施方式提供的连接器的示意图；

图3是本申请一种实施方式提供的接地共面波导上层金属结构的平面结构图；

图4是本申请一种实施方式提供的共面波导中间层介质结构的平面结构图；

图5是本申请一种实施方式提供的接地共面波导下层金属结构的平面结构图；

图6是本申请一种实施方式提供的过渡结构仿真结果下的阻抗匹配结果；

图7是本申请一种实施方式提供的过渡结构仿真结果下的插入损耗结果。

其中：1、顶层连接器结构；10、基座；11、介质通道；12、金属探针；13、螺纹孔；101、下部基体；102、上部基体；103、垂直通道；2、共面波导上层金属结构；20、上接地层；21、金属盘；22、螺纹孔；23、阻抗变换器；24、金属化通孔；25、中间传输线；3、共面波导中间层介质结构；30、介质基板；31、螺纹孔；32、金属化通孔；4、共面波导下层金属结构； 40、下接地层；41、金属背盘；42、螺纹孔；43、金属化通孔。

实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

在本申请的描述中，术语“中部”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

本申请为一种用于免焊型连接器与PCB共面波导的过渡结构，其通过紧固件（例如螺丝钉等），将顶层连接器结构和三层结构的接地共面波导结构固定连接在一起，其免去了焊接等不可控因素影响；该过渡结构由接地共面波导馈电，不但具有低损耗传输性能，同时还具备频带覆盖广的特性，装配工艺要求也低。

图1示意性示出了根据本公开实施例的用于免焊型连接器与PCB共面波导的过渡结构的立体图。

如图1所示，该过渡结构主要由顶层连接器结构1、共面波导上层金属结构2、共面波导中间层介质结构3和共面波导下层金属结构4组成。顶层连接器结构1在共面波导上层金属结构2的上侧，共面波导上层金属结构2和共面波导下层金属结构4分别在共面波导中间层介质结构3的上表面和下表面处。

如图2，顶层连接器结构1为免焊型连接器结构，其主体为金属结构，包括基座10、介质通道11、金属探针12和一对螺纹孔13。

参见图1-2，该基座10包括板状的下部基体101和圆柱状的上部基体102。上部基体102的中部设置有上下方向延伸的垂直通道103，该垂直通道103贯穿过下部基体101。

介质通道11位于下部基体101的下底面处，其呈槽口向下的U型槽结构。该介质通道11专门为下层的共面波导传输线预留空间，介质通道11的尺寸要大于PCB板上共面波导上层金属结构2的中间传输线25的尺寸。介质通道11内填充有非金属介质，如空气。基座10的材料为金属，优选为不锈钢材质。

金属探针12布置于垂直通道103内。金属探针12用来传输射频信号。该金属探针12为导电性能较好的金属探针，如金探针、铜探针、铂探针等。本例中，金属探针12优选为镀金铜材料制成的探针。

一对螺纹孔13用来和其余结构相固定。本例中，螺纹孔13为盲孔，其从孔口位于下部基体101的下底面处。螺纹孔13的孔径优选为2mm，一对螺纹孔13之间的距离优选设置为7mm。

如图3所示，共面波导上层金属结构2由上接地层20、金属盘21、一对螺纹孔22、阻抗变换器23、若干个金属化通孔24和中间传输线25构成。其中，金属盘21、阻抗变换器23、中间传输线25依次电性连接，组成了共面波导的传输通道。金属盘21、阻抗匹配器23和中间传输线25形成的结构与上接地层20之间具有间隔。

金属盘21优选为圆盘，其直径可以为0.2-0.7mm；优选为0.44mm。阻抗变换器23为一根金属线，其宽度小于中间传输线25的宽度。阻抗匹配器23加上金属盘21和金属背盘41（见附图4）形成的阻抗约等于中间传输线25的阻抗。在一个具体的实施例中，金属盘21为圆盘，直径为0.44mm；阻抗变换器23的宽0.168mm，长0.43mm；中间传输线25的线宽为0.275mm。

若干个金属化通孔24均匀间隔分布且围绕在中间传输线25、阻抗变换器23以及金属盘21的外侧；各个金属化通孔24的孔径可以为0.2mm，相邻的金属化通孔24之间的距离选择以方便制作加工为宜；本例中，相邻两个金属化通孔24的圆心距离优选为0.6mm。

一对螺纹孔22位于金属化通孔24的外侧并且对称分布于金属盘21的相对侧。该对螺纹孔22为过孔且尺寸设置为与上述的螺纹孔13的尺寸相匹配。

共面波导上层金属结构2通过在共面波导中间层介质结构3的上表面涂敷良导体金属层形成，该良导体金属层为导电性能较好的金属层，优选地，该良导体金属层为金层、铜层、铂层等。

如图4，共面波导中间层介质结构3为一块矩形的介质基板30，该介质基板30上设置有一对螺纹孔31和若干个金属化通孔32。介质基板30可以为99μm厚度的松下或者罗杰斯介质基板。介质基板30的介电常数可以选择为3.1-3.6。

一对螺纹孔31位于金属化通孔32的外侧，并且该对螺纹孔31也为过孔。一对螺纹孔31的尺寸设置为与一对螺纹孔22的尺寸相匹配。

如图5，共面波导下层金属结构4包括下接地层40、金属背盘41、一对螺纹孔42以及位于下接地层40上的若干个金属化通孔43。金属背盘41与下接地层40之间存在间隔。金属背盘41位于金属盘21的正下方。

金属背盘41优选为圆环形，其还可以是三角形、 四边形等。圆环形金属背盘41的大圆直径可以为0.2-0.6mm、小圆直径可以为0.1-0.3mm。在一个具体的实施例中，圆环形金属背盘41的大圆直径为0.4mm、小圆直径为0.2mm。上述金属盘21的直径优选为大于圆环形金属背盘41的大圆直径。

一对螺纹孔42位于金属化通孔43的外侧，并且该对螺纹孔42也为过孔。一对螺纹孔42的尺寸设置为与一对螺纹孔31的尺寸相匹配。

上述若干个金属化通孔24、若干个第二金属化通孔32以及若干个金属化通孔43分别相连通，这些金属化通孔将接地共面波导上层金属结构中的上接地层20和接地共面波导下层金属结构中的下接地层40连接在一起并共同组成接地共面波导中的信号地。

本实施例中，一对螺纹孔13、一对螺纹孔22、一对螺纹孔31以及一对螺纹孔4上下正对，连接器和PCB共面波导能够借助置入这些螺纹孔中的一对螺丝钉（图中未示出）装配成一体并使得金属探针12与金属盘21抵触式电性连接。本例中，通过螺丝钉将四层结构固定在一起，免去了焊接等不可控因素影响。

在其他实施例中，各个螺纹孔也可以利用其他类型的连接孔来替代；替代一对螺丝钉的连接部件也可以是其他类型的紧固件，选择的紧固件以能够实现将上述四层机构固定在一起为选择标准。

在本申请的实施例中，过渡结构由四个部分组成。射频信号通过免焊型连接器结构1的端口进入，经过连接器结构1中的金，属探针12传输到共面波导结构中；在共面波导结构中传输时，信号在经过不连续点时，即经过金属探针12与金属盘21的连接处、金属盘21与阻抗变换器23的连接处都会形成阻抗不连续，信号会被反射回输入端口。本申请的结构很好的解决了由于该阻抗不连续所带来的传输效率降低问题。

首先，共面波导上层金属结构2中的金属盘21和免焊型连接器结构1中的金属探针12之间的阻抗不连续性，由共面波导下层金属结构4中的金属背盘41形成阻抗补偿作用，即对于连接器的金属探针与共面波导连接面过渡段具有阻抗补偿作用，其极大的提高了传输性能；其次，阻抗变换器23实现调节金属盘21与中间传输线25间的匹配性能，即对共面波导连接面与共面波导传输线间过渡段起到改善阻抗不连续的作用，其进一步的提高了结构的传输性能。因此，本申请的金属背盘和阻抗变换器共同改善免焊连接器和共面波导间的阻抗不连续作用，使得免焊型连接器与PCB共面波导的过渡结构获得了很好的传输特性，传输线路的特征阻抗会约等于50欧姆，带宽可覆盖到50GHz。

下面列出了依据本申请技术方案设计的具体案例，该案例设计采用介质基板的介电常数为3.1-3.6。

该过渡结构的匹配响应的仿真结果下的阻抗匹配结果和插入损耗结果分别见图6和7，其中，图6中的S11代表阻抗匹配，图7中的S21表示插入损耗，由图可知，该案例-10dB回波损耗频带覆盖到了50GHz，带宽内的插损在-1.5dB以内。由此可知，本具体案例中的过渡结构的覆盖了高频应用、插入损耗较低，能够满足应用需求。

最后说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于免焊型连接器与PCB共面波导的过渡结构，其特征在于，包括自上而下依次布置的顶层连接器结构（1）、共面波导上层金属结构（2）、共面波导中间层介质结构（3）和共面波导下层金属结构（4）；其中，

所述的共面波导上层金属结构（2）包括上接地层（20）、金属盘（21）、阻抗变换器（23）、位于所述上接地层（20）上的若干个第一金属化通孔（24）、中间传输线（25），所述的中间传输线（25）与所述的阻抗变换器（23）的一端部电性连接，所述的阻抗变换器（23）的另一端部与所述的金属盘（21）电性连接；

所述的共面波导中间层介质结构（3）包括介质基板（30）和设置在所述的介质基板（30）上的若干个第二金属化通孔（32）；

所述的共面波导下层金属结构（4）包括下接地层（40）、金属背盘（41）以及位于所述下接地层（40）上的若干个第三金属化通孔（43），所述的金属背盘（41）位于所述的金属盘（21）的正下方；

所述的顶层连接器结构（1）包括基座（10）、介质通道（11）、金属探针（12），所述的介质通道（11）位于所述的基座（10）的下表面处并且正对着所述的中间传输线（25），所述的金属探针（12）与所述的金属盘（21）抵触式电性连接；

所述的若干个第一金属化通孔（24）、所述的若干个第二金属化通孔（32）以及所述的若干个第三金属化通孔（43）分别相连通，以使得所述的上接地层（20）和所述的下接地层（40）连接在一起并共同组成共面波导中的信号地。

2.根据权利要求1所述的用于免焊型连接器与PCB共面波导的过渡结构，其特征在于，所述的金属探针（12）沿上下方向贯穿所述的基座（10），所述的金属探针（12）与所述的金属盘（21）垂直接触。

3.根据权利要求1所述的用于免焊型连接器与PCB共面波导的过渡结构，其特征在于，所述的中间传输线（25）、上接地层（20）、所述的介质基板（30）以及所述的下接地层（40）所构成共面波导传输结构阻抗为50欧姆。

4.根据权利要求1所述的用于免焊型连接器与PCB共面波导的过渡结构，其特征在于，所述金属盘为圆盘，所述金属背盘为圆环。

5.根据权利要求4所述的用于免焊型连接器与PCB共面波导的过渡结构，其特征在于，所述圆盘的直径大于所述圆环的大圆直径。

6.根据权利要求4所述的用于免焊型连接器与PCB共面波导的过渡结构，其特征在于，所述金属盘（21）的直径为0.2-0.7mm，所述金属背盘（41）的大圆直径为0.2-0.6mm、小圆直径为0.1-0.3mm。

7.根据权利要求1所述的用于免焊型连接器与PCB共面波导的过渡结构，其特征在于，所述的若干个第一金属化通孔（24）均匀间隔分布且围绕在所述中间传输线（25）、所述的阻抗变换器（23）以及所述金属盘（21）的外侧。

8.根据权利要求7所述的用于免焊型连接器与PCB接地共面波导的过渡结构，其特征在于，所述的介质基板（30）的介电常数选择为3.1-3.6。

9.据权利要求1所述的用于免焊型连接器与PCB共面波导的过渡结构，其特征在于，所述阻抗变换器（23）为金属线，该金属线的线宽小于所述中间传输线（25）的线宽。

10.据权利要求1所述的用于免焊型连接器与PCB共面波导的过渡结构，其特征在于，所述基座、上接地层、介质基板和下接地层上相对应的位置处分别设有至少一个螺纹孔。

Images