CN1274056C - 波导到带状线转接 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种将电磁波从波导引导到布置在所述波导一端的传输线(20)的设备，所述设备包括用于在所述波导和所述传输线之间机械固定和阻抗匹配的耦合装置，其中所述耦合装置包括与所述传输线的主平面机械连接的至少两个介质层，而且其中至少两个所述介质层包括多个导电通孔，这些通孔形成类似栅栏的装置，并限定所述层中用于有效转接电磁波的部件的横向尺寸，其特征在于，至少一个所述介质层的横向尺寸不同于其它介质层的横向尺寸，以便对于电磁波的给定中心频率实现最佳阻抗匹配。根据本发明，沿电磁波的传播方向伸展的所述至少一个介质层的几何尺寸与电磁波的中心频率相关，以便实现最佳阻抗匹配。

Description

波导到带状线转接
技术领域
本发明涉及一种用于从波导(特别是多频带波导)引导电磁波到布置在该波导一端的传输线(特别是微带线)的设备，包括用于在所述波导和所述传输线之间机械固定和阻抗匹配的耦合装置。
背景技术
这种设备的一个问题是要保证在波导-传输线转接中有效地传输电能。转接不良导致插入损耗变大，而且这可能降低整个模块，例如收发信机模块的性能。
图9示出了具有现有技术已知结构的设备。图中示意了波导10和传输线20(特别为微波传输带结构)，二者相互连接以使电磁波从所述波导10被转接到所述传输线20。所述传输线20包括基片22，其贴在接地面24上，用于实现良好的转接特性。传输线的基片22通常由低温或高温共燃(cofired)陶瓷LTCC或HTCC制成。
所述波导10和所述转接线20之间的阻抗匹配是通过在所述波导10和所述转接线20之间的转接区提供补片26实现的。此外，为改善阻抗匹配，从所述波导10内固定的绝缘材料中提供一个独立的大理石配电板12。所述配电板12例如附在机制凸肩14之间的所述波导10内部。
所述用于实现阻抗匹配的现有技术方案基于一种复杂结构，这种结构只能通过艰难而昂贵的制造过程实现。此外，使用通常所说的back-short，即，在波导10开口的对面在微波传输带20后连接一个金属部件，以便实现阻抗匹配。连接所述back-short将进一步增加这种结构的复杂性。
发明内容
本发明的目的是通过使制造过程更为简单和廉价的方式改进用于引导电磁波的已知设备。
根据本发明，提供了一种将电磁波从波导10引导到布置在所述波导10一端的传输线20的设备，所述设备包括用于在所述波导10和所述传输线20之间机械固定和阻抗匹配的耦合装置30-1，...，30-7，
其中所述耦合装置包括与所述传输线的主平面机械连接的至少两个介质层30，而且
其中至少两个所述介质层包括多个导电通孔，这些通孔形成类似栅栏的装置，并限定所述层中用于有效转接电磁波的部件的横向尺寸，
其特征在于，
至少一个所述介质层的横向尺寸不同于其它介质层的横向尺寸，以便对于电磁波的给定中心频率实现最佳阻抗匹配。
优选地，至少一个介质层的结构通过焊接或熔接被固定到所述传输线20的基片层22。
优选地，所述波导10和与之相邻的介质层的连接是通过焊接或熔接或粘结连接实现的。
具体来说，对于上述结构是以下述方式实现所述目的的：耦合装置包括至少一个与传输线的主平面机械连接的介质层，沿电磁波传播方向伸展的所述至少一个介质层的几何尺寸与电磁波的中心频率相关。
由于机械固定功能和电阻抗匹配功能被结合到一个组件中，因此所述分层结构的制造过程简单而便宜。
根据本发明阻抗匹配是通过改变波导和传输线之间的至少一个介质层的厚度实现的。这种层结构即使包括若干个层，也能被认为只是一个用于实现阻抗匹配的元件。因此，用于实现阻抗匹配的调整过程得以简化。
其中一个优选实施例是传输线为所述耦合装置的必要组成部分。在此情况下在多层陶瓷制造过程中共燃整个转接结构。
实现最佳阻抗匹配的另一优选功能是在一个层内提供敷以金属的通孔，以便建立一种类似栅栏的结构，以在电磁波离开波导一端后进一步引导电磁波。
另外，优选地，在传输线或所述至少一个层和波导之间提供至少一个附加层，所述附加层包括一个充气空腔。所述附加层增强了该结构的机械稳定性，而所述充气空腔确保所述附加层不会影响所述结构的转接性能。
所述空腔与波导的开口对准更佳，因为在此情况下所述附加层对该结构的转接性能的不良影响被降低倒最低。
此外，波导和与之相邻的层之间的连接采用焊球连接更佳，因为在此情况下可使用所述焊球连接的自校准性能。
附图说明
在下面的附图中参考优选实施例详细描述本发明，其中：
图1公开了根据本发明的结构的第一个实施例；
图2是根据本发明的波导-微波传输带转接的转接特性图；
图3是在根据本发明的结构中，用于最佳阻抗匹配的中心频率和介质厚度之间的关系图；
图4是根据本发明的结构的波导-微波传输带转接的转接特性图，其中该结构中的各层厚度可变；
图5是根据本发明的结构的第二个实施例；
图6是包含通孔的各层的制造过程；
图7是根据本发明的结构的第三个实施例；
图8是图7所示结构的简化顶视图；以及
图9是从现有技术了解的用于引导电磁波的结构。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的第一个实施例用于引导电磁波的结构。该结构包括波导10和传输线20，传输线20的基片层22垂直于波导10的纵轴布置，用于从所述波导10转接电磁波到所述传输线20。在此提供两个层30-1和30-2作为耦合装置，层30-1，30-2布置在所述传输线20的基片层22和所述波导10之间，其中以下述方式调整所述层30-1，30-2的介质厚度。
每个层30-1，30-2都包括敷以金属的通孔40，称为“通孔”，形成类似栅栏的结构，分别环绕每个层30-1，30-2的区域，由此引导电磁波。不同层的通孔互连，并且与传输线20的基片层22底部的镀金属层24连接。下面通过参考图2至图4详细示意层30-1和30-2的厚度变化对根据图1的结构的转接特性的影响。
图2示意了根据图1的结构的电特性。图2分别示出了传输系数S12，从第一端口测量的反射系数S11，以及从第二端口测量的反射系数S22的频率曲线。具体地说，从图中可以看出，在中心频率58GHz和介质层厚度250微米时，电特性相当好。曲线S11，表示对于不同频率所述结构的回波损耗，其显示在中心频率58GHz处回波损耗小于13.5dB，而由曲线S12表示的插入损耗为0.8dB。
此外，-1.5dB带宽从55GHz到达64GHz，这意味着这种转接对容差或制造工艺波动不敏感。
图3示意了根据图1的所述结构的通带中心频率具有介质基片厚度的线性相关性。这种相关性，作为有限元方法模拟的结果，意味着仅通过选择适当的介质厚度，能很容易地调整该转接的中心频率。
图4示意了对于不同介质层厚度，根据图1的结构的波导-微波传输带转接的插入损耗。图4示意了对于200和500微米的介质厚度，由参数S12表示的插入损耗。-1.5dB带宽的中心频率在200微米介质厚度的情况下位于63GHz，而对于500微米的层厚度，中心频率位于45GHz。在这两种情况下带宽近似7.5GHz。
如上所示，除了改变层的厚度，通过在介质层和/或基片放置通孔-栅栏以确定波导延续部分的横向尺寸可进一步影响和改善阻抗匹配，由此特别影响插入损耗。
图5示意了根据本发明的结构的第二个实施例，其中在传输线20的基片22和波导10之间的三层30-1，30-2，30-3包括通孔40。通常仅优化直接位于微波传输带接地面24之下的层30-1的尺寸，以及在该基片的其它地方保持尺寸等于金属波导10的截面积就足够了。一般来看，在层30-1，30-2，30-3和传输线20的绝缘基片中波导延续结构的尺寸越大，则插入损耗越小。
根据本发明，介质层所用的优选材料为低温或高温共燃陶瓷LTCC或HTCC。
图6示意了用于制造包含通孔的所述层的过程。在第一步骤S1，通过混合溶剂、陶瓷粉末和塑料粘合剂以及生成基片带来生成基片。在经过烘干和去膜(方法步骤S2)和切削到应有的尺寸(方法步骤S3)后，在所述基片打孔(方法步骤S4)。通常孔直径大约为100到200μm。打孔后，将每个层的通孔填充类似银、铜或钨的导体浆，参见方法步骤印到通孔S5。之后，如同已知的常用共燃陶瓷技术的制造步骤一样，集中这几个层并在一起燃烧。图6详细示意了最后这些方法步骤，其中在方法步骤S5之后，利用方法步骤6将根据给定的表面图案的多个导体垫屏蔽在该层上，并且该导体垫沿所述层的至少一个主区域伸展，在方法步骤S7将这几个层叠压在一起，之后根据方法步骤S8燃烧该层组件。最后根据方法步骤S9将铜焊针固定到经过燃烧的层组件上。
图7示意了根据本发明用于引导电磁波的结构的第三个实施例。其基本上对应图5所示的结构，但更为详细地示意了在各层中通孔的实现，而且在该结构内还另外包括层30-4...30-7。
虽然在图5中所有层30-1，...30-3具有相同厚度，在但图7中层30-2的厚度有变化以便实现良好的阻抗匹配。例如为在特定频率60GHz实现良好的阻抗匹配，发现层30-1和30-4到30-7的适当厚度应为100μm，而建议层30-2的厚度为150μm。
绝缘基片层中的通孔不仅影响阻抗匹配，而且在该结构的机械设计中具有重要作用，因为它们优选连接传输线20和不同层30-1，30-2的接地面24，31，32。通过这种方式，这些通孔确保该结构的机械稳定性。然而，如果在传输线20和波导10之间只提供很少层的话，所得到的结构在机械结构上仍可能很脆弱。为防止这种情况，可为该基片增加附加层30-4，...30-7。这些附加层优选形成充气空腔50，与波导10的开口对齐，以便通过改变介质厚度由此改变中心频率时不会改变所想要的该结构的电特性。通过利用金属底座37可进一步加固该结构，所述金属底座37具有槽4与波导10的开口对齐。
传输线20的接地面24以及层30-1，30-2和30-7的接地面31，32和37具有槽1，...槽4，以便保证从波导10正确地转接电磁波到传输线20。这些槽可由相应层30-1，30-2的通孔栅栏41，42划界。然而，充气空腔50和层30-7的底平面37的槽4可受绝缘基片材料本身或受位于空腔50两侧的基片材料和通孔44-47的限制。虽然通常设计规则禁止通孔靠近空腔50，但更好的解决方案是将通孔50距离空腔边缘半个波长放置；例如在图7中，通孔44，...47距离空腔边缘860μm放置。在该结构中靠近波导10的部分，优选通孔距离波导开口或空腔边缘半个波长，因为在该距离处反射系数ρ为ρ＝-1，这意味着这种配置与空腔壁被完全金属化情况下的性能几乎相同(半波长需求来源于这样一个事实，驻波具有半波长周期，这意味着实际上空腔壁似乎处于0电位)。所建议的半波长配置还能防止该结构的电磁泄露。
通孔显然改进了从波导10到转接线20的电磁波转接，但它们在每个层中不是必需的。
图8示出了根据图7的结构的简化顶视图，其中箭头60指示图7的视线方向。附图标记20指示传输线，特别是宽度g＝110μm的微波传输带结构。所述传输线20的介质厚度为100μ(参见图7)，并且在微波传输带接地面24跨越槽1延伸c＝130μm。在接地面24由所述槽1覆盖的面积在根据图8的例子中为exd，其中e＝1840μ，d＝920μm。
槽2和3由图8中的粗虚线表示，覆盖面积hxa，其中h＝1200μ，而a＝3760μm。所述粗虚线还表示通孔栅栏41和42，因为这些通孔栅栏应尽可能靠近相应的接地面31和32的边缘(参见图7)。
图8还示出了层30-4的通孔44的顶视图(参见图7)。显然其下层30-5，30-6和30-7的通孔栅栏44和45，46，47都位于距离f处，其中距离槽3的边缘f＝860μm，这基本上对应充气空腔50的边缘；上面已经解释了将通孔44-47放置在充气空腔50边缘一个距离处的原因。
槽4表示在根据图7的层30-4，...30-7中充气空腔的截面积a×b。在图8的例子中，a＝3760μ，而b＝1880μ，其中该面积对应波导10的开口的截面积，而且与之对准。
波导10通过利用不同机械方案可连接到相邻层30-7：例如，通过焊接或甚至利用焊球，例如BGA(球栅阵列)型的焊接装置。利用焊球连接的优点在于，可利用所述技术的自校准效应。另一方面，当利用焊球连接时，在波导10和相邻层之间的连接之间可能有小的气隙，然而这些很小的气隙基本上不影响该结构的电特性；因此不需要在波导10和该层的陶瓷材料之间直接接触。
尽管利用多层陶瓷描述了本发明，但传输线20和层30-i的基片材料也可是层压材料。该传输线也可以是微波传输带，带状线或共面波导。

Claims (19)

1、一种将电磁波从波导(10)引导到布置在所述波导(10)一端的传输线(20)的设备，所述设备包括用于在所述波导(10)和所述传输线(20)之间机械固定和阻抗匹配的耦合装置(30-1，...，30-7)，
其中所述耦合装置包括与所述传输线的主平面机械连接的至少两个介质层(30)，而且
其中至少两个所述介质层包括多个导电通孔，这些通孔形成类似栅栏的装置，并限定所述层中用于有效转接电磁波的部件的横向尺寸，
其特征在于，
至少一个所述介质层的横向尺寸不同于其它介质层的横向尺寸，以便对于电磁波的给定中心频率实现最佳阻抗匹配。
2、根据权利要求1的设备，其特征在于，每个所述介质层具有预定厚度，以便介质层夹层结构的总介质厚度适合于电磁波的中心频率。
3、根据权利要求1-2中的任何一个的设备，其特征在于，至少一个所述介质层的厚度不同于其它介质层的厚度，而且
以对于电磁波的给定中心频率实现最佳阻抗匹配的方式确定所述介质层的厚度。
4、根据权利要求1的设备，其特征在于，至少一个介质层的结构通过焊接或熔接被固定到所述传输线(20)的基片层(22)。
5.根据权利要求1的设备，其特征在于，所述传输线(20)为所述耦合装置(30-1，...，30-7)的必要组成部分。
6、根据权利要求1的设备，其特征在于，所述介质层中的通孔被形成为不同介质层(30)内的各种交错通孔。
7、根据权利要求1的设备，其特征在于，不同介质层(30)的通孔相邻。
8、根据权利要求1的设备，其特征在于，所述通孔根据给定表面图案与导体垫电连接，其中这些导体垫沿所述层的至少一个主区域伸展。
9、根据权利要求8的设备，其特征在于，相邻介质层的导体垫互相电连接。
10.根据权利要求1的设备，其特征在于，在与传输线的基片层(22)相邻的介质层的夹层结构中布置金属层。
11、根据权利要求1的设备，其特征在于，在所述耦合装置中提供至少一个附加层(30-4到30-7)，所述附加层用于限制一个充气空腔(50)的范围。
12、根据权利要求11的设备，其特征在于，所述空腔(50)与所述波导(10)的开口对准。
13、根据权利要求1的设备，其特征在于，所述波导(10)和与之相邻的介质层的连接是通过焊接或熔接或粘结连接实现的。
14.根据权利要求13的设备，其特征在于，所述焊接连接使用焊球。
15、根据权利要求11的设备，其特征在于，所述附加层中类似栅栏的通孔结构的横向尺寸位于距离所述空腔边缘半个波长处。
16、根据权利要求1的设备，其特征在于，所述传输线是微带线。
17、根据权利要求1的设备，其特征在于，所述传输线是带状线。
18、根据权利要求1的设备，其特征在于，所述传输线是共面波导。
19、根据权利要求1的设备，其特征在于，所述波导是多频带波导。
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