CN1309439A - 微波带状线路以及采用此微波带状线路的微波装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及低损耗的微波带状线路与使用此微波线路的微波装置。微波带状线路包括:(a)在微波频率中具有相对高的损耗的常用的电介质基板;(b)设置于所述电介质基板上侧表面的带状导体金属箔;(c)设置于所述电介质基板下侧的金属板;(d)形成在接地用金属板上并且朝向带状导体金属箔位置上的空气层。
Description
本发明涉及使用于接收卫星广播、卫星通讯等的用户微波接收器的微波带状线路以及使用此微波带状线路的微波装置。
对于使用12GHz波带的用户微波接收装置，由接收天线接收到的微波信号是十分微弱的。由于这些信号非常微弱，因此它们通过一个微波带状线路直接输入一低噪声放大器而使它最小限度受到地衰减(例如，由于电路衰减)并且噪声最小限度地加强。此微波传输线路以及低噪声放大器位于通常连接着接收天线盒状下变频器(block down-converter)中。此微波传输线路通常是由采用低损失电介质基板的印刷线路板(以下记作PCB)构成的微波带状线路。
图5表示由低损失电介质基板制成的PCB所构成的通常微波带状线路的例子。如图5所示，微波带状线路是如下这样形成在PCB2中的，接地用的导电性金属箔1与作为带传输的导电性金属箔3分别设置在PCB2的上侧与下侧。
用于12GHz波带的PCB2的厚度为1mm或者更小，因此，机械以及热变形可能会损坏PCB2。PCB2与金属板4的表面接触而接地。金属板4防止微波带状线路因变形而产生特性劣化。
理论上可知，导体金属箔3的厚度5主要地由工作频率、要求的特性阻抗、电介质基板的相对介电常数、以及导体金属箔3的厚度而来确定。
为了实现上述的使用目的，对于微波带状线路的传输损耗希望减少到最小。并且已知传输损耗包括PCB的介电损耗、带状导体的铜耗以及传输带的辐射损耗。特别地，在微波频带中PCB的介电损耗以及传输带的辐射损耗变得很显著。
虽然通常对于PCB2广泛使用低介电损耗的特氟隆纤维基板，但是特氟隆纤维基板价格昂贵，因此采用特氟隆纤维基板的微波装置也会很昂贵。
另一方面，在比微波更低的频率下使用于低价PCB中的玻璃环氧树脂基板不仅具有高损耗因数(tanδ)还具有较大相对介电常数，其值为4，大于特氟隆纤维板的值2。因此，当微波带状线路由与具有用特氟隆纤维基板构成一样的相同厚度以及相同特性阻抗的玻璃环氧树脂基板构成时，由玻璃环氧树脂基板构成的带状线路的宽度要比由特氟隆纤维基板构成的微波带状线路的宽度要小。因此，除了PCB的介电损耗，还有带状导体的铜耗使得位于玻璃环氧树脂的PCB上的微波带状线路的损耗变大。
一种微波带状线路包括：PCB、用于传输微波并且位于PCB上侧的带状导体箔(以下，记作带状导体)、与PCB下侧连接且用于接地的金属板(以下指接地板)。此金属板具有一沿着此带状导体并朝向此带状导体的凹槽，此凹槽作为形成于PCB与接地板之间的空气层。具有所述结构的微波带状线路是作为具有合成介电层的微波带状线路，在此合成介电层中PCB与空气层结合。此有效合成相对介电常数是由PCB厚度与空气层厚度的比例来决定，并且可以设定为在此PCB与空气层的相当介电常数之间、所要求的中间值。由于空气层的合成相对介电常数几乎与真空的相对介电常数相同，例如，“1+j0”。换句话说，有效合成相对介电常数的实部与虚部都比PCB本身的要小。因此，有效合成相对介电常数的实部减小可以使得带状导体宽度的增加以及使得铜耗降低。再者，有效合成相对介电常数其虚部的减小可以使得结合介电层的有效介电损耗减小。
在输入终端与阻抗匹配电路之间的微波传输线路由微波带状线路构成，其中微波带状线路具有带状导体、电介质基板、空气层以及接地板而来放大输入的微波信号并且使噪声系数保持在较低。
再者，在输入终端的一个端口使用波导探头来从波导中获得微波信号，这样能够形成小型、低损耗、高性能的微波装置。
图1是本发明实施形态1的微波带状线路的剖视图。
图2A是本发明实施形态2的微波装置的平面图。
图2B是本发明实施形态2的微波装置的剖视图。
图3A是本发明实施形态3的微波装置主要部分的平面图。
图3B是本发明实施形态3的微波装置主要部分的剖视图。
图4A是本发明实施形态4的微波装置主要部分的平面图。
图4B是本发明实施形态4的微波装置主要部分的剖视图。
图5是以往的微波带状线路的剖视图。
以下，参照附图对本发明的实施形态进行说明。
图1是本发明实施形态1的微波带状线路的剖视图。带状导体13以及接地的导电性金属箔12分别位于由玻璃环氧树脂构成的PCB11的上侧与下侧。接地板14连接着导电性金属箔12而机械地支撑着PCB11并且使得导电性金属箔12接地。PCB11的相对介电常数大约为4且它的厚度大约为0.5mm。
如图1所示，接地板14在接地板14一侧具有一个沿带状导体13的凹槽(在垂直于纸面的方向，即在微波传播的方向)，凹槽向着带状导体13而形成了深度约为0.3mm的空气层16。通过实验已知由PCB11(相对介电常数大约为4)以及空气层16(相对介电常数大约为1)结合成的结合介电层在12GHz下、PCB厚度约为0.5mm、空气层深度约为0.3mm时，具有大约为2的有效相对介电常数。
为了达到不带有空气层的特性阻抗(例如50欧姆)，而设定带状导体18的宽度为0.94mm，然而，宽度0.94mm非常窄以至于带状导体的铜耗不能如上述那样被忽略。相反，为了达到带有空气层的相同的特性阻抗(即50欧姆)，实验上可以设定带状导体18为大约2.6mm，因此可以认为减少了传输导体的铜耗。此外，由于空气层减少了微波带状线路的有效介电损失，最后，带有空气层且采用玻璃环氧树脂PCB的微波带状线路的总损耗与不带有空气层而采用特氟隆纤维板PCB的微波带状线路的总损耗一样低。这时，为了获得空气层必要且足够的效果，空气层19的宽度是带状导体18宽度的3倍。
由于降低了传输损耗，上述的结构可以由低价的微波带状线路而获得充分的特性。
此外，在本实施形态中，微波带状线路仅在接地板的结构上与通常的微波带状线路有所不同。当将各种基于微波带状线路的微波电路置于PCB上，其中一些传输损耗对电路设计不是很重要的的微波带状线路则不需要形成空气层并且允许减小各自带状导体的宽度18。结果是具有这样的优点，即能够减小采用了此微波带状线路的电路的整体尺寸。
图2A、2B分别是第2实施形态微波装置的平面图以及剖视图。12GHz频带的输入端21连接着由PCB22构成的带状导体23的一端。导体23的另一端是通过耦合电容器24而与一阻抗匹配电路的导电性金属箔图案25相连。(以下，导电性金属箔图案25称为阻抗匹配电路或者简单地说匹配电路。)而且，匹配电路25的输出端是连接着作为低噪声放大器34其第一级晶体管的砷化镓场效应晶体管(FET)26的栅极。场效应管26的漏极与另一阻抗匹配电路27连接。匹配电路27的输出端通过耦合电容器28而与另一匹配电路29相连。匹配电路29输出端与第二级砷化镓FET30的栅极相连，且FET30的漏极30与第四阻抗匹配电路31相连。匹配电路31的输出端通过耦合电容器32与输出终端33相连且从终端33向外输出12GHz频带的微波。
在图2B中，带状导体23、阻抗匹配电路25的导电性金属箔图案以及其它部分等是安装于由玻璃环氧树脂构成的PCB22的上侧。接地用的导电性金属箔35安装在PCB22的下侧。为了机械地支撑PCB以及将PCB接地，则在PCB22的下侧设置着厚度约为1.5mm且由铝制成的接地板36。
厚度约为0.3mm的空气层37设置在接地板36的一部分上且朝向带状导体23以及匹配电路的图案25。在PCB22的下侧，接地用的导电性金属箔35朝向空气层37的部分并不设置于PCB22上，而是直接与空气层37接触。当底板厚为0.5mm时，包含PCB以及空气层的结合电介质层在12GHz频带时，有效相对介电常数约为2。对于第1实施形态，带状导体23以及匹配电路25包含在微波频带下低损耗的微波电路。而且，对于PCB采用多种用途的玻璃环氧树脂基板，则使第2实施形态的微波装置价格较低。
应注意阻抗匹配有时是指用于达到阻抗条件而优化电路的匹配(例如，噪声匹配)，而并不总是指通常的阻抗匹配。
图3A及图3B分别是本发明第3实施形态的平面图及剖视图。带有开口端的波导探头42插于传播12GHz频带微波信号的波导42中。在第2实施形态中，探头42通过带状导体43而与匹配电路44连接。设置于FET45右边并且与匹配电路44的输出端连接的电路与第2实施形态中的电路相同。输入波导41中的微波信号最终被导向输出终端(在图3A与图3B没有表示)并输出。
在图3B中，用于接地的导电性金属箔48设置于由玻璃环氧树脂制成的PCB47的下侧。由铝制成的接地板49与PCB47的下侧相连。在这一实施形态中，波导41与接地板49组成一块。
本实施形态中每个部分的主要尺寸与第2实施形态中的是相同的，例如PCB47为约0.5mm厚，板49为约1.5mm厚。通过压力形成的深约为0.3mm的空气层50设置于接地板49的中朝向带状导体43的位置与匹配电路图案44的位置的部分。这样，与实施形态2相同，包含PCB与空气层的结合电介质层其有效相对介电常数在12GHz频带下值约为2，并且带状导体的宽度为约2.6mm。
在此实施形态中，与实施形态2相同，设置空气层使得结合电介质层的有效介电常数与介电损耗降低。结果是微波装置的损耗也降低了。由于空气层50是通过压力加工而形成，因此可以降低微波装置的成本。再者，改变压印模使得可以任意设定空气层50的厚度，并且使得有效介电常数达到大于玻璃环氧树脂的相对介电常数的理想值。
除了通过压力加工工艺，本实施形态中使得接地板49由压膜法制成并且可获得与使用由压力形成的接地板同样的效果。如图3B所示，波导探头42与部分微波带状线路共用PCB的一部分。波导探头42与带状导体43构成一片。然而，波导探头42与带状导体43即使没有构成一片，也可以获得上述同样的效果。
图4A与图4B分别是本发明第4实施形态的微波装置主要部分的平面图及剖视图。在此实施形态中，带有开口端的波导探头52与带有开口端的波导探头53插在圆环形的波导51中，并且由一对探头构成的角度54约为90°。这对探头分别与带状导体55及58连接。如在第3实施形态中一样，此两个带状导体分别与匹配电路56与59连接。此匹配电路56与59分别与低噪声放大器57及60连接。每个放大器最终与装置的每个输出终端(在图4A及图4B中没有表示)连接，并且从每个终端向外输出微波。
在图4B中，如第3实施形态，用于接地的导电性金属箔62位于由玻璃环氧树脂制成的PCB61的下侧。接地板63位于PCB61的下侧。
在此实施形态中，空气层64与65分别位于接地板63朝向带状导体55与匹配电路图案56的一部分、以及朝向带状导体58与匹配电路图案59的一部分。如在第3实施形态中一样，使得减少了微波带状线路及匹配电路的损耗。因此，微波装置的损耗降低。如在第3实施形态中一样，微波执装置的成本降低了。
在本实施形态中，由于设置波导探针52及53而使得构成90度的角度，则微波装置能够同时有效地接收2个互相垂直的线性偏振微波信号。在此实施形态中，如图4B所示，波导探针52及53分别共用带状导体55及58。带状导体55及58结合为一片。然而，波导探头55与带状导体58即使没有构成一片，也可以获得上述同样的效果。
本发明提供的微波带状线路包括：电介质基板形成的PCB；形成于PCB上表面用于传输微波信号的带状导体；位于PCB与接地板间的空气层。结果是微波带状线路可以为微波传输线路获得理想的特性。空气层降低了微带线的有效介电常数及有效介电损耗。因此，如上述的实施形态，本发明通过采用具有相对高的介电损耗的低成本电介质基板而提供低损耗、低成本微波带状线路与采用此微波带状线路的微波装置。
Claims (13)
1．一种微波带状线路，其特征在于，包括：
具有相对介电常数为1或者大于1的电介质基板；
设置在所述电介质基板上的带状导体并且微波信号沿着所述带状导体传输；
设置于所述电介质基板下侧并且具有一朝向所述带状导体的凹槽的用于接地的金属板。
2．如权利要求1所述的微波带状线路，其特征在于，还包括：
设置于所述电介质基板下侧的用于接地的导电性金属箔，所述金属箔具有对应于所述凹槽的一开口。
3．如权利要求1所述的微波带状线路，其特征在于，
所述金属板为铝制的。
4．如权利要求1所述的微波带状线路，其特征在于，
所述电介质基板具有其值为4的相对介电常数。
5．如权利要求1所述的微波带状线路，其特征在于，
由所述电介质基板与凹槽结合构成的部分具有其值为2的有效相当介电常数。
6．如权利要求1所述的微波带状线路，其特征在于，
所述电介质基板是玻璃环氧树脂基板。
7．如权利要求1所述的微波带状线路，其特征在于，
所述凹槽的宽度大约是所述带状导体宽度的3倍。
8．如权利要求1所述的微波带状线路，其特征在于，
所述凹槽的深度大约是0.3mm。
9．一种微波装置，其特征在于，包括：
(a)一输入微波信号的输入终端；
(b)与所述输入终端耦连的一微波带状线路，所述微波带状线路包括：(b-1)相对介电常数为1或者大于1的电介质基板；(b-2)设置于所述电介质基板上的带状导体并且微波信号沿着所述带状导体传输；(b-3)设置于所述电介质基板下侧并且具有一朝向所述带状导体的凹槽而用于接地的金属板；
(c)与所述微波带状线路的输出端耦连的阻抗匹配电路；
(d)与所述阻抗匹配电路的输出端连接的低噪声放大器；
(e)与所述低噪声放大器的输出端连接的输出终端。
10．如权利要求9所述的微波装置，其特征在于，
所述阻抗匹配电路包括：相对介电常数为1或者大于1的电介质基板；设置于所述电介质基板上侧的带状导体并且微波信号沿着所述带状导体传输；设置于所述电介质基板下侧并且具有一朝向所述带状导体的凹槽而用于接地的金属板。
11．一种微波装置，其特征在于，包括：
(a)输入微波信号的波导；
(b)从所述波导中取出微波信号的波导探头；
(c)与所述波导探头连接的带状微波线路，所述微波带状线路包括：(c-1)相对介电常数为1或者大于1的电介质基板；(c-2)设置于所述电介质基板上的带状导体并且微波信号沿着所述带状导体传输；(c-3)设置于所述电介质基板下侧并且具有一朝向所述带状导体的凹槽而用于接地的金属板；
(d)与所述微波带状线路的输出端连接的阻抗匹配电路；
(e)输入端与所述阻抗匹配电路的输出端连接的低噪声放大器；和
(f)与所述低噪声放大器的输出端连接的一输出终端。
12．如权利要求11所述的微波装置，其特征在于，
所述阻抗匹配电路包括：相对介电常数为1或者大于1的电介质基板；设置于所述电介质基板上的带状导体并且微波信号沿着所述带状导体传输；和设置于所述电介质基板下侧并且具有一朝向所述带状导体的凹槽而用于接地的金属板。
13．如权利要求11所述微波装置，其特征在于，
所述波导是圆环形波导，所述波导探头与另一波导探头几乎是垂直设置的。
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