CN220527176U - 一种w频段传输线-波导垂直传输转换结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种W频段传输线‑波导垂直传输转换结构，包括印制板、BGA焊球、PCB基板、波导结构件、设置在PCB基板之间的金属矩形腔和设置在金属矩形腔、波导结构件之间的波导。本实用新型采用BGA植球焊接与焊料焊接的方式将高密度互连印制板、PCB基板、波导金属结构件集成于一体，集成度更高，实现了从芯片级到系统级的信号传输转换，便于在系统中集成应用，同时对结构加工和装配精度要求相对较低，不需要额外机械加工或机械组装。本实用新型有效提升了射频传输过渡结构的小型化水平以及集成度，同时，将W频段射频微系统构成了一个标准的表面贴装器件，可以在PCB基板上灵活地进行阵列拓展，提高了射频系统的标准化和阵列化。
Description
技术领域
本实用新型涉及电气元件技术领域，具体涉及一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构。
背景技术
随着毫米波技术的发展，微波毫米波集成电路与射频微系统在通信、雷达、制导等电子信息系统中得到了广泛应用。与传统电子信息系统的微波相比，毫米波频段频谱资源更加丰富,光谱带宽更宽,波长更短,因此在短距离高速无线通信系统、高分辨率雷达和高分辨率成像系统等电子信息系统应用中正在迅速发展。毫米波中的W波段是一个极具吸引力的频率范围，其频谱中心(94GHz)处在传播衰减较小的大气衰减窗口，具有传输距离远、穿透性强等优点，是毫米波电子信息系统应用的研究热点。
在微波毫米波集成电路与射频微系统中，微带与带状传输线是十分重要的内部射频传输线，而矩形波导具有功率容量大、损耗小、结构简单、Q值高的特点，大多数微波毫米波系统和实验设备的输入输出端口均采用矩形波导进行级联，因此，在毫米波电路和系统中经常需要进行这两种传输线形式的转换，而传输线-波导传输转换结构性能的优劣成为影响系统性能的关键。
波导到微带的过渡形式多种多样，常见的形式主要有微带探针过渡、对脊鳍线过渡、脊波导过渡等。
微带探针过渡结构简单，易于加工，过渡性能好，但该过渡实现的带宽较窄，需要较高的装配精度，并且不利于系统集成。
对脊鳍线过渡易于系统集成，但是鳍线过渡结构加工难度大，并且此过渡方式插损较大，在过渡频带内往往会有谐振频率产生，影响过渡性能。
脊波导过渡是一种简单而又有良好过渡特性的结构，但需要准确的机械加工条件，导致集成电路屏蔽外壳成本过高，特别对毫米波频段更是如此。
因此需要一种过渡结构有效地保证毫米波电磁信号在两种传输结构之间低损耗的传输转换，其次，还应具有传输损耗小、回波损耗高、足够的工作带宽、加工装卸容易、一致性好、便于系统集成等指标和设计要求。
发明内容
本实用新型是为了解决W频段传输线-波导传输结构中结构复杂、体积大、插损大、集成度低的问题，提供一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构，采用BGA植球焊接与焊料焊接的方式将高密度互连印制板、PCB基板、波导金属结构件集成于一体，该垂直传输转换结构集成度更高，实现了从芯片级到系统级的信号传输转换，便于在系统中集成应用，同时其结构简单，对结构加工和装配精度要求相对较低，不需要额外的机械加工或机械组装。该传输线-波导垂直传输转换结构，有效提升了射频传输过渡结构的小型化水平以及集成度，同时，将W频段射频微系统构成了一个标准的表面贴装器件，可以在PCB基板上灵活地进行阵列拓展，提高了射频系统的标准化和阵列化。
本实用新型提供一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构，包括PCB基板，波导结构件，设置在PCB基板之间的金属矩形腔和设置在金属矩形腔、波导结构件之间的波导；
PCB基板包括依次设置的第一PCB基板、第二PCB基板，金属矩形腔包括设置在第一PCB基板和第二PCB基板之间的第一金属矩形腔；
波导结构件的上表面平整、侧部设置凹槽；
波导包括凹槽与第一PCB基板底面组成的第一波导，第一金属矩形腔位于第一波导的右侧上方并与第一波导连通。
本实用新型所述的一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构，作为优选方式，PCB基板还包括设置在第二PCB基板另一侧的第三PCB基板，金属矩形腔还包括设置在第二PCB基板和第三PCB基板和之间的第二金属矩形腔；
第一金属矩形腔和第二金属矩形腔均为四周接地镀金的空腔；
波导结构件的两侧分别设置凹槽；
左侧凹槽的右侧面与第二PCB基板的左侧面平齐，右侧凹槽的左侧面与第二PCB基板的右侧面平齐；
波导还包括右侧凹槽与第三PCB基板底面组成的第二波导，第二金属矩形腔位于第二波导上方并与第二波导连通。
本实用新型所述的一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构，作为优选方式，第二PCB基板底面与波导结构件的上表面通过焊接连接；
第一PCB基板、第二PCB基板、第三PCB基板的底面均镀金。
本实用新型所述的一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构，作为优选方式，PCB基板中设置电源模块、DSP、FPGA和传感器件。
本实用新型所述的一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构，作为优选方式，还包括设置在PCB基板上部的印制板和连接PCB基板、印制板的BGA焊球。
本实用新型所述的一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构，作为优选方式，一圈BGA焊球组成接地矩形腔将信号传输到第一金属矩形腔或第二金属矩形腔。
本实用新型所述的一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构，作为优选方式，印制板包括印制板本体和连接在印制板本体上互连的传输线、射频收发芯片和贴片天线单元阵列。
本实用新型所述的一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构，作为优选方式，印制板还包括设置在印制板本体顶层金属层的金属贴片和设置在金属贴片周围的金属化过孔，金属化过孔贯穿并垂直于印制板本体形成金属电壁，传输线连接在印制板本体中，传输线上的射频信号通过激励金属贴片向印制板本体耦合；
金属贴片设置在第一金属矩形腔、第二金属矩形腔的上部。
本实用新型所述的一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构，作为优选方式，传输线为带状传输线；
传输线包括从上到下依次设置在印制板本体中连接的上层带状线、中层带状线和下层带状线，金属贴片位于印制板本体的下层。
本实用新型所述的一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构，作为优选方式，印制板为HDI印制板，印制板还包括设置在印制板上用于与射频收发芯片连接的C4微凸点。
本实用新型包括高密度互连印制板、PCB基板、波导金属结构件。
其中：
波导金属结构件与PCB基板通过整面焊接的方式连接在一起。波导金属结构件与PCB基板焊接的一面有金属凹槽，与PCB基板焊接后，其与PCB基板的镀金底面构成一个完整的金属波导。PCB基板的金属矩形腔中传输的W频段射频信号，通过波导金属结构件中形成的金属波导，传输到外围的波导口，完成整个射频信号的传输转换。同时，由于波导金属结构件和PCB基板的优良热接触，其可以作为热沉将射频微系统产生的热量带走。
高密度互连印制板，即HDI印制板，采用具备低损耗、低介电常数、高力学强度、高热导率、低热膨胀系数等优良特性的多层有机材料复合层压集成实现。在HDI印制板上，集成了W频段射频收发芯片和贴片天线单元阵列，构成一个完整的多通道收发射频微系统。W频段射频收发芯片基于硅基COMS工艺，采用晶圆级芯片封装技术，完成表面电路再分布和C4微凸点布局制备，以Flip-chip装配工艺与HDI印制板进行封装键合。W频段射频收发芯片完成W频段信号功率多通道均分与合成、低噪声放大与功率放大、移相衰减控制、功率温度遥测功能。贴片天线单元阵列采用多层微带贴片结构，通过HDI印制板内部的垂直馈电网络与W频段射频收发芯片连接，实现W射频信号的发射与接收。HDI印制板完成W频段射频信号传输、供电传输、控制信号传输、遥测信号输出等功能。HDI印制板通过C4微凸点实现与射频收发芯片实现焊接装配，通过BGA植球工艺实现与PCB基板的对外互连传输、固定支撑。HDI印制板的W频段信号传输采用带状传输线，增加信号的隔离度，减小串扰。带状传输线上的射频信号，通过激励HDI印制板Top金属层的金属贴片，耦合传输到PCB基板中的金属矩形腔中。
PCB基板以BGA植球焊接的方式与高密度互连印制板进行连接，同时与波导金属结构件焊接在一起。PCB基板实现对高密度互连印制板整个射频微系统的供电控制分发、射频信号的馈入馈出、遥测信号汇总反馈等功能。高密度互连印制板Top金属层的金属贴片耦合传输的W频段射频信号，通过由一圈BGA焊球组成的接地矩形腔，传输到PCB基板的金属矩形腔。PCB基板的金属矩形腔为四周接地镀金的空腔，限定W频段电磁波只能以主模形式进入，从而实现与高密度互连印制板的垂直传输。PCB基板需要实现二次电源转换、控制指令解析与下发、状态反馈等功能，电源模块、DSP、FPGA、各类传感器等器件均装配在此PCB基板上。同时，PCB基板对高密度互连印制板射频微系统实现阵列拓展和承载支撑作用，以及将高密度互连印制板射频微系统的热量通过密集金属过孔传导下来。
本实用新型具有以下优点：
本实用新型采用BGA植球焊接与焊料焊接的方式将高密度互连印制板、PCB基板、波导金属结构件集成于一体，该垂直传输转换结构集成度更高，实现了从芯片级到系统级的信号传输转换，便于在系统中集成应用，同时其结构简单，对结构加工和装配精度要求相对较低，不需要额外的机械加工或机械组装。该传输线-波导垂直传输转换结构，有效提升了射频传输过渡结构的小型化水平以及集成度，同时，将W频段射频微系统构成了一个标准的表面贴装器件，可以在PCB基板上灵活地进行阵列拓展，提高了射频系统的标准化和阵列化。
附图说明
图1为一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构的PCB基板-波导金属结构件传输过渡结构示意图；
图2为一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构结构示意；
图3a为一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构印制板本体中带状线一侧结构示意图；
图3b为一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构印制板带状线层金属贴片一侧结构示意图；
图4为一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构印制板-PCB基板传输过渡结构示意图。
附图标记：
1、PCB基板过渡结构；11、第一PCB基板；12、第二PCB基板；13、第三PCB基板；2、波导结构件；21、凹槽；3、金属矩形腔；31、第一金属矩形腔；32、第二金属矩形腔；4、波导；41、第一波导；42、第二波导；5、印制板；51、印制板本体；52、传输线；521、上层带状线；522、中层带状线；523、下层带状线；53、射频收发芯片；54、贴片天线单元阵列；55、金属贴片；56、金属化过孔；57、C4微凸点；6、BGA焊球。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1～2所示，一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构，包括PCB基板1，波导结构件2，设置在PCB基板1之间的金属矩形腔3和设置在金属矩形腔3、波导结构件2之间的波导4；
PCB基板1包括依次设置的第一PCB基板11、第二PCB基板12，金属矩形腔3包括设置在第一PCB基板11和第二PCB基板12之间的第一金属矩形腔31；
波导结构件2的上表面平整、侧部设置凹槽21；
波导4包括凹槽21与第一PCB基板11底面组成的第一波导41，第一金属矩形腔31位于第一波导41的右侧上方并与第一波导41连通；PCB基板1还包括设置在第二PCB基板12另一侧的第三PCB基板13，金属矩形腔3还包括设置在第二PCB基板12和第三PCB基板13和之间的第二金属矩形腔32；
第一金属矩形腔31和第二金属矩形腔32均为四周接地镀金的空腔；
波导结构件2的两侧分别设置凹槽21；
左侧凹槽21的右侧面与第二PCB基板12的左侧面平齐，右侧凹槽21的左侧面与第二PCB基板12的右侧面平齐；
波导4还包括右侧凹槽21与第三PCB基板13底面组成的第二波导42，第二金属矩形腔32位于第二波导42上方并与第二波导42连通；
第二PCB基板12底面与波导结构件2的上表面通过焊接连接；
第一PCB基板11、第二PCB基板12、第三PCB基板13的底面均镀金；
PCB基板1中设置电源模块、DSP、FPGA和传感器件；
如图2所示，还包括设置在PCB基板1上部的印制板5和连接PCB基板1、印制板5的BGA焊球6；
如图3a、3b、4所示，一圈BGA焊球6组成接地矩形腔将信号传输到第一金属矩形腔31或第二金属矩形腔32；
印制板5包括印制板本体51和连接在印制板本体51上互连的传输线52、射频收发芯片53和贴片天线单元阵列54；
印制板5还包括设置在印制板本体51顶层金属层的金属贴片55和设置在金属贴片55周围的金属化过孔56，金属化过孔56贯穿并垂直于印制板本体51形成金属电壁，传输线52连接在印制板本体51中，传输线52上的射频信号通过激励金属贴片55向印制板本体51耦合；
金属贴片55设置在第一金属矩形腔31、第二金属矩形腔32的上部；
传输线52为带状传输线；
如图3a、3b、4所示，传输线52包括从上到下依次设置在印制板本体51中连接的上层带状线521、中层带状线522和下层带状线523，金属贴片55位于印制板本体51的下层；
印制板5为HDI印制板，印制板5还包括设置在印制板5上用于与射频收发芯片53连接的C4微凸点57。
本实施例中，PCB基板1与波导金属结构件2通过焊料焊接在一起，高密度互连印制板5与PCB基板1通过BGA植球6焊接在一起，实现整个射频垂直传输转换结构的互连。高密度互连印制板5上，集成了W频段贴片天线单元阵列，同时通过C4微凸点57，和W频段射频收发芯片封装键合，构成一个完整的多通道收发射频微系统，实现W射频信号的发射与接收功能。
高密度互连印制板采用具备低损耗、低介电常数、高力学强度、高热导率、低热膨胀系数等优良特性的多层有机材料复合层压集成实现，其完成W频段射频信号传输、供电传输、控制信号传输、遥测信号输出等功能。高密度互连印制板的W频段信号传输采用带状传输线，增加信号的隔离度，减小电路间的串扰。W频段毫米波能量由带状传输线52传输，带状传输线52上的射频信号，通过激励Top金属层的金属贴片55，向高密度互连印制板耦合传输电磁场能量。在金属贴片55周围设置一圈金属化过孔56，金属化过孔56贯穿并垂直于微波多层板51，形成金属电壁，对微波能量进行约束，限定了最有利于W频段毫米波能量的耦合传输。
通过一圈BGA焊球6组成的接地矩形腔，实现了W频段电磁波能量从高密度互连印制板上的金属贴片向PCB基板1上金属矩形腔3的耦合传输。W频段毫米波能量从由上层带状线521、中层带状线522、下层带状线523组成带状线上传输而来，通过激励金属贴片55，由一圈BGA焊球6组成的接地矩形腔进行能量约束，向PCB基板1中的由镀金金属壁形成的金属矩形腔31、32耦合传输。PCB基板的金属矩形腔31、32为四周接地镀金的空腔，其尺寸设计限定W频段电磁波只能以主模形式进入，从而实现了W频段毫米波能量从高密度互连印制板5到PCB基板1的垂直传输。
通过PCB基板1整面与波导金属结构件2焊接形成金属波导4，实现了W频段电磁波能量从PCB基板1上的金属矩形腔3向金属波导4的射频传输。如图所示，PCB基板1镀金底面和波导金属结构件2上的金属凹槽11焊接后构成一个完整的金属波导41、42，PCB基板的金属矩形腔31、32中传输的W频段射频信号，传输到了正对着的金属波导41、42中，从而实现了W频段毫米波能量从PCB基板到波导金属结构件的过渡传输。同时，由于波导金属结构件和PCB基板的优良热接触，其可以作为热沉将射频微系统产生的热量带走。
该过渡结构在85-105GHz实现插损小于0.8dB，回波损耗优于15dB。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构，其特征在于：包括PCB基板(1)，波导结构件(2)，设置在所述PCB基板(1)之间的金属矩形腔(3)和设置在所述金属矩形腔(3)、所述波导结构件(2)之间的波导(4)；
所述PCB基板(1)包括依次设置的第一PCB基板(11)、第二PCB基板(12)，所述金属矩形腔(3)包括设置在所述第一PCB基板(11)和所述第二PCB基板(12)之间的第一金属矩形腔(31)；
所述波导结构件(2)的上表面平整、侧部设置凹槽(21)；
所述波导(4)包括所述凹槽(21)与所述第一PCB基板(11)底面组成的第一波导(41)，所述第一金属矩形腔(31)位于所述第一波导(41)的右侧上方并与所述第一波导(41)连通。
2.根据权利要求1所述的一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构，其特征在于：所述PCB基板(1)还包括设置在所述第二PCB基板(12)另一侧的第三PCB基板(13)，所述金属矩形腔(3)还包括设置在所述第二PCB基板(12)和所述第三PCB基板(13)和之间的第二金属矩形腔(32)；
所述第一金属矩形腔(31)和所述第二金属矩形腔(32)均为四周接地镀金的空腔；
所述波导结构件(2)的两侧分别设置所述凹槽(21)；
左侧所述凹槽(21)的右侧面与所述第二PCB基板(12)的左侧面平齐，右侧所述凹槽(21)的左侧面与所述第二PCB基板(12)的右侧面平齐；
所述波导(4)还包括右侧所述凹槽(21)与所述第三PCB基板(13)底面组成的第二波导(42)，所述第二金属矩形腔(32)位于所述第二波导(42)上方并与所述第二波导(42)连通。
3.根据权利要求2所述的一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构，其特征在于：所述第二PCB基板(12)底面与所述波导结构件(2)的上表面通过焊接连接；
所述第一PCB基板(11)、所述第二PCB基板(12)、所述第三PCB基板(13)的底面均镀金。
4.根据权利要求1所述的一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构，其特征在于：所述PCB基板(1)中设置电源模块、DSP、FPGA和传感器件。
5.根据权利要求2所述的一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构，其特征在于：还包括设置在所述PCB基板(1)上部的印制板(5)和连接所述PCB基板(1)、所述印制板(5)的BGA焊球(6)。
6.根据权利要求5所述的一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构，其特征在于：一圈所述BGA焊球(6)组成接地矩形腔将信号传输到所述第一金属矩形腔(31)或所述第二金属矩形腔(32)。
7.根据权利要求5所述的一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构，其特征在于：所述印制板(5)包括印制板本体(51)和连接在所述印制板本体(51)上互连的传输线(52)、射频收发芯片(53)和贴片天线单元阵列(54)。
8.根据权利要求7所述的一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构，其特征在于：所述印制板(5)还包括设置在所述印制板本体(51)顶层金属层的金属贴片(55)和设置在所述金属贴片(55)周围的金属化过孔(56)，所述金属化过孔(56)贯穿并垂直于所述印制板本体(51)形成金属电壁，所述传输线(52)连接在所述印制板本体(51)中，所述传输线(52)上的射频信号通过激励所述金属贴片(55)向所述印制板本体(51)耦合；
所述金属贴片(55)设置在所述第一金属矩形腔(31)、第二金属矩形腔(32)的上部。
9.根据权利要求8所述的一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构，其特征在于：所述传输线(52)为带状传输线；
所述传输线(52)包括从上到下依次设置在所述印制板本体(51)中连接的上层带状线(521)、中层带状线(522)和下层带状线(523)，所述金属贴片(55)位于所述印制板本体(51)的下层。
10.根据权利要求7所述的一种W频段传输线-波导垂直传输转换结构，其特征在于：所述印制板(5)为HDI印制板，所述印制板(5)还包括设置在所述印制板(5)上用于与所述射频收发芯片(53)连接的C4微凸点(57)。
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