CN108682923A - 基于ltcc的e波段h面微探针型波导微带转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于LTCC的E波段H面微探针型波导微带转换装置，包括：介质基板(1)，包括金属层和设置于金属层上的LTCC介质基板；波导(2)，波导(2)垂直设置于介质基板(1)上；金属微带(3)，设置于介质基板(1)内，包括依次固定连接的微带探针、高阻抗线、阻抗变换器以及微带线；其中，微带探针通过第二开口悬空置于波导(2)内，高阻抗线、阻抗变换器以及微带线设置于波导(2)外，微带探针的中心距离金属层的距离为波导(2)内电磁波波长的四分之一的奇数倍；本发明提供的波导微带转换装置，使用了LTCC技术，因而可以进行在毫米波段完成高密度集成，从而满足其小型化的要求，同时针对73GHz频率进行了设计和优化，从而满足高质量信号传输的要求。

Description

基于LTCC的E波段H面微探针型波导微带转换装置

技术领域

本发明涉及毫米波通信技术领域，具体涉及一种基于LTCC的E波段H面微探针型波导微带转换装置。

背景技术

随着电子***的小型化发展，传统的平面结构电路已经无法满足其对集成度的要求。毫米波低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，简称LTCC)技术作为一种高密度集成的典型技术，具有优良的高频、高Q特性，布线密度大，集成度高，设计灵活等特点，多用于毫米波单片的集成。在以LTCC为基础的毫米波通信***中，微带线以其优良的传输特性得到了广泛的应用。

对于接收***而言，其前端通过波导将接收到的电磁波传输到微带线上。作为接收***的第一级，波导微带转换结构极大影响着整个***的性能。信号由波导传导到微带线上的过程中产生的过大损失会导致后继处理模块无法正常工作。性能优异的转换结构能够将信号传输的损失降至最低，为后级信号处理模块提供高质量的输入信号，从而保证整个***的正常运行。高性能的波导微带过渡结构正广泛地被应用于射频收发前端。主要的过渡类型包括微探针，脊波导，对脊鳍线以及缝隙耦合等结构。其中微探针过渡结构简单，便于加工制作，应用较为广泛。

5G通信采用了毫米波频段，与6GHz以下的频谱相比，毫米波的频谱不仅非常充裕，而且只要稍经授权就能使用，因此世界各地的业者都能运用毫米波。目前适用于5G的频率选项主要包括28GHz，39GHz以及73GHz。73GHz中有2GHz的连续带宽可用于移动通信，这是拟议频率频谱中范围最广的。由于毫米波衰减较大不适用于长距通信，因而5G技术主要应用于家庭内部的微基站，其对小型化提出了一定的要求。除此之外，该频段下的波导微带转换结构损耗较大，无法满足信号传输的质量要求。

现有的波导微带转换结构由于体积过大，不易于高密度集成以及高频传输特性较差，在73GHz频率下无法满足现有的需求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种基于LTCC的缝隙耦合型波导微带转换装置及制备方法。

具体地，本发明的实施例提供了一种基于LTCC的E波段H面微探针型波导微带转换装置，包括：

介质基板；

波导，所述波导垂直设置于所述介质基板上；且所述波导的一端开有第一开口；所述波导的侧壁与所述介质基板表面相交处开有第二开口；

金属微带，设置于所述介质基板上，包括微带探针、高阻抗线、阻抗变换器以及微带线；其中，所述微带探针及其下方的所述介质基板通过所述第二开口悬空置于所述波导内，所述高阻抗线、所述阻抗变换器以及所述微带线设置于所述波导外，所述微带探针的中心距离所述金属层的距离为所述波导内电磁波主模波长的四分之一的奇数倍。

在本发明的一个实施例中，包括微带罩，所述微带罩设置于所述高阻抗线、所述阻抗变换器以及所述微带线的上方。

在本发明的一个实施例中，所述波导包括矩形波导和铜柱阵列；其中，所述铜柱阵列位于所述介质基板内，所述矩形波导垂直设置于所述介质基板表面且与所述铜柱阵列连接。

在本发明的一个实施例中，所述介质基板在垂直于所述矩形波导的内部区域下方为矩形空腔，所述铜柱阵列位于所述矩形空腔四周。

在本发明的一个实施例中，所述介质基板还包括金属层，所述金属层设置于所述矩形空腔的下方。

在本发明的一个实施例中，所述铜柱阵列包括41个铜柱，所述铜柱直径为0.094mm。

在本发明的一个实施例中，所述第二开口为矩形结构；其中，所述第二开口的长边与所述介质基板上表面平行。

在本发明的一个实施例中，所述矩形波导为WR12波导，宽边为3.0922mm，窄边为1.5494mm。

在本发明的一个实施例中，所述金属微带的材料为银。

在本发明的一个实施例中，所述介质基板的材料为FerroA6M-E；介电常数为5.9，厚度为0.8295mm。

本发明的有益效果在于：提供一种基于LTCC的E波段H面微探针型波导微带转换装置，采用了耦合效率较高的微探针耦合方式并且使用四分之一阻抗匹配减少了探针到微带线上信号反射，从而能够保证73GHz频率下优异的信号传输特性。同时，本发明采用LTCC技术以便于射频微波单片的模块化集成，利用埋置金属柱模拟波导壁从而将波导和LTCC基板集成在一起，减少了模块体积，便于小型化使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于LTCC的波导微带转换装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的波导组成结构图；

图3为本发明实施例提供的另一种基于LTCC的波导微带转换装置结构示意图；

图4为本发明实施例提供的波导开窗示意图；

图5为本发明实施例提供的铜柱排列示意图；

图6为本发明实施例提供的波导微带转换装置的俯视尺寸标注图；

图7为本发明实施例提供的波导微带转换装置的主视图；

图8为本发明实施例提供的波导微带转换装置的俯视图；

图9为本发明实施例提供的波导微带转换装置的侧视图；

图10为本发明实施例提供的***损耗仿真结果图；

图11为本发明实施例提供的回波损耗仿真结果图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

实施例一

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于LTCC的波导微带转换装置结构示意图，包括：

介质基板1；

波导2，所述波导2垂直设置于所述介质基板1上；且所述波导2的一端开有第一开口，用于接收电磁波；所述波导2的侧壁与所述介质基板1的表面相交处开有第二开口；

金属微带3，设置于所述介质基板1上，金属微带3按功能可以包括微带探针、高阻抗线、阻抗变换器以及微带线；其中，微带探针、高阻抗线、阻抗变换器以及微带线为一次成形；且微带探针、高阻抗线、阻抗变换器以及微带线下方均设置有承托介质基板1。

具体地，所述微带探针及其下方的所述介质基板通过所述第二开口悬空置于所述波导2内，所述高阻抗线、所述阻抗变换器以及所述微带线设置于所述波导2外，所述微带探针的中心距离所述金属层的垂直距离为所述波导2内电磁波主模波长的四分之一的奇数倍。

其中，在终端短路时，终端全反射，电磁场呈驻波状态，因此微带探针置于电压波腹点时能够耦合到电压的峰峰值；将探针的初始位置设置为距离波导短路面最近的电压波腹点处，即所述微带探针的中心距离所述金属层的垂直距离为所述波导2内电磁波波长的四分之一的奇数倍，可以获得最佳的过渡性能以及最小的结构体积。

金属微带的高阻抗线用于消除微带探针深入矩形波导腔内的容性阻抗部分，以便进行阻抗变换。

进一步地，阻抗变换器为四分之一阻抗变换器，只能进行纯电阻负载的阻抗匹配。为了使微带转换装置的前端特性阻抗Z₀与后端的负载阻抗Z_in相匹配，四分之一阻抗变换器的特性阻抗Z₀₁必须满足以下条件：

其中，Z₀₁是四分之一阻抗变换器的特性阻抗，Z₀是四分之一阻抗变换器前端的输出阻抗，R_L是微带线的阻抗。通过四分之一阻抗变换结构可以解决信号由于不匹配造成的损耗。

具体地，波导微带转换装置还包括微带罩，所述微带罩设置于所述高阻抗线、所述阻抗变换器以及所述微带线的上方。

其中，通过设置微带罩可以使所述高阻抗线、所述阻抗变换器以及所述微带线位于一个封闭的腔体内；使整个电磁波传输***构成一个封闭的传输***，可以进一步减小损耗。同时，微带罩可以对裸露在波导外的金属微带起到了固定作用，使整个装置更加稳固。

进一步地，所述波导2包括矩形波导21和铜柱阵列22；其中，所述铜柱阵列22位于所述介质基板1内，所述矩形波导21垂直设置于所述介质基板1上表面且与所述铜柱阵列22连接。

具体地，所述介质基板1在垂直于所述矩形波导21的内部区域下方为矩形空腔，所述铜柱阵列22位于所述矩形空腔四周；所述矩形波导21的内部区域边缘与所述铜柱阵列22对齐，所述矩形波导21的外部区域置于所述铜柱阵列22上或所述铜柱阵列22和所述介质基板1上。

优选地，所述第二开口为矩形结构；其中，所述第二开口的长边与所述介质基板1上表面平行。

本实施例提供的波导微带转换装置，通过采用耦合效率较高的微探针耦合方式，使用四分之一阻抗匹配减少了探针到微带线上信号反射，解决了现有波导微带转换装置高频传输特性较差的问题，能够保证73GHz频率下优异的信号传输特性。同时，通过采用LTCC技术便于射频微波单片的模块化集成，利用埋置金属柱模拟波导壁从而将波导和LTCC基板集成在一起，减少了模块体积，解决了现有波导微带转换结构由于体积过大，不易于高密度集成的问题，更加便于小型化使用。

实施例二

为了便于理解本发明提供的基于LTCC的波导微带转换装置，本实施例在上述实施例的基础上列举具体参数对基于LTCC的波导微带转换装置进行详细描述。

具体地，请参见图3，图3为本发明实施例提供的另一种基于LTCC的波导微带转换装置结构示意图；请参见图4，图4为本发明实施例提供的波导开窗示意图；请参见图5，图5为本发明实施例提供的铜柱排列示意图；请参见图6，图6为本发明实施例提供的波导微带转换装置的俯视尺寸标注图；请参见图7，图7为本发明实施例提供的波导微带转换装置的主视图；请参见图8，图8为本发明实施例提供的波导微带转换装置的俯视图；请参见图9，图9为本发明实施例提供的波导微带转换装置的侧视图。

请参见图2，波导微带转换装置包括基板和矩形波导；矩形波导两端开口，为中空的长方体结构，中空部分为其内部区域，用于传播电磁波；矩形波导沿电磁波传播方向垂直连接在基板上，与其形成“L”型结构。

优选地，所述基板为长方体结构，矩形波导与基板的连接面具有宽边和窄边，矩形波导的宽边与基板的窄边平行，且所述矩形波导与基板的连接面的宽边中心与基板的上表面的窄边中心位于同一直线上。

进一步地，基板包括金属层、LTCC介质基板以及金属微带；金属层位于基板底部，LTCC介质基板位于金属层上方，金属微带位于LTCC介质基板内且沿介质基板的上表面的窄边中心线设置，材料为银；LTCC介质基板在垂直于矩形波导的下方是一个矩形空腔，矩形空俯视图的矩形与矩形波导内部区域的横截面矩形外形保持一致。

具体地，金属微带包括了微带探针、高阻抗线、阻抗变换器以及微带线四部分；其中，微带探针位于矩形空腔内，高阻抗线、阻抗变换器以及微带线位于矩形空腔外，微带线为50Ohm微带线。

具体地，矩形波导可以选择WR12波导，波导宽边为3.0922mm，窄边为1.5494mm；LTCC介质基板选用的型号为Ferro A6M-E，其介电常数为5.9，厚度为0.8295mm。

进一步地，波导微带转换装置还包括埋置于基板内的铜柱阵列，铜柱阵列包括多个圆柱形铜柱，铜柱沿基板内的矩形空腔四周侧壁布置，且与矩形波导内部区域的边缘相接；其中，铜柱阵列的铜柱与矩形波导连接在一起，共同形成一个完整的波导，通过LTCC介质基板中埋置的铜柱模拟波导壁***LTCC介质基板的情况，从而对电磁波形成束缚。

优选地，在垂直方向上，每个铜柱的一半埋置于所述介质基板1内，一半裸露在外。

请参见图4，所述矩形波导面向微带线的一侧矩形开窗，窗***于矩形波导靠近微带线一侧平面的底部，窗体矩形中心与该平面中心位于同一中垂线，开窗宽度为0.75854mm，高度为0.18282mm。

优选地，请参见图5，铜柱直径是0.094mm，按其高度的不同分为A型铜柱和B型铜柱；其中，A型铜柱与LTCC介质基板厚度一致，B型铜柱高度在LTCC介质基板厚度上减去hsub，hsub是金属微带的铺铜平面与LTCC基板表层的距离。

铜柱沿矩形波导的两个长边和短边排布；其中a边下方埋置14个A型铜柱，铜柱之间的间距可以为0.235mm；b和c边下方分别埋置6个A型铜柱，间距可以为0.235mm；d边下方埋置12个A型铜柱和3个B型铜柱；B型铜柱中心位于基板纵向轴线中心，其左右两侧各自埋置一个B型铜柱，B型铜柱间距可以为0.235mm；b、c边铜柱与d边铜柱的间距可以为0.1394mm；A、B型铜柱间间距可以为0.1394mm。

其中，铜柱之间的间距值为优选方案，实际间距根据选择的矩形波导的实际尺寸允许0.1mm的误差，

具体地，金属微带的中心线与矩形波导的短路面之间的距离为四分之一波导波长。该距离也可以为四分之三波长、四分之五波长等。选择四分之一波长可以使转换装置尺寸更小，便于集成和小型化。

其中，四分之一波长仅为理论值，实际长度经过软件程序的进一步优化后可能会与该理论值有一些偏差，目的是选取电场相对最强的点，因此实际距离与四分之一波长理论值可以存在一定的偏差。

进一步的，波导微带转换装置还包括微带罩，微带罩设置于矩形波导外的金属微带上方，与LTCC介质基板连接；在裸露在矩形波导外的金属微带上方罩设有微带罩，以使金属微带的高阻段，阻抗匹配段和传输段位于一个封闭的腔体内。

请参见图6，距离LTCC介质基板表层0.127mm(0.127是FerroA6M-E单层厚度)处铺铜，用作微带线的返回路径。即微带线的厚度hsub为0.127mm。铺铜平面靠近波导壁的边界与用于模拟波导壁的铜柱圆心的水平间距为0.048mm。

LTCC介质基板伸入矩形波导空腔内部的长度为微带探针长度一致，宽度为1mm，厚度与铺铜平面距LTCC介质基板表层金属微带间距一致。

请再次参见图6，在ra表示波导长边的宽度，rb表示波导窄边的宽度，sw表示LTCC基板的宽度，w1表示伸入波导内部微带探针的宽度，l1表示伸入波导内部微带探针的长度，w2表示矩形波导外高阻抗线的宽度，l2表示矩形波导外高阻抗线的长度，sa表示四分之一阻抗变换器的宽度，sb表示四分之一阻抗变换器的长度，w3表示金属微带线的宽度，l3表示金属微带线的长度。上述金属线的厚度h是0.008mm。具体尺寸如下表所示(单位：mm)

sw	w1	l1	w2	l2	sa	sb	w3	l3
									5.0988	0.311683	0.7144	0.12	0.0543	0.242736	0.7297689	0.193	2.000

进一步的，本发明专利的某些优选的实施例中，矩形波导宽边中心线所在的与宽边垂直的法平面，金属微带窄边中心线所在的垂直于金属微带平面的法平面以及LTCC基板窄边中心线所在的垂直于LTCC基板的法平面是同一个平面。

本实施例提供的波导微带转换装置，使用了LTCC技术，因而可以进行在毫米波段完成高密度集成，从而满足其小型化的要求，同时针对73GHz频率进行了设计和优化，从而满足高质量信号传输的要求。

实施例三

为了便于理解本发明的工作原理，本实施例在上述实施例的基础上采用三维电磁仿真软件建模对基于LTCC的波导微带转换装置的工作性能进行分析。

优选地，请再次参加图2，使用三维电磁仿真软件Ansys HFSS建模，其中，波导2为矩形波导，材料使用金属铜，波导2内部介质为空气，介质基板1为FerroA6M-E，电磁波由波导2的port1端口输入，电磁波可以为E波段的毫米波，电磁波从金属微带的port2端口输出。信号从port1到port2，完成了从矩形波导到微带信号的转换；其中，E波段电磁信号的中心频率选用73GHz。

具体地，请参见图10-图11，图10为本发明实施例提供的***损耗仿真结果图，图11为本发明实施例提供的回波损耗仿真结果图；其中。转换装置的工作频率为73GHz。图10是该结构在三维电磁仿真软件HFSS中仿真得到的***损耗，从图10中可以看出从70GHz到78GHz高达8G的宽频段内其S21能够维持在-0.3dB以内，由此可以保证信号几乎无损地经过该结构。图11是该结构从port1看到的回波损耗，图中可以看到从70GHz到78GHz频率范围内该结构的S11参数在-20dB以下,这说明在port1处信号反射很小，表明在此频率范围内该结构具有优异的传输效率。通过对该结构***损耗及回波损耗的仿真分析可以证明本发明专利在70-78GHz的宽频带范围内具备优异的传输特性，带宽可以达到8GHz，可以满足新的应用需求。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于LTCC的缝隙耦合型波导微带转换装置，其特征在于，包括：

介质基板(1)；

波导(2)，所述波导(2)垂直设置于所述介质基板(1)上；且所述波导(2)的一端开有第一开口；所述波导(2)的侧壁与所述介质基板(1)表面相交处开有第二开口；

金属微带(3)，设置于所述介质基板(1)上，包括微带探针、高阻抗线、阻抗变换器以及微带线；其中，所述微带探针及其下方的所述介质基板(1)通过所述第二开口悬空置于所述波导(2)内，所述高阻抗线、所述阻抗变换器以及所述微带线设置于所述波导(2)外，所述微带探针的中心距离所述金属层的距离为所述波导(2)内电磁波主模波长的四分之一的奇数倍。

2.根据权利要求1所述的波导微带转换装置，其特征在于，还包括微带罩，所述微带罩设置于所述高阻抗线、所述阻抗变换器以及所述微带线的上方。

3.根据权利要求1所述的波导微带转换装置，其特征在于，所述波导(2)包括矩形波导(21)和铜柱阵列(22)；其中，所述铜柱阵列(22)位于所述介质基板(1)内，所述矩形波导(21)垂直设置于所述介质基板(1)表面且与所述铜柱阵列(22)连接。

4.根据权利要求3所述的波导微带转换装置，其特征在于，所述介质基板(1)在垂直于所述矩形波导(21)的内部区域下方为矩形空腔，所述铜柱阵列(22)位于所述矩形空腔四周。

5.根据权利要求4所述的波导微带转换装置，其特征在于，所述介质基板(1)还包括金属层，所述金属层设置于所述矩形空腔的下方。

6.根据权利要求4所述的波导微带转换装置，其特征在于，所述铜柱阵列(22)包括41个铜柱，所述铜柱直径为0.094mm。

7.根据权利要求4所述的波导微带转换装置，其特征在于，所述第二开口为矩形结构；其中，所述第二开口的长边与所述介质基板(1)上表面平行。

8.根据权利要求1所述的波导微带转换装置，其特征在于，所述矩形波导(21)为WR12波导，宽边为3.0922mm，窄边为1.5494mm。

9.根据权利要求1所述的波导微带转换装置，其特征在于，所述金属微带(3)的材料为银。

10.根据权利要求1所述的波导微带转换装置，其特征在于，所述介质基板(1)的材料为FerroA6M-E；介电常数为5.9，厚度为0.8295mm。