CN108777343A - 基片集成波导传输结构、天线结构及连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基片集成波导传输结构、天线结构及连接方法，其中基片集成波导传输结构包括三个金属层和一排第一信号割断结构，三个金属层从上至下分别为顶层金属层、中间金属层和底层金属层；所述第一信号割断结构起始于顶层金属层，终止于中间金属层；在所述第一信号割断结构一侧的中间金属层和底层金属层之间形成用于连接低剖面基片集成波导的第一端口，在所述第一信号割断结构另一侧的顶层金属层和底层金属层之间形成用于连接高剖面基片集成波导的第二端口。本发明提出的传输结构解决了板级高剖面基片集成波导器件与射频芯片互连的问题，具有低成本，小尺寸，能够板级集成等优势。
Description
技术领域
本发明涉及电子、微波射频、雷达等领域，尤其涉及一种不同剖面高度的基片集成波导之间的传输结构、天线结构及连接方法。
背景技术
基片集成波导（substrate integrated waveguide，SIW）是一种可以集成于介质基片中的新型导波结构，这种结构在介质基片中按一定间隔排列多个金属化通孔成为波导光滑侧壁的替代结构，从而与上下表面金属围成一个准封闭的导波结构，保持了金属波导的低插损、高功率容量等特点。基片集成波导已经被成功的用于设计多种微波结构，如基片集成波导天线、滤波器、双工器、功分器等。
基片集成波导属于减高波导（高度相比于其宽度低了很多，传统金属波导一般高度为波导宽度的一半），采用剖面高的介质基片制作SIW一方面有利于提高其功率容量，另一方面，有利于提高基于此设计的天线的阻抗带宽、增益等性能。
在实际射频***中，芯片往往需要放置于低剖面的介质基片之上，这是因为，芯片管脚一般通过微带线或共面波导与其它部分电路相连，芯片的相邻管脚之间的间距一般较小，因此需要与其连接的信号线不能太宽；对于特征阻抗为50欧姆的微带线和共面波导，基片越薄，信号线将越细。
基于以上事实，一般而言，基于高剖面基片集成波导设计的天线或者其他器件很难直接通过位于同一基片上的微带线或共面波导引出来与射频芯片相连，而如果降低基片集成波导的宽度，势必对天线等相关器件的性能产生不利的影响。因此解决芯片与高剖面电路板互连的问题显得十分迫切并且有意义。
发明内容
本发明所要解决的问题是：提出一种传输结构解决板级高剖面基片集成波导器件与射频芯片互连的问题，且本方案具有低成本，小尺寸，能够板级集成等优势。
为了实现上述目的，本发明技术方案是这样实现的：
一种基片集成波导传输结构，其特征在于：包括三个金属层和一排第一信号割断结构，三个金属层从上至下分别为顶层金属层、中间金属层和底层金属层；所述第一信号割断结构起始于顶层金属层，终止于中间金属层；在所述第一信号割断结构一侧的中间金属层和底层金属层之间形成用于连接低剖面基片集成波导的第一端口，在所述第一信号割断结构另一侧的顶层金属层和底层金属层之间形成用于连接高剖面基片集成波导的第二端口。
在所述第一端口连接有低剖面基片集成波导传输线，所述低剖面基片集成波导传输线包括底层金属层、中间金属层、两个金属层之间的介质和穿过这两层金属的两排平行的第二信号割断结构，所述第二信号割断结构的排列方向与所述第一信号割断结构的排列方向垂直；在所述第二端口连接有高剖面基片集成波导传输线，所述高剖面基片集成波导传输线包括底层金属层，顶层金属层，两个金属层之间的介质和穿过这两层金属的两排平行的第三信号割断结构，所述第三信号割断结构的排列方向与所述第一信号割断结构的排列方向垂直。
所述高剖面基片集成波导传输线还包括第四信号割断结构，所述第四信号割断结构对称分布在两排第三信号割断结构中心线的两侧，所述第四信号割断结构始于第一信号割断结构，且离第一信号割断结构越远，第四信号割断结构分布离对称轴越远。
所述第一信号割断结构为金属化孔或金属化槽。
所述第二信号割断结构为金属化孔或金属化槽；所述第三信号割断结构为金属化孔或金属化槽。
所述第四信号割断结构为金属化孔或金属化槽。
所述传输结构通过多层印制电路板工艺实现，在多层印制电路板工艺下，整个多层结构从上至下分别为顶层金属层，第一层介质基片，中间金属层，粘贴片，第二层介质基片，底层金属，且构成低剖面基片集成波导的第二信号割断结构和高剖面基片集成波导的第三信号割断结构均为穿透整个电路结构的金属化通孔或槽；所述第一信号割断结构为顶部起于顶层金属层，底部止于中间金属层的盲孔或槽。
一种能直接与射频芯片进行板级集成的基片集成波导缝隙阵列天线结构，其特征在于，包括天线输入端和天线辐射端；所述天线输入端口采用低剖面基片集成波导；天线辐射端采用高剖面基片集成波导，所述高剖面基片集成波导的端部短路且顶部开设矩形槽；低剖面基片集成波导与和高剖面基片集成波导之间采用上述任一所述的传输结构进行连接。
相邻矩形槽中心之间沿槽方向的间距为半个导波波长，相邻矩形槽交错位列于高剖面基片集成波导中心线的两侧。
一种基片集成波导缝隙阵列天线结构与射频芯片的连接方法，其特征在于，低剖面基片集成波导采用基片集成波导到微带传输线或基片集成波导到共面波导的过渡结构过渡到五十欧姆微带线或者共面波导，然后与射频芯片直接集成在电路板上。
与现有技术相比，本发明的技术效果是：
1、因为射频芯片需要表贴于低剖面的介质基片之上，以保证能与其管脚直接相连的信号线宽度满足管脚件的尺寸限制，本发明给出的传输结构实现了高低剖面基片集成波导的过渡，能够解决板级高剖面基片集成波导器件与射频芯片互连的问题，且本方案具有低成本，小尺寸，能够板级集成等优势。
2、“对称分布在两排第三金属化孔中心线的两侧的第四金属化孔”能够对交界面处的不连续性进行补偿，从而有效改善低剖面基片集成波导和高剖面基片集成波导交界面（也就是第一金属化孔）处由于剖面的突然变化导致的信号不连续性的影响。
附图说明
图1为本发明涉及的不同剖面高度的基片集成波导之间的传输结构示意图；
图2为本发明涉及的不同剖面高度的基片集成波导之间的传输结构层次示意图；
图3为本发明涉及的基于PCB工艺制作的不同剖面高度的基片集成波导之间的传输结构示意图；
图4为本发明涉及的一种能直接与射频芯片进行板级集成的基片集成波导缝隙阵列天线结构示意图；
图5为本发明涉及的不同剖面高度的基片集成波导之间的传输结构的一个事例仿真结果。
图6为本发明涉及的一种能直接与射频芯片进行板级集成的基片集成波导缝隙阵列天线结构的一个事例|S11|仿真结果。
图7为本发明涉及的一种能直接与射频芯片进行板级集成的基片集成波导缝隙阵列天线结构的一个事例E面方向图仿真结果。
图8为本发明涉及的一种能直接与射频芯片进行板级集成的基片集成波导缝隙阵列天线结构的一个事例H面方向图仿真结果。
其中：1、低剖面基片集成波导传输线；2、转接结构；3、高剖面基片集成波导传输线；4、顶层金属层；5、中间金属层；6、底层金属层；7-10、金属化孔；11、分界面；12、金属化孔；13、第一层介质基片；14、粘贴片；15、第二层介质基片；16、缝隙阵列天线；17、矩形槽；18、基片集成波导到微带传输线的过渡结构；19、五十欧姆微带线；20、对称轴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步的详细描述：
如附图1和附图2所示，本发明基片集成波导转接结构2，同于连接两个高低不同剖面的基片集成波导，包括三个金属层和一排金属化孔12（金属化孔12的侧视结构如图2所示），三个金属层从上至下分别为顶层金属层4，中间金属层5和底层金属层6，金属化孔12起始于顶层金属层4，终止于中间金属层5。在金属化孔12的两侧形成两个端口，一个端口位于中间金属层5和底层金属层6之间，是低剖面基片集成波导结构，与低剖面基片集成波导传输线1相连；一个端口位于上层金属层4和底层金属层6之间，是高剖面基片集成波导结构，与高剖面基片集成波导传输线3相连。低剖面基片集成波导传输线1与高剖面基片集成波导传输线3平行，中间金属层5在只存在于整个电路板中低剖面基片集成波导这一侧（即低剖面基片集成波导传输线1的区域内）。
纵向金属化孔12（其孔径和孔间距满足传统基片集成波导设计中孔径和孔间距的相应要求）作为两种剖面高度基片集成波导的分界面11，这一排金属化孔12在剖面方向上均起始于顶层金属层4，终止于中间金属层5（金属化孔12的侧视结构如图2所示。这排金属化孔的中心均位于中间金属层在高低剖面基片集成波导之间的转接结构区域内的分界面11上。在转接结构位于高剖面基片集成波导传输线3的这侧一定长度内（这个长度与所设计的传输结构的工作频率有关，长度约为半个导波波长，通过商用仿真软件进行优化，使得在所需频带范围内|S11|和|S22|达到均小于-15dB），有一些沿着转接结构对称轴对称分布的金属化孔9（金属化孔9的孔径和孔间距满足传统基片集成波导设计中孔径和孔间距的相应要求，倾斜角度与第四金属化盲孔沿第三金属化孔分布方向的分布长度有关，这个分布长度与所设计的传输结构的工作频率有关，初始值可以设为半个导波波长，然后通过商用仿真软件进行优化，使得在所需频带范围内达到最佳传输效果），这些金属化孔9始于分界面11处，且离分界面11越远，这些金属化孔9中心离对称轴越远。在高低剖面基片集成波导之间的转接结构2中，沿对称轴分布的没有金属化盲孔的区域为一个类似于三角形的形状。
低剖面基片集成波导传输线1由底层金属层6，中间金属层5，两个金属层之间的介质和穿过这两层金属的两排平行的金属化孔7构成（金属化孔7孔的侧视结构如图2所示）；高剖面基片集成波导传输线3由底层金属层6，顶层金属层4，两个金属层之间的介质和穿过这两层金属的两排平行的金属化孔10构成（金属化孔10的侧视结构如图2所示）；
传输结构可以通过多层印制电路板工艺实现，在多层印制电路板工艺下，整个多层结构从上至下分别为顶层金属层4，第一层介质基片13，中间金属层5，粘贴片14，第二层介质基片15，底层金属6，且构成低剖面基片集成波导和高剖面基片集成波导的金属化孔均为金属化通孔10，即金属化孔穿透整个电路结构。转接结构中的金属化孔12为盲孔结构，盲孔顶部起于顶层金属层4，底部止于中间金属层5。整个传输结构中的信号流向如附图3中虚线所示。
前面所有构成基片集成波导的金属化孔（7，9，10，12）也可采用金属化槽的结构。
一种能直接与射频芯片进行板级集成的基片集成波导缝隙阵列天线结构，天线的输入端口采用低剖面基片集成波导1，天线的辐射部分采用一端短路的高剖面基片集成波导顶部开矩形槽17的形式，其中相邻矩形槽17中心之间沿槽方向的间距为半个导波波长，相邻矩形槽交错位列于高剖面基片集成波导中心线的两侧；输入端口的低剖面基片集成波导采用本发明不同剖面高度的基片集成波导之间的传输结构2与采用高剖面基片集成波导设计的缝隙阵列天线16相连；输入端口的低剖面基片集成波导采用基片集成波导到微带传输线的过渡结构18（或基片集成波导到共面波导的过渡结构）过渡到五十欧姆微带线19（或者共面波导），然后可以与射频芯片直接集成在电路板上。
为了验证该发明提供的不同剖面高度的基片集成波导之间的传输结构及一种能直接与射频芯片进行板级集成的基片集成波导缝隙阵列天线结构的性能，基于上述结构和PCB工艺分别设计了一款工作于77GHz附近的传输结构和基于此传输结构的基片集成波导缝隙阵列天线结构的事例，传输结构和基片集成波导缝隙天线层次结构如附图3，基片集成波导缝隙天线结构如附图4，其中第一层介质基片16采用介电常数为3.0，厚度为0.254mm的微波板材，粘贴片17采用介电常数为3.54，厚度为0.1mm的材料，第二层介质基片18采用介电常数为3.0，厚度为0.127mm的微波板材。不同剖面高度的基片集成波导之间的传输结构事例仿真结果如附图5所示，一种能直接与射频芯片进行板级集成的基片集成波导缝隙阵列天线结构的一个事例的相关性能仿真结果如附图6-附图8所示。附图5的仿真结果显示，在75-80GHz范围内，事例传输结构的|S11|和|S22|均小于-15dB, ***损耗小于1dB; 附图6的结果显示，带有转接结构的事例基片集成波导缝隙天线的|S11|在76.8-79.5GHz范围内均小于-10dB。附图7和附图8的结果显示，事例基片集成波导缝隙天线的得到正常的辐射方向图；相关仿真实验结果均证明发明所提结构的有效性。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基片集成波导传输结构，其特征在于：包括三个金属层和一排第一信号割断结构，三个金属层从上至下分别为顶层金属层、中间金属层和底层金属层；所述第一信号割断结构起始于顶层金属层，终止于中间金属层；在所述第一信号割断结构一侧的中间金属层和底层金属层之间形成用于连接低剖面基片集成波导的第一端口，在所述第一信号割断结构另一侧的顶层金属层和底层金属层之间形成用于连接高剖面基片集成波导的第二端口。
2.根据权利要求1所述的基片集成波导传输结构，其特征在于：在所述第一端口连接有低剖面基片集成波导传输线，所述低剖面基片集成波导传输线包括底层金属层、中间金属层、两个金属层之间的介质和穿过这两层金属的两排平行的第二信号割断结构，所述第二信号割断结构的排列方向与所述第一信号割断结构的排列方向垂直；在所述第二端口连接有高剖面基片集成波导传输线，所述高剖面基片集成波导传输线包括底层金属层，顶层金属层，两个金属层之间的介质和穿过这两层金属的两排平行的第三信号割断结构，所述第三信号割断结构的排列方向与所述第一信号割断结构的排列方向垂直。
3.根据权利要求2所述的基片集成波导传输结构，其特征在于：所述高剖面基片集成波导传输线还包括第四信号割断结构，所述第四信号割断结构对称分布在两排第三信号割断结构中心线的两侧，所述第四信号割断结构始于第一信号割断结构，且离第一信号割断结构越远，第四信号割断结构分布离对称轴越远。
4.根据权利要求1所述的基片集成波导传输结构，其特征在于：所述第一信号割断结构为金属化孔或金属化槽。
5.根据权利要求2所述的基片集成波导传输结构，其特征在于：所述第二信号割断结构为金属化孔或金属化槽；所述第三信号割断结构为金属化孔或金属化槽。
6.根据权利要求3所述的基片集成波导传输结构，其特征在于：所述第四信号割断结构为金属化孔或金属化槽。
7.根据权利要求1至6任一所述的基片集成波导传输结构，其特征在于：所述传输结构通过多层印制电路板工艺实现，在多层印制电路板工艺下，整个多层结构从上至下分别为顶层金属层，第一层介质基片，中间金属层，粘贴片，第二层介质基片，底层金属，且构成低剖面基片集成波导的第二信号割断结构和高剖面基片集成波导的第三信号割断结构均为穿透整个电路结构的金属化通孔或槽；所述第一信号割断结构为顶部起于顶层金属层，底部止于中间金属层的盲孔或槽。
8.一种能直接与射频芯片进行板级集成的基片集成波导缝隙阵列天线结构，其特征在于，包括天线输入端和天线辐射端；所述天线输入端口采用低剖面基片集成波导；天线辐射端采用高剖面基片集成波导，所述高剖面基片集成波导的端部短路且顶部开设矩形槽；低剖面基片集成波导与和高剖面基片集成波导之间采用权利要求1-7任一所述的传输结构进行连接。
9.根据权利要求8所述的基片集成波导缝隙阵列天线结构，其特征在于，相邻矩形槽中心之间沿槽方向的间距为半个导波波长，相邻矩形槽交错位列于高剖面基片集成波导中心线的两侧。
10.一种如权利要求8或9所述基片集成波导缝隙阵列天线结构与射频芯片的连接方法，其特征在于，低剖面基片集成波导采用基片集成波导到微带传输线或基片集成波导到共面波导的过渡结构过渡到五十欧姆微带线或者共面波导，然后与射频芯片直接集成在电路板上。
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