CN109346808B - 基于多层自封装悬置共面波导与微带混合的传输线结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多层自封装悬置共面波导与微带混合结构的传输线。主要解决传统传输线电路损耗较大、电路设计灵活性和集成化程度不高、需要再次封装等问题。其结构包括主体层(1)，上腔体层(2)，下腔体层(3)，上附加层(4)和下附加层(5)；主体层上面铺设共面波导线，下面铺设微带线导带，形成混合结构；上、下腔体层和主体层传输线构成悬置段，悬置段过渡连接到输入输出馈线段，各层板子层间粘合形成一体结构；一体结构左右两侧敷铜，连接到共面波导地线上，上、下附加层外侧敷铜，各敷铜部分衔接形成自封装。本发明采用立体化可集成电路设计，很好地避免了外界电磁环境对传输信号的干扰，损耗小，尺寸小，可用于微波电路设计。

Description

基于多层自封装悬置共面波导与微带混合的传输线结构

技术领域

本发明属于微波技术领域，特别涉及一种传输线结构，可用于微波分布式电路设计。

背景技术

在微波分布式电路设计中，所使用的分部元件传输线本身会产生损耗，且使用单一形式的传输线来设计不同功能的微波电路难免会产生各种局限。在传统的传输线结构中，有平行传输线，同轴线，波导，带状线，微带线及共面波导。其中:

平行双线传输线，由两根平行双导线组成，是最简单的一种传输线，其可传送横电磁波TEM波，但频率升高将导致热损耗及辐射损耗的增加，只能在低频段电路使用。

同轴线，由金属导线外加金属圆筒组成，其金属圆筒虽能对电磁能屏蔽约束，但随频率升高时由趋肤效应引起的电阻损耗及支撑内外导体间的介质会产生较大的介质损耗，导致传输功率下降。

波导，常见的有矩形波导，圆波导，由金属外壁裹成封闭空间，横截面为矩形或圆形，电磁波在其中间传播，可用于传输高频段的电磁波但使用频带较窄，而且是强色散***。

带状线，是一条置于两层导电平面之间电介质中间的金属带线，其在高频传输过程也同样存在损耗较大、传输功率容量小的缺点。

微带线，是一根带状导线与地平面之间的用一种电介质隔离开，微带线能够在一定宽的频带内保证能量损耗较小的传输，但在电路设计接地时需要打孔，很不方便。

共面波导，相比于微带线，其地线位于导带两侧与导带在同一平面上，由于导带和接地共平面在高频电路设计接地更方便，并且提高了信号的电磁屏蔽，但其外表面导线在微波频率低端由于辐射损耗大，使其优势并不明显。

平面传输线，如微带、共面波导等是微波分布式电路设计中常用的传输线，但是随着通信技术的迅猛发展，已经难以适应通信电路立体化、高度集成化的发展趋势，并且平面传输线结构在分布式电路设计时，随着电路变得复杂，电路面积会迅速增大，不利于小型化设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多层自封装悬置共面波导与微带混合的传输线结构，以解决现有微波传输线能量损耗大、传输频带窄、难以真正实现电路小型化和高度集成化设计的问题。

为实现上述目的，本发明给出如下两种技术方案:

技术方案1

1.基于多层自封装悬置共面波导与微带混合的传输线结构包括：包括：

共面波导线、微带线导带和输入输出端口馈线，其特征在于：

共面波导与微带线导带分别设在同一介质体的上下两面构成主体层，且上面共面波导中心的导带与下面微带线导带共同构成传输线导带；

主体层的上部设有上腔体层，下部设有下腔体层，以构成主体层悬置段，该主体层悬置段与输入输出端口馈线段之间通过过渡段连接；

上腔体层的外部覆盖有上附加层，下腔体层外部覆盖下附加层，

所述主体层、上腔体层、下腔体层、上附加层和下附加层，粘合为一体结构；该一体结构的左右两侧敷铜，上附加层外侧与下附加层外侧敷铜，四个附铜面与主体层上面共面波导的地线外延连接，使传输线结构外壳接地；一体结构前后两面为输入输出端口。

作为优选，所述一体结构左右两侧面的敷铜部分与主体层正面的共面波导地线连接，一体结构的上下附加层敷铜部分与左右两侧面敷铜部分连接，形成外壳封闭的自封装形式。

作为优选，所述输入输出端口馈线，以主体层悬置段中间为中心，呈前后对称设置。

作为优选，所述过渡段，是指传输线导带的在不同传输环境下的尺寸变化段，即主体层上面导带由馈线段变窄到悬置段，主体层下面导带由馈线段变宽到悬置段，这两个过渡段分别设在输入端口馈线与悬置段和输出端口馈线与悬置段之间，且以悬置段为中心前后对称。

作为优选，所述一体结构的上、下两个腔体层和由分别由两个厚度相同的介质板挖空形成，腔体宽度跨越共面波导导带、狭缝，腔体边界落在地线，且相对主体层上下对称。

技术方案2：

基于多层自封装悬置共面波导与微带混合的传输线结构，包括：共面波导线、微带线导带和输入输出端口馈线，其特征在于：

共面波导与微带线导带分别设在同一介质体的上下两面构成主体层，且上面共面波导中心的导带与下面微带线导带共同构成传输线导带；

主体层的下部设有腔体层，以构成主体层悬置段，该主体层悬置段与输入输出端口馈线段之间通过过渡段连接；

主体层的上部覆盖有上附加层，腔体层的下部覆盖下附加层，

所述主体层、下腔体层、上附加层和下附加层，粘合为一体结构；该一体结构的左右两侧敷铜，上附加层外侧与下附加层外侧敷铜，四个附铜面与主体层上面共面波导的地线外延连接，使传输线结构外壳接地；一体结构前后两面为输入输出端口。

作为优选，所述主体层下设的腔体层由一定厚度为0.508-1.016mm的介质板挖空形成，腔体宽度囊括微带线导带。

本发明具有以下优点：

1.本发明由于在主体层上下分别铺设共面波导线和微带线导带，双导带传输增大了传输线的传输功率容量。

2.本发明由于在主体层上下分别铺设共面波导线和微带线，可在上下面及层间分别设计微波电路，为电路集成化设计，混合设计提供充足空间。

3.本发明由于设置腔体层，使传输线悬置段部分电磁信号在空气中辐射传播，避免了由介质电导和介质极化产生的滞后效应，减少信号传输过程的介质损耗。

4.本发明由于在主体层馈线段和悬置段间设有过渡段，避免了整条传输线在传输过程中由介质发生变化而产生的谐振。

5.本发明由于在一体结构外面敷铜部分使传输线形成自封装形式，降低了能量传输过程的辐射损耗，也减少了外面电磁环境对传输信号的干扰，提高了品质因数。

6.本发明由于传输线采用共面波导与微带混合结构，及自封装和悬置措施，拓宽了传输线适用频率范围。

仿真结果表明，对于技术方案1，当一体结构传输线在1-18GHz传输信号时，***损耗小于0.3dB，回波损耗大于29dB；对于技术方案2，当一体结构传输线在1-16GHz传输信号时***损耗小于0.3dB，回波损耗大于25dB。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例1的整体结构分层图；

图2是本发明中实施例1的主体层图；

图3是本发明对实施例1整体从不同部位的剖面图；

图4是本发明实例2的整体结构分层图；

图5是本发明中实施例2的主体层图；

图6是本发明对实施例2整体从不同部位的剖面图；

图7是本发明实施例1的散射参数仿真曲线图；

图8是本发明实施例2的散射参数仿真曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例和效果作进一步详细描述。

实施例1，五层一体的自封装悬置共面波导与微带混合传输线结构。

参照图1、图2和图3，本对实施例的结构描述如下：

图1给出本实例的一体结构的分层图；

图2(a)给出了本实例主体层正面图，图2(b)给出了本实例主体层反面图；

图3(a)给出了本实施例去除上附加层后的俯视结构，图3(a)中分别在整体结构横截面A-A’，B-B’和C-C’位置处进行剖析；各位置处剖面图，如图3(b)所示，A-A’显示的是一体结构传输线馈线段的横截面图，B-B’显示的是一体结构传输线过渡段的横截面图，C-C’显示的是一体结构传输线悬置段的横截面图。

如图1所示，本实例所示包括主体层1、上腔体层2、下腔体层3、上附加层4和下附加层5，输入输出端口馈线。

如图2所示，主体层1的上面铺设有共面波导线，下面铺设微带线导带，且上面共面波导中心的导带与下面微带线导带共同构成传输线导带；

如图1和3(b)所示的C-C’位置剖面图，上腔体层2由厚度为h1的介质板中间挖空，紧贴主体层1的上面，腔体宽度涵盖中心导带及狭缝，边界落在共面波导地线上；下腔体层3由厚度为h2的介质板中间挖空，紧贴在主体层的下面，且与上腔体层2上下对称，该上、下腔体层与主体层传输线导带构成主体层悬置段；

如图2和图3(b)的B-B’位置剖面图所示，主体层悬置段与输入输出端口馈线段之间过渡连接，产生过渡段，过渡段分为两段，即主体层上面导带由馈线段变窄到悬置段的过渡段和主体层下面导带由馈线段变宽到悬置段的过渡段，这两个过渡段分别位于输入端口馈线与悬置段之间和输出端口馈线与悬置段之间，且以悬置段为中心前后对称。

如图1和图3所示，上附加层4覆盖在上腔体层2的上面，下附加层5覆盖在下腔体层3的下面，形成自下而上由下附加层5、下腔体层3、主体层1、上腔体层2和上附加层4的五层分布，这五层通过粘合构成一体结构。

如图1、图2和图3(b)的A-A’位置剖面图所示，输入输出端口馈线位于一体结构的前后两端，以主体层悬置段中间为中心，呈前后对称设置，即从主体层之上的两个端口面起，分别由两端向内到距离该端口的l₁长度处，两端均切去上腔体层和上附加层的部分宽度，以使两个端口的主体层上面导带和部分地线外露，外露部分即为输入输出端口馈线，分别用于连接输入输出信号。

参照图2和图3，本实例的结构参数设置如下：

主体层上面铺设的共面波导，导带宽w＝2.0694mm,两边地线分别宽s＝2mm,导带与地线之间缝隙g＝0.38mm,馈线段长l₁＝2.8525mm，两段过渡段的长度l₃范围为0.3mm-0.8mm，本实施例取但不限于l3＝0.4025mm，悬置段长l₂＝5.705mm,传输线包括两端馈线段、两个过渡段和悬置段，总长为l＝12.215mm,由馈线段到悬置段，导带两侧宽度的减小量分别为w₁＝0.3mm，如图2(a)所示；主体层下面铺设的微带线导带宽度w₀＝2.0694mm，由馈线段到悬置段，导带两侧宽度的增加量分别为w2＝0.245mm，如图2(b)所示。

主体层1的厚度为h，上、下腔体层2和3的厚度分别为h1与h2，上、下附加层4和5的厚度分别为h3和h4，如图3(b)所示，图3(b)中黑色粗线表示敷铜或金属带，灰色表示介质基板，空白表示空气腔体。

主体层1采用相对介电常数ε_r＝2.2，厚度h＝0.787mm的介质基板，上、下腔体层2和3均采用相对介电常数ε_r＝2.2，厚度均为0.508mm-1.016mm的介质基板，本实施例取但不限于上、下腔体层2的厚度h1与下腔体层3的厚度h2为：h1＝h2＝1.016mm，上、下附加层4和5均采用相对介电常数ε_r＝2.2，厚度为h3＝h4＝0.254mm的介质基板；一体结构左右两侧和上下两面均附铜，且附铜部分连接到主体层上面共面波导的地线，使传输线整体结构外壳接地，封闭的外壳也使传输线形成自封装结构。

实施例2，四层一体的自封装悬置共面波导与微带混合传输线结构

参照图4、图5和图6，本对实施例进行描述。

图4给出了本实例的一体结构的分层图；

图5(a)给出了本实例主体层正面图，图5(b)给出了本实例主体层反面图；

图6(a)给出了本实施例去除上附加层后的俯视结构，并分别在整体结构横截面A-A’，B-B’和C-C’位置处进行剖析；各位置处剖面图，如图6(b)所示，A-A’显示的是一体结构传输线馈线段的横截面图，B-B’显示的是一体结构传输线过渡段的横截面图，C-C’显示的是一体结构传输线悬置段的横截面图。

本实施例包括主体层1、下腔体层3、上附加层4和下附加层5，输入输出端口馈线如图4所示。主体层1的上面铺设有共面波导线，下面铺设微带线导带，且上面共面波导中心的导带与下面微带线导带共同构成传输线导带，如图5所示；下腔体层3由厚度为h5的介质板中间挖空，紧贴在主体层下的面，腔体宽度囊括微带线导带，该下腔体层与主体层传输线导带构成主体层悬置段，如图4和图6的C-C’位置剖面图所示；

主体层悬置段与输入输出端口馈线段之间过渡连接，产生过渡段，过渡段分为两段，即主体层上面导带由馈线段变窄到悬置段的过渡段和主体层下面导带由馈线段变宽到悬置段的过渡段，这两个过渡段分别位于输入端口馈线与悬置段之间和输出端口馈线与悬置段之间，且以悬置段为中心前后对称，如图5和图6B-B’位置剖面图所示。

上附加层4覆盖在主体层1的上面，下附加层5覆盖在下腔体层3的下面，形成自下而上由下附加层5、下腔体层3、主体层1和上附加层4的四层分布，这四层通过粘合构成一体结构。输入输出端口馈线位于一体结构的前后两端，即从主体层之上的两个端口面起，分别由两端向内到距离该端口的l₁长度处，两端均切去上附加层的部分宽度，以使两个端口的主体层上面导带和部分地线外露，如图4和图6的A-A’位置的剖面图所示，外露部分即为输入输出端口馈线，分别用于连接输入输出信号。

本实施的结构参数设置如下：

主体层上面铺设的共面波导，导带宽w＝2.0694mm,两边地线分别宽s＝2mm,导带与地线之间缝隙g＝0.38mm,馈线段长l₁＝2.8525mm,悬置段长l₂＝5.705mm,传输线包括两端馈线段、两个过渡段和悬置段，总长为l＝12.215mm,由馈线段到悬置段，导带两侧宽度分别减小w₁＝0.3mm，如图5(a)所示；主体层下面铺设微带线导带，导带宽w₀＝2.0694mm，由馈线段到悬置段，导带两侧宽度分别增加w₂＝0.245mm，如图5(b)所示。

主体层1的厚度为h，下腔体层3的厚度为h5，上附加层4的厚度为h5、下附加层5的厚度为h4，如图6(b)所示，图6(b)中的黑色粗线表示敷铜或金属带，灰色表示介质基板，空白表示空气腔体。

本实施例的主体层1采用相对介电常数ε_r＝2.2，厚度为h＝0.787mm的介质基板，下腔体层3采用相对介电常数ε_r＝2.2，厚度h5范围为0.508-1.016mm的介质基板，本实施例取但不仅限于h5＝0.508mm，上附加层4采用相对介电常数ε_r＝2.2，厚度为h5＝0.508mm的介质基板，下附加层5采用相对介电常数ε_r＝2.2，厚度为h4＝0.254mm介质基板；一体结构左右两侧和上下两面均敷铜，敷铜部分连接到主体层上面共面波导的地线，使传输线整体结构外壳接地，封闭的外壳也使传输线形成自封装结构。

本实施例与实施例1的区别就在于在缺少主体层1上的上腔体层2，同时对上附加层4和下腔体层5的厚度进行了调整。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

1,仿真条件

使用射频仿真软件HFSS，对实施例建模仿真。

2.仿真内容

.仿真1，在输入输出端口给激励源，对实施例1在传输频率为1-20GHz的范围内进行仿真，获取传输线的传输特性，用S参数表示，结果如图7所示，图中虚线表示回波损耗S11，实线表示***损耗S21，从图7传输线的散射参数仿真结果可以看出，当五层一体结构的传输线在1-18GHz工作时，回波损耗在29dB以上，***损耗小于0.3dB。

.仿真2，在输入输出端口给激励源，对实施例2在传输频率为1-20GHz的范围内进行仿真，获取传输线的传输特性，用S参数表示，结果如图8所示，图中虚线表示回波损耗S11，实线表示***损耗S21。从图8传输线的散射参数仿真结果可以看出，当四层一体结构的传输线在1-16GHz工作时，回波损耗在25dB以上，***损耗小于0.3dB。

综上，本发明传输线，在较宽的频率范围内，具有良好的传输性能，传输过程能量损耗小，可用于基于此传输线的微波电路设计。

Claims (10)

1.一种基于多层自封装悬置共面波导与微带混合的传输线结构，包括：

共面波导线、微带线导带和输入输出端口馈线，其特征在于：

共面波导与微带线导带分别设在同一介质体的上下两面构成主体层(1)，且上面共面波导中心的导带与下面微带线导带耦合，构成混合传输线导带；信号输入输出由共面波导的输入输出端口实现；

主体层的上部设有上腔体层(2)，下部设有下腔体层(3)，以使主体层上形成悬置段，该主体层悬置段与输入输出端口馈线之间通过过渡段连接；

上腔体层(2)的外部覆盖有上附加层(4)，下腔体层(3)外部覆盖下附加层(5),所述主体层(1)、上腔体层(2)、下腔体层(3)、上附加层(4)和下附加层(5)，粘合为一体结构；该一体结构的左右两侧敷铜，上附加层上侧与下附加层下侧敷铜，四个附铜面与主体层上面共面波导的地线外延连接，使传输线结构外壳接地；一体结构前后两面为输入输出端口。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：一体结构左右两侧面的敷铜部分与主体层(1)上面的共面波导地线连接，一体结构的上附加层(4)和下附加层(5)附铜部分与左右两侧面敷铜部分连接，形成外壳封闭的自封装形式。

3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述输入输出端口馈线，以主体层悬置段中间为中心，呈前后对称设置。

4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述过渡段是指传输线导带的在不同传输环境下的尺寸变化段，即主体层上面导带由馈线段变窄到悬置段，主体层下面导带由馈线段变宽到悬置段，这两个过渡段分别设在输入端口馈线与悬置段、输出端口馈线与悬置段之间，且以悬置段为中心前后对称。

5.根据权利要求4所述的结构，其特征在于：所述两个过渡段每一段的长度为0.3mm-0.8mm。

6.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：一体结构的上腔体层(2)和下腔体层(3)分别由两个厚度相同的介质板挖空形成，腔体宽度边界在宽度方向上跨越主体层共面波导的导带和狭缝，腔体边界落在地线，且相对主体层(1)上下对称。

7.根据权利要求5所述的结构，其特征在于：上腔体层(2)和下腔体层(3)的厚度均为0.508mm-1.016mm。

8.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：上附加层(4)和下附加层(5)的厚度均为0.254mm。

9.一种基于多层自封装悬置共面波导与微带混合的传输线结构，包括：共面波导线、微带线导带和输入输出端口馈线，其特征在于：

共面波导与微带线导带分别设在同一介质体的上下两面构成主体层(1)，且上面共面波导中心的导带与下面微带线导带相互耦合，构成混合传输线的导带；

主体层(1)的下部设有腔体层(3)，以使主体层上形成悬置段，该主体层悬置段与输入输出端口馈线之间通过过渡段连接；

主体层(1)的上部覆盖有上附加层(4)，腔体层(3)的下部覆盖下附加层(5)，

所述主体层(1)、下腔体层(3)、上附加层(4)和下附加层(5)，粘合为一体结构；该一体结构的左右两侧敷铜，上附加层上侧与下附加层下侧敷铜，四个敷铜面与主体层上面共面波导的地线外延连接，使传输线结构外壳接地；一体结构前后两面为输入输出端口。

10.根据权利要求9所述的结构，其特征在于：主体层(1)下设的腔体层(3)由厚度为0.508-1.016mm的介质板挖空形成，微带线导带的宽度小于腔体宽度。

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