CN110165351B - 一种耦合式宽带微带到介质集成波导的过渡结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耦合式宽带微带到介质集成波导的过渡结构，包括：第一介质层；第一金属层，位于第一介质层的下方；第二介质层，位于第一金属层的下方；第二金属层，位于第二介质层下方；微带结构，位于第一介质层上表面；介质集成波导结构，设置于第二介质层中，微带结构与介质集成波导结构通过第一金属层实现能量耦合。本发明的微带到介质集成波导的过渡结构，将微带结构设置于第一介质层的上表面，并将介质集成波导结构设置于第二介质层中，使微带结构与介质集成波导结构通过第一金属层实现能量耦合，这种方式可以实现微带到介质集成波导的叠层式结构，缩小了过渡结构的平面尺寸，有利于集成至小型化、高集成度的微波、毫米波等***中。

Description

一种耦合式宽带微带到介质集成波导的过渡结构

技术领域

本发明属于介质集成波导领域，具体涉及一种耦合式宽带微带到介质集成波导的过渡结构。

背景技术

随着微波、毫米波***的大规模应用，宽带、低损耗馈电网络作为***中的能量传输通道具有十分重要的现实意义。

在高频段，传统的微带传输线馈电的损耗明显增大，同时由于其开放性的结构，会导致不连续时辐射损耗增加，线与线之间的信号串扰及高次模的寄生等问题，因此基于介质集成波导的馈电结构受到了越来越多的关注。其结构与传统介质填充金属波导类似，因此具有损耗低、高Q值、高功率容量以及抗干扰性较强等特点，同时相比金属波导又具有体积小、易加工、成本低及易集成等特点。

但介质集成波导的尺寸相比微带馈电仍然较大，且介质集成波导的馈电形式也很难实现与芯片的互连。对于小型化、高集成度的微波、毫米波***，微带到介质集成波导的过渡结构便无法避免。然而，目前大部分的微带到介质集成波导的过渡结构都采用直连式的平面结构，平面结构的尺寸相对较大。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种耦合式宽带微带到介质集成波导的过渡结构。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种耦合式宽带微带到介质集成波导的过渡结构，包括：

第一介质层；

第一金属层，位于所述第一介质层的下方；

第二介质层，位于所述第一金属层的下方；

第二金属层，位于所述第二介质层的下方；

微带结构，位于所述第一介质层上表面；

介质集成波导结构，设置于所述第二介质层中，所述微带结构与所述介质集成波导结构通过所述第一金属层实现能量耦合。

在本发明的一个实施例中，所述第一金属层中设置有贯穿所述第一金属层的开槽缝隙，所述微带结构与所述介质集成波导结构通过所述开槽缝隙实现能量耦合。

在本发明的一个实施例中，所述微带结构包括微带叉状结构、阻抗变换器和微带线，所述微带叉状结构包括第一边、第二边和第三边，其中，

所述第一边和所述第二边平行对称设置，所述第三边设置于所述第一边的第一端和所述第二边的第一端之间，且与所述第一边和所述第二边相互垂直，所述微带线、所述阻抗变换器和所述第三边依次连接，且所述开槽缝隙在所述第二介质层的正投影同时搭接于所述微带叉状结构的所述第一边和所述第二边上。

在本发明的一个实施例中，所述介质集成波导结构包括第一金属孔组和第二金属孔组，所述第一金属孔组和所述第二金属孔组均包括有间隔相同且均匀布置的若干贯穿所述第二介质层的通孔，且所述第一金属孔组包括第一子金属孔组和所述第二子金属孔组，其中，

所述第一子金属孔组和所述第二子金属孔组平行对称设置，所述第二金属孔组设置于所述第一子金属孔组的第一端和所述第二子金属孔组的第一端之间，且与所述第一子金属孔组和所述第二子金属孔组相互垂直。

在本发明的一个实施例中，所述第一金属孔组和所述第二金属孔组满足以下关系：

其中，p为相邻两个所述通孔之间的间距，d为所述通孔的直径，λc为波导截止波长。

在本发明的一个实施例中，所述第二金属孔组的中心线与所述开槽缝隙中心之间的垂直距离为四分之一波导波长。

在本发明的一个实施例中，在所述第一子金属孔组和所述第二子金属孔组之间，还设置有贯穿所述第二介质层的金属匹配孔。

本发明的有益效果：

本发明的微带到介质集成波导的过渡结构，将微带结构设置于第一介质层的上表面，并将介质集成波导结构设置于第二介质层中，使得微带结构与介质集成波导结构通过第一金属层实现能量耦合，这种方式可以实现微带到介质集成波导的叠层式结构，从而缩小了过渡结构的平面尺寸，有利于集成至小型化、高集成度的微波、毫米波等***中。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种耦合式宽带微带到介质集成波导的过渡结构的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种耦合式宽带微带到介质集成波导的过渡结构的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种耦合式宽带微带到介质集成波导的过渡结构在60GHz下的仿真结果的示意图；

图4是本发明实施例提供的一种基于LTCC工艺的耦合式宽带微带到介质集成波导的过渡结构的仿真测试结果示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种耦合式宽带微带到介质集成波导的过渡结构的结构示意图。本发明实施例提供一种耦合式宽带微带到介质集成波导的过渡结构，包括：

第一介质层1；

第一金属层2，位于所述第一介质层1的下方；

第二介质层3，位于所述第一金属层2的下方；

第二金属层4，位于所述第二介质层3的下方；

微带结构7，位于所述第一介质层1上表面；

介质集成波导结构，设置于所述第二介质层3中，所述微带结构7与所述介质集成波导结构通过所述第一金属层2实现能量耦合。

在第一介质层1上表面设置微带结构7，在第二介质层3中设置介质集成波导。第一金属层2为微带结构7提供参考地，即微带结构7与介质集成波导结构通过第一金属层2实现能量耦合。

本发明的微带到介质集成波导的过渡结构，将微带结构7设置于第一介质层的上表面，并将介质集成波导结构设置于第二介质层3中，使得微带结构7与介质集成波导结构通过第一金属层2中的开槽缝隙8实现能量耦合，这种方式可以实现微带到介质集成波导的叠层式结构，从而缩小了过渡结构的平面尺寸，有利于集成至小型化、高集成度的微波、毫米波等***中。

本实施例不对第一介质层1、第一金属层2、第二介质层3和第二金属层4的材料做具体限定，本领域技术人员可以根据不同***的需求选取不同的材料而实现本发明的目的，故在此不予赘述。

在一个具体实施例中，所述第一金属层2中设置有贯穿所述第一金属层2的开槽缝隙8，所述微带结构7与所述介质集成波导结构通过所述开槽缝隙8实现能量耦合。

开槽缝隙8为一种贯穿第一金属层2的矩形通孔，开槽缝隙8的位置与微带结构7和介质集成波导结构相匹配，从而使得微带结构7与介质集成波导结构能够通过开槽缝隙8实现能量耦合。

优选地，开槽缝隙8的长边长度约为二分之一波导波长。

本实施例的过渡结构利用开槽缝隙8实现缝隙耦合的方式，可以实现微带到介质集成波导的叠层式结构，缩小了过渡结构的平面尺寸，有利于过渡结构的集成。

在一个具体实施例中，所述微带结构7包括微带叉状结构5、阻抗变换器6和微带线71，所述微带叉状结构5包括第一边51、第二边52和第三边53，其中，

所述第一边51和所述第二边52平行对称设置，所述第三边53设置于所述第一边51的第一端和所述第二边52的第一端之间，且与所述第一边51和所述第二边52相互垂直，所述微带线71、所述阻抗变换器6和所述第三边53依次连接，且所述开槽缝隙8在所述第二介质层3的正投影同时搭接于所述微带叉状结构5的所述第一边51和所述第二边52上。

微带叉状结构5为一种金属微带结构，其呈叉状结构，这种叉状结构可降低耦合阻抗，从而实现更宽的带宽。

优选地，阻抗变换器6长度为四分之一波长，以实现微带叉状结构5到微带线71的阻抗匹配，其中，微带线71的特征阻抗通常为50Ω。

本实施例的开槽缝隙8在第二介质层3的正投影同时搭接于微带叉状结构5的第一边51和第二边52上，从而实现微带叉状结构5与介质集成波导结构的能量耦合，叠层式的过渡结构可缩小平面尺寸，更有利于本实施例的过渡结构集成至小型化、高集成度的微波、毫米波等***中。

在一个具体实施例中，介质集成波导结构包括第一金属孔组10和第二金属孔组11，所述第一金属孔组10和所述第二金属孔组11均包括有间隔相同且均匀布置的若干贯穿所述第二介质层3的通孔，且所述第一金属孔组10包括第一子金属孔组101和所述第二子金属孔组102，其中，

所述第一子金属孔组101和所述第二子金属孔组102平行对称设置，所述第二金属孔组11设置于所述第一子金属孔组101的第一端和所述第二子金属孔组102的第一端之间，且与所述第一子金属孔组101和所述第二子金属孔组102相互垂直。

第一金属孔组10和第二金属孔组11中的通孔均由金属形成，且第一子金属孔组101和第二子金属孔组102均包括相同数量的通孔，且沿第二介质层3的横向中心线14对称，横向中心线14与第一金属孔组10相互平行，并将第二金属孔组11设置于第一子金属孔组101的第一端和第二子金属孔组102的第一端之间。其中第一子金属孔组101的第一端和第二子金属孔组102的第一端均为远离第二介质层3侧边的一端，第一子金属孔组101的第二端和第二子金属孔组102的第二端均为靠近第二介质层3侧边的一端。其中，第一子金属孔组101和第二子金属孔组102通过第二金属孔组11连接，从而形成短路。

优选地，开槽缝隙8为一种矩形通孔，其长边平行于第一子金属孔组101和第二子金属孔组102，且微带叉状结构5的第一边51和第二边52垂直于开槽缝隙8的长边，请参见图2，开槽缝隙8长边对应的中心线到第二介质层3的横向中心线14的距离记为L_y，可以通过调节L_y的大小，改变开槽缝隙8的谐振阻抗。

本实施例的介质集成波导结构由第一金属孔组10和第二金属孔组11所组成，并使得微带叉状结构5和开槽缝隙8在第二介质层3上的投影位于第一子金属孔组101、第二金属孔组11和第二子金属孔组102围成的区域当中，从而使微带叉状结构5与介质集成波导结构能够更容易地通过开槽缝隙8实现能量耦合，从而缩小了过渡结构的平面尺寸。

进一步地，第一金属孔组10和第二金属孔组11满足以下关系：

其中，p为第一子金属孔组101、第二金属孔组11或第二子金属孔组102中相邻两个通孔之间的间距，d为通孔的直径，λ_c为波导截止波长。

本实施例的过渡结构满足上述关系时，传播能量将被限制在介质集成波导结构内部，从而减小能量的泄露。

在一个具体实施例中，所述第二金属孔组11的中心线与所述开槽缝隙8中心之间的垂直距离为四分之一波导波长，这种结构能够实现微带到介质集成波导的最大能量耦合，开槽缝隙8为矩形通孔，开槽缝隙8中心即为对角线相交的中心。

请参见图2，本实施例将第二金属孔组11的中心线与开槽缝隙8中心之间的垂直距离记为L_x，将L_x设置为四分之一波导波长，可以实现介质集成波导到微带的强耦合。

在一个具体实施例中，在所述第一子金属孔组101和所述第二子金属孔组102之间，还设置有贯穿所述第二介质层3的金属匹配孔9。

优选地，金属匹配孔9为圆形通孔，且由金属形成。

为了实现介质集成波导端口13的阻抗匹配，介质集成波导中间引入一个金属匹配孔9，假设靠近金属匹配孔9的为第二子金属孔组102，靠近开槽缝隙8的为第一子金属孔组101，则将金属匹配孔9中心至第二子金属孔组102中心线的垂直距离记为dy，将金属匹配孔9中心至第二金属孔组11中心线的垂直距离记为dx，则通过调节dx和dy便可以调节介质集成波导结构的端口13的反射系数。

本实施例的过渡结构的微带叉状结构5采用叉状结构，并在第二介质层3中且位于第一子金属孔组101和第二子金属孔组102之间通过引入金属匹配孔9，可以提高过渡结构的匹配带宽，从而实现较宽的匹配带宽。

进一步地，开槽缝隙8与金属匹配孔9位于横向中心线14的两侧，在图1的过渡结构中，开槽缝隙8位于靠近第一子金属孔组101的一侧，金属匹配孔9位于靠近第二子金属孔组102的一侧，另外，还可以将开槽缝隙8设置在靠近第二子金属孔组102的一侧，金属匹配孔9位于靠近第一子金属孔组101的一侧，且靠近第二子金属孔组102一侧的开槽缝隙8的位置与靠近第一子金属孔组101一侧的开槽缝隙8的位置关于横向中心线14对称，靠近第一子金属孔组101一侧的金属匹配孔9的位置与靠近第二子金属孔组102一侧的金属匹配孔9的位置关于横向中心线14对称，这种方式实现了开槽缝隙8与金属匹配孔9的180度的相位转换，有利于实现对称的差分馈电网络。

本实施例微带结构7置于第一介质层1的上表面，能量由微带结构7的端口12馈入，由微带叉状结构5通过开槽缝隙8将能量耦合至介质集成波导结构，并从介质集成波导结构的端口13馈出，并通过金属匹配孔9以实现阻抗匹配。

请参见图3，图3为本实施例的过渡结构的仿真回波损耗图，其是工作在60GHz下的仿真结果，从图3中可以看出，本实施例的过渡结构S21可以在60GHz实现约32.2％的-15dB相对带宽，损耗约为0.7dB。由此可以看出，本实施例的过渡结构可以实现较大的带宽，同时其损耗较低。

请参见图4，图4是基于LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic，低温共烧陶瓷)工艺的仿真测试结果，其为为了测试方便而实际加工的微带到介质集成波导到微带的背靠背结构，从图4中可以看出，该背靠背过渡结构在60GHz可以实现大于31.8％的-10dB测试相对带宽，仿真-10dB相对带宽约为39.7％，背靠背损耗小于2.7dB。由此可以看出，本实施例的过渡结构可以实现较大的带宽，同时其损耗较低。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

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 (3)

1.一种耦合式宽带微带到介质集成波导的过渡结构，其特征在于，包括：

第一介质层(1)；

第一金属层(2)，位于所述第一介质层(1)的下方，所述第一金属层(2)中设置有贯穿所述第一金属层(2)的开槽缝隙(8)；

第二介质层(3)，位于所述第一金属层(2)的下方；

第二金属层(4)，位于所述第二介质层(3)的下方；

微带结构(7)，位于所述第一介质层(1)上表面，所述微带结构(7)包括微带叉状结构(5)、阻抗变换器(6)和微带线(71)，所述微带叉状结构(5)包括第一边(51)、第二边(52)和第三边(53)，其中，所述第一边(51)和所述第二边(52)平行对称设置，所述第三边(53)设置于所述第一边(51)的第一端和所述第二边(52)的第一端之间，且与所述第一边(51)和所述第二边(52)相互垂直，所述微带线(71)、所述阻抗变换器(6)和所述第三边(53)依次连接，且所述开槽缝隙(8)在所述第二介质层(3)的正投影同时搭接于所述微带叉状结构(5)的所述第一边(51)和所述第二边(52)上；

介质集成波导结构，设置于所述第二介质层(3)中，所述微带结构(7)与所述介质集成波导结构通过所述第一金属层(2)的所述开槽缝隙(8)实现能量耦合，所述介质集成波导结构包括第一金属孔组(10)和第二金属孔组(11)，所述第一金属孔组(10)和所述第二金属孔组(11)均包括有间隔相同且均匀布置的若干贯穿所述第二介质层(3)的通孔，且所述第一金属孔组(10)包括第一子金属孔组(101)和第二子金属孔组(102)，其中，所述第一子金属孔组(101)和所述第二子金属孔组(102)平行对称设置，所述第二金属孔组(11)设置于所述第一子金属孔组(101)的第一端和所述第二子金属孔组(102)的第一端之间，且与所述第一子金属孔组(101)和所述第二子金属孔组(102)相互垂直，在所述第一子金属孔组(101)和所述第二子金属孔组(102)之间，还设置有贯穿所述第二介质层(3)的金属匹配孔(9)。

2.根据权利要求1所述的过渡结构，其特征在于，所述第一金属孔组(10)和所述第二金属孔组(11)满足以下关系：

其中，p为相邻两个所述通孔之间的间距，d为所述通孔的直径，λc为波导截止波长。

3.根据权利要求1所述的过渡结构，其特征在于，所述第二金属孔组(11)的中心线与所述开槽缝隙(8)中心之间的垂直距离为四分之一波导波长。

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