介质集成悬置平行带线到背地共面波导的宽带过渡结构

摘要

本发明公开一种介质集成悬置平行带线到背地共面波导的宽带过渡结构，分为介质集成悬置平行带线，带状线和背地共面波导，介质集成悬置平行带线分布于介质基板的上下两侧；向带状线过渡过程中，G5传输线线宽保持不变或逐渐减小到与带状线的G5层线宽保持一致，G6传输线线宽逐渐增大；经过空气腔侧边界所在截面时，G5传输线与带状线的中间金属层相连；G6传输线与带状线的下金属层相连；向背地共面波导过渡时，G5传输线与GCPW的中间金属层相连；G6传输线与GCPW的下金属层相连。本发明实现了多种传输线的集成和互连，可实现多种电路功能，同时为SISPSL的电路封装测试提供保障，解决过渡电路的封装和损耗问题。

权利要求

1.介质集成悬置平行带线到背地共面波导的宽带过渡结构，其特征在于，包括介质集成悬置平行带线，带状线和背地共面波导；宽带过渡结构是对称的背靠背结构，对称布置的两个端口分别连接对称分布的背地共面波导，背地共面波导连接对称分布的带状线，带状线连接中间部分的介质集成悬置平行带线；

在N‑N’截面和L‑L’截面之间的区域内分布的是介质集成悬置平行带线，介质集成悬置平行带线的G5传输线和G6传输线平行布线，G5传输线宽度不变或者呈变窄的渐变结构由中间向两侧带状线部分过渡，G6传输线宽度增加，呈变宽的渐变结构由中间向两侧带状线部分过渡，在截面N‑N’处，G5传输线和G6传输线的宽度一致；位于N‑N’截面与L‑L’截面之间的截面M‑M’处，G6传输线宽度比G5传输线宽；

经过截面L‑L’时，G5传输线与带状线的中间金属层在截面L‑L’处相连，G6传输线变宽，然后与带状线的下金属层在截面L‑L’处相连；

经过截面L‑L’时，传输线由介质集成悬置平行带线过渡到带状线的结构，经过截面K‑K’时，带状线的中间金属层与背地共面波导的中间金属层相连；带状线的下金属层与背地共面波导的下金属层相连；

经过截面K‑K’时，传输线由带状线过渡到背地共面波导的结构；

其中，N‑N’是整个背靠背过渡结构的对称轴，它将介质集成悬置平行带线分为对称的两部分，截面N‑N’是沿对称轴与介质集成悬置平行带线垂直的截面，截面L‑L’与介质集成悬置平行带线内部的空气腔的边界重合，截面M‑M’位于截面L‑L’与截面N‑N’之间，截面K‑K’位于带状线与背地共面波导交界处。

2.根据权利要求1所述介质集成悬置平行带线到背地共面波导的宽带过渡结构，其特征在于，G6传输线由对称轴N‑N’向两侧延伸一段距离后，以三角状的结构由中间向两侧逐渐对称加宽、渐变覆盖在其所在的介质基板，与空气腔的边界连接，形成对称的沙漏状结构。

3.根据权利要求1所述介质集成悬置平行带线到背地共面波导的宽带过渡结构，其特征在于，G6传输线由对称轴N‑N’向两侧延伸一段距离后，以阶梯式过渡的方式由中间向两侧逐渐对称加宽、渐变覆盖在其所在的介质基板，与空气腔的边界连接，形成对称的阶梯状结构。

4.根据权利要求1所述介质集成悬置平行带线到背地共面波导的宽带过渡结构，其特征在于，G6传输线由对称轴N‑N’向两侧延伸一段距离后，以倒角的方式由中间向两侧逐渐对称加宽、渐变覆盖在其所在的介质基板，通过圆弧形倒角与空气腔的边界连接，形成对称的倒角结构。

说明书

介质集成悬置平行带线到背地共面波导的宽带过渡结构

技术领域

[0001] 本发明涉及射频微波电路技术领域，特别是涉及一种介质集成悬置平行带线到背地共面波导的宽带过渡结构。

背景技术

[0002] 无线通信技术迅速发展，多种通信模式使系统间相互干扰。提高系统抗干扰能力和保持信噪比成为热点问题。双面平行带线是射频微波电路中常用的平衡传输线。平衡电路具有对称性，可有效抑制噪声信号，降低电路组件的相互串扰。双面平行带线的结构包括介质基板以及上下表面平行对称的金属带。双面平行带线是平面形式的微波传输线，其电磁场分布类似微带线。双面平行带线本身作为裸露在空气中的传输线，需要金属外壳封装，导致其构成的射频模块的电路体积较大，重量较大，成本较高。同时，辐射损耗是亟待解决的问题。

[0003] 介质集成悬置线(substrate integrated suspended line,SISL)是新型的传输线结构，通常利用印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)工艺得到多层板结构，内部挖除空腔，从而进一步降低介质损耗。采用金属通孔结构，等效实现金属侧壁效果。介质集成悬置平行带线(substrate integrated suspended parallel strip line,SISPSL)是利用多层SISL中嵌入双面平行带线的方法，在提升系统抗干扰能力的同时，还能降低电磁损耗尤其是辐射损耗，实现自封装的特性。

[0004] 由于SISPSL属于平衡式的双边传输线，实际测试中，难以与常用的射频同轴连接器直接相连接，不便于对其直接测试。为对SISPSL平衡传输线及其电路进行测试，需要设计宽频带过渡结构。背地共面波导(Grounded Coplanar Waveguide,GCPW)是常用的传输线结构，相比于SISPSL这一平衡式传输线，GCPW是一种单端电路类型。GCPW与常用的射频同轴连接器也比较兼容。因此，实现SISPSL到GCPW的过渡具有重要的研究意义和应用价值。

发明内容

[0005] 本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种介质集成悬置平行带线到背地共面波导的宽带过渡结构。

[0006] 为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

[0007] 一种介质集成悬置平行带线到背地共面波导的宽带过渡结构，包括：

[0008] 介质集成悬置平行带线，带状线(stripine,SL)和背地共面波导；宽带过渡结构是对称的背靠背结构，对称布置的两个端口分别连接对称分布的背地共面波导，背地共面波导连接对称分布的带状线，带状线连接中间部分的介质集成悬置平行带线；

[0009] 在N‑N’截面和L‑L’截面之间的区域内分布的是介质集成悬置平行带线，介质集成悬置平行带线的G5传输线和G6传输线平行布线，G5传输线宽度不变或者呈变窄的渐变结构由中间向两侧带状线部分过渡，G6传输线宽度增加，呈变宽的渐变结构由中间向两侧带状线部分过渡，在截面N‑N’处，G5传输线和G6传输线的宽度一致；位于N‑N’截面与L‑L’截面之间的截面M‑M’处，G6传输线宽度比G5传输线宽；

[0010] 经过截面L‑L’时，G5传输线与带状线的中间金属层在截面L‑L’处相连；G6传输线变宽，然后与带状线的下金属层在截面L‑L’处相连；

[0011] 经过截面L‑L’时，传输线由介质集成悬置平行带线过渡到带状线的结构；

[0012] 经过截面K‑K’时，带状线的中间金属层与背地共面波导的中间金属层相连；带状线的下金属层与背地共面波导的下金属层相连；

[0013] 经过截面K‑K’时，传输线由带状线过渡到背地共面波导的结构；

[0014] 其中，截面N‑N’是整个背靠背过渡结构的对称轴，它将介质集成悬置平行带线分为对称的两部分，截面L‑L’与介质集成悬置平行带线内部的空气腔的边界重合，截面M‑M’位于截面L‑L’与截面N‑N’之间，截面K‑K’位于带状线与背地共面波导交界处。

[0015] 其中，G6传输线由对称线N‑N’向两侧延伸一段距离后，以三角状的结构由中间向两侧逐渐对称加宽、渐变覆盖在其所在的介质基板，与空气腔的边界连接，形成对称的沙漏状结构。

[0016] 其中，G6传输线由对称线N‑N’向两侧延伸一段距离后，以阶梯式过渡的方式由中间向两侧逐渐对称加宽、渐变覆盖在其所在的介质基板，与空气腔的边界连接，形成对称的阶梯状结构。

[0017] 其中，G6传输线由对称线N‑N’向两侧延伸一段距离后，以倒角的方式由中间向两侧逐渐对称加宽、渐变覆盖在其所在的介质基板，与空气腔的边界连接，形成对称的倒角结构。

[0018] 本发明的SISPSL使用SISL实现低损耗与自封装，有效降低电磁损耗，减小电路的整体尺寸，有利于小型化高集成度的电路设计。

[0019] 本发明提供的SISPSL到GCPW的过渡，实现了多种传输线在同一多层印制电路板平台的集成和互连，可实现多种电路功能，并为SISPSL的电路封装测试提供保障。

[0020] 本发明提供的过渡结构，还能够通过调整拓扑的过渡形式以及封装部分拓扑，调整过渡电路的带宽、工作频段以及实现其他功能，具有设计灵活性。

[0021] 本发明提供的过渡结构，整个电路相比于需要封装的双面平行带线电路，具有更小的物理长度，能够减小相应电路模块的面积和尺寸。

[0022] 现有技术的过渡结构，辐射损耗较大，因为它们的过渡结构是裸露在空气中的。本发明通过引入自封装结构，来解决辐射损耗的问题，自封装可以避免后期添加金属外壳对过渡电路性能造成影响。

[0023] 本发明提供的过渡结构，相比于需要封装的过渡电路，具有自封装一体化的特点，不需要再引入外部金属屏蔽的效果来降低损耗，从而能有效避免封装金属外壳后影响电路性能。

附图说明

[0024] 图1是本发明介质集成悬置平行带线(SISPSL)到背地共面波导(GCPW)的过渡结构中金属层G5的俯视图。

[0025] 图2是本发明介质集成悬置平行带线(SISPSL)到背地共面波导(GCPW)的过渡结构中金属层G6的俯视图。

[0026] 图3是本发明介质集成悬置平行带线(SISPSL)到背地共面波导(GCPW)的过渡结构中金属层G5的三部分示意图(完全对称)。

[0027] 图4是本发明介质集成悬置平行带线(SISPSL)到背地共面波导(GCPW)的过渡结构中金属层G6的三部分示意图(完全对称)。

[0028] 图5是本发明图1中的N‑N’截面处的介质集成悬置平行带线(SISPSL)的横截面示意图。

[0029] 图6是本发明图1中的M‑M’截面处的介质集成悬置平行带线(SISPSL)的横截面示意图。

[0030] 图7是本发明图1中的L‑L’截面处的带状线(SL)的横截面示意图。

[0031] 图8是本发明图1中的K‑K’截面处的背地共面波导(GCPW)的横截面示意图。

[0032] 图9是本发明的金属层G6的斜线形过渡结构的俯视图。

[0033] 图10是本发明金属层G6的阶梯式过渡结构的俯视图。

[0034] 图11是本发明金属层G6的圆弧形过渡结构的俯视图。

[0035] 图12是本发明介质集成悬置平行带线(SISPSL)到背地共面波导(GCPW)的过渡结构中金属层G5、G6的俯视图。

[0036] 图13是介质集成悬置平行带线(SISPSL)到背地共面波导(GCPW)过渡的背靠背结构的散射参数仿真示意图。

具体实施方式

[0037] 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方案仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0038] 本发明实施例的介质集成悬置平行带线(SISPSL)到背地共面波导(GCPW)的过渡背靠背结构，包括介质集成悬置平行带线，带状线和背地共面波导，如图3和4所示。对于自封装的传输线结构，在介质基板的上下表面上印制平行对齐的金属带线，利用多层板结构和印制电路板工艺将双面平行带线封装在等效金属屏蔽外壳中，包括10层金属层，分别是金属层G1，金属层G2，金属层G3，金属层G4，金属层G5，金属层G6，金属层G7，金属层G8，金属层G9，金属层G10，有5层介质基板(参见图5、6、7、8中的网络状线覆盖区域)，分别为介质基板Sub1，介质基板Sub2，介质基板Sub3，介质基板Sub4，介质基板Sub5，金属层G1，金属层G2位于介质基板Sub1的两侧，金属层G3，金属层G4位于介质基板Sub2的两侧，金属层G5，金属层G6位于介质基板Sub3的两侧，金属层G7，金属层G8位于介质基板Sub4的两侧，金属层G9，金属层G10位于介质基板Sub5的两侧，介质基板Sub2与介质基板Sub4的中间镂空形成由介质基板Sub3隔开的两个上下对称的空气腔，如图5、图6所示中间两个白色区域。

[0039] 其中，金属层G2、金属层G9和金属化通孔等效实现电磁屏蔽效果。其结构拓扑是采用多层板结构，利用金属化过孔的不同组合形式实现自封装效果。目前，PCB工艺已得到广泛应用，具有高密度化、高可靠性、可设计性等独特优点。参见图1至图4中，阴影线所在区域表示金属层，布置于金属层上的无阴影的圆孔表示金属化通孔，位于金属层内部的白色的区域表示裸露的介质基板，图5、6、7、8中竖直布置的长条状的矩形白色区域表示金属化通孔。

[0040] 在N‑N’截面和L‑L’截面之间的区域内分布的是介质集成悬置平行带线(包括SISPSL上金属层与SISPSL下金属层，即金属层G5的导带或是G5传输线、金属层G6的导带或是G6传输线，平行分布于中间的介质基板的上下两侧，构成介质集成悬置平行带线的结构)，金属层G5的导带和金属层G6的导带平行布线，在介质集成悬置平行带线向带状线过渡的过程中，金属层G5的导带向两侧延伸时宽度不变或者采用由宽变窄的结构，逐渐减小与到带状线的G5层的线宽保持一致，金属层G6的导带采用由窄到宽的结构，宽度逐渐增加。

[0041] 在截面N‑N’处，金属层G5和金属层G6的导带宽度一致；在截面M‑M’处，金属层G6的导带的宽度相比金属层G5更宽，如图5和6所示。

[0042] 在经过截面L‑L’时，金属层G5的导带与带状线的中间金属层(金属层G5)在截面L‑L’处相连，金属层G6的导带变宽，然后与带状线的下金属层(金属层G6)在截面L‑L’处相连。在经过截面L‑L’时，传输线由介质集成悬置平行带线过渡到带状线的结构，带状线的横截面如图7所示。

[0043] 在经过截面K‑K’时，金属层G5与背地共面波导的中间金属层和两侧金属层(金属层G5)相连；即带状线的中间金属层与背地共面波导(GCPW)的中间金属层相连；金属层G6与背地共面波导的下金属层(金属层G6)相连，即带状线的下金属层与背地共面波导的下金属层相连。在经过截面K‑K’时，传输线由带状线过渡到背地共面波导的结构，背地共面波导的横截面如图8所示。

[0044] 本发明实施例中，整个过渡结构是对称的背靠背结构，端口1、端口2连接背地共面波导，背地共面波导连接带状线，带状线连接中间部分的介质集成悬置平行带线。

[0045] 需要说明的是，本发明实施例中，N‑N’截面为SISPSL对称轴处与SISPSL垂直的截面，M‑M’截面为SISPSL向带状线逐渐过渡过程中的某个截面，与N‑N’截面平行，L‑L’截面为SL结构的截面，与N‑N’截面平行，K‑K’截面为GCPW结构的截面，与N‑N’截面平行。

[0046] 图1和2表示这种过渡结构的G5传输线和G6传输线的布线图俯视图，其中，N‑N’和L‑L’截面之间为介质集成悬置平行带线，L‑L’和K‑K’截面之间为带状线，K‑K’截面到整个过渡结构的边界之间为背地共面波导，如图3和4所示。

[0047] 图5、图6、图7、图8分别表示图1中N‑N’、M‑M’、L‑L’、K‑K’截面处的横截面示意图。其中，图5表示的是SISPSL的对称轴处截面的截面图。图6表示的是SISPSL向带状线过渡的过程中的某个截面的截面图，它的G6传输线是逐渐增加宽度的，直到渐变到覆盖介质基板。
图7表示的是带状线的截面图，图8表示的是背地共面波导的截面图。

[0048] 本发明实施例的过渡结构，提出了三种过渡形式，其他过渡形式作为拓扑。如图9所示，斜线形过渡，G5传输线宽度不变，G6传输线通过三角状的结构与空腔的边界连接。如图10所示，阶梯式过渡，G5传输线宽度不变。G6传输线通过阶梯式结构与空腔的边界连接。如图11所示，圆弧形过渡，G5传输线宽度不变，G6传输线通过圆弧形倒角结构与空腔的边界连接。

[0049] 最后，简单设计一种基于圆弧形倒角结构的背靠背单端过渡，如图12所示，利用电磁仿真软件得到了散射参数仿真结果，实现了大于40GHz的频率带宽，如图13所示。

[0050] 在此说明，其他利用电磁场自然过渡的方式，将自封装双面平行带线的结构过渡到GCPW的结构，也属于发明的拓展方法。

[0051] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；

[0052] 因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

[0053] 此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。