一种基于单层微波介质的超宽带微带垂直过渡的制作方法

本发明涉及一种基于单层微波介质的超宽带微带垂直过渡，属电子技术领域。

背景技术：

在微波射频、毫米波单机设计中时常遇到需要将微波信号从腔体一侧传输过渡到腔体另一侧的情况，或者在ltcc、ro4003c等多层微波介质基板中需要将微波信号从基板中的某一层传输到另一层。

微带垂直过渡通常采用两种方法：一、基于金属通孔实现微带线垂直传输过渡。但由于金属通孔等效为串联电感，具有低通特性。这一类垂直过渡方法随着频率的升高，金属通孔会产生寄生效应，过渡性能急剧变差，所以难以应用到高频率。二、基于槽耦合实现微带线垂直过渡。基于槽耦合的垂直过渡方法是通过在中间增加公共地层，然后再在公共地层上开槽实现上下层微带线过渡，其呈现带通特性，频率取决于中间公共地层开槽的尺寸，带宽通常较为有限，并且必须通过三层金属层才能够实现。通常由于其设计需要微带多层基板，普通常见的单层基板例如a493陶瓷介质基板无法使用该方法。某些多层介质基板存在介质压和烧结时对位不准确的问题，比如ltcc基板，如果用ltcc设计该过渡结构，由于其对位误差的原因无法应用到较高频段。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于单层微波介质的超宽带微带垂直过渡。

本发明的技术解决方案是：

一种基于单层微波介质的超宽带微带垂直过渡，包括上下两层金属膜层和中间的单层介质基板，实现微波信号的垂直过渡传输。

每层金属膜层均包括50欧姆微带线、非线性过渡耦合线、地平面、矩形地枝节和金属化接地孔；50欧姆微带线通过非线性过渡耦合线过渡到地平面，矩形地枝节从地平面延伸而出，位于非线性过渡耦合线的两侧，矩形地枝节上设置有金属化接地孔。

所述上下两层金属膜层为中心对称的微带结构。

上下两层金属膜层的矩形地枝节之间通过金属化接地孔连接。

非线性过渡耦合线与地平面连接部分的宽度与两侧矩形地枝节之间的间距相同，非线性过渡耦合线与50欧姆微带线连接部分的宽度与50欧姆微带线的宽度相同。

50欧姆微带线用于输入输出，上下两层金属膜层上的非线性过渡耦合线中心对称，用于将50欧姆微带线处的准tem模耦合到另一层的非线性过渡耦合线上，同时实现阻抗匹配。

矩形地枝节和金属化接地孔将过渡耦合部分的电磁场束缚在两个非线性过渡耦合线之间。

上下两层金属膜层上的非线性过渡耦合线在水平方向相交叠。

一种微波射频单机，该微波射频单机中，将微波信号从腔体一侧传输过渡到腔体另一侧时，使用所述基于单层微波介质的超宽带微带垂直过渡。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)传统技术中基于金属通孔实现微带线垂直传输过渡时，由于金属通孔等效为串联电感，具有低通特性。这一类垂直过渡结构随着频率的升高，金属通孔会产生寄生效应，过渡性能急剧变差，所以难以应用到较高频率。本发明采用的超宽带微带垂直过渡与基于金属通孔的微带线垂直传输过渡相比，通孔不起传输作用，无需考虑通孔寄生参数，适用的频率极高，在q、u波段性能依然十分优良。

(2)传统技术中基于槽耦合的垂直过渡结构是通过在两层介质中间增加公共地层，然后再在公共地层上开槽实现上下层微带线过渡，其呈现带通特性，频率取决于中间公共地层开槽的尺寸，带宽较为有限，并且必须通过三层金属层才能够实现。本发明与基于槽耦合的微带垂直过渡相比，采用了渐变耦合的方法，达到了1.5倍相对带宽。由于仅采用了单层微波介质基板，不存在槽耦合结构中部分多层基板对位不准确的问题，简化了工艺实现过程。相反其微带结构加工精度高，所以理论计算与实际结果十分相近。

附图说明

图1为本发明所描述的超宽带高频微带垂直过渡模型图

图2为基于0.38mm厚度陶瓷介质的x至ka频段微带垂直过渡实例及其尺寸

图3为x至ka频段微带垂直过渡的仿真结果

图4为基于0.254mm厚度陶瓷介质的ka至毫米波频段微带垂直过渡实例及其尺寸

图5为ka至毫米波频段微带垂直过渡的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

本发明提出了一种基于单层微波介质的超宽带微带垂直过渡，采用了微带准tem模到耦合电磁场再过渡到准tem模的办法。其实现形式只需基于单层介质基板，只需要上下两层金属膜层即可实现。其上下两层为中心对称的微带结构，每层均包括50欧姆微带线、非线性过渡耦合线、大面积地平面、矩形地枝节和金属化接地孔五部分。其中中间过渡部分两侧的矩形地枝节用金属化接地孔和另一层的矩形地枝节或者大面积地平面相连接。其结构见图1所示。

其中50欧姆微带线起到输入输出的作用，而非线性过渡耦合线是一条曲线形式的微带渐变耦合线，它的一侧连接大面积地平面，其宽度与两侧接地孔间距相当，另一侧与50欧姆微带线相连，宽度与50欧姆微带线相同。底面的另一层耦合线与其中心对称。其作用就是可以缓慢将50欧姆微带线处的准tem模耦合到另一层的微带渐变耦合线上，同时实现阻抗的匹配。

此外，上下大面积地平面未共地，因此还需要通过矩形地枝节和金属化接地孔互联；同时，矩形地枝节和金属化接地孔也将过渡耦合部分的电磁场束缚在两根微带渐变耦合线之间。

过渡耦合部分就是指电磁场从上面垂直过渡到下面，耦合就是非线性过渡耦合线在水平方向相交叠来实现的。

本发明提出的新型超宽带高频微带垂直过渡可应用于ka频段或毫米波频段以上，其带宽覆盖很广，可在相对带宽1.5倍倍频程的范围内实现微波信号的垂直过渡传输，并且仅需要单层微波介质基板，工艺实现简单。

实施例一：

本发明以一个基于单层陶瓷介质的x至ka频段微带垂直过渡为例。如图2所示，介质基板材料使用陶瓷基片材料a493，相对介电常数9.9，介质厚度0.38mm。

其拓扑结构已在上文中详细描述，其具体尺寸如图2所示。本例中的新型超宽带高频微带垂直过渡仿真结果如图3所示，db(s(1,1))为其反射损耗，db(s(2,1))为其插入损耗，其频带可覆盖8ghz至38ghz，带宽达30ghz，并且缩小相应尺寸可以轻易提高使用频率至毫米波频段。

实施例二：

如图4所示，同样采用a493陶瓷介质，介质厚度0.254mm，其仿真结果如图5所示，db(s(1,1))为其反射损耗，db(s(2,1))为其插入损耗，其传输性能可覆盖18ghz至50ghz的整个频带。

综上，本发明提出的超宽带高频微带垂直过渡方法，其实现形式简单、设计灵活，适用的频率高，适用带宽很宽，带内驻波优良，可以应用到各种需要的射频微波系统或电路中。

技术特征：

技术总结
一种基于单层微波介质的超宽带微带垂直过渡，该垂直过渡基于单层介质基板，采用上下两层金属层，每层均包括50欧姆微带线、非线性过渡耦合线、地平面、矩形地枝节和金属化接地孔；50欧姆微带线通过非线性过渡耦合线过渡到地平面，矩形地枝节从地平面延伸而出，位于非线性过渡耦合线的两侧，矩形地枝节上设置有金属化接地孔和另一层的矩形地枝节或者地平面相连接。该垂直过渡基于单层微波介质基板采用了微带准TEM模过渡到微带耦合结构再过渡到准TEM模的办法，只需要中心对称的上下两层微带结构，工艺实现简单；使用频率高，可用于Ka频段及毫米波频段；工作带宽很宽，相对带宽接近1.5倍倍频程。

技术研发人员：李斌;陈钚;王国瑾;于长龙;姚欣;段西航
受保护的技术使用者：西安空间无线电技术研究所
技术研发日：2017.09.18
技术公布日：2018.03.09