共面波导至微带线的过渡结构的确定方法及过渡结构

1.本技术属于微波电路技术领域，具体涉及共面波导至微带线的过渡结构的确定方法及过渡结构。


背景技术：

2.伴随着对高速多媒体数据通信的需求的增加，载波频率也增加到毫米波段，许多毫米波系统，如视频传输、无线局域网和无线以太网，需要高度集成的微波电路。微波电路一般包括集成在同一基板上的无源器件、有源器件和微波传输线。微带线和共面波导(cpw)是毫米波集成电路中重要的传输形式。为了实现信号从一条传输线到另一条传输线的传输，各条传输线之间的微波过渡结构是关键技术，典型情况是不同线宽的共面波导和微带线之间的低损耗过渡技术。
3.现有相关技术中，文献“a.m.e.safwat,k.a.zaki,w.johnson and c.h.lee,"novel transition between different configurations of planar transmission lines,"in ieee microwave and wireless components letters,vol.12,no.4,pp.128-130,april 2002.”中提到了一种阶梯阻抗变阻器结构，以减少不同线宽引起的阻抗不连续性；
4.文献“g.zheng,j.papapolymerou,and m.m.tentzeris,“wideband coplanar waveguide rf probe pad to microstrip transitions without via holes,”ieee microwwirelcomponlett.,vol.13,no.12,pp.544-546,dec.2003”中提到的，平面共面波导到微带过渡结构为一种简单的对角线过渡；
5.文献“y.c.lee,and c.s.park,“a compact and low-radiation cpw probe pad using cbcpw-to-microstrip transitions for v-band ltcc applications,”ieee transactions on advanced packaging,vol.30,pp.566-569,2007.”中，为了抑制cbcpw的过渡和反向辐射损耗，提出了一种使用边缘切割垫和cbcpw到微带平面过渡的无通孔cpw探头垫；
6.文献“q.jiang,c.domier,and n.c.luhmann,“a ultra wideband low loss cbcpw-to-microstrip transition with multiple via holes,”ieee microwave and wireless components letters,vol.24,pp.751-753,2007.”中，还提出了宽带cbcpw到微带的过渡，该过渡是将通孔放置在cbcpw的侧接地板上，以抑制平行板谐振模式，从而降低辐射损耗。
7.但现有的不同线宽的共面波导和微带线之间的低损耗过渡技术，普遍存在插损较大的问题，其会增加系统能耗，降低效率，且对设备的散热带来很大的负担。
8.上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。


技术实现要素：

9.为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本技术提供一种共面波导至微带线的过渡结构的确定方法及过渡结构，有助于在微波电路中实现低损耗的共面波导至微带线的过渡。
10.为实现以上目的，本技术采用如下技术方案：
11.第一方面，
12.本技术提供一种共面波导至微带线的过渡结构的确定方法，该确定方法，包括：
13.获取介质基板的性能参数数据；
14.基于所述性能参数数据，采用等特性阻抗连续过渡方式，计算确定描述过渡区域内，中心导带宽度、与中心导带至接地带的间距之间的对应关系；
15.基于所述对应关系所表征的第一双指数函数关系，确定所述过渡结构中共面波导与微带线间的间隙结构。
16.可选地，所述基于所述对应关系所表征的第一双指数函数关系，确定共面波导至微带线间的间隙结构，具体为：
17.将所述第一双指数函数关系所描述的结构，确定为所述过渡结构中共面波导与微带线的间隙结构；
18.或者以插入损耗最小为目标，采用仿真方式对所述第一双指数函数关系中的系数参数进行调整优化，得到优化后的表征中心导带宽度、与中心导带至接地带的间距之间对应关系的第二双指数函数关系，将所述第二双指数函数关系所描述的结构，确定为所述过渡结构中共面波导与微带线间的间隙结构。
19.可选地，所述以插入损耗最小为目标，采用仿真方式对所述第一双指数函数关系中的系数参数进行调整优化进行仿真优化的过程，包括：
20.获取所述过渡区域中边缘通过点的位置参数数据；
21.将所述位置参数数据作为边界条件，基于所述第一双指数函数关系以插入损耗最小为目标进行仿真优化。
22.可选地，采用hfss工具软件包进行所述仿真优化。
23.可选地，所述计算确定描述过渡区域内，中心导带宽度、与中心导带至接地带的间距之间的对应关系的过程，包括：
24.基于平面波导的特性阻抗计算公式，根据所述性能参数数据和预设特性阻抗参数数据，生成若干中心导带宽度数据，以及与各所述中心导带宽度数据相对应的中心导带至接地带的间距数据；
25.根据各所述中心导带宽度数据，以及各所述中心导带至接地带的间距数据进行数据分析及拟合，确定所述对应关系。
26.可选地，所述对应关系如以下关系表达式所示：
27.w＝a
×e(b
×
s)
+c
×e(d
×
s)
28.其中，w表示过渡区域内中心导带至接地带的间距，s表示过渡区域内中心导带宽度，a,b,c,d表示该关系表达式所表征的函数关系的系数参数。
29.第二方面，
30.本技术提供一种共面波导至微带线的过渡结构，该过渡结构由上述任一项所述的
确定方法确定。
31.可选地，所述过渡结构中共面波导与微带线间的间隙结构，由以下双指数函数关系描述确定，
32.w＝a
×e(b
×
s)
+c
×e(d
×
s)
33.其中，w表示过渡区域内中心导带至接地带的间距，s表示过渡区域内中心导带宽度，a,b,c,d表示该关系表达式所表征的函数关系的系数参数。
34.本技术采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：
35.本技术的技术方案，基于介质基板的性能参数数据，采用等特征阻抗连续过渡方式，来确定共面波导至微带线的过渡结构中共面波导与微带线间的间隙结构，该种方式确定的间隙结构为可用双指数函数描述的连续线性结构，相比现有的阶梯型过渡和斜线型过渡，能够以较低的插入损耗实现共面波导至微带线的过渡。
36.本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
37.附图用来提供对本技术的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本技术实施例的附图与本技术的实施例一起用于解释本技术的技术方案，但并不构成对本技术技术方案的限制。
38.图1为本技术一个实施例提供的共面波导至微带线的过渡结构的确定方法的流程示意图；
39.图2为本技术一个实施例中共面波导至微带线过渡区域的布局示意图；
40.图3为本技术一个实施例中共面波导至微带线过渡结构的结构参数示意说明图。
具体实施方式
41.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本技术的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本技术所保护的范围。
42.如背景技术中所述，微带线和共面波导(cpw)是毫米波集成电路中重要的传输形式。为了实现信号从一条传输线到另一条传输线的传输，各条传输线之间的微波过渡结构是关键技术，典型情况是不同线宽的共面波导和微带线之间的低损耗过渡技术。
43.但现有的不同线宽的共面波导和微带线之间的低损耗过渡技术，普遍存在插损较大的问题，其会增加系统能耗，降低效率，且对设备的散热带来很大的负担。
44.针对于此，本技术提出一种共面波导至微带线的过渡结构的确定方法，有助于在微波电路中实现低损耗的共面波导至微带线的过渡。
45.如图1所示，在一实施例中，本技术提出的共面波导至微带线的过渡结构的确定方法，包括如下步骤：
46.步骤s110、获取介质基板的性能参数数据；
47.举例而言，在印刷电路板上，其中某层的导体结构如图2所示，该层导体下面是介质基板，基板下面是完整的金属层构成的地面，从共面波导向微带线过渡，或者从微带线向共面波导过渡，存在过渡区域。
48.该步骤中，介质基板的性能参数数据是用于后续参与cpw特征阻抗计算的，本领域技术人员容易理解的是，这里的性能参数数据至少包括介电常数等相关数据。
49.之后进行步骤s120、基于性能参数数据，采用等特性阻抗连续过渡方式，计算确定描述过渡区域内，中心导带宽度、与中心导带至接地带的间距之间的对应关系；
50.该实施例的步骤s120中，可基于现有cpw特性阻抗计算公式或采用appcad软件来计算确定该对应关系，cpw特性阻抗计算公式如下表达式所示：
[0051][0052][0053]
k＝α/β
[0054]
k3＝tanh(πα/2h)/tanh(πβ/2h)
[0055][0056][0057]
上述表达式中，z0表示特性阻抗，h表示微带线和共面波导平面与地面的距离，εr表示介质基板的相对介电常数，ε
eff
表示等效介电常数，k(k)表示第一类椭圆积分，α＝s/2，β＝w+s/2,w表示过渡区域内中心导带与接地带的间距，s表示过渡区域内中心导带宽度。
[0058]
本技术技术方案中，以特性阻抗z0为恒定不变，基于表达式(1)至(3)通过采用解析方式或数值模拟方式来得到中心导带宽度s、与中心导带至接地带的间距w之间的对应关系；
[0059]
出于计算处理效率方面的考虑，该实施例中采用数值模拟方式进行该对应关系的计算确定，具体的，该过程包括：
[0060]
基于平面波导的特性阻抗计算公式(表达式(1)-(3))，根据性能参数数据(包括介质基板的相对介电常数εr等)和预设特性阻抗参数数据(如取z0＝50ω)，生成若干中心导带宽度数据(如s2……
sn)以及与各中心导带宽度数据相对应的中心导带至接地带的间距数据(如w2……
wn)；
[0061]
根据各中心导带宽度数据，以及各中心导带至接地带的间距数据进行数据分析及拟合(如基于matlab进行拟合处理)，确定该对应关系,该对应关系表征的是一种双指数函数关系。
[0062]
具体的，对应关系如以下关系表达式(4)所示：
[0063]
w＝a
×e(b
×
s)
+c
×e(d
×
s)
ꢀꢀꢀ
(4)
[0064]
表达式(4)中，w表示过渡区域内中心导带至接地带的间距，s表示过渡区域内中心导带宽度，a,b,c,d表示该关系表达式所表征的函数关系的系数参数。
[0065]
需要说明的是，表达式(4)中，在实际结合数据的应用中，系数参数a,b,c,d为具体的数值。
[0066]
回到图1，最后进行步骤s130、基于步骤s120中确定的对应关系所表征的第一双指数函数关系，确定过渡结构中共面波导与微带线间的间隙结构。
[0067]
具体的，步骤s130中，将第一双指数函数关系所描述的结构，确定为过渡结构中共面波导与微带线的间隙结构；
[0068]
这里需要说明的是，采用等特征阻抗连续过渡方式，来确定共面波导至微带线的过渡结构中共面波导与微带线的间隙结构，该种方式确定的间隙结构为可用双指数函数描述的连续线性结构，相比现有的阶梯型过渡和斜线型过渡(实际中采用仿真验证方式进行对比验证)能够以较低的插入损耗达到过渡效果。
[0069]
进一步，申请人还发现，采用等阻抗连续过渡法直接确定的第一双指数函数关系所确定的过渡结构，并不是最低损耗过渡方式，因此，在步骤s130中，为实现最低损耗过渡，还可以以如下方式进行优化，具体的：
[0070]
以插入损耗最小为目标，采用仿真方式对第一双指数函数关系中的系数参数进行调整优化(如采用hfss工具软件包进行仿真优化，其中以传输线s参数s21尽可能大作为条件)，得到优化后的表征中心导带宽度、与中心导带至接地带的间距之间对应关系的第二双指数函数关系，将第二双指数函数关系所描述的结构，确定为过渡结构中共面波导与微带线间的间隙结构。
[0071]
需要说明的是，为提高仿真优化的处理效率，作为一种优先的实施方式，可以先获取过渡区域中边缘通过点的位置参数数据，将位置参数数据作为边界条件，基于第一双指数函数关系以插入损耗最小为目标进行仿真优化。
[0072]
举例而言，在如图3所示的过渡区域的坐标系(过渡区域左边缘为y轴，中心导带水平等分线为x轴)中，过渡区域中两边缘通过点的位置参数分别为(0,s1/2+w1)和(l1,s2/2+w2)，将这两个边界条件带入至表达式(4)中，从而将式(4)中包含四个系数参数的关系，换算成含有b,d两个参数的函数关系，该函数关系如以下表达式(5)所示：
[0073][0074]
表达式(5)中，w表示过渡区域内中心导带至接地带的间距，s表示过渡区域内中心导带宽度，b,d表示该关系表达式所表征函数关系的系数参数，w1，w2，s1，s2为图3中所示边缘通过点的结构参数值。
[0075]
进而基于表达式(5)以插入损耗最小为目标进行仿真优化，确定b,d的具体值，而到优化后的表征中心导带宽度、与中心导带至接地带的间距之间对应关系的第二双指数函数关系，将该第二双指数函数关系所描述的结构，确定为过渡结构中共面波导与微带线间的间隙结构。
[0076]
为便于理解本技术的技术方案，下面再结合一实施例中的具体数据对本技术的技术方案进行一下说明。
[0077]
在该实施例中，介质基板为fr4基板(介电常数为4.6，损耗角正切为0.02，金属层
是18微米厚的铜)，在该基板上制造了一款cpw到微带线过渡。
[0078]
如图2所示，制造的过渡由共面波导区、cpw到微带线过渡区域和微带线区组成。cpw的中心导带宽度s1和间隙w1以及微带线的宽度s2根据共面波导特性阻抗计算公式确定。在过渡区域，中心导体的宽度逐渐加宽以匹配微带线的宽度。此外，结构背面为接地面。在此配置中，端口1和端口2分别是输入和输出端口。该过渡板的尺寸为20mm
×
50mm
×
1mm，共面波导区、cpw到微带过渡区域和微带线区长度均为10mm。
[0079]
表1根据cpw特性阻抗计算公式计算得到w和s的对应关系
[0080]
s(mm)2.09621.91.81.71.61.51.41.31.21.11.048w(mm)6.63.521.280.90.690.540.440.3650.3050.2560.235
[0081]
根据表1所示的s和w的值进行拟合，结果w和s满足双指数函数的关系，该函数关系如以下表达式所示：
[0082]
w＝0.03861
×e1.721
×s+1.028
×
10-7
×e8.461
×sꢀꢀꢀ
(6)
[0083]
表达式(6)中，w表示过渡区域内中心导带至接地带的间距，s表示过渡区域内中心导带宽度。
[0084]
参考表达式(6)所示函数关系，为了获得更好的cpw到微带线过渡方式，设w和s符合式(4)所示双指数函数关系。
[0085]
如图3所示，根据过渡区边缘通过点等条件进行公式推导，从而将式(4)换算成含有两个参数的函数的关系式(5),该实施例中s1＝1.048mm、s2＝2.096mm、l1＝10mm、w1＝0.235mm、w2＝6.6mm，这里式(5)的具体形式如下式(7)所示：
[0086][0087]
利用式(7)所示w和s的关系在hfss中构造cpw到微带线过渡结构并以插入损耗最小为目标进行仿真优化，得到最优化参数值b＝1.5；d＝17.4。此时得到的过渡结构(即b＝1.5；d＝17.4时，表达式(7)所描述的结构)即为最终确定的最优化双指数间隙过渡。
[0088]
在一实施例中，本技术还提出一种共面波导至微带线的过渡结构，该过渡结构由上述任一项所述的确定方法确定。
[0089]
具体的，该过渡结构中共面波导与微带线间的间隙结构，由以下双指数函数关系描述确定，
[0090]
w＝a
×e(b
×
s)
+c
×e(d
×
s)
[0091]
其中，w表示过渡区域内中心导带至接地带的间距，s表示过渡区域内中心导带宽度，a,b,c,d表示该关系表达式所表征的函数关系的系数参数。
[0092]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。