专利名称：微带线和矩形波导间的微波转换设备的制作方法
微带线和矩形波导间的微波转换设备本发明涉及用于微波传输的无源元件。具体涉及一种位于传导微带线和矩形波导技术的元件之间的平面转换设备。传导微带技术为在几千兆赫频率范围内相当简单地整合微波功能提供了可能性，其频率范围最多包括C波段。上述技术在高频范围内的应用会变得更加复杂，特别是10千兆赫(Ku波段、K波段和Ka波段)。事实上，微带线的放射特性需要包含在一导电机械结构中的导体，该导体可实现电屏蔽功能。频率越高上述机械结构的尺寸越小。空气波导并不是放射结构，其特性在于较难适于整合复杂功能。因此，波导常常应用于低损耗设备或高微波功率。采用电介质代替空气波导，该绝缘体的相对介电常数大于I，这样波导的尺寸变得充分减小以允许将基板集成波导整合入微带线内。多米尼克 德斯兰德斯和吴柯于2001年2月发行的第11期，第2号的《微波和无线元件快报》上发表的标题为“平面模型中的集成微带和矩形波导”的文章中给出了一 种方法来解决微带线中的准TEM传输模型向波导的电动横向基础TEltl模的无损耗转换问题。上述文章中的转换设备包括一个单独的薄膜电介质基板，该基板内整合有微带线、一矩形波导以及一个介于微带线和波导之间的平面模型转换器。除从准TEM模型向TEltl模型转换外，该模型转换器保证微带线和波导之间的电力连续性。电介质基板的表面支持微带线，转换器模型包括一等腰梯形锥式的传导段，该传导段设有一个小底座，该底座合并至微带线的末端；以及一个较大的底座，该底座合并至波导的第一大的侧壁的边缘截面的中心部分。该电介质基板的另一面完全覆盖有传导层，该传导层的作用类似微带线的接地层，并作为波导的第二个大的侧壁。波导较小的纵向侧壁由两排金属化接地孔或两条配列在电介质基板上的金属化凹槽制成。因此，波导的高度(或者厚度)基本不受TEltl模型传播的影响而降低，允许波导整合入微带线的薄的电介质基板中，这样可以通过放射降低损耗。上述文章中所提到的转换设备的结构已在欧洲专利1376746B1中应用于将一微波滤波器整合入同一个薄的电介质基板上的矩形波导以及微波带中。本发明的一个目的是借助于一微波转换设备将第一种微带线技术与区别于第一种技术的第二种波导技术联系起来，而同时保持两种技术的优势。因此，一转换设备包括一位于整合入印刷电路板的传导线和矩形波导之间的模式转换器，其中该电路板包括一外壳，该外壳包括一波导，该波导的一个大的侧壁与微带线共面且共轴，另一大的侧壁固定在外壳底部的电路板的金属层上；并且该设备包括一由金属连接元件桥接的间隙，且该间隙位于模式转换器和微带线之间以及模式转换器和波导之间。模式转换器整合入依据第一种技术制成的电路板中的电介质基板或依据第二种技术制成的波导中的电介质基板。若该模式转换器整合入电路板中的电介质基板，则间隙以及金属连接元件位于模式转换器和波导的一端之间。若该模式转换器整合入电路板中的电介质基板，则间隙以及金属连接元件位于微带线一端和模式转换器之间。该间隙由引进波导结构至电路板外壳的机械公差产生。该金属连接元件包括一个或多个金属薄板条或者一个或多个金属丝，并通过模式转换器提供微带线和波导大的侧壁之间的电力连续性，考虑到由架设有连接元件的间隙所产生的不协调，该电力连续性与后者的阻抗相匹配。阻抗通过微带线段与模式转换器相匹配，所述微带线段具有条宽和厚度，即，微带线与接地面之间的距离，并且该距离随着微带线到波导之间的距离增长，所述微带线段还具有大致与四分之一波导相等的长度。无论哪种转换设备的实施例，微带线技术，例如多层印刷电路板，以及波导制造工艺，例如陶瓷基板中的基板集成波导技术均被保留，并为微带线和波导的特性的选择提供了更多的灵活性，尤其是指电路板和波导的不同的相对介电常数。特别地，波导能够整合入一类似陶瓷基板的微波元件中；波导的每个小的侧壁都可由交错排列的金属孔构成，以通过放射降低损耗。本发明能实现低放射，低损耗以及低重量的微波结构，并禁止很大一部分金属结构，因此对风媒设备特别有价值。本发明能够将微带线与各种矩形波导结构联系起来， 包括具有高定向性的选择滤波器和耦合器。特别地，本发明适用于实现在最高至10千兆赫的高频率下运行的发射头或接收头，或网络或电子扫描天线。本发明同样涉及一种制造转换设备的方法，该设备包括一个位于整合入印刷电路板的微带线和矩形波导之间的模式转换器。其特征在于，该方法包括以下步骤
在电路板上设置一外壳，该外壳有一底部，该底部构成该电路板内部的一部分金属层。将波导引入外壳中以使波导的一大的侧壁与微带线共面且共轴，并且波导的另一大的侧壁固定于该一部分金属层上，且
制造和安装一薄金属连接元件，该薄金属连接元件用于桥接位于模式转换器和微带线之间以及模式转换器和波导之间的间隙。本发明的其他特征和优势可通过阅读下述关于本发明几个具体实施例的说明得到更清晰的体现，该具体实施例由几个无限制的例证给出，并给出相应地附图
图I为根据本发明的两个转换设备的顶部透视 图2为图I中II-II沿线的轴向截面透视 图3为在转换设备中模式转换器的层面上对转换设备的纵向截面 图4为类似图2中所示以及在更大规模的层面上，对位于模式转换器和转换设备中无源微波元件之间的间隙的纵向截面透视 图5为转换设备中微带线的横截面示意图；且 图6为微波元件中矩形波导结构的横截面示意图。根据
图1-4所示的本发明的一实施例，一转换设备是位于整合入多层PCB (“印刷电路板”)的一薄的印刷电路板2的一微带线I和一具有矩形波导结构的微波元件3之间的一无源微波电路，在该微带线和微波元件之间安置了一平面模式转换器4。在这些附图中，两个转换设备相对于微波元件3的横截平面对称，并被安置在相同的电路板2的元件的纵向端。元件3安装在电路板2上以使微带线I的尺寸和传播特性达到最好的效果。电路板2整合了微带线I以便能支持元件3。印刷电路板2是微波电路，从横截面来看，其厚度E比宽度L短。电路板包括电介质基板层20，安装在该电路板第一面的内部金属层在该介质基板层中得到沉淀。如稍后详述的，该内部金属层是用于微带线I的接地层12以及位于层12下的用于模式转换器4的接地层21-23。该金属层12、21和22在电路板的整个宽度L上延伸并将电路板的深度b延伸至与元件3的高度一致。安装在深度b处的金属层23和另一个安装在电路板2的第二面上的金属层24由一基板层20隔开，该基板层厚度为E-b，并且在电路板的全部长度和深度上延伸。金属层23和24组成所有电路板上的元件公用的接地面。上述各种层12以及21-24靠垂直于电路板的各面上的小金属孔25相互连接。如图1，2，3和5所示，微带线I包括基板20上的层10，一条直线金属微带11位于层10上与电路的第一面处于同一水平面上，并沿着电路板的纵轴XX安置，并且接地面由位于电路板第一面部分下方的支撑金属微带11的内部金属层12组成。电路板的金属层23和24之间可安装其他微波设备(图中未示出)。基板2 0是一具有弱的相对介电常数
E12的电介质。金属微带11的宽度w和厚度e较小，例如大约E/12，包括相关的电路板和
接地面12的宽度L，以使微带线I能够传输一个由准TM模型引导的波，该波处于厘米波的 范围内，包括几千兆赫至40千兆赫的高频率波，这样就可以覆盖所有或部分例如Ku、K以及Ka波段的频率了。电介质传输大部分能量，小部分的能量被传输至传导金属微带11周围的
空气中。微带线的特性阻抗Zle ,典型为50Q，本质上取决于金属微带的宽度w和所属用的电介质基板20上的厚度e以及介电常数％。如图1，2和5所示，在传导金属微带11的两侧，微带线I由两个金属层13保护，该两个金属层对称于轴线XX延伸，并与金属微带11共面在电路板2的第一面上；并且该两个金属层平行于金属微带11且与金属微带11间隔预设宽度w延伸，以便限制指向金属微带的电场线。保护层13通过金属孔25与接地层12以及21至24连接。无源微波元件3依据基板集成波导(SIW)技术，通过将波导31-32整合入具有矩形截面的电介质基板33内而制成。如图1，2，3，4和6所示，波导的矩形截面包括由位于基板33较大面上的两个纵向金属层31s和31i组成的大的侧壁和由两组穿过基板33的周边的交错的纵向金属孔阵列321以及322组成的小的侧壁。金属孔阵列321和322相对于元件3的轴向平面对称。每阵列中的两个邻近金属孔321和322之间的距离基本与金属孔的直径相等，且显著小于波导的工作波长，以便在放射过程中最小化损耗量。波导的宽度a由金属孔阵列321-322之间的距离决定，该距离基于金属孔的尺寸和彼此的间距。在电路板2的厚度E的方向上的波导的高度b由金属层31s和31i之间的距离决定。可选择的，波导31-32可被具有矩形截面的传统波导31-32替代；该传统波导具有固体金属侧壁，且填充有电介质基板33。元件3的SIW制造工艺应用于所示的实施例的一种低温共烧陶瓷(LTCC)
的方法，其中电介质基板33是具有高于电路板2中的电介质基板20的相对介电常数Erj的
相对介电常数％的陶瓷，因此，该电介质基板位于微带线I中的基板层10内。在其他各种转换设备中，电路板2和微带线I的基板20以及波导31-32的基板33的电介质与前述具有相同的特性和相对介电常数4和％。为了防止传输间断并促进微带线的准TEM模型向波导中的TEw模型的转换，它的
高度b被选择为与电路板2中可达到的厚度相等。为此，一平行六面体外壳26安置于电路板上，从而能够将一用于波导31-32的兀件3插入模式转换器4末端之间的横向间隙中。该外壳26的高度与波导的高度b相等并且与微带线中金属微带11以及内部金属层23之间的厚度相等。由金属层31s形成的波导的大的侧壁的外部面与微带线I的金属微带11共面，且由金属层31i形成的波导的另一大的侧壁的外部面与位于外壳底部的金属层23的一部分进行机械化和电子化的连接。电路板的一部分位于外壳26下方具有金属层23和24之间的厚度E-b，该部分被认为是可选地整合入一个或多个微波设备。外壳26的长度实质上大于波导31-32以及元件3的长度，这样能够将外壳设置成具有一个机械公差间隙。外壳26的宽度可与电路板的宽度L相等，便于加工电路板。元件3的宽度大于波导31-32的宽度a，且与电路板2的宽度L完全相同，该元件3的功能被确定为实现如图2a中所示的波导中TEw模型的截止频率。例如，a/b的比率大约为10比15，以保证波导的平坦性。具有
波导31-32的元件3置于外壳26的中间且通过将金属层31i钎焊在外壳26底部的金属层23的一部分上的方法固定元件3，同时仔细地将波导的平面的纵向对称轴对准微带线I上的金属微带11的纵向对称轴XX。依据已被阐述的实施例，具有平面矩形波导结构31-32的无源微波元件3是一个带通微波滤波器，包括穿过电介质基板33的六对金属孔34，并且该金属孔连接金属层31s和31i。该金属孔34相对于元件的纵向轴平面和截向轴平面对称。金属孔34的布局组成了基于滤波器频率响应的感应支柱。依据另一个实施例，微波元件3被设计成一个指令耦合设备。转换设备中的传播模式转换器4分别连接微带线I中的金属微带11上的接触端与和与金属微带11共面的波导31-32的大的侧壁31s，并将微带线中的内部接地层12连接至固定在外壳26底部的金属层23上的波导31-32的大的侧壁31i。当最小化损耗量时，
模式转换器4逐渐将微带线I的准TEM模型转换成波导31-32的TE w导向模型，并匹配它的电阻抗。考虑到在实际情况下，损耗通常由非理想的导体和电介质产生，模式转换器的平面结构被设计为能够组成一个近似完美的四端电路；该模式转换器有传输参数S12和321n，四端电路的终端近似等于I ;且该模式转换器有反馈参数S1JPS22 n，且四端电路的终端近似等于O。如图1-4所示和下文所述，模式转换器4可被整合入波导31-32中或者电路板2中。当w/e的比率增加时，微带线的特性阻抗减小，该模式转换器4被分割成N个微带线段21-41至2N-4N，相对于有纵轴XX的微带线I的纵向平面对称。数字N通常至少为I且取决于电路板2和微波元件3上的金属层的制造工艺。模式转换器4的每段的长度大约等于操作中心频率波长的四分之一，且考虑进行阻抗转换的改造来最小化分割段连接点上的干扰反射。根据上述实施例所述的模式转换器4包括N条线段21-41，22-42以及2N-4N，其中N=3,即，2N-4N=23_43。最靠近元件3的金属微带4N即金属微带43包括纵向边缘,该纵向边缘与波导31-32的内部纵向固边实质上共线，该纵向固边由大的侧壁31s和金属孔阵列321限定。具体如图4所示，以具有横向间隙的方式将元件3引入电路板2的外壳26内，从而在元件3的纵向端和波导31-32的纵向端和模式转换器4的线段2N-4N即23-43的纵向端之间制造两个几百微米的空气间隙5。对于每个模式转换器4来说，长度为a的薄金属连接元件6分别桥接间隙5且被插入金属微带4N即43的横向边缘层面，并且波导的金属层31s 用于为上述边缘之间提供电力连续性。连接元件6的功能可由一个或多个并排的薄金属微带来实现，例如被切割成金片或并排的薄金属线；该元件平行于纵轴XX延伸并与金属微带4N即43和金属层31s钎焊，以致于覆盖宽度为a间隙上。间隙5的底部是金属接地层23的一小部分，用于通过金属孔25为微带线I的接地面12，21，22和23和线段21-41，22-42和23-43之间提供电力连续性，并且元件3的金属层31i安装于一部分金属接地层23的下方。由于微带线一电介质线段和空气一微带线之间的转换以及空气一微带线和位于空气间隙5同一水平面的波导之间的转换，线段长度相互间略有不同，且每条线段可能略小于、等于或略大于操作波长的四分之一，如此可以抵消各类转换尤其是在间隙5层面上的波反射产生的干扰效应，如此亦可将模式转换器4中第一条线段21-41和之后线段之间的阻抗恢
复成与微带线I中的特性阻抗Zle相等的数值。如图I和2所示，线段21-41,22-42和23_43由对称的成对金属层 47，48和49保护并扩展至保护层13。保护层47，48和49与位于电路板的第一面的金属微带41，42和43共面；并且上述保护层平行于上述金属微带，以距离金属微带11预设的宽度w延伸。保护层47，48和49分别连接至下方的接地层12和21，并通过金属孔25连接接地层24。在第二实施例中，所述的模式转换器被整合入波导31-32中，因此对于元件3来说，电路板上的外壳26更长了。保持了将线段21-41,22-42和23-43安置在保护层47，48和49内以及波导的宽度a。金属微带41，42和43源自于作为波导大的侧壁31s的同一个金属层，且与其后的波导的结构的基板33的相同面具有电力连续性。线段的尺寸被修正为
典型如相对介电常数b的函数，所述线段具有金属接地层，并且所述线段被叠加并整合入
波导的结构的基板33中，并形成多层型。最接近元件3的金属微带4N即43的宽度依旧为波导31-32的宽度a，且直接连接至波导的大的侧壁31s的横向端。因此空气间隙5在线段23-43和波导31-32之间被禁止，且由于间隙需要将单片电路集成进元件引入到电路板的外壳内的两个模式转换器中而被空气间隙所取代。空气间隙定位于微带线I的一端和线段21-41之间，所述空气间隙具有较窄的金属微带，并被一类似元件6、但宽度为w的薄金属连接元件桥接，且与金属微带11和41钎焊。制造转换设备的方法包括以下步骤。根据上述实施例所述的制造多层印刷电路板工艺，模式转换器4被整合入电路板中，或如本发明的第二实施例所述被整合入元件的波导结构中。然后，将平行六面体外壳26安置在电路板2中，其深度与矩形波导31-32的高度b相等；举例来说，在制造电路板时，借助于一具有位于电介质基板20中压缩层上的外壳尺寸的矩阵，该外壳可叠加和覆盖在各种金属层上，如此，一部分内部接地层23便可构成外壳底部。矩形波导31-32或者特别是具有矩形波导结构的元件3，会被引入纵向间隙中以及被安置在外壳26的中间，以使波导的大的侧壁31s可以与微带线I的金属微带11共线且共面，并通过将波导的另一个大的侧壁31i钎焊在外壳底部电路板上的一部分金属层23上固定其位置。由于将矩形波导31-32，或特别是元件3插入到外壳26内的机械公差产生了纵向间隙。然后，从金属片上切下的微带或多个并列排列的微带形成的网，或多个并列排列的金属线形成的网覆盖在间隙5上以组成薄金属连接元件6，所述的网具有的官渡大于间隙5的宽度，且其厚度与金属层厚度相近。金属连接元件的纵向端固定在间隙边缘。如附图中所示的实施例，金属连接元件6桥接在间隙5上，并连接整合入电路板2的模式转换器4和波导31-32 ;该金属连接元件的长度与波导的宽度a相等，且该元件的纵向端钎焊在模式转换器的线段21-41，22-42以及2N-4N即23-43中最宽的金属微带43上的横向边缘，亦钎焊在波导大的侧壁的31s的横向边缘。在第二实施例中，金属连接元件6桥接在微带线
I和整合入波导结构31-32的模式转换器4之间的间隙5上，该元件的长度与传导带11的 宽度w相等，且该元件的纵向端与金属微带11的截面边缘以及模式转换器的线段21-41，，
2-42,2N-4N即23-43中最窄的金属微带41上的横向边缘钎焊。
权利要求
1.ー种转换设备，包括位于整合入一印刷电路板(2)的传导微带线(I)和矩形波导(31-32)之间的模式转换器(4),其特征在于,所述电路板包括一外壳(26),所述外壳(26)包含一波导，所述波导具有与微带线的金属微带(11)共线且共面的大的侧壁(31s)和固定于所述外壳底部的电路板上的一部分金属层(23)上的另一大的侧壁(31i);并且所述设备还包括一位于所述模式转换器(4)和所述波导之间以及所述模式转换器(4)和所述金属线之间的间隙(5)，所述间隙由一金属连接元件(6)桥接。
2.如权利要求I所述的设备，其特征在于，所述金属连接元件(6)包括ー个或多个具有并排条的金属片，或一些并列排放的金属丝。
3.如权利要求I或2所述的设备，其特征在于，所述模式转换器(4)包括金属微带线段(21-41，22-42，23-43)，所述金属微带的宽度和厚度从微带线(I)到波导(31-32)逐渐增カロ，且所述金属微带的长度约等于波长的四分之一。
4.如权利要求3所述的设备，包括金属保护层(47，48，49)，所述金属保护层沿着微带线线段的金属微带(41，42，43)延伸，与那些金属微带共面且连接金属保护层(13)，所述金属保护层(13 )沿所述微带线的金属微带(11)延伸且与所述金属微带共面。
5.如权利要求1-4中任意一项所述，其特征在于，所述电路板和所述波导(31-32)的相对介电常数(10-20 ；33)是不同的。
6.如权利要求1-5中任意一项所述，其特征在于，所述波导(31-32)被整合入一微波元件(3)中，所述微波元件具有ー陶瓷基板(33)。
7.如权利要求1-6中任意一项所述，其特征在于，所述波导包括小的侧壁，每个所述小的侧壁包括交错排列的金属孔阵列(321-322)。
8.—种制造转换设备的方法，所述设备包括一位于整合入印刷电路板(2)中的微带线(O以及矩形波导(31-32)之间的模式转换器(4)，其特征在于，步骤如下 将一外壳(26)安置于电路板(2)中，所述外壳具有一底部,所述底部位于电路板内部的金属层(23)的一部分上； 将波导引入外壳(26)中，如此波导的大的侧壁(31s)能够与金属微带(11)共线且共面，并且波导的另一大的侧壁(31i)被固定在金属层的一部分上，且 组成和安装一薄的金属连接元件(6)，所述元件桥接在模式转换器(4)和微带线之间以及模式转换器(4)和波导(31-32)金属微带之间的间隙(5)上。
9.如权利要求8所述的方法，包括将金属微带微带线段(21-41，22-42和23-43)整合入电路板中以形成模式转换器，所述金属微带微带线段分别包括叠加在电路板内的金属接地层和位于电路板的一面上的金属微带；所述金属微带微带线段的带宽和厚度从微带线(O向波导(31-32)的方向逐渐増大，且其长度约等于波长的四分之一；以及将金属连接元件(6)固定和连接在微带线段的最宽的微带(43)和波导的ー个大的侧壁(31s)上。
10.如权利要求8所述的方法，包括将金属微带微带线段(21-41,22-42和23-43)整合入波导结构(31-32)中，以便形成模式转换器，所述金属微带微带线段分别包括叠加在波导结构内的金属接地层以及波导结构的一面上的金属微带；所述金属微带微带线段的带宽和厚度从微带线(I)向波导(31-32)的方向逐渐増大，且其长度约等于波长的四分之一；将金属连接元件(6)固定和连接在金属微带微带线的微带(11)和线段中至少一条较大的微带(41)上。
全文摘要
与微带线和波导中的不同技术例如陶瓷技术相关联，转换设备中包括位于整合入印刷电路板(2)中的微带线(1)和波导(31-321-322)之间的模式转换器(4)；电路板(2)包括一外壳(26)，该外壳包含具有大的侧壁(31s)的波导并与金属微带(11)共面且共线，另一个大的侧壁(31i)固定在外壳底部电路板上的金属层(23)上。一金属连接元件(6)桥接在一机械公差间隙(5)上，该间隙位于转换器和微带线之间以及转换器和波导之间。转换器可被整合入边路版中，或被整合入微波元件(3)里的波导中。
文档编号H01P5/107GK102696145SQ201080054786
公开日2012年9月26日 申请日期2010年12月6日 优先权日2009年12月7日
发明者季劳姆·托勒隆, 米歇尔·罗宾 申请人:卡西迪安有限公司