全空气填充基片集成脊间隙波导及微带至矩形波导的过渡转换装置

本发明属于电磁场与微波，具体涉及一种全空气填充基片集成脊间隙波导及微带至矩形波导的过渡转换装置。

背景技术：

1、随着科研人员对无线通信技术的不断深入研究，无线通信技术发展迅猛，无线通信系统更新迭代迅速，新型的无线通信系统即使在处理越来越复杂的结构时，传输效率也越来越高。目前，低频段资源被充分利用，但与此同时会带来低频频谱资源拥堵等一些缺点，再加上高频段通信系统频谱资源丰富，信噪比相对较好等优点，使得研究人员加大对高频段无线通信系统的研究与利用。高频段的损耗较低频段影响更大，且结构的尺寸更小。此时，低损耗以及高集成度是对高频很重要的两个因素。

2、2009年，间隙波导(gap waveguide，gwg)被瑞典的p.-s.ki ldal教授所提出。与传统的传输线和波导相比较，gwg是在空气中传输电磁波，因而gwg在毫米波段具有低损耗等优势。gwg主要有三种类型：脊间隙波导(ridge gap waveguide，rgw)、槽间隙波导(groovegap waveguide，ggw)和微带间隙波导。gwg可以由全金属构成，也可以由金属与印制电路板(printed circuit board，pcb)混合构成。在rgw中传输的多为准横电磁(transverseelectromagnetic，tem)模式，在微带和槽间隙波导中传输的多为准横电(transverseelectric，te)模式。gwg的电磁带隙(electromagnetic bandgap，ebg)结构是非接触的，传输质量对加工误差也不太敏感。通常gwg是通过在其周围加载ebg周期结构，来限制电磁波的泄漏，使得电磁波朝着我们所想要的方向传输。最开始所使用的ebg周期结构是周期排列的金属销。随着对周期结构的进一步研究，单孔蘑菇型周期结构以及多孔蘑菇型周期结构被提出。在高频段，为了达到轻量化以及小型化等，研究人员又提出球栅阵列(ball-gridarray，bga)结构。

3、微带线和带状线等结构易与其他平面电路结合，来提高器件结构的集成度，但是随着频率升高至毫米波段，微带线的辐射性能所带来的辐射损耗不容小觑，往往会因为很大的损耗，影响整个系统的性能。对于波导结构，由于不存在辐射损耗，介质损耗也基本可以忽略不计，主要存在的损耗为金属损耗，损耗远远小于微带线。但是其尺寸较大，不利于小型化。此时微带至矩形波导的过渡转换结构起到了重要作用。若直接用微带线将微带与波导连接起来构成过渡转化结构，则会由于大面积的微带线，使得损耗大大增加，影响整个过渡结构的传输效率等性能。目前，较多结构是通过脊间隙波导或者槽间隙波导的一种实现微带与矩形波导的转换。为了解决以上问题，需要对微带至矩形波导的过渡转换结构进行研究。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中的不足，提供一种全空气填充基片集成脊间隙波导及微带至矩形波导的过渡转换装置。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种全空气填充基片集成脊间隙波导，其特征在于，bga-rgw的结构由上中下三层基板叠加构成，分别为t基板、m基板和b基板；所述t基板的下表面为金属化层且焊接有周期性排布的bga焊料球；所述m基板由两块分开的基板构成，m基板的上表面设有和bga焊料球对应的阵列焊盘，m基板的下表面为金属化层；所述b基板的上下表面均为金属化层，b基板上加有表面金属化的脊，b基板内加载不同周期的tsv；所述t基板的下表面、b基板的上表面、bga焊料球和m基板之间形成了作为电磁波传输路径的空气间隙，所述脊位于空气间隙中。

4、为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

5、进一步地，所述bga焊料球的排布周期为p，bga焊料球的直径不大于0.5p。

6、进一步地，所述t基板通过倒装芯片技术装配于m基板的正上方。

7、进一步地，所述t基板的下表面为覆盖有阻焊掩膜层的金属化层。

8、进一步地，所述脊的高度与m基板的厚度相同。

9、进一步地，所述脊正下方的tsv和b基板其他位置所加载的tsv的周期和半径均不同。

10、本发明还提出了一种微带至矩形波导的过渡转换装置，用于从微带、bga-ggw、bga-rgw至矩形波导进行过渡，其特征在于，包括：msl基板、渐变微带线、bga-ggw、bga-rgw、探针型金属块和矩形波导；

11、所述渐变微带线安装在msl基板上，渐变微带线与bga-ggw相接且两者之间阻抗匹配；

12、所述bga-ggw和bga-rgw结构一体化，整体结构由上中下三层基板叠加构成，分别为t基板、m基板和b基板；所述t基板的下表面为金属化层且焊接有周期性排布的bga焊料球；所述m基板由两块分开的基板构成，两块基板之间形成槽，m基板的上表面设有和bga焊料球对应的阵列焊盘，m基板的下表面为金属化层；所述b基板的上下表面均为金属化层，b基板内加载tsv；所述t基板的下表面、b基板的上表面、bga焊料球和m基板之间形成了作为电磁波传输路径的空气间隙；在bga-rgw部分，b基板上加有表面金属化的脊，所述脊位于空气间隙中；在bga-ggw部分，b基板不加脊；

13、所述探针型金属块连接在bga-rgw和矩形波导之间，用于实现bga-rgw和矩形波导之间的阻抗匹配。

14、进一步地，所述渐变微带线的末端下方垂直设置有若干个金属柱，渐变微带线的末端和bga-ggw之间连接有若干个金属销，所述金属柱和金属销用于实现渐变微带线与bga-ggw之间的阻抗匹配。

15、进一步地，所述bga-ggw部分的m基板槽宽度大于bga-rgw部分的m基板槽宽度。

16、进一步地，所述bga-rgw部分与bga-ggw部分连接处的脊呈阶梯状。

17、本发明的有益效果是：本发明通过tsv抬高了脊间隙波导的接地面，更易于加工；本发明还具有低剖面，重量轻，体积小，易于与平面电路集成等优点，可应用于嵌入式晶圆级封装的前端收发机等有源芯片，能够广泛应用于毫米波电路设计于天线领域，应用于对尺寸和重量要求较高的小型无人机等平台。

技术特征：

1.一种全空气填充基片集成脊间隙波导，其特征在于，bga-rgw的结构由上中下三层基板叠加构成，分别为t基板(6)、m基板(7)和b基板(8)；所述t基板(6)的下表面为金属化层且焊接有周期性排布的bga焊料球(1)；所述m基板(7)由两块分开的基板构成，m基板(7)的上表面设有和bga焊料球(1)对应的阵列焊盘，m基板(7)的下表面为金属化层；所述b基板(8)的上下表面均为金属化层，b基板(8)上加有表面金属化的脊(9)，b基板(8)内加载不同周期的tsv；所述t基板(6)的下表面、b基板(8)的上表面、bga焊料球(1)和m基板(7)之间形成了作为电磁波传输路径(4)的空气间隙(5)，所述脊(9)位于空气间隙(5)中。

2.如权利要求1所述的一种全空气填充基片集成脊间隙波导，其特征在于：所述bga焊料球(1)的排布周期为p，bga焊料球(1)的直径不大于0.5p。

3.如权利要求1所述的一种全空气填充基片集成脊间隙波导，其特征在于：所述t基板(6)通过倒装芯片技术装配于m基板(7)的正上方。

4.如权利要求1所述的一种全空气填充基片集成脊间隙波导，其特征在于：所述t基板(6)的下表面为覆盖有阻焊掩膜层的金属化层。

5.如权利要求1所述的一种全空气填充基片集成脊间隙波导，其特征在于：所述脊(9)的高度与m基板(7)的厚度相同。

6.如权利要求1所述的一种全空气填充基片集成脊间隙波导，其特征在于：所述脊(9)正下方的tsv和b基板(8)其他位置所加载的tsv的周期和半径均不同。

7.一种微带至矩形波导的过渡转换装置，用于从微带、bga-ggw、bga-rgw至矩形波导进行过渡，其特征在于，包括：msl基板(18)、渐变微带线(17)、bga-ggw、bga-rgw、探针型金属块(16)和矩形波导；

8.如权利要求7所述的一种微带至矩形波导的过渡转换装置，其特征在于：所述渐变微带线(17)的末端下方垂直设置有若干个金属柱(14)，渐变微带线(17)的末端和bga-ggw之间连接有若干个金属销(15)，所述金属柱(14)和金属销(15)用于实现渐变微带线(17)与bga-ggw之间的阻抗匹配。

9.如权利要求7所述的一种微带至矩形波导的过渡转换装置，其特征在于：所述bga-ggw部分的m基板(7)槽宽度大于bga-rgw部分的m基板(7)槽宽度。

10.如权利要求7所述的一种微带至矩形波导的过渡转换装置，其特征在于：所述bga-rgw部分与bga-ggw部分连接处的脊(9)呈阶梯状。

技术总结
本发明公开了一种全空气填充基片集成脊间隙波导，该BGA‑RGW结构是由上中下三层基板构成；最下层为加了脊的介质基板，所加的脊的高度与中间层基板的厚度相同，最下层基板内加载了不同周期的硅通孔；利用倒装芯片技术将上中两块基板通过球栅阵列焊料球倒装而成，中间层基板由两块分开的基板构成，与BGA焊料球以及最上层的基板构成了电磁带隙结构。为了便于与其他无源/有源器件进行系统集成，本发明还公开了采用该BGA‑RGW结构的微带至矩形波导的过渡转换装置。本发明通过TSV抬高了脊间隙波导的接地面，更易于加工；本发明还具有低剖面，重量轻，体积小，易于集成等优点，能够广泛应用于毫米波电路设计于天线领域。

技术研发人员：施永荣,何淑君,钱志宇,姜勋,张婷婷
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12