一种接地共面波导结构

1.本实用新型涉及微电子技术领域，尤其涉及一种接地共面波导结构。


背景技术：

2.随着通信产业尤其是个人移动通信的高速发展，无线电频谱的低端频率已趋饱和，即使是采用多种方法提高频谱的利用率，也无法满足未来通信发展的需求，因而实现高速、宽带通信势必向微波高频段开发新的频谱资源。毫米波是指频段位于30ghz～300ghz的电磁波，由于其具有波长短、频带宽、抗干扰能力强等优点，毫米波通信逐渐成为研究与应用的热点。
3.微带线和接地共面波导是目前常用的两种平面传输线。
4.微带线包括介质基板、设于介质基板顶部的信号导体及设于介质基板底部的导电金属接地层；接地共面波导除了介质基板底部设有的接地层外，在介质基板顶部，增加了额外的两个共面的接地层，信号导体处于顶部的两个接地层间，信号导体与顶部的两个接地层相互间隔，通过金属化过孔使顶部和底部的接地层相连接实现了一致的接地性能。
5.研究表明，微带线通常工作在准tem模式(电磁波的传输方向上没有电场和磁场分量的一种波导模式)下，但当工作频率上升至一定程度后，各种高次模开始起作用，使其逐渐偏离原来的准tem模式，这将导致传输性能的恶化。而各种高次模的激发频率与传输线尺寸有关，要想使高次模激发的频率尽可能向高频转移，则必须缩小微带线的尺寸。但微带线尺寸受加工工艺限制，有一定的下限，而且尺寸越小的微带线，其导体损耗越大，所以并不适用于毫米波频段的电路设计。
6.针对微带线在毫米波频段中的缺点，接地共面波导以其独特的顶层两侧金属化过孔接地结构很好地将高次模激发频率向高频段推移，而且其金属化过孔阵列对电磁辐射起到了一定屏蔽作用，减少了对其他信号线的干扰。所以目前接地共面波导比微带线更适合用于毫米波频段的电路设计，但接地共面波导结构仍存在一些问题：
7.其一：传输线的插入损耗由导体损耗、介质损耗和辐射损耗组成，接地共面波导相对于微带线而言，只是抑制了高次模的激发，从而减少了辐射损耗，但其导体损耗和介质损耗的大小仍与微带线接近(甚至超过)。而导体损耗的平方与频率呈正比，介质损耗与频率成正比。当频率升高时，插入损耗也会随导体损耗和介质损耗的快速增加而增加；
8.其二：传输线设计人员通常可以通过调节信号导体宽度、介质基板厚度的方式来调整传输线的特性阻抗。但受高次模的影响，接地共面波导与微带线一样，其尺寸不能太大，这就限制了接地共面波导的阻抗调节范围；
9.其三：目前介质基板顶部的两个接地层一般为单排金属化过孔，当频率升高时，接地共面波导的金属化过孔也需要变得更加紧密，但同样受工艺的限制，金属化过孔直径有最小限制(一般为0.2mm)，金属化过孔之间也需要保留一定距离，当频率升高至一定程度后，现有的金属化过孔排列方式不能很好地抑制高次模的激发和形成良好的电磁屏蔽作用。


技术实现要素：

10.本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种接地共面波导结构。
11.本实用新型是通过以下技术方案予以实现：
12.一种接地共面波导结构，包括介质基板、设于介质基板底面的第一接地层、设于介质基板顶面的信号导体和两个第二接地层，两个所述第二接地层共面设置且对称布置于信号导体两侧，所述第二接地层在靠近信号导体一侧设有多个等距排列的金属化过孔，所述金属化过孔与第一接地层相连接，两个第二接地层与信号导体间均设有间隙，所述介质基板顶面设有与所述间隙相对应的介质凹槽。
13.优选地，所述信号导体两侧设有内嵌部，所述内嵌部沿介质基板延伸至相对应的介质凹槽内，所述内嵌部与相对应侧的第二接地层间留有间隔。
14.优选地，各第二接地层对应的金属化过孔均设有多排。
15.优选地，每排的金属化过孔等距排列，每个第二接地层所对应的相邻排金属化过孔交错排列。
16.优选地，各第二接地层靠近信号导体的一排金属化过孔两端均为半开口的金属化半孔。
17.本实用新型的有益效果是：
18.本实用新型结构简单，通过设置介质凹槽使传输线的等效介电常数降低，能有效降低导体损耗和介质损耗，介质凹槽深度越大，对导体损耗和介质损耗的降低越明显；通过改变嵌入式信号导体的整体宽度和内嵌深度、改变介质凹槽深度，在接地共面波导的整体尺寸不改变情况下，仍能调节传输线的特性阻抗，比传统的接地共面波导拥有更广的阻抗调节范围；多排金属化过孔能够较好地抑制高次模的激发并形成良好的电磁屏蔽作用；交错等距排列的方式相较于对齐等距排列的方式能够节省空间，使得金属化过孔的排列更加紧凑，具有更好的电磁屏蔽作用，从而降低辐射损耗，改善电磁泄露问题，降低了总体损耗，能够提升传输线性能；金属化半孔与介质基板边缘无缝隙，既限制了电磁波的向外泄露，又能改善接地共面波导端口处的反射问题，使共面波导端口处的电磁辐射或电磁泄露得到进一步抑制。
附图说明
19.图1是本实用新型所述具有介质凹槽和金属化半孔的接地共面波导俯视结构示意图；
20.图2是图1的左视结构示意图；
21.图3是四种接地共面波导的插入损耗比较图；
22.图4是单排金属化过孔且不具有介质凹槽的接地共面波导的电场分布图；
23.图5是单排金属化过孔且具有介质凹槽的接地共面波导的电场分布图；
24.图6是金属化过孔双排交错等距排列且具有介质凹槽的接地共面波导的电场分布图；
25.图7是具有介质凹槽且具有金属化半孔的双排交错等距排列的接地共面波导的电场分布图。
26.图中：1、第二接地层；2、金属化过孔；3、介质凹槽；4、信号导体；5、金属化半孔；6、介质基板；7、第一接地层；8、内嵌部。
具体实施方式
27.为了使本技术领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
28.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
29.如图1-图2所示，本实用新型提供的一种接地共面波导结构，包括介质基板6、设于介质基板6底面的第一接地层7、设于介质基板6顶面的信号导体4和两个第二接地层1，所述信号导体用于传输毫米波信号，两个所述第二接地层1共面设置且对称布置于信号导体两侧，所述第二接地层1靠近信号导体一侧设有多个等距排列的金属化过孔2，所述金属化过孔2与第一接地层7相连接，使第二接地层1与第一接地层7具有一致的接地性能，为信号提供良好的回流路径，两个第二接地层1与信号导体间均设有间隙，所述介质基板6顶面设有与所述间隙相对应的介质凹槽3，用空气代替原来的介质基板6材料，其刻蚀形状可以为长方形、u形、v形、椭圆形等，使传输线的等效介电常数降低，能有效降低导体损耗和介质损耗，介质凹槽3深度越大，对导体损耗和介质损耗的降低越明显，同时通过调整介质凹槽3的深度，可以改变传输线的特性阻抗，使其具有更广的阻抗调节范围。
30.所述信号导体两侧设有内嵌部8，所述内嵌部8沿介质基板6延伸至相对应的介质凹槽3内，形成嵌入式信号导体，所述内嵌部8与相对应侧的第二接地层1间留有间隔，其加工工艺如下：首先将光刻胶涂抹在介质基板6上；其次，介质凹槽3是通过电感耦合等离子体蚀刻形成的，而介质凹槽3的位置由光刻法确定；最后通过溅射和电镀技术进行金属化处理，得到具有嵌入式信号导体的接地共面波导。通过调节嵌入式信号导体的整体宽度及内嵌深度可以改变传输线的特性阻抗，进一步扩大阻抗的调节范围。
31.各第二接地层1对应的金属化过孔2均设有多排，在本实施例中设有两排，能够较好地抑制高次模的激发并形成良好的电磁屏蔽作用。
32.每排的金属化过孔2等距排列，每个第二接地层1所对应的相邻排金属化过孔2交错排列，由于相邻金属化过孔2之间需要保留一定的距离，因此交错等距排列的方式相较于对齐等距排列的方式能够节省空间，使得金属化过孔2的排列更加紧凑，具有更好的电磁屏蔽作用，从而降低辐射损耗，改善电磁泄露问题，降低了总体损耗，能够提升传输线性能。
33.如图3所示，其中，曲线a为单排金属化过孔2且不具有介质凹槽3的传统型接地共面波导插入损耗曲线；曲线b为单排金属化过孔2且具有介质凹槽3的接地共面波导插入损耗曲线；曲线c为金属化过孔2双排对齐等距排列且具有介质凹槽3的接地共面波导插入损耗曲线；曲线d为金属化过孔2双排交错等距排列且具有介质凹槽3的接地共面波导插入损耗曲线。
34.在电磁波频段位于80ghz时，曲线a对应的插入损耗为-0.78025951db，曲线b对应的插入损耗为-0.68972974db，曲线c对应的插入损耗为-0.69906397db，曲线d对应的插入
损耗为-0.53829452db，
35.对于同样是单排金属化过孔2，由曲线b和曲线a可知，具有介质凹槽3的接地共面波导相较于不具有介质凹槽3的传统型接地共面波导，插入损耗低10.3％；
36.对于同样具有介质凹槽3的接地共面波导，由曲线b和曲线c可知，单排金属化过孔2和对齐等距的双排金属化过孔2的插入损耗相似，由曲线d可知，采取交错等距的金属化过孔2排列方式对插入损耗有明显的改善作用，其损耗比单排金属化过孔2或对齐等距的双排金属化过孔2降低了23.1％；
37.由曲线d和曲线a可知，对于具有介质凹槽3且采取交错等距的金属化过孔2排列方式的接地共面波导，其插入损耗比传统单排接地共面波导降低了31％。
38.各第二接地层1靠近信号导体的一排金属化过孔2两端均为半开口的金属化半孔5，使其与介质基板6边缘无缝隙，既限制了电磁波的向外泄露，又能改善接地共面波导端口处的反射问题，使共面波导端口处的电磁辐射或电磁泄露得到进一步抑制，金属化半孔5的一种加工工艺流程如下：钻孔—化学铜—全板铜—图像转移一图形电镀一退膜一蚀刻一阻焊一表面涂覆一金属化半孔5。
39.图4中的频率为80ghz，相位为330
°
，电场幅值最大值为98.2403db伏特每米；图5中的频率为80ghz，相位为290
°
，电场幅值最大值为99.018db伏特每米；图6中的频率为80ghz，相位为127.75
°
，电场幅值最大值为98.9876db伏特每米；图7中的频率为80ghz，相位为330
°
，电场幅值最大值为98.8483db伏特每米，
40.由图4与图5对比可知，同样是单排金属化过孔2，具有介质凹槽3的接地共面波导相较于不具有介质凹槽3的传统型接地共面波导，电磁屏蔽性能更优异；
41.由图5与图6对比可知，对于同样具有介质凹槽3的接地共面波导，具有双排金属化过孔2的接地共面波导相较于具有单排金属化过孔2的接地共面波导，电磁屏蔽性能更优异；
42.由图6与图7对比可知，对于同样具有介质凹槽3的接地共面波导，具有金属化半孔5的接地共面波导相较于不具有金属化半孔5的接地共面波导，电磁屏蔽性能更优异。
43.本实用新型结构简单，通过设置介质凹槽使传输线的等效介电常数降低，能有效降低导体损耗和介质损耗，介质凹槽深度越大，对导体损耗和介质损耗的降低越明显；通过改变嵌入式信号导体的整体宽度和内嵌深度、改变介质凹槽深度，在接地共面波导的整体尺寸不改变情况下，仍能调节传输线的特性阻抗，比传统的接地共面波导拥有更广的阻抗调节范围；多排金属化过孔能够较好地抑制高次模的激发并形成良好的电磁屏蔽作用；交错等距排列的方式相较于对齐等距排列的方式能够节省空间，使得金属化过孔的排列更加紧凑，具有更好的电磁屏蔽作用，从而降低辐射损耗，改善电磁泄露问题，降低了总体损耗，能够提升传输线性能；金属化半孔与介质基板边缘无缝隙，既限制了电磁波的向外泄露，又能改善接地共面波导端口处的反射问题，使共面波导端口处的电磁辐射或电磁泄露得到进一步抑制。
44.以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。