垂直基片集成波導及包括該波導的垂直連接結構的制作方法
【專利摘要】本發明公開垂直基片集成波導及包括該波導的垂直連接結構，包括，介質基片以及附著于所述介質基片上下表面的金屬層；其中，所述介質基片上下表面平行，所述介質基片內設有多個垂直于介質基片的金屬化通孔，所述上下表面金屬層覆蓋所述金屬化通孔，并刻蝕有相同且上下對應的孔縫結構，所述金屬化通孔沿所述孔縫結構圍成閉合結構，所述垂直基片集成波導可實現電磁能量在多層介質基片內的垂直傳輸。
【專利說明】
垂直基片集成波導及包括該波導的垂直連接結構
技術領域
[0001]本發明涉及一種集成于介質基片的電磁波傳輸結構。更具體地，涉及垂直基片集成波導及包括該波導的垂直連接結構。
【背景技術】
[0002]傳輸線作為電磁能量的傳輸結構，是微波毫米波電路系統中的重要組成部分。各類金屬波導作為傳輸線結構之一，在微波毫米波頻段具有傳輸損耗低、基本無電磁能量漏泄的優點。然而，隨著工作頻率的升高，金屬波導的結構尺寸將越來越小，由此導致金屬波導對于機械加工精度的要求不斷提高，加工難度和成本也會相應增加。另一方面，包括微帶線、帶狀線在內的多種平面傳輸線結構具有可集成于介質基片、易于加工實現的優點，但在毫米波頻段具有相對較大的傳輸損耗。與以上兩類傳輸線結構相比，基片集成波導具有易于加工制造、可集成于介質基片的優點，且具有與金屬波導結構相類似的工作特性，近年來已廣泛用于微波毫米波器件和系統的研究設計中。
[0003]目前已有的各類基片集成波導傳輸結構均集成于一層或幾層介質基片內，使得電磁能量在基片集成波導內沿著與介質基片平行的方向傳播，而采用已有基片集成波導結構，難以實現電磁能量在與介質基片垂直的方向上的傳輸，因而不能方便地連接位于不同介質基片層內的電路器件結構。
[0004]因此，需要提供一種垂直基片集成波導。
[0005]目前已有的各類基片集成波導傳輸結構均集成于一層或幾層介質基片內，使得電磁能量在基片集成波導內沿著與介質基片平行的方向傳播，而采用已有基片集成波導結構，難以實現電磁能量在與介質基片垂直的方向上的傳輸，因而不能方便地連接位于不同介質基片層內的電路器件結構。
[0006]在由微帶線、共面波導等平面傳輸線結構構成的多層器件和電路中，通常采用金屬過孔或耦合縫隙等結構來實現不同層間的垂直連接。然而由于基片集成波導所具有的波導工作模式，采用金屬過孔作為不同層內基片集成波導器件或電路間的垂直連接結構，將存在不易于集成實現、工作帶寬較窄等問題，而采用縫隙耦合的方法又僅限于相鄰層間的垂直連接。
[0007]因此需要提供一種適用于多層基片集成波導器件和電路中任意層間垂直連接的結構。
【發明內容】
[0008]本發明的一個目的在于提供一種垂直基片集成波導，以實現電磁能量在與介質基片垂直的方向上的傳輸。
[0009]本發明的另一個目的在于提供一種包括該波導的垂直連接結構，以實現不同層間波導的垂直連接。
[0010]為達到上述目的，本發明采用下述技術方案:
[0011]垂直基片集成波導，包括，
[0012]介質基片I以及附著于所述介質基片I上下表面的金屬層2;其中，所述介質基片I上下表面平行；
[0013]所述介質基片I內設有多個垂直于介質基片I的金屬化通孔4，所述金屬化通孔4圍成閉合結構。
[0014]所述上下表面金屬層2至少覆蓋所述金屬化通孔4，并在所述金屬化通孔4圍成閉合結構范圍內刻蝕有上下對應的孔縫結構3;
[0015]所述介質基片I和金屬層2構成單層垂直基片集成波導。
[0016]優選的，所述集成波導包括，η個上下重疊放置的單層垂直基片集成波導，所述η個上下重疊放置的單層垂直基片集成波導的孔縫結構3相互對應;其中，η>1且為正整數。
[0017]優選的，所述金屬層2覆蓋所述介質基片I上下表面。
[0018]優選的，所述介質基片I厚度不大于四分之一介質波長，相對介電常數不大于20，上下表面面積大于垂直于所述介質基片的切面面積。
[0019]優選的，所述金屬層2厚度不大于0.15mm。
[0020]優選的，所述金屬層2為銅。
[0021]優選的，所述孔縫結構3為圓形孔、橢圓形孔或等多邊形孔且孔縫結構3的尺寸保證垂直基片波導在所需工作頻帶內不處于截止狀態。
[0022]優選的，所述金屬化通孔4的直徑小于二十分之一介質波長，金屬化通孔4孔間距小于十分之一介質波長。
[0023]帶有如上所述垂直基片集成波導的垂直連接結構，還包括，
[0024]第一水平基片集成波導和第二水平基片集成波導；
[0025]所述水平基片集成波導包括水平介質基片5、附著于所述水平介質基片5上下表面的水平波導金屬層6以及兩排平行設置的水平波導金屬化通孔7;
[0026]其中，
[0027]所述水平介質基片5—端還設置有短路金屬化通孔8，所述短路金屬化通孔8將所述水平基片集成波導一端短路，所述水平介質基片5另一端作為水平基片集成波導輸入或輸出端；
[0028]所述上下表面水平波導金屬層6中的一層刻蝕有水平波導孔縫結構9，所述水平波導孔縫結構9位于兩排平行設置的金屬化通孔7和短路金屬化通孔8圍成的范圍內；
[0029]所述垂直基片集成波導設置于第一水平基片集成波導上，所述第一水平基片集成波導上設有孔縫結構9的水平波導金屬層6與所述垂直基片集成波導相連，且兩者孔縫結構9相互匹配；
[0030]所述第二水平基片集成波導設置于所述垂直基片集成波導上，所述第二水平基片集成波導上設有孔縫結構9的水平波導金屬層6與所述垂直基片集成波導相連，且兩者的孔縫結構9相互匹配。
[0031]優選的，所述第一和第二水平基片集成波導的輸入或輸出端設置在所述水平垂直集成波導的同一側或兩側。
[0032]本發明的有益效果如下:
[0033]1、可實現電磁能量在多層介質基片內的垂直傳輸。
[0034]2、可實現位于任意不同介質基片層內的基片集成波導電路器件間的相互連接。
[0035]3、結構緊湊，集成度高，在各層介質基片內占用的面積較小。
[0036]4、易于加工實現，整個基片集成波導結構由金屬層和集成于各基片內的金屬化通孔共同實現。
[0037]5、具有良好的傳輸帶寬和低損耗特性。
【附圖說明】
[0038]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明。
[0039]圖1示出本發明所述具有9層結構的垂直基片集成波導結構圖。
[0040]圖2示出本發明所述垂直基片集成波導單層結構圖。
[0041 ]圖3示出本發明所述垂直基片集成波導單層側面剖視圖。
[0042]圖4示出本發明所述垂直基片集成波導孔縫結構形狀示意圖。
[0043]圖5示出本發明所述垂直基片集成波導內電場分布設計結果。
[0044]圖6示出本發明所述垂直基片集成波導的S參數設計結果。
[0045]圖7示出本發明所述垂直連接結構的分層結構圖。
[0046]圖8示出本發明所述垂直連接結構的三維結構圖。
[0047]圖9示出本發明所述垂直連接結構的S參數設計結果。
【具體實施方式】
[0048]為了更清楚地說明本發明，下面結合優選實施例和附圖對本發明做進一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標記進行表示。本領域技術人員應當理解，下面所具體描述的內容是說明性的而非限制性的，不應以此限制本發明的保護范圍。
[0049].垂直基片集成波導
[0050]本發明所述垂直基片集成波導，包括介質基片I以及附著于所述介質基片I上下表面的金屬層2;其中，所述介質基片I上下表面平行;所述介質基片I內設有多個垂直于介質基片I的金屬化通孔4;所述上下表面金屬層2覆蓋所述金屬化通孔4，并刻蝕有相同且上下對應的孔縫結構3;所述金屬化通孔4沿所述孔縫結構3圍成閉合結構。
[0051]所述介質基片I和金屬層2構成單片垂直基片集成波導。
[0052]此外，所述垂直基片集成波導還可以由η個所述單片垂直基片集成波導組成，所述η個單片垂直基片集成波導上下重疊放置;其中，η為正整數，相鄰的介質基片I共用一個金屬層2。
[0053]所述介質基片I上下表面面積和所述金屬層2面積可以相同，也可以不同。
[0054]所述介質基片I厚度不大于四分之一介質波長，相對介電常數不大于20，面積大于所述垂直基片集成波導的垂直于所述介質基片的豎直橫截面積。
[0055]所述金屬層2厚度不大于0.15mm，材質為銅或金，也可以為其他金屬。
[0056]所述孔縫結構3為圓形孔、橢圓形孔或等多邊形孔且其尺寸應保證垂直基片波導在所需工作頻帶內不處于截止狀態。
[0057]所述金屬化通孔4的直徑小于二十分之一介質波長，金屬化通孔4孔間距小于十分之一介質波長。
[0058]如圖1所示，當η為9時，即所述垂直基片集成波導包括9層上下平行重疊放置的介質基片I以及10層附著于所述介質基片I上下表面的金屬層2，并且所述金屬層2面積和所述介質基片I上下表面積相同。
[0059]如圖2所示，所述介質基片I厚度不大于四分之一介質波長，介質基片I上下表面面積大于垂直于所述介質基片I的切面面積，相對介電常數不大于20，且所述金屬層2為銅或金等常見金屬;當所述金屬層2為銅時，厚度不大于4οζ，即0.15_。
[0060]如圖3所示，所述金屬化通孔4的直徑小于二十分之一介質波長，金屬化通孔4孔間距小于十分之一波長。
[0061]如圖4所示，所述孔隙結構3可以為圓形孔、橢圓形孔或等多邊形孔，所述孔隙結構3尺寸應保證垂直基片波導在所需工作頻帶內不處于截止狀態。
[0062]進一步，當所述孔縫結構3為圓形孔時，該圓形孔的直徑大小應保證垂直基片波導在所需工作頻帶內不處于截止狀態；當所述孔縫結構3為橢形孔時，該橢圓形孔的較大直徑大小應保證垂直基片波導在所需工作頻帶內不處于截止狀態；當所述孔縫結構3為等多邊形時，該等多邊形孔的最大間距大小應保證垂直基片波導在所需工作頻帶內不處于截止狀態
[0063]〈垂直基片集成波導實施例〉
[0064]本發明在Ka波段實現了上述垂直基片集成波導設計。用來構成垂直基片集成波導的介質基片I厚度為0.787mm，介電常數為2.2，金屬層2厚度為0.035mm，刻蝕于金屬層上的矩形孔隙結構3尺寸為4.7mm*0.7mm，位于介質基片I內的金屬化通孔4的直徑為0.4mm，孔徑間距為0.7mm。
[0065]垂直基片集成波導內的電場分布結果如圖5所示，由場分布可以看出該設計的工作模式為基片集成波導的基模TE10模。
[0066]所設計的垂直基片集成波導的S參數結果如圖6所示，可以看出在整個單模工作頻帶范圍內，垂直基片集成波導的I Sn I低于_30dB，同時I S211不大于0.2dB0
[0067].帶有上述垂直基片集成波導的垂直連接結構
[0068]帶有如上述垂直基片集成波導的垂直連接結構，包括，第一水平基片集成波導和第二水平基片集成波導。
[0069]如圖7所示，所述水平基片集成波導包括水平介質基片5、附著于所述水平介質基片5上下表面的水平波導金屬層6以及兩排平行設置的水平波導金屬化通孔7;其中，所述介質基片一端還設置有短路金屬化通孔8，所述短路金屬化通孔8將所述水平基片集成波導一端短路，另一端作為輸入或輸出端;所述上下表面水平波導金屬層6中的一層刻蝕有水平波導孔縫結構9，所述水平波導孔縫結構9位于兩排平行設置的金屬化通孔7和短路金屬化通孔8圍成的范圍內。
[0070]所述垂直基片集成波導設置于第一水平基片集成波導上，所述第一水平基片集成波導上設有水平波導孔縫結構9的水平波導金屬層與所述垂直基片集成波導相連，兩者孔縫結構相互匹配;所述第二水平基片集成波導設置于所述垂直基片集成波導上，其設有水平波導孔縫結構9的水平波導金屬層與所述垂直基片集成波導相連且兩者的孔縫結構9相互匹配。
[0071]所述第一和第二水平基片集成波導的輸入或輸出端設置在所述水平垂直集成波導的同一側或兩側。
[0072]〈垂直連接結構實施例〉
[0073]如圖9所示，本發明在Ka波段實現了上述基片集成波導垂直連接設計。用來構成該設計的介質基片厚度為0.787mm，介電常數為2.2，金屬層厚度為0.035mm，位于水平方向基片集成波導的寬度為4.98mm，刻蝕于上表面的矩形縫隙尺寸為4.7mm*0.43mm，組成連接結構垂直部分的各介質層上下表面金屬層上刻蝕的矩形縫隙尺寸為4.7mm*0.7mm，位于各介質基片內的金屬化通孔的直徑為0.4mm，孔徑間距為0.7_。所設計的基片集成波導垂直連接結構的S參數結果如圖5所示，可以看出該設計在22.5GHz至40GHz頻帶范圍內|Sn I低于-20dB,同時插入損耗I S211不大于0.2dB。
[0074]顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非是對本發明的實施方式的限定，對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬于本發明的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明的保護范圍之列。
【主權項】
1.垂直基片集成波導，其特征在于，包括， 介質基片(I)以及附著于所述介質基片(I)上下表面的金屬層(2);其中，所述介質基片(I)上下表面平行； 所述介質基片(I)內設有多個垂直于介質基片(I)的金屬化通孔(4)，所述金屬化通孔(4)圍成閉合結構。 所述上下表面金屬層(2)至少覆蓋所述金屬化通孔(4)，并在所述金屬化通孔(4)圍成閉合結構范圍內刻蝕有上下對應的孔縫結構(3); 所述介質基片(I)和金屬層(2)構成單層垂直基片集成波導。2.根據權利要求1所述集成波導，其特征在于，所述集成波導包括， η個上下重疊放置的單層垂直基片集成波導，所述η個上下重疊放置的單層垂直基片集成波導的孔縫結構(3)相互對應;其中，η>1且為正整數。3.根據權利要求1所述集成波導，其特征在于，所述金屬層(2)覆蓋所述介質基片(I)上下表面。4.根據權利要求1所述集成波導，其特征在于，所述介質基片(I)厚度不大于四分之一介質波長，相對介電常數不大于20，上下表面面積大于垂直于所述介質基片的切面面積。5.根據權利要求1所述集成波導，其特征在于，所述金屬層(2)厚度不大于0.15mm。6.根據權利要求5所述集成波導，其特征在于，所述金屬層(2)為銅。7.根據權利要求1所述集成波導，其特征在于，所述孔縫結構(3)為圓形孔、橢圓形孔或等多邊形孔且孔縫結構(3)的尺寸保證垂直基片波導在所需工作頻帶內不處于截止狀態。8.根據權利要求1所述集成波導，其特征在于，所述金屬化通孔(4)的直徑小于二十分之一介質波長，金屬化通孔(4)孔間距小于十分之一介質波長。9.帶有如權利要求1-8任意一項所述垂直基片集成波導的垂直連接結構，其特征在于，還包括， 第一水平基片集成波導和第二水平基片集成波導； 所述水平基片集成波導包括水平介質基片(5)、附著于所述水平介質基片(5)上下表面的水平波導金屬層(6)以及兩排平行設置的水平波導金屬化通孔(7); 其中， 所述水平介質基片(5) —端還設置有短路金屬化通孔(8)，所述短路金屬化通孔(8)將所述水平基片集成波導一端短路，所述水平介質基片(5)另一端作為水平基片集成波導輸入或輸出端； 所述上下表面水平波導金屬層(6)中的一層刻蝕有水平波導孔縫結構(9)，所述水平波導孔縫結構(9)位于兩排平行設置的金屬化通孔(7)和短路金屬化通孔(8)圍成的范圍內； 所述垂直基片集成波導設置于第一水平基片集成波導上，所述第一水平基片集成波導上設有孔縫結構(9)的水平波導金屬層(6)與所述垂直基片集成波導相連，且兩者孔縫結構(9)相互匹配； 所述第二水平基片集成波導設置于所述垂直基片集成波導上，所述第二水平基片集成波導上設有孔縫結構(9)的水平波導金屬層(6)與所述垂直基片集成波導相連，且兩者的孔縫結構(9)相互匹配。10.根據權利要求9所述垂直連接結構，其特征在于，所述第一和第二水平基片集成波導的輸入或輸出端設置在所述水平垂直集成波導的同一側或兩側。
【文檔編號】H01P3/02GK105958167SQ201610514786
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年7月1日
【發明人】李雨鍵, 王均宏, 陳美娥, 張展, 李錚
【申請人】北京交通大學