一种新型模式转换传输线

1.本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种新型模式转换传输线。


背景技术：

2.目前商用的是5g频段中的sub-6g频段。但是随着更高的带宽需求，更快的速率传输，比如全息技术、高清无延时直播等应用需求，5g毫米波频段有更大的发展潜力与实际应用价值。传输线设计是5g通信网络和射频微波工程的基础，所有微波射频器件设计都以传输线为载体，为了使能量可以在5g通信中低损、高速的传输，设计良好的传输线是关键。
3.传输线设计的必要性有，具体有以下三点原因：
4.(1)传统传输线(矩形波导、微带线、同轴线等)的限制无法应用到超宽带、超高速的应用场景；矩形波导具有低频截止频率，微带线和同轴线在高频损耗大。
5.(2)在5g毫米波通信系统中，毫米波前端具有功率、成本、损耗等挑战。传输线是5g毫米波通信系统的前端器件，所有的传输线都需要低损耗、低衰减来弥补通信传输系统中的路径损耗和传输损耗；
6.(3)传输线在片上系统(soc)、集成电路系统(ics)要求切换的上升、下降沿非常短，意味着传输速率快，要求传输线的带宽非常宽。并且，要求发送到接收延时小。所以需要超宽带的传输线来保证信号的完整性。
7.目前，模式转换传输线凭借易于集成的、“模式转换”的特点、低损耗、超宽带的优点而广泛应用到微波射频器件设计、集成电路和芯片设计中，如图14所示，目前现有模式转换传输线是通过在介质两侧加载两排金属侧壁的方法来实现，随着频率升高至5g毫米波频段/太赫兹频段，模式转换传输线两侧的侧壁接地板很难在介质基板中加工，特别是易碎的或比较薄的介质基板中，导致模式转换传输线在高频毫米波/太赫兹频段难以应用。


技术实现要素：

8.鉴于此，本发明的实施例提供了一种新型模式转换传输线，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷。
9.本发明的一个方面提供了一种新型模式转换传输线，所述新型模式转换传输线包括渐变段和传输段，所述渐变段设置在传输段两端；
10.所述渐变段和传输段均包括具有相同位置关系的介质基板、中心金属导体带和覆铜金属地板；
11.所述介质基板、中心金属导体带和覆铜金属地板的位置关系为，所述中心金属导体带和覆铜金属地板均与介质基板上表面相连接，所述中心金属导体带设置于介质基板宽度的中间，所述中心金属导体带沿介质基板的长度方向由介质基板的一端延伸至另一端；所述覆铜金属地板包括第一板和第二板，所述第一板和第二板分别设置于中心金属导体带两侧，所述第一板和第二板均设置有连接带和与连接带相连接的多个凸肋，所述凸肋向背离中心金属导体带的方向延伸，相邻凸肋之间设置有间隔；
12.处于所述渐变段的覆铜金属地板设置有锥形结构，所述锥形结构在远离所述传输段的方向上，锥形结构的两侧边缘逐渐靠近。
13.采用上述方案，本方案中的锥形结构用于实现阻抗匹配和场型匹配，锥形结构是用来适配测试系统的转换结构，使得在导体支持的共面波导和模式转换传输线之间形成超宽带过渡，且本方案以在覆铜金属地板边缘设置连续的凸肋的方式取代现有技术的金属侧壁的方法，相对于现有技术的模式转换传输线便于加工。
14.在本发明的一些实施方式中，所述新型模式转换传输线还包括接头段，所述接头段设置有介质基板、中心金属导体带和覆铜金属地板，处于接头段的介质基板、中心金属导体带和覆铜金属地板的位置关系与处于渐变段和传输段的介质基板、中心金属导体带和覆铜金属地板的位置关系相同。
15.在本发明的一些实施方式中，所述渐变段、传输段和接头段均包括金属接地板，所述金属接地板与介质基板下表面相连接。
16.在本发明的一些实施方式中，所述凸肋设置有多个，处于第一板或第二板上的多个凸肋沿第一板或第二板远离中心金属导体带的边缘均匀分布。
17.在本发明的一些实施方式中，相邻所述凸肋之间的间隔的参数范围为0.1-0.3mm。
18.在本发明的一些实施方式中，单个所述凸肋的长度参数范围为0.4-0.8mm，单个所述凸肋的宽度参数范围为0.1-0.3mm。
19.在本发明的一些实施方式中，所述第一板和第二板分别设置于中心金属导体带两侧，且与所述中心金属导体带之间设置有间隙。
20.在本发明的一些实施方式中，处于渐变段的所述中心金属导体带，在远离传输段的方向上，所述中心金属导体带的宽度逐渐缩小。
21.在本发明的一些实施方式中，所述覆铜金属地板的锥形结构设置于渐变段，并设置于渐变段靠近接头段一侧，所述覆铜金属地板中由锥形结构到传输段的长度部分为过渡段，第一板和第二板靠近中心金属导体带一侧的边缘间距在所述过渡段处，在远离传输段的方向上，所述边缘间距逐渐增大。
22.在本发明的一些实施方式中，第一板和第二板靠近中心金属导体带一侧的边缘间距在所述锥形结构处，在远离传输段的方向上，所述边缘间距逐渐减小。
23.在本发明的一些实施方式中，所述连接带在传输段中各处的宽度相等，所述连接带的宽度大于所述凸肋的宽度。
24.在本发明的一些实施方式中，所述介质基板的材质包括但不限于硅基材料和罗杰斯板材材料。
25.本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出并获得。
26.本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
27.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，并不
构成对本发明的限定。
28.图1为本发明新型模式转换传输线一种实施方式的结构示意图；
29.图2为本发明新型模式转换传输线一种实施方式的俯视结构示意图；
30.图3为本发明新型模式转换传输线一种实施方式的侧视结构示意图；
31.图4为本发明新型模式转换传输线中传输段一种实施方式的结构示意图；
32.图5为本发明新型模式转换传输线中传输段一种实施方式的俯视结构示意图；
33.图6为本发明新型模式转换传输线中传输段一种实施方式的侧视结构示意图；
34.图7为本发明新型模式转换传输线的s11和s21参数仿真结果；
35.图8为本发明新型模式转换传输线在20ghz的电场分布图；
36.图9为本发明新型模式转换传输线在40ghz的电场分布图；
37.图10为本发明新型模式转换传输线在60ghz的电场分布图；
38.图11为本发明新型模式转换传输线在80ghz的电场分布图；
39.图12为本发明新型模式转换传输线在100ghz的电场分布图；
40.图13为波导型号及参数的对比表；
41.图14为现有技术模式转换传输线的结构示意图。
42.附图标记说明
43.通过上述附图标记说明，结合本发明的实施例，可以更加清楚的理解和说明本发明的技术方案。
44.1、覆铜金属地板；11、第一板；12、第二板；13、凸肋；14、连接带；15、过渡段；16、锥形结构；2、中心金属导体带；3、介质基板；4、金属接地板；5、渐变段；6、传输段；7、接头段。
具体实施方式
45.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
46.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
47.应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
48.在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。
49.在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
50.如图14所示，现有技术的缺陷还包括，侧壁金属接地板4在复杂的集成电路中可能造成短路，影响电路的性能；侧壁金属接地板4在“等效电路”模型中等效为引入电感，这样会降低了电路性能。
51.本方案通过在覆铜金属地板1设置多个凸肋13的方式，取代现有技术侧壁金属接地板4的方式，避免造成短路，提高电路性能。
52.为解决以上问题，如图1-6所示，本发明提出一种新型模式转换传输线，所述新型模式转换传输线包括渐变段5和传输段6，所述渐变段5设置在传输段6两端；
53.所述渐变段5和传输段6均包括具有相同位置关系的介质基板3、中心金属导体带2和覆铜金属地板1；
54.所述介质基板3、中心金属导体带2和覆铜金属地板1的位置关系为，所述中心金属导体带2和覆铜金属地板1均与介质基板3上表面相连接，所述中心金属导体带2设置于介质基板3宽度的中间，所述中心金属导体带2沿介质基板3的长度方向由介质基板3的一端延伸至另一端；所述覆铜金属地板1包括第一板11和第二板12，所述第一板11和第二板12分别设置于中心金属导体带2两侧，所述第一板11和第二板12均设置有连接带14和与连接带14相连接的多个凸肋13，所述凸肋13向背离中心金属导体带2的方向延伸，相邻凸肋13之间设置有间隔；
55.所述中心金属导体带2和覆铜金属地板1的材质都为金属，可以为铜或银等，优选为铜及铜合金。
56.所述介质基板3厚度的参数范围为0.11-0.14mm，可以为0.12或0.13等，所述金属导体带厚度的参数范围为0.02-0.05mm，所述覆铜金属地板11的厚度参数范围为0.02-0.05mm。
57.在所述新型模式转换传输线的俯视视角，所述中心金属导体带2的长度与介质基板3的长相等，所述介质基板3的俯视图优选为矩形。
58.所述中心金属导体带2的宽度参数范围为0.2-0.3mm。
59.处于所述渐变段5的覆铜金属地板1设置有锥形结构16，所述锥形结构16在远离所述传输段6的方向上，锥形结构16的两侧边缘逐渐靠近。
60.所述第一板11和第二板12以中心金属导体带2为对称轴，为轴对称图形。
61.多个所述凸肋13向背离中心金属导体带2的方向延伸的长度相等，所述第一板11的凸肋13边缘和第二板12的凸肋13边缘相距第一宽度。
62.本方案的新型模式转换传输线可被认为一种多导体传输线，包括共面波导传输线(中心金属导体带2)和边缘周期性慢波结构(多个凸肋13的结构)，边缘周期性慢波结构在性能上等效“金属侧壁”，这是一种不对称的非均匀截面的纵向均匀导波结构。模式转换和耦合通常发生在沿传播方向存在几何不连续或场中断的情况下，这是由于波导或传输线的横截面内存在物理场向不规则或场奇异性，边界条件被不连续性所破坏。在研究中发现，纵向均匀波导或传输线中也会发生模式转换和模式耦合现象，随着频率的增加，传输线的传输模式从cpw的tem模式转换到波导的te10模式，通过如图7所示仿真结果，从各种场分量的场分布中得到了证明，验证了模式转换的准确性和有效性。
63.本方案的新型模式转换传输线，若传输段的第一宽度为d，则模式转换发生的频率可以根据如下公式设计：
[0064][0065]
εr为介质的介电常数，μ0为真空磁导率，ε0为真空介电常数，fc为模式转换的频率。
[0066]
d的数值根据模式转换频率来决定，如图13所示，如果我们te10的工作频段是60-90ghz，要求d＝3.0988才可以传输te10模式，因此在本方案中d数值比较大。
[0067]
进一步将连接带的宽度设置为大于凸肋宽度，以增大d，有利于矩形波导的te10模式。
[0068]
因此在本方案中，本方案的新型模式转换传输线具有能够实现“模式转换”的特点，即低频传输tem模式，高频传输te10模式，实现同一种设计在不同频段内的单模传输特性。
[0069]
采用上述方案，本方案中的锥形结构16用于实现阻抗匹配和场型匹配，锥形结构16是用来适配测试系统的转换结构，使得在导体支持的共面波导和模式转换传输线之间形成超宽带过渡，且本方案以在覆铜金属地板1边缘设置连续的凸肋13的方式取代现有技术的金属侧壁的方法，相对于现有技术的模式转换传输线便于加工。
[0070]
本方案的新型模式转换传输线结构可被认为一种多导体传输线，即由共面波导传输线和边缘周期性慢波结构，覆铜金属地板1边缘设置连续的凸肋13构成边缘周期性慢波结构在性能上等效“金属侧壁”，这是一种不对称的非均匀截面的纵向均匀导波结构。模式转换和耦合通常发生在沿传播方向存在几何不连续或场中断的情况下，这是由于波导或传输线的横截面内存在物理场向不规则或场奇异性，边界条件被不连续性所破坏。
[0071]
本专利的新型模式转换传输线，首次提出利用慢波结构和共面波导相结合的传输方式，相对之前的模式转换传输线，用覆铜金属地板1边缘设置连续的凸肋13的周期性枝节结构替代了金属侧壁接地板，减少了加工难度与加工成本。提供一种能具有模式转换特性，且具有低损耗和低成本的传输线。
[0072]
如图1-3所示，在本发明的一些实施方式中，所述新型模式转换传输线还包括接头段7，所述接头段7设置有介质基板3、中心金属导体带2和覆铜金属地板1，处于接头段7的介质基板3、中心金属导体带2和覆铜金属地板1的位置关系与处于渐变段5和传输段6的介质基板3、中心金属导体带2和覆铜金属地板1的位置关系相同。
[0073]
在本发明的一些实施方式中，所述渐变段5、传输段6和接头段7均包括金属接地板4，所述金属接地板4与介质基板3下表面相连接。
[0074]
如图1-6所示，在本发明的一些实施方式中，所述凸肋13设置有多个，处于第一板11或第二板12上的多个凸肋13沿第一板11或第二板12远离中心金属导体带2的边缘均匀分布。
[0075]
在本发明的一些实施方式中，相邻所述凸肋13之间的间隔的参数范围为0.1-0.3mm。
[0076]
在本发明的一些实施方式中，单个所述凸肋13的长度参数范围为0.4-0.8mm，单个所述凸肋13的宽度参数范围为0.1-0.3mm。
[0077]
在本发明的一些实施方式中，所述凸肋13在俯视视角下为矩形，所述凸肋13的宽度参数即为俯视视角下矩形的宽度参数，所述宽度参数可以为0.15、0.16、0.17、0.18、0.19或0.2mm等。
[0078]
在本发明的一些实施方式中，所述第一板11和第二板12分别设置于中心金属导体带2两侧，且与所述中心金属导体带2之间设置有间隙。
[0079]
在本发明的一些实施方式中，处于渐变段5的所述中心金属导体带2，在远离传输段6的方向上，所述中心金属导体带2的宽度逐渐缩小。
[0080]
在本发明的一些实施方式中，所述覆铜金属地板1的锥形结构16设置于靠近接头
段7一侧，所述覆铜金属地板1中由锥形结构16到传输段6的长度部分为过渡段15，第一板11和第二板12靠近中心金属导体带2一侧的边缘间距在所述过渡段15处，在远离传输段6的方向上，所述边缘间距逐渐增大。
[0081]
在本发明的一些实施方式中，第一板11和第二板12靠近中心金属导体带2一侧的边缘间距在所述锥形结构16处，在远离传输段6的方向上，所述边缘间距逐渐减小。
[0082]
本方案接头段7的覆铜金属地板1具有双边侧壁，在几何形状上与传输段6的覆铜金属地板1相似，因此通过它们的横向横截面的线性连接来构造锥形过渡相同的形状。这种锥形过渡作为锥形模式耦合器。
[0083]
本方案通过调整中心金属导体带2的宽度和第一板11和第二板12在渐变段5处靠近中心金属导体带2一侧的边缘间距，进而调整第一板11和第二板12与中心金属导体带2之间的间隙大小，间隙的宽度逐渐变化可防止局部正常模式之间的模式耦合，并最大限度地减少辐射模式的功率传输。
[0084]
锥形结构16保持物理边界条件的足够渐变；因此，当信号沿过渡传播时，相关的电磁场可以平滑地变换。
[0085]
换句话说，这种转换确保了两个双边侧壁的接头段7的固定主导共面波导模式和模式转换传输线的可变主导模式之间的良好的阻抗匹配和场匹配。
[0086]
在本发明的一些实施方式中，所述连接带14在传输段6中各处的宽度相等，所述连接带14的宽度大于所述凸肋13的宽度。
[0087]
在本发明的一些实施方式中，所述介质基板3的材质包括但不限于硅基材料和罗杰斯板材材料。
[0088]
在本发明的一些实施方式中，本方案中接头段7、渐变段5和传输段6的介质基板3、中心金属导体带2、覆铜金属地板1和金属接地板4均为一体成型。
[0089]
处于接头段7和渐变段5的中心金属导体带2处于相同电位；处于接头段7和渐变段5的覆铜金属地板1处于相同电位。
[0090]
在本发明的一些实施方式中，所述接头段7中的覆铜金属地板1与渐变段5的覆铜金属地板1中锥形结构16远离传输段6一端相连接，所述接头段7和传输段6中的连接带14各处的宽度相等。
[0091]
在本发明的一个优选实施方式中，所述覆铜金属地板1和金属接地板4的俯视平面均为矩形。
[0092]
实验例：
[0093]
本实验例中介质基板3采用相对介电常数为2.2的罗杰斯5880材料，其损耗正切为0.0009，介质基板3的厚度为0.127mm，长度为56.2mm，宽度为8mm；金属接地板4厚度为0.035mm，长度为56.2mm，宽度为8mm；中心金属导体带2长度为56.2mm，厚度为0.035mm；
[0094]
接头段7处，介质基板3、金属接地板4、覆铜金属地板1和中心金属导体带2的长度均为5.6mm；接头段7的中心金属导体带2的宽度为0.25mm，接头段7中中心金属导体带2与第一板11和第二板12的间隙大小均为0.11mm，接头段7处的连接带14宽度为0.15mm，接头段7处的凸肋13长度为0.6mm，宽度为0.2mm；
[0095]
渐变段5处，介质基板3、金属接地板4、覆铜金属地板1和中心金属导体带2的长度为12.4mm，渐变段5处中心金属导体带2的宽度由0.4mm渐变为0.25mm，渐变段5中覆铜金属
地板1的过渡段15处中心金属导体带2与第一板11和第二板12的间隙大小由0.25mm渐变为0.45mm，渐变段5中覆铜金属地板1的过渡段15处连接带14宽度的由1.4mm渐变到1.2mm；过渡段15长度为5.4mm，渐变段5中覆铜金属地板1的锥形结构16处中心金属导体带2与第一板11和第二板12的间隙大小由0.45mm渐变为0.11mm，锥形结构16长度为7mm，渐变段5中覆铜金属地板1的锥形结构16处连接带14宽度的由1.2mm渐变到0.15mm；渐变段5处的凸肋13长度为0.6mm，宽度为0.2mm；
[0096]
传输段6处，介质基板3、金属接地板4、覆铜金属地板1和中心金属导体带2的长度为20.2mm，传输段6处的中心金属导体带2的宽度为0.4mm，传输段6处中心金属导体带2与第一板11和第二板12的间隙大小均为0.25mm，传输段6处的连接带14宽度为1.4mm，传输段6处的凸肋13长度为0.6mm，宽度为0.2mm；
[0097]
凸肋13之间的间隙为0.2mm，本方案中渐变的方向均为背离传输段6的方向，本方案中包括2个渐变段5、2个接头段7和1个传输段6，总长度为5.6
×
2 12.4
×
2 20.2＝56.2mm。
[0098]
对上述方案的新型模式转换传输线进行s参数仿真，仿真结果如图7所示，由图7可以看出，在dc～100ghz范围内，回波损耗|s11|优于10db，且在相同频带上的插入损耗|s21|优于2.8db，传输线长度为56.2mm，满足设计的要求。
[0099]
分别测试上述方案的传输线在20ghz、40ghz、60ghz、80ghz和100ghz的电场分布图，由图8-12可以看出，可以看出，传输线在20ghz，40ghz时为tem模式，60ghz逐渐转化为te10模式，在80ghz和100ghz为te10模式，即传输线发生了模式转换现象。
[0100]
传统的模式转换传输线在5g通信系统、高速传输系统以及集成电路系统中具有损耗大、带宽窄、难加工等瓶颈。
[0101]
为了满足对更高通信数据速的需求，本方案的新型模式转换传输线不仅提高通信的传输效率，适用于超宽带、超快速的5g毫米波/太赫兹通信系统，而且还能确保其传输的低损耗、低衰减、低色散特性。
[0102]
1.本专利设计的具有低衰减、低损耗、超高速特性的传输线具有很强的实用性与创新性，对6g通信频段乃至太赫兹频段的发展亦具有重要指导意义和参考价值；
[0103]
2.本专利设计的传输线是宽带宽，低延时、传输速率高，对5g毫米波器件、射频器件如功分器、滤波器、天线的设计具有参考意义。
[0104]
3.本专利提出的传输线具有损耗低、衰减小，可以应用到5g毫米波通信系统中，如基站、射频连接线等；
[0105]
4.本专利提出的传输线结构轻巧、便于集成，可以应用到片上系统中，对芯片设计，集成电路的研究等提供一种思路。
[0106]
本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
[0107]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。