CN116315559A - 一种多层电路板构成的鳍线集成平面功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层电路板构成的鳍线集成平面功分器，属于射频技术领域。本发明所述多层电路板构成的鳍线集成平面功分器具有结构简单，不需要机械腔体加工能形成自封装整体，成本较低，自带低频滤波效果等优点；该结构通过多层介质基板叠层压合实现，具有较低损耗、色散弱、结构简易、体积小，以及容易与其他射频电路集成等优点。在集成电路的设计中，可以应用该结构实现具有小型化、易集成、高隔离度优点的基片集成鳍线功分器，拓展了实际应用场景。

Description

一种多层电路板构成的鳍线集成平面功分器

技术领域

本发明属于射频技术领域，具体涉及一种多层电路板构成的鳍线集成平面功分器。

背景技术

随着微波技术以及毫米波电路的发展，为了实现电路结构的小型化以及射频电路的高集成度，多层板电路技术得到了快速发展，在各类通信设备中得到了广泛的研究与应用。多层板电路能实现有源与无源电路的集成，以及能够实现通信系统设备的小型化。鳍线魔T在微波技术中有着重要的用途。利用鳍线魔T结构可以制成双工器、阻抗电桥、平衡混频器等关键器件。在传输线结构中，鳍线是一种嵌入在矩形波导E面的准平面结构，鳍线的传播模式为混合模，具有低损耗、色散弱，单模带宽大等特点。另一方面，鳍线结构传输截止频率小于封装波导的截止频率，所以所需尺寸比传统波导所需尺寸小而又具有波导的一些优点。但是，鳍线需要加工机械腔体进行封闭，同时需要留下凹槽来安装鳍线，来满足机械支撑以及电磁屏蔽。因此需要额外的装配工作，将其与波导机械组装后才能工作。如今，微波组件对集成度有很高的要求，在波导中的鳍线结构很难与其他有源元器件集成，同样对其传输的电磁波很难控制。传统的鳍线结构金属腔体体积较大，这样使得射频组件小型化很难实现。

综上所述，鳍线结构是一种优良的传输结构，具有低损耗、色散弱、高Q值等传输优点，但鳍线结构需要安装在矩形波导中，不易加工，制作成本高，不易于其它电路以及其它电子元器件集成。

发明内容

本发明是针对背景技术存在的缺陷，提供了一种多层电路板构成的集成平面功分器，该结构能够实现多层电路板加工形成四端口都由微带端接的鳍线魔T结构，鳍线魔T结构是一种通过在四端口引入一根微带探针从而具有高隔离度的功分器，多层电路板结构解决现有鳍线结构需要加工机械腔体和额外的人工装配，以及鳍线结构与其它平面电路难以集成等问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种多层电路板构成的集成平面功分器，呈十字分布，包括至少五层电路板，电路板包括介质基板以及印刷在基板两面的金属层。其中包括第一到第五电路板；第一电路板正面金属铜覆层为全部覆铜，反面位于鳍线魔T结构上方部分不覆铜，其余部分覆铜；第二电路板位于鳍线魔T结构上方部分进行镂空，正面全部覆铜，反面全部覆铜；鳍线魔T结构包含中间的介质基板以及上覆铜层与下覆铜层，呈十字结构。上覆铜层在一、二、三端口相同，都为从微带到鳍线的过渡段，二、三端口覆铜层呈中心旋转对称，四端口基板为全覆铜层。一端口覆铜层从左到右依次为第一微带线，第一微带阻抗变换段，第一鳍线变换段，第二鳍线变换段，第一鳍线阻抗变换段。二端口覆铜层从上到下依次为第二微带线，第二微带阻抗变换段，第三鳍线变换段，第四鳍线变换段。三端口覆铜层从下到上依次为第三微带线，第三微带阻抗变换段，第五鳍线变换段，第六鳍线变换段。其中，第一鳍线变换段与第四鳍线变换段相接，第二鳍线变换段与第五鳍线变换段相接，第三鳍线变换段、第六鳍线变换段与四端口覆铜段相接。下覆铜层在一、二、三端口相同，从左到右依次为第一地面，第一地面变换段，第一无覆铜区域，第四微带阻抗变换段，第四微带线。从上到下依次为第二地面，第二地面变换段，第二无覆铜区域，第三无覆铜区域，第三地面变换段，第三地面；第四电路板位于鳍线魔T结构下方部分进行镂空，正面全部覆铜，反面全部覆铜；第五电路板正面，位于鳍线魔T结构下方部分不覆铜，其余部分覆铜，反面全部覆铜。在每层介质基板上，鳍线魔T结构周边都加工有连续的长条形过孔，每层介质板长条形过孔平面相对位置都是相同的。每层电路板先进行单独加工，然后用多层板技术叠压在一起，形成多层电路板构成的鳍线魔T结构。每层板之间是无间隙接触，形成类波导结构。

通过上述方式，我们可以实现鳍线魔T电路，鳍线魔T电路是基于多层电路板的一种电路形式。鳍线魔T电路至少选用五层电路板构成的多层电路板结构，电路板包括介质基板和设置在介质基板正反面的金属层，该结构是电路板层叠设置后形成多层电路板板体。

按照上述结构实现后，鳍线魔T电路采用多层电路板层叠压合形成，中间一层电路板印刷微带到鳍线过渡以及微带结构，中间相邻一层电路板或者多层电路板进行局部镂空切除处理形成镂空腔。按照相应的顺序将电路板层叠在一起，再对多层电路板进行叠层压合。因为多层的电路板中一些电路板层进行了局部镂空切除处理，所以叠层压合的电路板内部形成了鳍线魔T电路所必须的空气腔体结构。所述的空气腔体结构使电路中电场主要分布于空腔中。上述结构提出的多层电路板构成的鳍线魔T结构具有制造成本低，制作方式简单，能形成自封装整体等优势。该鳍线魔T电路可以通过多层介质基板叠层压合实现，有效克服了传统鳍线魔T电路需要的机械腔体加工、结构笨重、成本较高的缺点，具有较低损耗、色散弱、结构简易、成本低、可实现自封装、以及容易与其他射频电路集成等优点。

附图说明

图1为本发明所描述的鳍线魔T电路模型图；

图2为本发明所描述的鳍线魔T电路正视图；

图3为本发明所描述的鳍线魔T电路第一电路板、第五电路板示意图；

图4为本发明所描述的鳍线魔T电路第二电路板、第四电路板示意图；

图5为本发明所描述的鳍线魔T电路第三电路板示意图；

图6为本发明所描述的鳍线魔T电路工作区域结构示意图；

图7为本发明所描述的鳍线魔T电路一端口回波损耗与二三端口隔离度仿真结果示意图；

图8为本发明所描述的鳍线魔T电路一二端口与一三端口增益仿真结果示意图；

图9为本发明所描述的鳍线魔T电路二端口与三端口回波损耗仿真结果示意图。

具体实施方式

以下结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

对于鳍线魔T电路的实现，如图1所示，当电路板数量为五时，五个电路板第一电路板、第二电路板、第三电路板、第四电路板、第五电路板，电路板包括介质基板以及印刷在基板两面的金属层。第二电路板部分切除处理形成区域A，第四电路板进行局部镂空切除处理形成镂空区域B。鳍线魔T电路空气腔体结构用连续的完全包围的长条形过孔，与多层电路板顶部与底部金属层形成封闭的金属腔。进一步的，还可以在多层板电路形成的空腔中放置器件，包括一些电子元器件、有源的器件或介质材料结构，所述的器件放置在电路板3的正面金属层上。多层电路板加工步骤：

步骤1：首先单层板加工，使用单层的介质基板，用常规印制板加工工艺，对电路板表面的金属按照设计进行加工预制。然后在电路板设计的相应位置加工长条形过孔，对其中需要镂空的电路板进行镂空处理；

步骤2：组装电路板，将加工完成后的电路板按照对应的顺序层叠在一起，再使用多层板加工工艺将其压合到一起，使之成为一个整体。

实施例2：

本发明以一种多层电路板构成的X波段鳍线魔T结构为例。首先电路板加工，使用单层的介质基板，用常规印制板加工工艺，对电路板表面的金属按照设计进行加工预制。如图2所示，电路板3，使用介质材料为Rogers RT/duroid 5880，相对介电常数为2.2，介质基板厚度为0.254mm，电路板1、电路板5，使用介质材料为F4B，相对介电常数为2.65，损耗角正切为0.002，介质基板厚度为1.5mm，电路板2、电路板4，使用介质材料为F4B，相对介电常数为2.65，损耗角正切为0.002，介质基板厚度为2mm。

如图3，第一电路板正面需要全部覆盖金属，反面在过渡区域的需要去除覆铜，与之对称的第五电路板反面需要全部覆盖金属，正面在过渡区域的需要去除覆铜。在电路板设计的相应位置加工长条形过孔。如图4，第二电路板、第四电路板进行局部镂空切除处理形成镂空腔，在电路板设计的相应位置加工长条形过孔，在非镂空区域进行覆铜。如图5，电路板正反两面印刷鳍线魔T电路，在电路板设计的相应位置加工长条形过孔。

鳍线魔T结构如图6示，包含中间的介质基板以及上覆铜层与下覆铜层，呈十字结构。第一端口覆铜层从左到右依次为第一微带线、第一微带阻抗变换段、第一鳍线变换段、第二鳍线变换段、第一鳍线阻抗变换段；第二端口覆铜层从上到下依次为第二微带线、第二微带阻抗变换段、第三鳍线变换段、第四鳍线变换段；第三端口覆铜层从下到上依次为第三微带线、第三微带阻抗变换段、第五鳍线变换段、第六鳍线变换段；第三电路板上覆铜层包括左上部分金属(601)，左下部分金属(602)，靠右部分金属(603)，左上部分金属由第一端口来看，左上部分金属的上边界从第一微带线开始延伸至第一微带阻抗变换段，在一段长度内保持不变，然后开始沿曲线逐渐延伸至结构上边缘与左边缘，左上部分金属的上边界和左边界与结构上边缘和左边缘重合，左上部分金属的下边界从第一微带线开始延伸至第一微带阻抗变换段、第一鳍线变换段，然后在一段长度内保持不变，下边界与中间缝隙上侧位置保持平齐直至第一鳍线阻抗变换段，台阶式上升至第四鳍线变换段，在一段长度内保持不变，然后开始沿曲线逐渐延伸至第二端口结构左边缘；左下部分金属由第三端口来看，左下部分金属的上边界从第三微带线开始延伸至第三微带阻抗变换段，在一段长度内保持不变，然后开始沿曲线逐渐延伸至结构左边缘与下边缘，左下部分金属的左边界和下边界与结构左边缘和下边缘重合，左下部分金属的下边界从第三微带线开始延伸至第三微带阻抗变换段、第五鳍线变换段，然后在一段长度内保持不变，左下部分金属的右边界与中间缝隙左侧位置保持平齐直至第一鳍线阻抗变换段，台阶式上升至第二鳍线变换段，在一段长度内保持不变，然后开始沿曲线逐渐延伸至第一端口结构下边缘；靠右部分金属由第二端口来看，靠右部分金属的上边界从第二微带线开始延伸至第二微带阻抗变换段，在一段长度内保持不变，然后开始沿曲线逐渐延伸至结构右边缘在一段长度内保持不变，连接至第四端口全覆铜区域，在金属(603)下半部分第六鳍线段右边界与该平面结构右边界保持重合；靠右部分金属的下边界从第二微带线开始延伸至第二微带阻抗变换段、第三鳍线变换段，在一段长度内保持不变，延伸至金属(603)下半部分第六鳍线变换段时沿曲线逐渐变换至结构右边缘；第三电路板下覆铜层在第一端口、第二端口、第三端口结构相同，第一电路板的下覆铜层从左到右依次为第一地面、第一地面变换段、第一无覆铜区域、第四微带阻抗变换段、第四微带线；第一电路板的下覆铜层从上到下依次为第二地面段、第二地面变换段、第二无覆铜区域、第三无覆铜区域、第三地面变换段、第三地面；第一电路板的下覆铜层的第一端口覆铜区从第一地面段开始，然后在第一地面变换段金属从离该平面结构下边缘一定距离开始沿着曲线逐渐减小到该平面结构上边缘，然后到不覆铜区域；第二端口覆铜区从第二地面段开始，然后在第二地面变换段金属从离该平面结构左边缘一定距离开始沿着曲线逐渐减小到该平面结构右边缘，然后到不覆铜区域；第三端口覆铜区从第三地面段开始，然后在第三地面变换段金属从离该平面结构右边缘一定距离开始沿着曲线逐渐减小到结构左边缘，然后到不覆铜区域；第四端口覆铜区从第四微带阻抗变换段开始变换到第四微带线且一直延伸至第四端口，第四微带阻抗变换段、第四微带线都位于该平面结构的横向中轴线处。

电路板加工预制后组装电路板，将加工完成后的电路板按照图2对应的顺序层叠在一起，再使用多层板加工工艺将其压合到一起，使之成为一个整体，形成多层电路板构成的鳍线魔T结构。

实施例3：

在实施例2的基础上，电路板的层数、金属长条形过孔数量及排布，可根据实际情况做适当调整，以满足不同使用场景的需要。

本发明中多层电路板构成的鳍线魔T结构仿真结果如图7-9所示，dB(S(1,1))为其反射损耗，dB(S(1,2))，dB(S(1,3))为其插入损耗，dB(S(3,2))为其二三端口隔离，dB(S(2,2))，dB(S(3,3))，为其二，三端口的回波损耗，其频带可覆盖8GHz-12GHz,可通过缩小相应的尺寸提高其工作频率。

Claims (7)

1.一种多层电路板构成的鳍线集成平面功分器，其特征在于，所述鳍线集成平面功分器呈十字分布，包括由上至下依次紧密贴合的多层电路板，每层电路板包括介质基板及印刷在介质基板上下表面的金属层；多排金属长条形过孔沿介质基板的长边呈井字排布，贯穿多层电路板，位于介质基板两条中轴线两侧，多排金属长条形过孔所在线段范围内的空间作为传输功能区；中间的介质基板，位于多排金属长条形过孔范围内的空间全部挖空，形成镂空区域A和镂空区域B。

2.根据权利要求1所述的多层电路板构成的鳍线集成平面功分器，其特征在于，多层电路板的数量为五层，第一电路板介质基板的上表面全部覆铜，下表面除镂空区域A外全部覆铜；第二电路板介质基板的上表面除镂空区域A外全部覆铜，下表面除镂空区域A外全部覆铜；第三电路板介质基板的上表面除镂空区域A外全部覆铜，下表面全部覆铜；第四电路板介质基板的上表面和下表面除镂空区域B外全部覆铜；第五电路板介质基板的上表面除镂空区域B外全部覆铜，下表面全部覆铜。

3.根据权利要求2所述的多层电路板构成的鳍线集成平面功分器，其特征在于，第一端口位于鳍线集成平面结构左侧，第二端口位于鳍线集成平面结构上端，第三端口位于鳍线集成平面结构下端，第四端口位于鳍线集成平面结构右侧，第一端口覆铜层从左到右依次为第一微带线、第一微带阻抗变换段、第一鳍线变换段、第二鳍线变换段、第一鳍线阻抗变换段；第二端口覆铜层从上到下依次为第二微带线、第二微带阻抗变换段、第三鳍线变换段、第四鳍线变换段；第三端口覆铜层从下到上依次为第三微带线、第三微带阻抗变换段、第五鳍线变换段、第六鳍线变换段；第三电路板的上覆铜层包括左上部分金属(601)，左下部分金属(602)，靠右部分金属(603)，左上部分金属由第一端口来看，左上部分金属的上边界从第一微带线开始延伸至第一微带阻抗变换段，在一段长度内保持不变，然后开始沿曲线逐渐延伸至结构上边缘与左边缘，左上部分金属的上边界和左边界与结构上边缘和左边缘重合，左上部分金属的下边界从第一微带线开始延伸至第一微带阻抗变换段、第一鳍线变换段，然后在一段长度内保持不变，下边界与中间缝隙上侧位置保持平齐直至第一鳍线阻抗变换段，台阶式上升至第四鳍线变换段，在一段长度内保持不变，然后开始沿曲线逐渐延伸至第二端口结构左边缘；左下部分金属由第三端口来看，左下部分金属的上边界从第三微带线开始延伸至第三微带阻抗变换段，在一段长度内保持不变，然后开始沿曲线逐渐延伸至结构左边缘与下边缘，左下部分金属的左边界和下边界与结构左边缘和下边缘重合，左下部分金属的下边界从第三微带线开始延伸至第三微带阻抗变换段、第五鳍线变换段，然后在一段长度内保持不变，左下部分金属的右边界与中间缝隙左侧位置保持平齐直至第一鳍线阻抗变换段，台阶式上升至第二鳍线变换段，在一段长度内保持不变，然后开始沿曲线逐渐延伸至第一端口结构下边缘；靠右部分金属由第二端口来看，靠右部分金属的上边界从第二微带线开始延伸至第二微带阻抗变换段，在一段长度内保持不变，然后开始沿曲线逐渐延伸至结构右边缘在一段长度内保持不变，连接至第四端口全覆铜区域，在靠右部分金属(603)下半部分第六鳍线段右边界与该平面结构右边界保持重合；靠右部分金属的下边界从第二微带线开始延伸至第二微带阻抗变换段、第三鳍线变换段，在一段长度内保持不变，延伸至靠右部分金属(603)下半部分第六鳍线变换段时沿曲线逐渐变换至结构右边缘；第三电路板的下覆铜层在第一端口、第二端口、第三端口结构相同，第一电路板的下覆铜层从左到右依次为第一地面、第一地面变换段、第一无覆铜区域、第四微带阻抗变换段、第四微带线；第一电路板的下覆铜层从上到下依次为第二地面段、第二地面变换段、第二无覆铜区域、第三无覆铜区域、第三地面变换段、第三地面；第一电路板的下覆铜层的第一端口覆铜区从第一地面段开始，然后在第一地面变换段金属从离鳍线集成平面结构下边缘一定距离开始沿着曲线逐渐减小到鳍线集成平面结构上边缘，然后到不覆铜区域；第二端口覆铜区从第二地面段开始，然后在第二地面变换段金属从离鳍线集成平面结构左边缘一定距离开始沿着曲线逐渐减小到鳍线集成平面结构右边缘，然后到不覆铜区域；第三端口覆铜区从第三地面段开始，然后在第三地面变换段金属从离鳍线集成平面结构右边缘一定距离开始沿着曲线逐渐减小到结构左边缘，然后到不覆铜区域；第四端口覆铜区从第四微带阻抗变换段开始变换到第四微带线且一直延伸至第四端口，第四微带阻抗变换段、第四微带线都位于鳍线集成平面结构的横向中轴线处。

4.根据权利要求3所述的多层电路板构成的鳍线集成平面功分器，其特征在于，在四个信号端口处，四个信号端口均端接微带线，其中第一端口、第二端口、第三端口经过微带—鳍线变换段到达工作区，第四端口为隔离探针，隔离探针的深度影响第二端口和第三端口的隔离度。

5.根据权利要求4所述的多层电路板构成的鳍线集成平面功分器，其特征在于，第一端口、第二端口、第三端口的微带—鳍线变换段所用的渐变曲线相同，渐变长度不同。

6.根据权利要求5所述的多层电路板构成的鳍线集成平面功分器，其特征在于，实现了具有第二端口和第三端口隔离度的鳍线功分器—鳍线魔T，第二端口和第三端口隔离度由第四端口的插入探针所决定。

7.根据权利要求6所述的多层电路板构成的鳍线集成平面功分器，其特征在于，第三电路板的介质基板选用的介质材料为Rogers RT或duroid 5880，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.002，介质基板厚度为0.254mm；其他电路板介质基板选用的介质材料为F4B，相对介电常数为2.65，损耗角正切为0.002，第二电路板、第四电路板的介质基板厚度为1.5mm，第一电路板、第五电路板的介质基板厚度为2mm。

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