CN104218296A - 一种基于多层印刷技术的波导及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多层印刷技术的波导及制备方法，该波导采用多层平面板作为介质基板组，并对上层和下层平板进行金属涂覆、并在多层平面板组成的介质基板组中设计空腔和布设金属通孔，得到的基片集成金属波导，该波导沿用了SIW的离散接地代替连续接地的方法，在多层印刷结构中实现了准金属波导结构，利用本发明方法设计得到的基片集成金属波导，在忽略辐射损耗时，其传输特性与金属波导一致，且降低了波导加工工艺。

Description

一种基于多层印刷技术的波导及其制备方法

技术领域

本发明涉及微波传输线领域，特别是涉及一种基于多层印刷技术的波导及制备方法，采用平面多层印刷和离散接地处理设计得到平面金属波导。

背景技术

基片集成波导(SIW)是近几年来风靡国际的微波集成化技术，得到了学术界的极大关注。在微波高频段，SIW相对于普通的平面电路，可以得到较高的单腔无载Q值，其中普通平面电路的最高无载Q值约为100，而SIW的无载Q值可高达300～500，因此采用SIW传输微波信号，其插入损耗约为平面结构波导的一半，因此得到了广泛应用。

金属波导采用立体结构，其传输损耗比平面结构波导的传输损耗小，一般金属结构波导的传输损耗约为SIW传输损耗的十分之一，但是由于金属波导采用立体结构，通过机械加工实现时对工艺要求较高，实现难度大，特别是结构件与平面电路的连接问题，一直是金属波导的集成化的难点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于多层印刷技术的波导及制备方法，该波导在多层印刷结构中实现了准金属波导结构，本发明提供的波导为基片集成金属波导(SIMW)，在忽略辐射损耗时，其传输特性与金属波导一致，而相对于金属波导的加工工艺，本发明可以进一步简化加工工艺，并且在本发明的基片集成金属波导制备过程中采用了成熟的加工工艺，可以大幅降低波导制造成本，提高同批次或不同批次产品间的生产一致性。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种基于多层印刷技术的波导，其介质基板组为m层平面印刷板，所述m层平面印刷板由上到下排序为第1层～第m层，m为正整数且m≥3，其中第1层平面印刷板的下表面和第m层平面印刷板的上表面分别有一层金属涂覆层；所述两层金属涂覆层之间有一个空腔，空腔的窄边和空腔的宽边相互垂直，空腔的窄边长度等于b，空腔的宽边长度等于c，其中b为第2层～第m-1层的平面印刷板的总厚度；在平面印刷板表面上设有金属通孔，所述金属通孔贯通m层平面印刷板，且所述金属通孔在平面印刷版表面平行分布为两排，分布方向与所述空腔的宽边垂直，其中，每排金属通孔中相邻两个金属通孔间的中心间距E＝3D，D为金属通孔的孔径，且其中一排金属通孔中心的连线与另一排金属通孔中心的连线之间的垂直距离等于所述空腔宽边长度c；所述空腔的窄边垂直于平面印刷板表面，所述空腔的宽边平行于平面印刷板表面，且窄边与宽边构成的平面与波导的传输方向垂直。

上述的基于多层印刷技术的波导，第1层平面印刷板的下表面和第m层平面印刷板的上表面上的金属涂覆层厚度大于波导工作频段的趋肤深度δ:

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\πf\μ\σ}}}$

其中，f为波导的工作频率，μ为所述金属涂覆材料的磁导率，σ为所述金属涂覆材料的电导率。

上述的基于多层印刷技术的波导，在平面印刷板表面的两排金属通孔外侧分别设有n排金属通孔，所述同一侧的n排金属通孔中心连线的垂直间距为3D，每排金属通孔中相邻金属通孔的中心间距为3D，增加的2n排金属通孔用于减小波导的辐射损耗。

上述的基于多层印刷技术的波导的制备方法，包括如下步骤：

(1)、设定金属波导的宽边长度a和高度b；

(2)、选用m层平面印刷板作为介质基板组，其中，m为正整数且m≥3；所述m层平面印刷板由上到下排序为第1层～第m层，其中，第2层～第m-1层的平面印刷板的总厚度等于所述步骤(1)设定的金属波导高度b；

(3)、在第1层平面印刷板的下表面和第m层平面印刷板的上表面进行金属涂覆；

(4)、对第2层～第m-1层的平面印刷板进行加工处理，在步骤(3)中得到的两层金属涂覆层之间形成一个空腔，使得所述空腔的窄边长度等于b，所述空腔的宽边长度c由步骤(1)设定的金属波导宽边长度a计算得到；

(5)、在平面印刷板表面开设金属通孔，所述金属通孔贯通m层平面印刷板，且所述金属通孔在平面印刷版表面平行分布为两排，分布方向与所述空腔的宽边方向垂直，其中，所述金属通孔的孔径为D，每排金属通孔中相邻两个金属通孔间的中心间距E＝3D，其中一排金属通孔中心的连线与另一排金属通孔中心的连线之间的垂直距离等于所述空腔宽边长度c。

上述的基于多层印刷技术的波导的制备方法，在步骤(4)中对第2层～第m-1层的平面印刷板进行加工处理按照多层PCB或LTCC工艺进行。

上述的基于多层印刷技术的波导的制备方法，所述空腔的宽边长度c由步骤(1)设定的金属波导宽边长度a通过如下公式计算得到：

a＝-0.047c³+0.1825c²-1.3035c+9.3771。

上述的基于多层印刷技术的波导的制备方法，在步骤(5)中采用金属孔化工艺在平面印刷板表面开设金属通孔。

上述的基于多层印刷技术的波导的制备方法，步骤(5)中，在平面印刷板表面开设金属通孔，在已开设的两排金属通孔外侧分别开设n排金属通孔，所述同一侧的n排金属通孔中心连线的垂直间距为3D，每排金属通孔中相邻金属通孔的中心间距为3D，其中n为正整数。

上述的基于多层印刷技术的波导的制备方法，如果波导在高频段工作，则选聚四氟乙烯材质的介质基板组。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明提供的波导采用多层平面印刷板作为介质基板组，并在上层和下层平面印刷的表面有金属涂覆层，在多层平面印刷板组成的介质基板组中有空腔，在平面印刷板表面设有设置金属通孔，得到基片集成金属波导(SIMW)，该基片集成金属波导在多层印刷结构中实现了准金属波导结构，其传输性能与宽边长度为a、高度为b的金属波导相近，与平面结构的基片集成波导(SIW)相比，其传输效率大大提高；

(2)本发明提供的的波导制备方法，可以得到与金属波导传输性能相近的基片集成金属波导，但加工工艺相对立体结构的金属波导大幅简化，本发明的波导制备方法与金属波导的制备方法相比，将机械立体加工变为平面印刷制造，大幅提升了波导器件与平面电路的集成化设计，因为避免了金属波导的立体加工，因此提高了加工精度，并节省了金属资源，并避免了部分金属波导机械连接问题。

(3)本发明提供的波导及其制备方法，在波导制备过程中，采用成熟的加工工艺，如多层PCB或LTCC工艺，可以大幅降低波导制造成本，并提高同批次或不同批次产品间的生产一致性。

附图说明

图1为采用本发明波导实现方法得到的一段基片集成金属波导的俯视图；

图2为图1所示波导在A-A方向进行剖视的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

本发明选用多层平面印刷板作为介质基板组，并在该多层平面印刷板的上层板的下表面和下层板的上表面进行金属涂覆，并在上述两层金属涂覆层的上下表面间加工出一个空腔，并在多层平面印刷板的由上到下方向设置两排金属通孔，即采用离散接地方式在多层平面印刷板结构中实现金属波导设计，本发明将通过这种方法实现的波导称为基片集成金属波导(SIMW)，这种波导在忽略辐射损耗时，其传输特性与金属波导一致，但加工工艺相对立体结构的金属波导大幅简化。

本发明的基于多层印刷技术的波导，其介质基板组为m层平面印刷板，所述m层平面印刷板由上到下排序为第1层～第m层，m为正整数且m≥3，其中第1层平面印刷板的下表面和第m层平面印刷板的上表面分别有一层金属涂覆层；所述两层金属涂覆层之间有一个空腔，空腔的窄边和空腔的宽边相互垂直，空腔的窄边长度等于b，空腔的宽边长度等于c，其中b为第2层～第m-1层的平面印刷板的总厚度；在平面印刷板表面上设有金属通孔，所述金属通孔贯通m层平面印刷板，且所述金属通孔在平面印刷版表面平行分布为两排，分布方向与所述空腔的宽边垂直，其中，每排金属通孔中相邻两个金属通孔间的中心间距E＝3D，D为金属通孔的孔径，且其中一排金属通孔中心的连线与另一排金属通孔中心的连线之间的垂直距离等于所述空腔宽边长度c；所述空腔的窄边垂直于平面印刷板表面，所述空腔的宽边平行于平面印刷板表面，且窄边与宽边构成的平面与波导的传输方向垂直。

其中，第1层平面印刷板的下表面和第m层平面印刷板的上表面上的金属涂覆层厚度大于波导工作频段的趋肤深度δ:

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\πf\μ\σ}}}$

其中，f为波导的工作频率，μ为所述金属涂覆材料的磁导率，σ为所述金属涂覆材料的电导率。

本发明中，为了减小波导的辐射损耗，在平面印刷板表面的两排金属通孔外侧分别设有n排金属通孔，其中同一侧的n排金属通孔中心连线的垂直间距为3D，每排金属通孔中相邻金属通孔的中心间距为3D。

上述的基于多层印刷技术的波导的制备方法，包括如下步骤：

(1)、设定金属波导的宽边长度a和高度b；

(2)、选用m层平面印刷板作为介质基板组，其中，m为正整数且m≥3；所述m层平面印刷板由上到下排序为第1层～第m层，其中，第2层～第m-1层的平面印刷板的总厚度等于所述步骤(1)设定的金属波导高度b；

(3)、在第1层平面印刷板的下表面和第m层平面印刷板的上表面进行金属涂覆；

(4)、采用多层PCB或LTCC工艺对第2层～第m-1层的平面印刷板进行加工处理，在步骤(3)中得到的两层金属涂覆层之间形成一个空腔，使得所述空腔的窄边长度等于b，所述空腔的宽边长度c由步骤(1)设定的金属波导宽边长度a通过以下公式计算得到：

a＝-0.047c³+0.1825c²-1.3035c+9.3771。

该计算公式为通过多次仿真得到经验公式。

(5)、采用金属孔化工艺在平面印刷板表面开设金属通孔，所述金属通孔贯通m层平面印刷板，且所述金属通孔在平面印刷版表面平行分布为两排，分布方向与所述空腔的宽边方向垂直，其中，所述金属通孔的孔径为D，每排金属通孔中相邻两个金属通孔间的中心间距E＝3D，其中一排金属通孔中心的连线与另一排金属通孔中心的连线之间的垂直距离等于所述空腔宽边长度c。

为了减小波导的辐射损耗，还可以在以上已经开设的两排金属通孔外侧分别开设n排金属通孔，所述同一侧的n排金属通孔中心连线的垂直间距为3D，每排增加的金属通孔中相邻金属通孔的中心间距为3D，其中n为正整数。

如果波导在高频段工作，则优选聚四氟乙烯材质的介质基板组。

实施例：

波导的工作中心频率f＝14GHz，采用m层平面印刷板作为介质基板组其中，第2层～第m-1层的平面印刷板的总厚度为7mm，第1层平面印刷板的下表面和第m层平面印刷板的上表面有金属涂覆层，该金属涂覆层厚度为7um；两层金属涂覆层之间空腔窄边长度为7mm、宽边长度c为14mm；在平面印刷板表面上设有金属通孔，所述金属通孔贯通m层平面印刷板，且所述金属通孔在平面印刷版表面平行分布为两排，分布方向与所述空腔的宽边方向垂直，其中，金属通孔的孔径D＝0.4mm，每排金属通孔中相邻两个金属通孔间的中心间距E＝1.3mm，其中一排金属通孔中心的连线与另一排金属通孔中心的连线之间的垂直距离等于所述空腔宽边长度c＝14mm。

采用仿真软件HFSS对以上的波导进行仿真，并对同样工作频段内的金属波导和SIW进行仿真，其中金属波导的宽边长度为13.93mm、高度为6.965mm，SIW的宽边长度、窄边长度分别为6.68mm和3.34mm，通过仿真得到本发明波导、金属波导、SIW的差损分别为-0.0196dB、-0.0029dB和-0.3893dB。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种基于多层印刷技术的波导，其特征在于：介质基板组为m层平面印刷板，所述m层平面印刷板由上到下排序为第1层～第m层，m为正整数且m≥3，其中第1层平面印刷板的下表面和第m层平面印刷板的上表面分别有一层金属涂覆层；所述两层金属涂覆层之间有一个空腔，空腔的窄边和空腔的宽边相互垂直，空腔的窄边长度等于b，空腔的宽边长度等于c，其中b为第2层～第m-1层的平面印刷板的总厚度；在平面印刷板表面上设有金属通孔，所述金属通孔贯通m层平面印刷板，且所述金属通孔在平面印刷版表面平行分布为两排，分布方向与所述空腔的宽边垂直，其中，每排金属通孔中相邻两个金属通孔间的中心间距E＝3D，D为金属通孔的孔径，且其中一排金属通孔中心的连线与另一排金属通孔中心的连线之间的垂直距离等于所述空腔宽边长度c；所述空腔的窄边垂直于平面印刷板表面，所述空腔的宽边平行于平面印刷板表面，且窄边与宽边构成的平面与波导的传输方向垂直。

2.根据权利要求1所述的一种基于多层印刷技术的波导，其特征在于，第1层平面印刷板的下表面和第m层平面印刷板的上表面上的金属涂覆层厚度大于波导工作频段的趋肤深度δ:

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\πf\μ\σ}}}$

其中，f为波导的工作频率，μ为所述金属涂覆材料的磁导率，σ为所述金属涂覆材料的电导率。

3.根据权利要求1所述的一种基于多层印刷技术的波导，其特征在于，在平面印刷板表面的两排金属通孔外侧分别设有n排金属通孔，所述同一侧的n排金属通孔中心连线的垂直间距为3D，每排金属通孔中相邻金属通孔的中心间距为3D。

4.根据权利要求1所述的一种基于多层印刷技术的波导的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)、设定金属波导的宽边长度a和高度b；

(2)、选用m层平面印刷板作为介质基板组，其中，m为正整数且m≥3；所述m层平面印刷板由上到下排序为第1层～第m层，其中，第2层～第m-1层的平面印刷板的总厚度等于所述步骤(1)设定的金属波导高度b；

(3)、在第1层平面印刷板的下表面和第m层平面印刷板的上表面进行金属涂覆；

(4)、对第2层～第m-1层的平面印刷板进行加工处理，在步骤(3)中得到的两层金属涂覆层之间形成一个空腔，使得所述空腔的窄边长度等于b，所述空腔的宽边长度c由步骤(1)设定的金属波导宽边长度a计算得到；

(5)、在平面印刷板表面开设金属通孔，所述金属通孔贯通m层平面印刷板，且所述金属通孔在平面印刷版表面平行分布为两排，分布方向与所述空腔的宽边方向垂直，其中，所述金属通孔的孔径为D，每排金属通孔中相邻两个金属通孔间的中心间距E＝3D，其中一排金属通孔中心的连线与另一排金属通孔中心的连线之间的垂直距离等于所述空腔宽边长度c。

5.根据权利要求4所述的一种基于多层印刷技术的波导的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中对第2层～第m-1层的平面印刷板进行加工处理按照多层PCB或LTCC工艺进行。

6.根据权利要求4所述的一种基于多层印刷技术的波导的制备方法，其特征在于，所述空腔的宽边长度c由步骤(1)设定的金属波导宽边长度a通过如下公式计算得到：

a＝-0.047c³+0.1825c²-1.3035c+9.3771。

7.根据权利要求4所述的一种基于多层印刷技术的波导的制备方法，其特征在于，在步骤(5)中采用金属孔化工艺在平面印刷板表面开设金属通孔。

8.根据权利要求4所述的一种基于多层印刷技术的波导的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，在平面印刷板表面开设金属通孔，在已开设的两排金属通孔外侧分别开设n排金属通孔，所述同一侧的n排金属通孔中心连线的垂直间距为3D，每排金属通孔中相邻金属通孔的中心间距为3D，其中n为正整数。

9.根据权利要求4所述的一种基于多层印刷技术的波导的制备方法，其特征在于，如果波导在高频段工作，则选聚四氟乙烯材质的介质基板组。