三维堆叠结构SIW双工器制造技术

本发明专利技术公开的一种三维堆叠结构SIW双工器，涉及微波无源器件领域。旨在提供一种易于小型化和高密度集成，能够实现收发信号垂直传输的SIW双工器。本发明专利技术通过下述技术方案实现：采用叠层SIW滤波器和平面传输线相结合的技术方式，两个作为收发的叠层SIW滤波器由设置在各介质层SIW谐振腔垂直堆叠组成，收发输入输出传输线位于SIW双工器顶层金属面，度弯折后与顶层收发合路信号平面传输线形成T形结构；并且它们的输入输出端口均位于顶层和底层的不同平面，多段位于顶层和底层的平面传输线将收发滤波器的输入输出端口分别进行T型合路和水平引出，形成符合毫米波频段下瓦片式有源相控阵天线实际应用需求的三维堆叠结构SIW双工器。

SIW duplexer with 3D stack structure

【技术实现步骤摘要】
三维堆叠结构SIW双工器
本专利技术涉及微波无源器件领域，三维堆叠结构SIW(SubstrateIntegratedWaveguide)SIW双工器。
技术介绍
SIW双工器是异频双工电台，中继台的主要配件，其作用是将发射和接收讯号相隔离，保证接收和发射都能同时正常工作。它是由两组不同频率的带通滤波器组成。基片集成波导(SIW)技术作为近些年微波无源方向的新兴和热点技术之一。基片集成波导滤波器是一种在介质基片上实现的滤波器，它的性能类似矩形波导滤波器，但却属于平面电路。它具有品质因数高，功率容量大，易于加工，易于集成等特点。基于基片集成波导SIW谐振腔的滤波器具有微带滤波器的易于与系统集成和小型化的优点，同时也兼顾了波导滤波器高Q值(即低插损)、功率容量高的优势，因此基片集成波导SIW滤波器十分适用于在毫米波系统中的应用。基片集成波导(SIW)微波滤波器是通信系统和无线系统中常用的元器件之一，其性能的优劣直接影响到整个系统的质量。基片集成波导SIW其基本结构为在低损耗介质基板上下两面覆以金属层，基板两侧加以金属化通孔。SIW具有矩形波导和微带线的优点，即具有低损耗、高Q值、高功率容量、小型化和易于集成等优点，同时能通过现有的PCB或LTCC工艺来制作。由于基于SIW的谐振腔的厚度远远小于其长度和宽度，因此SIW谐振腔腔体耦合主要是通过腔体地面金属板的开孔和侧壁金属化通孔开窗以及通孔形成探针等结构来实现。通过多个基片集成波导SIW谐振腔的直接耦合或者交叉耦合，结合微波滤波器理论综合知识，可以形成具有不同带外响应特性的SIW滤波器，已有大量学者基于基片集成波导SIW谐振器研究了各种不同种类的微波滤波器，形成了一系列的SIW滤波器的设计理论和设计方法。目前针对基片集成波导SIW传输特性的定量分析有全波分析法，等效模型法和实验法。其中实验法是分别根据实际测量的每个场内位置的电磁参数，绘制基片集成波导的实际场，结果最为精确。但其耗时长，成本高，在实际应用中已经很少应用了。基于全波分析的第三方仿真软件可以较为方便的确定SIW的场域内电磁参数，并准确的分析其传输模型，以及通过建立模型，可以方便的了解SIW各个参数对于其传输特性的影响。而等效模型法，是将SIW器件的设计转化成为了成熟的波导器件设计，利用SIW和波导之间的等效参数设计，将不成熟的设计领域内的问题转化到了成熟的设计领域,降低了问题的难度，节省了解决问题的时间。基片集成波导主要的设计参数集中在金属通孔宽度W，金属通孔间距P，金属通孔直径D，以及基片厚度H上。随着微型集成电路的发展，信号经常需要在各个不同的传输系统或微型部件之间传递转换，对于SIW来说，也同样涉及到此类问题。SIW与一般传输系统之间大概涉及到三种传递转化的方式。一、与微带线共面连接，这种结构只需要一层介质基片。二、与微带线的异面连接，为微带线与SIW分别在不同层的介质基片上，通过通孔，探针耦合进行能量的传输。三、与同轴线的同轴连接。与微带线共面连接微带线是由平行双线逐渐发展而来的一种非平衡传输线。这种传输线是由介质基板和上面的微带导体带条组成的。由于导体带条和接地板之间是介电常数较高的介质基板，因此电场主要分布在导体带条和接地板之间的介质区域内。在低频传输时，可以视为场内传输的是准TEM模，辐射损耗较小。为了实现SIW与微带线的共面连接，除了物理上的相接外，还必须对SIW传输的主模10TE和微带线传输的准TEM模进行模式转换，同时，微带线自身的特性阻抗和SIW的波阻抗也必须进行匹配，满足这两个条件，才能进行信号的传递。50欧姆的微带线与SIW通过一个锥形的过渡段直接连接，同时实现模式匹配和阻抗。由于直接对过渡段进行优化会较为耗时，因此可以直接利用一个简易的等效模型可以寻找到较理想的初值。SIW双工器作为微波毫米波系统中，如有源相控阵天线等重要的无源器件，由接收通带和发射通带两个带通滤波器组成，其位于微波毫米波系统的接收前级和发射末级。SIW双工器的性能指标如插入损耗、端口驻波、收发隔离度等在很大程度上决定微波毫米波系统的接收灵敏度、探测距离、收发隔离度等关键指标。SIW双工器目前的具体实现方式按照工艺区分有PCB、LTCC、HTCC、腔体等，按照电路结构区分有微带形式、波导形式、LC形式等。另一方面，得益于半导体工艺的进步和微系统技术的发展，目前微波毫米波系统朝着高密度集成、小型化、高可靠性、低成本方向发展。以有源相控阵天线为例，其包括天线辐射阵面、T/R组件两大功能模块，其实现架构由以前的信号传输的方向与器件功能面方向平行的砖块式结构逐渐向信号传输的方向与器件的功能面方向垂直的瓦片式结构发展，信号的传输方向由以前的XY平面向Z轴方向改变，这样可以大大减小其所占的平面面积，实现3D堆叠。瓦片式结构的有源相控阵天线可以在小阵元间距下实现T/R组件的高密度集成，是目前相控阵天线尤其是毫米波频段的主流集成架构。然而，目前大量参考资料研究的由SIW滤波器构成的SIW双工器输入输出结构均在同一平面，且在XY平面上有两个或者两个以上SIW谐振腔并列。在毫米波频段下，多个谐振腔的平面排列也会过多地占用XY方向的面积，受限于阵元间距的1/2波长的限制，因此无法满足毫米波频段有源相控阵天线小阵元间距的应用需求。另外，同平面的输入输出SIW双工器也不符合瓦片式有源相控阵天线的信号垂直传输需求。因此，大量文献中报道的SIW在实际的有源相控阵天线等微波毫米波系统的工程应用上具有很大的局限性，需要在此基础上进行改进以满足实际应用。本专利技术则是在传统的平面结构输入输出SIW双工器上进行一定改进。
技术实现思路
为了解决平面输入输出结构的SIW双工器无法适应毫米波频段下有源相控阵天线小阵元间距和信号垂直传输的要求，本专利技术提供一种易于小型化和高密度集成的三维堆叠结构SIW双工器。为了达到上述目的，本专利技术采用SIW矩形谐振腔垂直堆叠和平面传输线相结合的方案，实现三维堆叠结构SIW双工器。本专利技术的上述目的可以通过下述技术方案实现：一种三维堆叠结构SIW双工器，包括：多层介质基板上的发射叠层SIW滤波器4、接收叠层SIW滤波器5、发射输出信号平面传输线6、接收输入信号平面传输线7、收发合路信号平面传输线8、发射输入信号平面传输线9、接收输出信号平面传输线10，其特征在于：发射叠层SIW滤波器4和接收叠层SIW滤波器5均由设置在各介质层中矩形排列的金属化通孔11构成的SIW谐振腔垂直堆叠组成；发射输出信号平面传输线6、接收输入信号平面传输线7位于SIW双工器顶层金属面，通过发射叠层SIW滤波器4和接收叠层SIW滤波器5的输出和输入延出，相向90度弯折，与顶层收发合路信号平面传输线8形成T形结构，引出至顶层收发信号共用端面3；发射输入信号平面传输线9、接收输出信号平面传输线10位于SIW双工器底层金属面，呈平行关系地将发射叠层SIW滤波器4和接收叠层SIW滤波器5的输入和输出分别引出至底层SIW双工器分隔排列的发射信号输入端面1与接收信号输出端面2，从而形成符合毫米波频段下瓦片式有源相控阵天线实际应用需求的三维堆叠结构SIW双工器。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维堆叠结构SIW双工器，包括：多层介质基板上的发射叠层SIW滤波器(4)、接收叠层SIW滤波器(5)、发射输出信号平面传输线(6)、接收输入信号平面传输线(7)、收发合路信号平面传输线(8)、发射输入信号平面传输线(9)、接收输出信号平面传输线(10)，其特征在于：发射叠层SIW滤波器(4)和接收叠层SIW滤波器(5)均由设置在各介质层中矩形排列的金属化通孔(11)构成的SIW谐振腔垂直堆叠组成；发射输出信号平面传输线(6)、接收输入信号平面传输线(7)位于SIW双工器顶层金属面，通过发射叠层SIW滤波器(4)和接收叠层SIW滤波器(5)的输出和输入延出，相向90度弯折，与顶层收发合路信号平面传输线(8)形成T形结构，引出至顶层收发信号共用端面(3)；发射输入信号平面传输线(9)、接收输出信号平面传输线(10)位于SIW双工器底层金属面，呈平行关系地将发射叠层SIW滤波器(4)和接收叠层SIW滤波器(5)的输入和输出分别引出至底层SIW双工器分隔排列的发射信号输入端面(1)与接收信号输出端面(2)，从而形成符合毫米波频段下瓦片式有源相控阵天线实际应用需求的三维堆叠结构SIW双工器。/n...

【技术特征摘要】
1.一种三维堆叠结构SIW双工器，包括：多层介质基板上的发射叠层SIW滤波器(4)、接收叠层SIW滤波器(5)、发射输出信号平面传输线(6)、接收输入信号平面传输线(7)、收发合路信号平面传输线(8)、发射输入信号平面传输线(9)、接收输出信号平面传输线(10)，其特征在于：发射叠层SIW滤波器(4)和接收叠层SIW滤波器(5)均由设置在各介质层中矩形排列的金属化通孔(11)构成的SIW谐振腔垂直堆叠组成；发射输出信号平面传输线(6)、接收输入信号平面传输线(7)位于SIW双工器顶层金属面，通过发射叠层SIW滤波器(4)和接收叠层SIW滤波器(5)的输出和输入延出，相向90度弯折，与顶层收发合路信号平面传输线(8)形成T形结构，引出至顶层收发信号共用端面(3)；发射输入信号平面传输线(9)、接收输出信号平面传输线(10)位于SIW双工器底层金属面，呈平行关系地将发射叠层SIW滤波器(4)和接收叠层SIW滤波器(5)的输入和输出分别引出至底层SIW双工器分隔排列的发射信号输入端面(1)与接收信号输出端面(2)，从而形成符合毫米波频段下瓦片式有源相控阵天线实际应用需求的三维堆叠结构SIW双工器。


2.如权利要求1所述的三维堆叠结构SIW双工器，其特征在于：三维堆叠结构SIW双工器可通过硅基MEMS、HTCC、LTCC和多层PCB任意多层介质基板加工工艺来具体实现。


3.如权利要求1所述的三维堆叠结构SIW双工器，其特征在于：收发叠层SIW滤波器至少采用3层SIW谐振腔堆叠结构，在工艺条件的允许下，或根据微波毫米波系统对SIW双工器的指标要求采用任意不同的堆叠层数。


4.如权利要求1所述的三维堆叠结构SIW双工器，其特征在于：发射信号输入端面(1)、接收信号输出端面(2)、收发信号共用端面(3)分别位于SIW双工器的纵向侧壁处，其中发射信号输入端面(1)和接收信号输出端面(2)位于SIW双工器的底层，收发信号共用端面(3)位于SIW双工器的顶层，构成了能够实现收发信号全双工垂直传输的异面传输结构。


5.如权利要求1所述的三维堆叠结构SIW双工器，其特征在于：位于SIW双工器顶层的发射输出信号平面传输线(6)和接...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱勇，陆宇，
申请(专利权)人：西南电子技术研究所中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51