CN102084538B - 平行传导表面之间的间隙中的波导和传输线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了实现微波设备如电磁传输线、波导和它们的电路的新方法，当频率很高以使现有的传输线和波导具有过大损耗或不能以所需容差被具有成本效益地制造时，该新方法具有优势。因此，新技术旨在在高频处代替同轴线、中空的圆柱形波导和微带线以及其他基片限制的传输线。通过使用在表面之一上的纹理或者多层结构，由传导材料的两个平行表面之间的狭窄间隙实现微波装置。场主要存在于间隙之中，而不存在于纹理或者多层结构本身，所以损耗很小。微波装置进一步包括一个或多个传导元件，如在两个表面中的一个上的金属脊或槽，或者位于两个表面之间的多层结构内的金属带。波沿着传导元件传播。在两个金属表面之间不需要金属连接。至少表面之一设置有装置，以禁止波在表面之间除了沿着除了脊、槽或带以外的其他方向传播。在非常高的频率，可以在IC封装中或芯片本身内实现间隙波导和间隙线。
Description
技术领域
本发明涉及实现电磁传输线、波导和电路的新方法，当频率很高以使现有技术例如同轴线、圆柱形波导和微带线以及其他基片限制的(substrate-bound)传输线由于欧姆损耗和制造问题而不能良好工作时，这种新方法是有优势的。本发明主要涉及高于30GHz的频率、即毫米波区域，以及甚至高于300GHz的频率、即亚毫米波，但是本发明在比30GHz低的频率也是有优势的。
背景技术
如今，电子电路用于几乎所有产品中，特别地用于涉及信息传递的产品中。可以按照以下方式实现这种信息传递：在低频处沿着电线和电缆(例如，接线电话)传递，或者在更高频率处通过无线电波以无线的方式穿过空气传递，该无线电波用于接收例如广播语音和TV并且用于双工通信(例如移动电话)。在高频的情况下，高频和低频传输线和电路都用于实现所需要的硬件。高频部件用于发射和接收无线电波，而低频电路用于在无线电波上调制声音或视频信息，并且用于相应的解调。因此，低频和高频电路都是需要的。本发明涉及实现例如发射器电路、接收器电路、滤波器、匹配网络、功率分配器和组合器、耦合器、天线等高频部件的新技术。
最初的无线电发射发生在低于100MHz的相当低的频率处，而如今商业上使用的无线电频谱(也被称为电磁频谱)高达40GHz，并且一些更高频的***正在计划当中，甚至在某种程度上已被使用。对开发更高频率感兴趣的原因是庞大的可用带宽。当无线通信扩展到越来越多用户并且提供越来越多服务时，必须分配新的频带来为所有业务提供空间。主要的需求是数据通信，即在尽可能短的时间内传输大量数据。
已经存在光纤形式的光波传输线，光纤可埋在地下，并且在需要大带宽时替代无线电波。然而，这种光纤还需要连接在其任一端的电子电路。可能甚至需要高于40GHz带宽的电子电路以使得能够使用光学传输线的巨大的可用带宽。本发明可用于实现高于典型的40GHz的电子电路，如今在这方面对于低损耗和大规模生产没有好的替换解决方案。
在印刷电路板(PCB)和基于集中电路元件(例如，电阻器、电感器、电容器以及晶体管放大器)设计的集成电路中，容易实现低于典型的300MHz的电子电路(即，波长大于1米)。这种技术还可工作在更高频率，但是当PCB和集成电路封装的尺寸相当于一个波长时，性能将逐渐降低。当发生这种情况时，最好通过各种方式将多个传输线或波导连接在一起来实现电路。这通常被称为微波技术，并且通常用在300MHz至30GHz之间，即微波区域。大多数普通传输线是同轴电缆和同轴线、微带线以及圆柱形波导。因为增加的损耗和制造问题(更小的尺寸和更严格的公差要求)，所以对于比30GHz更高的频率使用这些技术时存在问题。公差要求可能是波长的千分之几(1/1000)，当回想在30GHz处波长是10mm时，公差要求变得非常小。另外，同轴线和波导需要比典型的0.5波长更细，以便以需要的单模工作。这种中空的线和导体是很难制造的，这使得在很高频率处必须改用微带线以及其他基片限制的传输线。然而，基片限制的传输线具有随着增加的频率而增加的更大损耗，因此性能下降。在这种高频处，晶体管的输出功率更低，而当它们安装到高损耗传输线时，功率生成(power generation)甚至成为更大的问题。本发明涉及通过使用新的传输线制造的电子电路，其在高频处关于损耗和可制造性是有优势的。
已经存在一些特别适合在高频处使用的波导，因为相比于传统的空气填充的圆柱形波导，它们具有更低的损耗并且制造更加便宜，并且因为它们具有比微带线更低的损耗。这种波导被称为基片集成波导(SIW)，如在J.Hirokawa和M.Ando的“Single-layer feed waveguide consisting ofposts for plane TEM wave excitation in parallel plates(在平行平板中用于平面TEM波激励的由柱组成的单层馈波导)”，IEEE Trans.Antennas Propag.第46卷、第5期、第625-630页、1998年5月中所描述的。这里，通过使用金属化通孔作为壁，将波导制作在PCB的基片中。由于基片的原因，这些波导仍然具有损耗，而且金属化通孔具有制造昂贵的因素。本发明不必使用通孔和基片来提供高频波导，除了因其他原因需要时使用。
最近8至10年，全世界的研究者尝试人工合成具有异常特性的电磁材料。这种材料通常被称为超材料，并且在电子学中实现的大多数期望的异常特性之一是自然中不存在的导磁性的等同。在科学文献中描述的实现导磁性的首个概念尝试是所谓的软和硬表面，见P-S.Kildal的“Artificially soft and hard surfaces in electromagnetics(电磁学中的人工软和硬表面)”，IEEE Trans.Antennas Propagat.第38卷、第10期、第1537-1544页、1990年10月。如今，理想的软和硬表面被最方便地描述为PEC/PMC带格(strip grids)，即平行带的格，其中每个第二带分别是理想的电导体(PEC)和理想的磁导体(PMC)，见P.-S.Kildal和A.Kishk的“EM Modelling of surfaces with STOP or GO characteristics-artificialmagnetic conductors and soft and hard surfaces(具有停止或者前进特性的表面电磁建模-人工磁导体以及软和硬表面)”，Applied ComputationalElectromagnetics Society Journal第18卷、第1期、第32-40页、2003年3月。通过具有有效地四分之一波长深度的金属槽来实现PMC带，或者通过在带与通孔之间的等同装置、如具有金属化通孔的接地基片上的金属带来实现PMC带。PEC/PMC带格的特征是各项异性的边界条件允许任意极化的波沿着带传播(硬表面的情况)，而它们在沿着表面的其他方向上停止波传播，特别是与带正交的方向(软表面的情况)。这种PEC/PMC带格能够用于实现新的天线类型，见P.-S.Kildal的2002年11月12日提交的题为“Strip-loaded dielectric substrates for improvements of antennas(用于天线改进的带状负载电介质基片)”的美国专利申请第10/495,330号。本发明使用软和硬表面以及PEC/PMC带格实现高频波导，这在第10/495,330号美国专利申请中是未预料到的。
所谓的电磁带隙(EBG)表面按照与软表面相似的方法停止波传播，但是是对于所有传播方向。在科学文献中，这在D.Sievenpiper、L.J.Zhang，R.F.J Broas、N.G.Alexopolous和E.Yablonovitch等人的论文“High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band(具有禁止频带的高阻抗电磁表面)”，IEEE Transactions on MicrowaveTheory and Techniques第47卷、第11期、第2059-2074页、1999年11月中首次公开。Kidal的软表面和Sievenpiper的EBG表面都沿着其表面停止波传播，并且它们包含PMC作为重要的表面部件。Sievenpiper的发明产生了多个专利，但是在其中没有描述本发明。
当软和硬表面用在波导中并作为开放表面时，沿着软和硬表面的传播特性是完全公知的，例如见S.P.Skobelev和P.-S.Kildal的“Mode-matching modeling of a hard conical quasi-TEM horn realized by anEBG structure with strips and vias(通过具有带和通孔的EBG结构实现的硬锥形准-TEM喇叭的模式匹配建模)”，IEEE Transactions onAntennas andPropagation第53卷、第1期、第139-143页、2005年1月，以及P-S.Kildal的“Green′s functions for planar soft and hard surfaces derived by asymptoticboundary conditions(由渐进边界条件得到的用于平的软和硬表面的格林函数)”，IEE Proceedings Part H第144卷、第5期、第321-328页、1997年10月。然而，研究分别局限于圆柱形波导和开放表面。本发明在平行导体之间产生替代的局部传输线、波导和电路部件，并且使用特殊技术来阻止导体之间波的传播和抑制非期望的高次模。
对于高频超材料波导还有其他尝试，如George V.Eleftheriades和Keith G.Balmain在2003年6月2日提交的题为“Metamaterials forcontrolling and guiding electromagnetic radiation(控制和引导电磁辐射的超材料)”的美国专利6859114。然而，这个和其他相关的解决方案在超材料内部或在其表面使用波传播，这二者都引起损耗和大的散射。散射意味着带宽变窄。本发明控制平行传导板之间的波传播，并且具有更低损耗和潜在的比美国专利6859114更大的带宽。
发明内容
本发明的目的是当在高于典型的30GHz频率处设计微波设备例如但不限于传输线、波导、传输线电路、以及波导电路时，消除或者至少大大减少与欧姆损耗和可制造性相关的问题，而且本发明还有在更低频率使用的优势。
在本申请的内容中，术语“微波设备”用于命名特别是在设备或者它的机械零件(如波导、传输线、波导电路或传输线电路)的尺寸与波长处于同一数量级的高频处，能够发射、传输、引导以及控制电磁波传播的任何类型的设备和结构。在下面，本发明将结合各种实施方式如波导、传输线、波导电路或者传输线电路进行讨论。然而，本领域技术人员将理解的是，与这些实施方式的任意一个有关的、所讨论的具体有利特征和优势也适用于其他实施方式。
本发明提供了实现传输线、波导、以及波导电路和传输线电路的方法，当频率很高以使现有传输线和波导具有过大损耗或者不能以所需公差被具有成本效益地制造时，该新方法是有优势的。因此，新技术旨在在高频处代替同轴线、中空的圆柱形波导和微带线以及其他基片限制的传输线。通过在表面之一上的纹理或者多层结构，在传导材料的两个平行表面之间的狭窄间隙中实现新的传输线和波导以及它们的电路。场主要存在于间隙之中，而不存在于纹理或者多层结构本身中，所以损耗很小。通过表面之一和在另一个表面中的金属脊(脊间隙波导)或槽(槽间隙波导)限定了波导，通过表面之一和位于两个表面之间的间隙内的金属带(微带间隙线)限定了波导。波分别沿着脊、槽和带传播。在两个金属表面之间不需要金属连接。至少一个表面设置有例如通过金属表面本身中的纹理或结构或者多层结构中的周期的金属层而阻止波在表面之间沿着除了脊、槽或带以外的其它方向传播的装置。纹理或结构通常是周期的或是准周期的，并且被设计为与波相互作用以使得它们在宏观上用作人工磁导体(AMC)、电磁带隙(EBG)表面或软表面。沿着两个金属表面中的至少一个的边框可存在固体金属壁。这个壁能够用于使表面相对于彼此保持在稳定位置，并且在其之间具有明确限定的小间隙。这个壁能够非常接近于电路而不影响电路性能，甚至将为有源集成电路的集成提供良好的封装方案。在非常高的频率处，可在IC封装中或芯片本身内实现间隙波导和间隙线。
本发明的基本几何结构包括两个平行的传导表面。这些表面可以是两个金属块的表面，但是它们还可由具有金属化表面的其他类型的材料制成。它们还可由其他具有良好导电性的材料制成。两个表面可以是平的或弯曲的，但是在这两种情况下它们都间隔非常小的距离、间隙，在两个表面之间的这个间隙内形成有传输线电路和波导电路。间隙通常填充有空气，但是还可以是完全或部分地填充有电介质，并且它的尺寸通常有效地小于0.25波长。我们将指定间隙尺寸作为它的高度，从而设想一个表面以某一间隙高度高于另一个表面。
表面中的一个(或者至少一个)设置有纹理或薄的多层结构，其用于实现例如PMC表面、EBG表面或者PEC/PMC带格。对于多层结构，我们指的是至少两层，如金属接地平面和电介质基片。通过这种纹理或多层结构可在两个表面之间的间隙内控制波传播，使得它沿着表现为间隙内的传输线或波导的特定路径传播，从而沿着间隙传输线或间隙波导传播。通过将不同长度、方向和特征阻抗的间隙波导(或传输线)连接在一起，并且通过控制平行间隙波导(或传输线)之间的耦合，按照与用传统微带线和圆柱形波导实现这种电路相似的方法，可在两个平行传导表面之间实现波导(或传输线)部件并且完成波导(或传输线)电路。
根据本发明的传输线或波导能够具有三个主要的不同形式：
a)脊间隙波导；
b)微带间隙线；
c)槽间隙波导。
间隙波导或间隙线的简化规范几何结构是以某一间隙高度与PMC表面平行的PEC表面，其中：
a)对于脊的情况，在另一理想的磁传导PMC表面中存在PEC迹线(trace)或线；
b)对于微带的情况，在两个表面之间的间隙内存在PEC线；以及
c)对于槽的情况，在PEC表面中存在槽。
在前两种情况下，PEC脊和线使得它们均类似于普通的微带线，其中空气区域由PMC表面代替(微带间隙线的情况)，或者至少部分空气区域直接与基片相接(脊的情况)，其中基片填充在微带间隙线情况下通常由空气填充的间隙。因而，PMC表面在脊间隙波导和微带间隙线中扮演空气界面(interface)的角色。由此，应用于微带线的很多传输线等式还用作对脊间隙波导和微带间隙线的良好近似。因此，下式近似地给出了间隙波导和线的特征阻抗：
其中，Z0是空气(或者填充间隙区域的电介质)中的波阻抗，w是宽度，h是PEC迹线或线距PEC表面的距离。这个简化原理在PMC表面实现为PMC的带宽上是有效的。在大多数情况下，在宽频带上金属导体是PEC的良好近似。
脊间隙波导和微带间隙线与所谓悬浮或反转的微带线具有更多的共通点，其中通过使用微带线的相对侧上的电介质基片，微带间隙线与一侧上的接地平面相距距离h悬浮。通过周围的间隔物固定基片，使得在金属带与金属接地平面之间存在空气间隙，例如见J.M.Schellenberg的“CAD models for suspended and inverted microstrip(悬浮和反转微带的CAD模型)”，IEEE Trans.Microwave Theory and Techniques第43卷、第6期、第1247-1252页、1995年6月。在反转的微带线中，波在传导带与接地平面之间的空气间隙中传播，并且以相同方式在间隙微带线中传播。不同之处在于，微带间隙线在传导带的相对侧具有另一接地平面，并且这个附加的接地平面设置有纹理或多层结构，该纹理或多层结构在两个接地平面之间以及在传导线与额外的纹理或分层的接地平面之间禁止传播非期望的模式。否则，由于这种非期望模式将引起共振和其他问题，因此这种波将不可能实现高频电路。
脊间隙波导还与例如由T.N.Anderson在“Rectangular and RidgeWaveguide(矩形和脊波导)”，IEEE Trans.Microwave Theory andTechniques第4卷、第4期、第201-109页、1956年10月中所描述的普通脊波导相似。不同之处在于，在间隙波导中移除了金属侧壁，并且因为在平行的PMC与PEC表面之间传播的基本模式被截止并且因而当两个表面之间的间隙的高度小于0.25波长时不传播，所以禁止场通过开口泄漏。
间隙波导的基本原理非常简单。如果相对表面是平滑导体，那么具有与表面正交的E-场的TEM波可在表面之间的任意尺寸的间隙内传播。如果表面是宽的，那么这些波可在所有方向传播，并且它们可以从敞开的或者通过壁闭合的表面的边框反射，并且在间隙内来回反弹，产生大量不受控制的共振。当边框敞开时，由于非期望的辐射所以还是存在大量功率损失。这种共振使得平滑平行导体在实践中在高频不可用作传输线。本发明的目的是提供至少一个具有纹理或多层结构的表面，纹理或多层结构优选地被设计以使得波在受控的和期望的方向上在间隙内做作为单模被引导。
本发明依据可从麦克斯韦场方程得到的以下理论事实：
a)如果间隙高度小于0.25波长，那么波不能在PMC与PEC之间的间隙中的任何方向传播。
b)如果间隙高度小于取决于带隙表面的几何尺寸的特定高度时，那么波不能在PEC与EBG表面之间的任何方向传播。这个高度通常也小于0.25波长。
c)在PEC/PMC带格表面与PEC之间的间隙中，波只沿着PEC带的方向传播。当高度小于0.25波长时，其他方向的波大大地衰减。
根据本发明，还存在其他类型的能够使波在表面之间停止传播的表面，后面我们将它们通称为“波停止表面”。
通过上述理论事实，我们能够设计间隙波导和间隙线，然后通过使用在更低频设计圆柱形波导和微带线的电路和部件时通常所使用的相似方法和实践，我们能够将波导和线一起放置到电路和部件。
第三种类型的间隙波导/线是槽间隙波导。这形成在位于传导表面之一上的纹理或分层结构与位于相对的传导表面中的槽之间。这与标准矩形金属波导相似，除了一个壁被空气间隙和纹理或者多层结构所代替以外。在槽和相对的表面的壁之间没有金属接触，并且以与之前针对脊间隙波导和微带间隙线所描述的相同的方式，通过纹理或多层结构禁止场通过狭缝泄漏进入两个表面之间的间隙区域。相对的上表面可在用作波导壁的区域中包含纹理，或者在那里是PEC。纹理或多层结构可以可选地设置在槽所在的相同表面中，并且槽可以可选地延伸到两个表面，而不只是两个表面之一。
重要的事实是，根据本发明两个相对表面可彼此相互连接，与间隙电路相距一定距离而不影响它们的性能。这是机械优势，因为表面之一可以由围绕它的固体金属壁制成，该固体金属壁为另一个表面提供支撑以使得间隙的高度在各处都是明确限定的。由此，整个间隙波导/线电路可以完全由金属封装，对外部电路和环境提供强屏蔽。
根据本发明，在至少一个表面上的纹理或多层结构用于对两个表面之间非期望方向传播的波实现截止条件。这个纹理可用于实现尽可能接近PMC、PEC/PMC带格、或电磁带隙(EBG)表面。如果间隙高度小于0.25波长，那么PMC与平行导体一起提供截止条件，在高度高达0.5波长的一些情况下，EBG表面、PEC/PMC表面可产生截止，但是条件是极化相关的(并且对于PEC/PMC带的情况是方向相关的)。科学文献描述了实现这些类型表面的方法，使用上述名字，也可能使用其他名字。这些名字的示例是波纹表面、高阻抗表面、人工磁导体(AMC)、电磁晶体表面、以及光子带隙表面。然而，该先前文献没有描述使用这些表面来产生本发明的间隙波导和间隙线。因此，当与相对的表面一起使用来控制两个表面之间的波传播时，所有这些以前已知的实施方式是新的。
本发明的实现是金属柱表面和波纹表面，在毫米波和亚毫米波区域中，这被期望为最简单和有用的。金属柱看起来像钉床，并且以某一频率接近PMC操作。在金属表面通过铣削或蚀刻可容易地制造金属柱和波纹。
根据本发明，另一个重要实现是多层结构，如
A.位于彼此顶部的许多电路板，
B.沉积在彼此顶部的不同的薄膜材料层，
C.掺入基片的不同层，以及
D.甚至与如何制造有源和无源电子元件相一致的其他方法。
然后根据本发明的金属表面以及波停止表面可实现为这种多层结构的特定层。
设置的纹理和多层结构将大大地减少在两个表面之间形成的腔中的可能共振，否则在封装例如微带电路时，共振是主要问题。这样做的原因是，纹理或多层结构将禁止非期望的波传播，由此禁止非期望的腔模式。这只有在间隙波导电路的工作频带内是成立的，但是通过设计纹理和多层结构它可扩展到其他频带，以便甚至在共振可能产生问题的所选择的其他频率处停止波。
如上所述明显的是，根据本发明的间隙波导电路和间隙线电路可位于金属外壳的内部，其中或底部壁或顶部壁包含或者两者都包含用于实现间隙电路的纹理或多层结构。这个金属外壳或多层结构本身可容易地设计为还包括具有有源集成电路(IC)的芯片，例如用于功率产生(即，功率放大器)或用于低噪声接收(即，低噪声放大器，也称为LNA)。还有很多在有源集成部件与间隙波导/线电路之间产生连接的可能方式：
I.IC或甚至未封装的芯片可安装至间隙波导的外侧。然后，IC的引脚例如可以装配至带脚的插座，该插座的脚穿过金属层中的孔，用作进入下层间隙波导的探针，由此在外部电路与波导间隙电路之间提供连接。这在间隙波导的平滑传导层的外侧是最容易实现的。
II.IC或甚至未封装的芯片还可固定至间隙波导的内侧。如果纹理的表面是多层结构，那么这可能是尤其方便的。
III.多层结构本身还可包含使间隙波导电路的内部和外部区域分离的金属层，在这种情况下，在金属层的内部或外部，IC可结合或通过其他方式集成至多层结构，并且因而在间隙的内部或外部，IC可结合或通过其他方式集成至多层结构。
IV.IC封装本身还可以是多层结构，这使得可以在非常高的频率处在IC封装本身内实现间隙波导。
V.芯片还可以是一种多层结构，或者可以这样制造。因此在亚毫米波频率，甚至可以在芯片本身中实现间隙波导电路。
附图说明
图1示出了根据本发明通过金属表面之间的脊间隙波导实现的部件的实施例的概要图。上表面被显示为处于提升位置以露出下表面上的纹理；
图2示出了当上表面被安装时，图1中的实施例在探针位置处的剖面图。该图只示出了在剖面附近的几何结构；
图3示出了根据本发明的使用微带格线的另一个实施方式在另一个位置处的实施例的相同剖面图。该图只示出了在剖面附近的几何结构；
图4、5、6、8、9、14、15和16示出了根据本发明的间隙线和波导的剖面图。只示出了线的邻近区域；
图7、12和13示出了根据本发明，对应于图1的实施例但是具有另一种纹理实现的、表面中纹理的可能布局；
图10和11示出了根据本发明在脊间隙波导中沿着90度折弯的输入线的切割，图10和11都示出了立体图(10a和11a)和剖面图(10b和11b)；以及
图14、15和16示出了根据本发明的槽间隙波导的三个实施例的剖面图。
具体实施方式
图1示出了作为本发明实施方式的部件的一个实施例的双向功率分配器或组合器。存在两个金属片，提供上传导表面1和下传导表面2。上表面是平滑的，而下表面被机械加工以出现纹理(texture)。纹理显示为可用于安装上表面的周围边框3、以及低于该边框(rim)且因此当上表面被安装时在上表面与下表面之间提供间隙4的区域。金属脊5形成两个臂状叉，并且围绕该脊存在金属柱6，金属柱6为在下表面与上表面之间传播的除了沿脊5方向的期望波以外的所有波提供截止条件。柱在工作频带内相似于PMC工作。在上金属片中存在螺钉孔8，用于将上金属片固定到下金属片的金属边框3，并且在该边框中存在匹配的螺钉孔7。
图2示出了在探针9的位置处的剖面图，探针9连接到位于表面8外的同轴连接器。因此，探针提供了到间隙区域外部的连接，但是这还可用很多不同方法来实现。间隙4是空气填充的，但是它还可以完全或部分地用电介质材料填充。
图3和图4示出了与图1中相同的功率分配器实施例，但是现在金属柱6在整个间隙4的下面使用。金属带5形成微带间隙线。通过位于柱6上面的薄基片(substrate)层10支撑金属带5。柱之间的空间11是空气填充的。金属带可支持其自身与上金属表面之间的波。
图5示出了除了呈金属贴片(patch)12形式的EBG表面代替金属柱6之外，与图3和4中微带间隙线相似的微带间隙线的类似实施方式。因而沿着下表面在两个方向上形成了周期图样，如图7所示，并且每个贴片设置有到接地(ground)平面1的金属化通孔13(也简称为通孔)形式的金属连接。通孔使得EBG表面工作在更宽的带宽上。
尽管图6示出了脊间隙波导，图6和7中的实施方式与图5中的实施方式非常相似。微带线5通过一排紧密布置的金属化通孔13短接至接地平面1，使得它像脊间隙波导一样工作。
在图8和9中示出了规范的脊间隙波导。在图8中，脊5被纹理表面14包围，根据本发明，纹理表面14通过为波提供截止条件来阻止波离开脊引导件自身。例如，这个表面14可实现为EBG表面或PMC。图中示出了上金属表面2与脊5之间的近似E-场线。在图9中，停止波传播的表面显示为PMC，并且示出了数学上的波停止条件。
图10和11示出如何定位波停止表面14以便阻止接近90度折弯的波继续直线向前传播。波由指向传播方向的波浪形箭头表示。箭头的长度表示不同波的幅度。进入的波可替代地被反射(非期望的)或向左转(期望的)。通过所示的适当地切割弯曲拐角可实现波的期望转向。图11示出了呈PEC/PMC带格的规范形式的停止表面14。暗图案区域是PMC的实现，亮区域是PEC。PEC/PMC带将非常有效地在直线向前方向上停止波传播。
图12示出了图1中实施例的可能不同的实施方式。这里，除柱6以外还使用了脊15和槽16，以确保波不沿着非期望方向远离脊引导件自身传播。
图13示出了与图1相同的实施例，但是两个输出端18和19之间存在一块吸收材料17。如果正确设计，那么使实施例工作为隔离的输出。
图14、15和16示出了不同槽间隙波导，但是它还可以在上表面中或者可在两个表面中存在相对的槽。槽20设置在下表面中。假设从上表面到槽的底部的距离在图14中通常超过0.5波长并且在图15中超过0.25波长，那么在图14和15中槽支持水平极化波。在图16中当槽的宽度大于0.5波长时，槽支持垂直极化波。在图14和15中槽的宽度应该优选地窄于0.5波长，并且在图16中从槽底部到上表面的距离应该优选地有效地小于0.5波长(取决于间隙尺寸，甚至可更小)，以便确保单模传播。在图14和图16中的下表面和图15中的上表面设置有波停止表面14。波停止表面可以具有阻止波从槽20泄漏的任何实现。
本发明不限于本文所示的实施方式。具体地，本发明可以位于IC封装内，或位于IC芯片的多层中。另外，传导表面中的至少一个可设置有穿透探针、孔、缝隙或类似元件，波通过这些元件被辐射或者耦接到外部电路。
Claims (59)
1.一种微波设备，包括传导材料的两个相对表面，所述两个相对表面被布置以在所述两个相对表面之间形成狭窄间隙，
所述两个相对表面中的至少一个设置有至少一个传导元件，所述传导元件是设置在所述表面上的传导脊，
所述两个相对表面中的至少一个设置有至少在工作频率处、在所述间隙内除了沿着所述脊的方向以外的其他方向上停止波传播的装置，
所述两个相对表面通过机械结构刚性地连接在一起，所述机械结构在具有被引导的波的区域外一定距离处对所述间隙的端部进行限定，
其中，所述微波设备形成波导或者波导电路，所述至少一个传导元件包括设置在所述两个相对表面中的一个上的至少一个传导脊，单模波在所述间隙内沿着每个传导脊被引导。
2.如权利要求1所述的微波设备，其中，所述设备形成波导电路，所述波导电路包括在所述两个相对表面之间实现的一些波导部件。
3.如权利要求1或2所述的微波设备，其中，所述两个相对表面和所述机械结构为所述传导元件和停止波传播的装置提供完全的封装。
4.如权利要求1所述的微波设备，其中，所述两个相对表面中的一个的至少一部分设置有纹理，所述纹理被设计以使得所述纹理至少在工作频率处、在所述间隙内除了由所述脊限定的期望方向以外的其他方向上停止波传播。
5.如权利要求1所述的微波设备，其中，传导表面中的一个是平滑的。
6.如权利要求1所述的微波设备，其中，所述间隙至少部分地填充有电介质材料。
7.如权利要求1所述的微波设备，其中，所述间隙填充有空气、气体或者真空。
8.如权利要求1所述的微波设备，其中，所述机械结构是对所述两个相对表面中的一个进行限定的至少一个所述传导材料的一部分。
9.如权利要求1所述的微波设备，其中，所述两个相对表面中的至少一部分除了由所述脊提供的微细结构以外几乎是平的。
10.如权利要求1所述的微波设备，其中，所述两个相对表面中的至少一部分是弯曲的，以使得它们之间的间隙很小从而所述间隙内非期望方向的波传播被停止，如果它们是强烈弯曲的，那么在极限情况下内表面可缩小为细线、锋利边缘、楔形或类似。
11.如权利要求1所述的微波设备，其中，所述两个相对表面中的至少一个的至少一部分设置有从另一个平滑传导表面升起的紧密布置的传导材料的柱。
12.如权利要求1所述的微波设备，其中，所述两个相对表面中的至少一个的至少一部分设置有一个或多个槽、脊或波纹，所述槽、脊或波纹被设计以至少在工作频率处在某些方向上非常强烈地停止波传播。
13.如权利要求1所述的微波设备，其中，一层的至少一部分除了用作天线的可能小孔隙或者提供使内部间隙波导电路与所述两个相对表面外的电路相连接的孔以外是完整的金属层。
14.如权利要求1所述的微波设备，其中，停止波传播的装置包括多层结构中的金属元件，所述金属元件至少在工作频率处形成电磁带隙表面的实现。
15.如权利要求1所述的微波设备，其中，停止波传播的装置包括多层结构中的金属元件，所述金属元件至少在工作频率处形成高阻抗表面，还称为人工磁导体，是理想的磁导体的尝试实现。
16.如权利要求1所述的微波设备，其中，停止波传播的装置包括停止波传播的金属元件，所述金属元件形成带格，每个第二带分别是理想的电导体和理想的磁导体的实现，以至少在工作频率处在与所述带正交的方向上非常强烈地停止波传播。
17.如权利要求1所述的微波设备，其中，所述间隙区域包含集成电路。
18.如权利要求1所述的微波设备，其中，所述两个相对表面和所述两个相对表面之间的间隙位于IC封装内。
19.如权利要求1所述的微波设备，其中，所述两个相对表面和所述两个相对表面之间的间隙位于IC芯片上的多层结构内。
20.一种微波设备，包括传导材料的两个相对表面，所述两个相对表面被布置以在所述两个相对表面之间形成狭窄间隙，
所述两个相对表面中的至少一个设置有至少一个传导元件，所述传导元件是设置在所述表面上具有传导壁的槽；以及
所述两个相对表面中的至少一个设置有至少在工作频率处、在所述间隙内除了沿着所述槽的方向以外的其他方向上停止波传播的装置，
所述两个相对表面通过机械结构刚性地连接在一起，所述机械结构在具有被引导的波的区域外一定距离处对所述间隙的端部进行限定。
21.如权利要求20所述的微波设备，其中，所述槽的侧壁与相对的表面没有金属接触。
22.如权利要求20所述的微波设备，其中，所述微波设备形成波导或者波导电路，所述至少一个传导元件包括设置在至少一个所述表面上具有传导壁的至少一个槽，单模波沿着每个槽被引导。
23.如权利要求20所述的微波设备，其中，所述两个相对表面中的一个的至少一部分设置有包含传导元件的多层结构，所述传导元件被布置以使得所述传导元件至少在工作频率处、在所述间隙内除了由所述槽限定的方向以外的其他方向上停止波传播。
24.如权利要求20所述的微波设备，其中，所述两个相对表面中的一个的至少一部分设置有纹理，所述纹理被设计以使得所述纹理至少在工作频率处、在所述间隙内除了由所述槽限定的方向以外的其他方向上停止波传播。
25.如权利要求20所述的微波设备，其中，所述传导表面中的一个是平滑的。
26.如权利要求20所述的微波设备，其中，所述间隙至少部分地填充有电介质材料。
27.如权利要求20所述的微波设备，其中，所述间隙填充有空气、气体或者真空。
28.如权利要求20所述的微波设备，其中，所述机械结构是对所述两个相对表面中的一个进行限定的至少一个所述传导材料的一部分。
29.如权利要求20所述的微波设备，其中，所述两个相对表面中的至少一部分除了由所述脊、槽和纹理提供的微细结构以外几乎是平的。
30.如权利要求20所述的微波设备，其中，所述两个相对表面中的至少一部分是弯曲的，以使得它们之间的间隙很小从而所述间隙内非期望方向的波传播被停止，如果它们是强烈弯曲的，那么在极限情况下内表面可缩小为细线、锋利边缘、楔形或类似。
31.如权利要求20所述的微波设备，其中，所述相对表面中的至少一个的至少一部分设置有从另一个平滑传导表面升起的紧密布置的传导材料的柱。
32.如权利要求20所述的微波设备，其中，所述两个相对表面中的至少一个的至少一部分设置有一个或多个槽、脊或波纹，所述槽、脊或波纹被设计以至少在工作频率处在某些方向上非常强烈地停止波传播。
33.如权利要求20所述的微波设备，其中，一层的至少一部分除了用作天线的可能小孔隙或者提供使内部间隙波导电路与所述两个相对表面外的电路相连接的孔以外是完整的金属层。
34.如权利要求20所述的微波设备，其中，停止波传播的装置包括多层结构中的金属元件，所述金属元件至少在工作频率处形成电磁带隙表面的实现。
35.如权利要求20所述的微波设备，其中，停止波传播的装置包括多层结构中的金属元件，所述金属元件至少在工作频率处形成高阻抗表面，还称为人工磁导体，是理想的磁导体的尝试实现。
36.如权利要求20所述的微波设备，其中，停止波传播的装置包括金属元件，所述金属元件形成带格，每个第二带分别是理想的电导体和理想的磁导体的实现，以至少在工作频率处在与所述带正交的方向上非常强烈地停止波传播。
37.如权利要求20所述的微波设备，其中，所述间隙区域包含集成电路。
38.如权利要求20所述的微波设备，其中，所述两个相对表面和所述两个相对表面之间的间隙位于IC封装内。
39.如权利要求20所述的微波设备，其中，所述两个相对表面和所述两个相对表面之间的间隙位于IC芯片上的多层结构内。
40.一种微波设备，包括传导材料的两个相对表面，所述两个相对表面被布置以在所述两个相对表面之间形成狭窄间隙，
所述两个相对表面中的至少一个设置有至少一个传导元件，所述至少一个传导元件是布置在所述表面的多层结构内的传导带；
所述两个相对表面中的至少一个设置有至少在工作频率处、在所述间隙内除了沿着所述带的方向以外的其他方向上停止波传播的装置，
所述两个相对表面通过机械结构刚性地连接在一起，所述机械结构在具有被引导的波的区域外一定距离处对所述间隙的端部进行限定。
41.如权利要求40所述的微波设备，其中，所述微波设备形成传输线或者传输线电路，所述两个相对表面中的至少一个设置有多层结构，所述一个传导元件包括布置在所述多层结构上的至少一个传导带，单模波在所述间隙内沿着每个传导带被引导。
42.如权利要求40所述的微波设备，其中，所述两个相对表面中的一个的至少一部分设置有纹理，所述纹理被设计以使得所述纹理至少在工作频率处、在所述间隙内除了由所述带限定的期望方向以外的其他方向上停止波传播。
43.如权利要求40所述的微波设备，其中，所述两个相对表面中的一个是平滑的。
44.如权利要求40所述的微波设备，其中，所述间隙至少部分地填充有电介质材料。
45.如权利要求40所述的微波设备，其中，所述间隙填充有空气、气体或者真空。
46.如权利要求40所述的微波设备，其中，所述机械结构可以是对所述两个相对表面中的一个进行限定的至少一个所述传导材料的一部分。
47.如权利要求40所述的微波设备，其中，所述两个相对表面中的至少一部分除了由所述脊、槽和纹理提供的微细结构以外几乎是平的。
48.如权利要求40所述的微波设备，其中，所述两个相对表面中的至少一部分是弯曲的，以使得它们之间的间隙很小从而所述间隙内非期望方向的波传播被停止，如果它们是强烈弯曲的，那么在极限情况下内表面可缩小为细线、锋利边缘、楔形或类似。
49.如权利要求40所述的微波设备，其中，所述两个相对表面中的至少一个的至少一部分设置有从另一个平滑传导表面升起的紧密布置的传导材料的柱。
50.如权利要求40所述的微波设备，其中，所述两个相对表面中的至少一个的至少一部分设置有一个或多个槽、脊或波纹，所述槽、脊或波纹被设计以至少在工作频率处在某些方向上非常强烈地停止波传播。
51.如权利要求40所述的微波设备，其中，所述多层结构的至少一些所述传导元件是金属贴片或金属带。
52.如权利要求40所述的微波设备，其中，一层的至少一部分除了用作天线的可能小孔隙或者提供使内部间隙波导电路与所述两个相对表面外的电路相连接的孔以外是完整的金属层。
53.如权利要求40所述的微波设备，其中，在所述多层结构中，在两个或多个层之间存在金属化通孔。
54.如权利要求40所述的微波设备，其中，停止波传播的装置包括多层结构中的金属元件，所述金属元件至少在工作频率处形成电磁带隙表面的实现。
55.如权利要求40所述的微波设备，其中，停止波传播的装置包括多层结构中的金属元件，所述金属元件至少在工作频率处形成高阻抗表面，还称为人工磁导体，是理想的磁导体的尝试实现。
56.如权利要求40所述的微波设备，其中，停止波传播的装置包括金属元件，所述金属元件形成带格，每个第二带分别是理想的电导体和理想的磁导体的实现，以至少在工作频率处在与所述带正交的方向上非常强烈地停止波传播。
57.如权利要求40所述的微波设备，其中，所述间隙区域包含集成电路。
58.如权利要求40所述的微波设备，其中，所述两个相对表面和所述两个相对表面之间的间隙位于IC封装内。
59.如权利要求40所述的微波设备，其中，所述两个相对表面和所述两个相对表面之间的间隙位于IC芯片上的多层结构内。
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