CN108336468B - 双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线 - Google Patents

Abstract

一种双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线包括介质基板(1)、在介质基板(1)的表面等离激元传输线(2)、和共面波导到传输线过渡(3)；顶面金属层(10)与底面金属层(11)形状和大小一样、对称分布在介质基板(1)的两面且由金属化过孔(12)连接；表面等离激元传输线(2)的两端分别与两个共面波导到传输线过渡(3)相连，表面等离激元传输线(2)是双周期性结构的传输线，表面等离激元传输线(2)的排列着矩形的内槽(20)阵列和矩形的凹槽(21)阵列；延迟线的工作频段接近表面等离激元传输线(2)的高截止频率。延迟线在工作频带内的时延均匀、互耦小和尺寸小；延迟线是平面结构，易于集成，制作成本低。

Description

双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线

技术领域

本发明涉及一种微波延迟线，尤其是一种双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线。

背景技术

延迟线是一种常用的微波无源元件，用于相控阵及脉冲压缩***。延迟线可以延迟信号通过自身的时间。由于电磁波传输的速度很快，通常要求延迟线的尺寸小，以便在小尺寸提供尽可能长的时间延迟。假如信号以空气中光速传播，1微秒的时间延迟就需要300米长的延迟线。为了减少延迟线的尺寸，通常需要减小信号在延迟线的传播速度，而且延迟线要一段段的折叠起来。用于微波信号延迟的常用延迟线有集中参数的电感电容延迟线、超声波延迟线、微波传输线延迟线和光纤延迟线等。集中参数的电感电容延迟线工作频率低。超声波延迟线的换能器结构复杂、与***器件不易集成、工作频率不高。光纤延迟线具有带宽宽、损耗低、抗干扰、保密性好等优点，但光纤延迟线的结构相当复杂不易集成，成本较高。常用的微波传输线延迟线有微带线延迟线、共面波导延迟线和带状线延迟线等，但在这些延迟线中，电磁波的主模是TEM模或者准TEM模，信号的传播速度仍然较高，使得延迟线的尺寸还是比较大。而且由于是双导体传输线，传输线的横向尺寸较大，相邻传输线的互耦较强。这些因素使得延迟线折叠的时候，相邻延迟线的距离不能太近。

发明内容

技术问题:本发明的目的是提出一种双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线，该延迟线是单导体结构，信号以慢波传播，折叠的相邻延迟线的互耦小，可以弯曲，便于集成，制作成本低。

技术方案：本发明的一种双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线包括介质基板、设置在介质基板上的表面等离激元传输线、和共面波导到表面等离激元传输线过渡；介质基板的一面是顶面金属层，介质基板的另一面是底面金属层，顶面金属层与底面金属层对称分布在介质基板的两面，顶面金属层与底面金属层的形状和大小一样；顶面金属层和底面金属层构成表面等离激元传输线和共面波导到表面等离激元传输线过渡；表面等离激元传输线的两端分别与两个共面波导到表面等离激元传输线过渡相连，表面等离激元传输线位于顶面金属层的顶面导带和位于底面金属层的底面导带由穿过介质基板的金属化过孔阵列连接；沿着顶面导带的中心线和底面导带的中心线排列着内槽阵列，顶面导带和底面导带的两侧边是矩形的凹槽阵列；共面波导到表面等离激元传输线过渡的一端是延迟线的端口，共面波导位于顶面金属层的顶面中心导带和位于底面金属层的底面中心导带形状和大小一样，顶面中心导带与底面中心导带由穿过介质基板的金属化过孔阵列连接；共面波导位于顶面金属层的顶面金属地和位于底面金属层的底面金属地形状和大小一样，顶面金属地和底面金属地由穿过介质基板的金属化过孔阵列连接；顶面中心导带和底面中心导带两侧的顶面金属地和底面金属地逐渐张开呈喇叭形，并远离顶面中心导带和底面中心导带；在共面波导到表面等离激元传输线过渡的另一端，共面波导的顶面中心导带与表面等离激元传输线的顶面导带相连，底面中心导带与表面等离激元传输线的底面导带相连；共面波导到表面等离激元传输线过渡靠近表面等离激元传输线的部分，顶面中心导带和底面中心导带的两侧边有不同深度的多个过渡凹槽，沿着顶面中心导带和底面中心导带的中心线有大小不同的多个过渡内槽；表面等离激元传输线是双周期的周期性结构的传输线，内槽、过渡内槽、凹槽和过渡凹槽均为等间距排列，相邻内槽中心的间距与相邻过渡内槽中心的间距一样，相邻凹槽中心的间距与相邻过渡凹槽中心的间距一样；双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线的工作频段接近表面等离激元传输线的高截止频率。

过渡凹槽的形状与凹槽的形状一样，过渡凹槽的深度由浅到深以减小共面波导到表面等离激元传输线过渡的反射，靠近表面等离激元传输线的过渡凹槽的深度最深且接近凹槽的深度；过渡内槽的形状与内槽的形状一样，过渡内槽的大小由小到大以减小共面波导到表面等离激元传输线过渡的反射，靠近表面等离激元传输线的过渡内槽的大小最大且接近内槽的大小。

改变表面等离激元传输线的长度可以改变双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线的时延；改变表面等离激元传输线相邻凹槽中心的间距、凹槽的深度、相邻内槽中心的间距、内槽的大小可以改变双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线的工作频率。

共面波导到表面等离激元传输线过渡的长度大于五个工作波长，过渡凹槽的数量大于二十个，过渡内槽的数量大于十个，以减小反射。

调节内槽的大小、调节相邻内槽中心的间距与两个相邻凹槽中心的间距的比值，使得双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线在工作频带内的时延尽可能相等。

相邻金属化过孔的间距不大于八分之一波长，以保证顶面金属层与底面金属层的有效连接。

表面等离激元传输线是一种周期性的慢波传输线，并且是带通传输线。电磁波频率越靠近表面等离激元传输线的高截止频率，其传播的速度就越慢，单位长度的延迟时间就越长。双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线的工作频段接近表面等离激元传输线的高截止频率，这样可以使得延迟线的尺寸可以大大缩小。

表面等离激元传输线是一种双周期的慢波传输线，其中一个周期的长度就是相邻内槽中心的间距，另一个周期的长度就是相邻凹槽中心的间距。周期性的内槽阵列可以调节表面等离激元传输线色散曲线的形状，内槽越大，调节的程度就越大，因此可以调节内槽的大小以及调整两个周期的相对大小就可以调节表面等离激元传输线的色散曲线的形状，使得工作频段内延迟线的时延尽可能一致。

表面等离激元传输线是一种单导体表面波传输线，其传输的电磁波被紧紧的约束在表面等离激元传输线的近邻，因此即使相距很近，相邻的两条表面等离激元传输线之间的互耦很小。这样表面等离激元传输线可以比微带线等其它传输线更紧密的弯折排列，以减小双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线的体积。

表面等离激元传输线是一种单导体表面波传输线，其阻抗与介质基板的厚度基本无关，因此可以采用非常薄的介质基板，不仅可以减小延迟线的体积、重量和成本，而且使用的灵活性强。

双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线是平面结构，易于与***其它元器件集成，实现小型化。

有益效果：本发明的双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线的有益效果是，该延迟线是单导体的表面等离激元传输线结构，信号不仅被紧紧约束在导体近邻，使得折叠的相邻延迟线的互耦小，延迟线可以折叠的更紧以减小延迟线的尺寸。而且延迟线工作在表面等离激元传输线的接近上截止区的频率，电磁波的传播速度很低，进一步减小了延迟线的尺寸；延迟线是双周期性结构，在工作频带内的时延均匀；而且该延迟线是平面结构，能够与***中其它元部件集成，可以采用平面印刷电路板工艺制作，成本低。

附图说明

图1为双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线顶面结构示意图；

图2为双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线底面结构示意图；

图3为弯折排列的双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线示意图；

图中有：介质基板1、表面等离激元传输线2、共面波导到表面等离激元传输线过渡3、顶面金属层10、底面金属层11、金属化过孔12、内槽20、凹槽21、端口31、过渡凹槽34、过渡内槽35、顶面导带200、底面导带201、顶面中心导带300、底面中心导带301、顶面金属地302和底面金属地303。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明所采用的实施方案是：一种双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线包括介质基板1、设置在介质基板1上的表面等离激元传输线2、和共面波导到表面等离激元传输线过渡3；介质基板1的一面是顶面金属层10，介质基板1的另一面是底面金属层11，顶面金属层10与底面金属层11对称分布在介质基板1的两面，顶面金属层10与底面金属层11的形状和大小一样；顶面金属层10和底面金属层11构成表面等离激元传输线2和共面波导到表面等离激元传输线过渡3；表面等离激元传输线2的两端分别与两个共面波导到表面等离激元传输线过渡3相连，表面等离激元传输线2位于顶面金属层10的顶面导带200和位于底面金属层11的底面导带201由穿过介质基板1的金属化过孔12阵列连接；沿着顶面导带200的中心线和底面导带201的中心线排列着内槽20阵列，顶面导带200和底面导带201的两侧边是矩形的凹槽21阵列；共面波导到表面等离激元传输线过渡3的一端是延迟线的端口31，共面波导位于顶面金属层10的顶面中心导带300和位于底面金属层11的底面中心导带301形状和大小一样，顶面中心导带300与底面中心导带301由穿过介质基板1的金属化过孔12阵列连接；共面波导位于顶面金属层10的顶面金属地302和位于底面金属层11的底面金属地303形状和大小一样，顶面金属地302和底面金属地303由穿过介质基板1的金属化过孔12阵列连接；顶面中心导带300和底面中心导带301两侧的顶面金属地302和底面金属地303逐渐张开呈喇叭形，并远离顶面中心导带300和底面中心导带301；在共面波导到表面等离激元传输线过渡3的另一端，共面波导的顶面中心导带300与表面等离激元传输线2的顶面导带200相连，底面中心导带301与表面等离激元传输线2的底面导带201相连；共面波导到表面等离激元传输线过渡3靠近表面等离激元传输线2的部分，顶面中心导带300和底面中心导带301的两侧边有不同深度的多个过渡凹槽34，沿着顶面中心导带300和底面中心导带301的中心线有大小不同的多个过渡内槽35；表面等离激元传输线2是双周期的周期性结构的传输线，内槽20、过渡内槽35、凹槽21和过渡凹槽34均为等间距排列，相邻内槽20中心的间距与相邻过渡内槽35中心的间距一样，相邻凹槽21中心的间距与相邻过渡凹槽34中心的间距一样；双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线的工作频段接近表面等离激元传输线2的高截止频率。

过渡凹槽34的形状与凹槽21的形状一样，过渡凹槽34的深度由浅到深以减小共面波导到表面等离激元传输线过渡3的反射，靠近表面等离激元传输线2的过渡凹槽34的深度最深且接近凹槽21的深度；过渡内槽35的形状与内槽20的形状一样，过渡内槽35的大小由小到大以减小共面波导到表面等离激元传输线过渡3的反射，靠近表面等离激元传输线2的过渡内槽35的大小最大且接近内槽20的大小。

改变表面等离激元传输线2的长度可以改变双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线的时延；改变表面等离激元传输线2相邻凹槽21中心的间距、凹槽21的深度、相邻内槽20中心的间距、内槽20的大小可以改变双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线的工作频率。

共面波导到表面等离激元传输线过渡3的长度大于五个工作波长，过渡凹槽34的数量大于二十个，过渡内槽35的数量大于十个，以减小反射。

调节内槽20的大小、调节相邻内槽20中心的间距与两个相邻凹槽21中心的间距的比值，使得双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线在工作频带内的时延尽可能相等。

相邻金属化过孔12的间距不大于八分之一波长，以保证顶面金属层10与底面金属层11的有效连接。

表面等离激元传输线2是一种周期性的慢波传输线，并且是带通传输线。电磁波频率越靠近表面等离激元传输线2的高截止频率，其传播的速度就越慢，单位长度的延迟时间就越长。双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线的工作频段接近表面等离激元传输线2的高截止频率，这样可以使得延迟线的尺寸可以大大缩小。

表面等离激元传输线2是一种双周期的慢波传输线，其中一个周期的长度就是相邻内槽20中心的间距，另一个周期的长度就是相邻凹槽21中心的间距。周期性的内槽20阵列可以调节表面等离激元传输线2色散曲线的形状，内槽20越大，调节的程度就越大，因此可以调节内槽20的大小以及调整两个周期的相对大小就可以调节表面等离激元传输线2的色散曲线的形状，使得工作频段内延迟线的时延尽可能一致。

图3是弯折排列的双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线示意图。表面等离激元传输线2是一种单导体表面波传输线，其传输的电磁波被紧紧的约束在表面等离激元传输线2的近邻，因此即使相距很近，相邻的两条表面等离激元传输线2之间的互耦很小。这样表面等离激元传输线2可以比微带线等其它传输线更紧密的弯折排列，以减小双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线的体积。

表面等离激元传输线2是一种单导体表面波传输线，其阻抗与介质基板1的厚度基本无关，因此可以采用非常薄的介质基板1，不仅可以减小延迟线的体积、重量和成本，而且使用的灵活性强。

双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线是平面结构，易于与***其它元器件集成，实现小型化。

在工艺上，双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线可以采用多种工艺实现，既可以采用普通的印刷电路板(PCB)工艺，也可以采用低温共烧陶瓷(LTCC)工艺或者CMOS、Si基片等集成电路工艺实现。

根据以上所述，便可实现本发明。

Claims (6)

1.一种双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线，其特征在于该延迟线包括介质基板（1）、设置在介质基板（1）上的表面等离激元传输线（2）、和共面波导到表面等离激元传输线过渡（3）；介质基板（1）的一面是顶面金属层（10），介质基板（1）的另一面是底面金属层（11），顶面金属层（10）与底面金属层（11）对称分布在介质基板（1）的两面，顶面金属层（10）与底面金属层（11）的形状和大小一样；顶面金属层（10）和底面金属层（11）构成表面等离激元传输线（2）和共面波导到表面等离激元传输线过渡（3）；表面等离激元传输线（2）的两端分别与两个共面波导到表面等离激元传输线过渡（3）相连，表面等离激元传输线（2）位于顶面金属层（10）的顶面导带（200）和位于底面金属层（11）的底面导带（201）由穿过介质基板（1）的金属化过孔（12）阵列连接；沿着顶面导带（200）的中心线和底面导带（201）的中心线排列着内槽（20）阵列，顶面导带（200）和底面导带（201）的两侧边是矩形的凹槽（21）阵列；共面波导到表面等离激元传输线过渡（3）的一端是延迟线的端口（31），共面波导位于顶面金属层（10）的顶面中心导带（300）和位于底面金属层（11）的底面中心导带（301）形状和大小一样，顶面中心导带（300）与底面中心导带（301）由穿过介质基板（1）的金属化过孔（12）阵列连接；共面波导位于顶面金属层（10）的顶面金属地（302）和位于底面金属层（11）的底面金属地（303）形状和大小一样，顶面金属地（302）和底面金属地（303）由穿过介质基板（1）的金属化过孔（12）阵列连接；顶面中心导带（300）和底面中心导带（301）两侧的顶面金属地（302）和底面金属地（303）逐渐张开呈喇叭形，并远离顶面中心导带（300）和底面中心导带（301）；在共面波导到表面等离激元传输线过渡（3）的另一端，共面波导的顶面中心导带（300）与表面等离激元传输线（2）的顶面导带（200）相连，底面中心导带（301）与表面等离激元传输线（2）的底面导带（201）相连；共面波导到表面等离激元传输线过渡（3）靠近表面等离激元传输线（2）的部分，顶面中心导带（300）和底面中心导带（301）的两侧边有不同深度的多个过渡凹槽（34），沿着顶面中心导带（300）和底面中心导带（301）的中心线有大小不同的多个过渡内槽（35）；表面等离激元传输线（2）是双周期的周期性结构的传输线，内槽（20）、过渡内槽（35）、凹槽（21）和过渡凹槽（34）均为等间距排列，相邻内槽（20）中心的间距与相邻过渡内槽（35）中心的间距一样，相邻凹槽（21）中心的间距与相邻过渡凹槽（34）中心的间距一样；双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线的工作频段接近表面等离激元传输线（2）的高截止频率。

2.根据权利要求1所述的一种双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线，其特征在于所述过渡凹槽（34）的形状与凹槽（21）的形状一样，过渡凹槽（34）的深度由浅到深以减小共面波导到表面等离激元传输线过渡（3）的反射，靠近表面等离激元传输线（2）的过渡凹槽（34）的深度最深且接近凹槽（21）的深度；过渡内槽（35）的形状与内槽（20）的形状一样，过渡内槽（35）的大小由小到大以减小共面波导到表面等离激元传输线过渡（3）的反射，靠近表面等离激元传输线（2）的过渡内槽（35）的大小最大且接近内槽（20）的大小。

3.根据权利要求1所述的一种双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线，其特征在于所述表面等离激元传输线（2），改变其长度可以改变双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线的时延；改变表面等离激元传输线2相邻凹槽（21）中心的间距、凹槽（21）的深度、相邻内槽（20）中心的间距、内槽（20）的大小可以改变双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线的工作频率。

4.根据权利要求1所述的一种双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线，其特征在于所述表面等离激元传输线过渡（3），共面波导到表面等离激元传输线过渡（3）之间的长度大于五个工作波长，过渡凹槽（34）的数量大于二十个，过渡内槽（35）的数量大于十个，以减小反射。

5.根据权利要求1所述的一种双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线，其特征在于所述的内槽（20），调节内槽（20）尺寸的大小、调节相邻内槽（20）中心的间距与两个相邻凹槽（21）中心的间距的比值，使得双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线在工作频带内的时延尽可能相等。

6.根据权利要求1所述的一种双面单导体等离激元超慢波平面微波延迟线，其特征在于所述的金属化过孔（12），相邻两金属化过孔（12）之间的距离不大于八分之一波长，以保证顶面金属层（10）与底面金属层（11）的有效连接。