CN109193092A - 蛇形基片集成槽间隙波导结构 - Google Patents

蛇形基片集成槽间隙波导结构 Download PDF

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申东娅
陈剑培
张秀普
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P3/00Waveguides; Transmission lines of the waveguide type

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Abstract

本发明蛇形基片集成槽间隙波导结构由两层介质板连接而成。上层介质板的上表面印刷有金属层,金属层两端分别连接过渡渐变线和馈电微带线;下层介质板的上表面两侧印刷有金属圆形贴片,金属圆形贴片的中间有一条双90°圆弧弯曲的蛇形介质槽,两个90°圆弧弯曲的方向相反;下层介质板的下表面印刷有接地金属层,两侧分别打入多排蛇形排列的周期性金属过孔,与上表面金属圆形贴片相连,形***磁带隙工磁导体结构。该蛇形波导传输TE10模。本发明实现了介质槽传输电磁波,解决了金属槽波导难集成、体积大等问题,实现了印刷电路弯曲走线,降低了波导不连续性对传输特性的影响,并实现了与微带电路的模式转换。

Description

蛇形基片集成槽间隙波导结构
技术领域
本发明涉及电子技术领域,具体涉及蛇形基片集成槽间隙波导结构。
背景技术
波导作为传输电磁波的媒介,因其高功率容量、低传输损耗等特点,在无线通信***中得到了广泛应用。随着微波集成电路的迅速发展和频谱资源的日益紧张,小型化、集成化等对微波电路提出了更高的要求,传统的矩形波导因体积大、难集成等缺点很难适应集成电路的发展,而微带线、带状线等由于其损耗大等缺点也难以胜任。
间隙波导(Gap Waveguide, GW)是一种新型波导结构,由两块平行的金属导体板制成,上层金属板作为一个理想电导体(PEC),下层金属板上有中间的金属脊/空气槽和两侧周期性金属钉形成的人工磁导体(AMC)构成,上下层之间为空气间隙层,电磁波会沿着金属脊/空气槽进行传播。间隙波导由于其上下封闭的金属导体板使得电磁波只能在内部传播,尤其是垂直极化的空气槽间隙波导结构,其损耗仅次于传统的矩形波导。
由于全金属的结构,间隙波导很难再电路中进行集成,为了改进这一缺陷,研究人员开始考虑使用印刷电路板(PCB)技术来实现间隙波导,如微带脊间隙波导。微带脊间隙波导采用PCB技术,通过介质板上印刷微带脊和蘑菇状电磁带隙结构来实现金属脊和AMC。而基片集成间隙波导(SIGW)技术在此基础上,将空隙间隙改进为介质间隙,改进了空气间隙的不稳定因素,使得加工也更加简便,且微带脊的走线也更加灵活自由。
在波导的实际应用中常常需要把波导弯曲,以方便整体电路的布局,但同时会带来波导不连续性的影响。如何设计弯曲波导结构,使得不连续性的影响降到最低,是设计弯曲波导时首要考虑的问题。
本发明蛇形基片集成槽间隙波导结构(Snake-shape Substrate IntegratedGrove Gap Waveguide,S-SIGGW),含两个90°圆弧弯曲波导结构,两个圆弧方向相反。该结构针对全金属制的空气槽间隙波导进行基片集成,不仅加工简便,而且其传输特性可以利用电路中的参数进行控制,实现了波导工作频率的可调谐,大大降低了不连续性对波导传输特性的影响。
相比SIGW结构的准TEM模式传输,该发明传输TE模式,更容易进行模式分析和模式转换,且减小了SIGW的微带金属脊的传导损耗。
本发明内容,经文献检索,未见与本发明相同的公开报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足,设计出蛇形基片集成槽间隙波导结构。
本发明蛇形基片集成槽间隙波导结构,包括:上层介质板(1),下层介质板(2),其中:
a、上层介质板(1)的上表面印刷由金属层(3),上表面金属层(3)的两端分别与印刷的过渡渐变线金属层(4、6)和馈电微带线金属层(5、7)连接,微带线金属层(5、7)作为波导的两个输入/输出端口,可以与其他微带线器件或接头相连;
b、下层介质板(2)的上表面的两侧分别印刷有多排蛇形排列的金属圆形贴片阵列(11,12),下层介质板(2)的上表面未印刷金属圆形贴片的中间为一条双90°圆弧弯曲的蛇形介质槽(9);下层介质板(2)的下表面印刷有接地金属层(8),两侧分别打入多排蛇形排列的周期性金属过孔(10),金属过孔(10)与金属圆形贴片(11,12)同圆心相连,形成蛇形排列的蘑菇状电磁带隙(EBG)结构阵列;
c、上层介质板(1)和下层介质板(2)可通过粘接或螺丝固定在一起,上层介质板(1)与下层介质板(2)长度和宽度相同。
如上所述的蛇形基片集成槽间隙波导结构,上层介质板(1)为基片集成槽间隙波导的间隙层,其厚度小于传播波长的1/4;上层介质板(1)的过渡渐变线金属层(4、6)和馈电微带线金属层(5、7)为波导与微带线的转接结构。
如上所述的蛇形基片集成槽间隙波导结构,下层介质板(2)为基片集成槽间隙波导的过孔层和介质槽层;下层介质板(2)上的介质槽(9)宽度是固定,为介质传输波长的1.3倍,电磁波在介质槽中进行传输,传输模式为TE10模;改变介质槽(9)的宽度,会影响波导的传输损耗。
如上所述的蛇形基片集成槽间隙波导结构,下层介质板(2)的介电常数必须大于上层介质板(1)的介电常数;改变两者的介电常数,会改变波导的特性阻抗,当两者的介电常数增加时,波导的阻抗会减小,且下层介质板(2)的介电常数对阻抗的影响要大于上层介质板(1)。
如上所述的蛇形基片集成槽间隙波导结构,下层介质板(2)的金属过孔(10)和金属圆形贴片(11)构成蛇形电磁带隙,形成了蛇形AMC,可以抑制介质槽中的电磁波向两侧辐射;改变下层介质板(2)上金属过孔(10)的直径和高度和金属圆形贴片阵列(11,12)的直径,可以改变波导的传输频段:金属圆形贴片的直径越小,传输频段的中心频率越高,频段宽度不变;金属过孔直径越大,传输频段的中心频率越高,且传输频段变宽。改变上层介质板(1)的厚度,可以改变波导的特性阻抗,上层介质板(1)的厚度越大,波导的特性阻抗越大;
如上所述的蛇形基片集成槽间隙波导结构,介质槽(9)由两段水平的介质槽和中间两段方向相反的90°的圆弧形介质槽组成,两个圆弧的半径相同,具有相同的不连续性;圆弧所在的半径越小,介质槽的弯曲部分越短,不连续性对波导的影响越大,传输损耗越大,高次谐波越多;如果圆弧半径为0,为直角弯曲波导;如果圆弧半径为无穷,为直波导。
如上所述的蛇形基片集成槽间隙波导结构,上层介质板(1)的损耗角正切要求较高,需尽量选择损耗角正切小的介质板,但对下层介质板(2)的损耗角正切要求不高,可选择便宜的大损耗的介质板,以降低成本。
本发明与现有技术相比,具有如下优点:
1、解决了传统矩形波导、间隙波导的体积大、难加工、难集成等问题;
2、具有低剖面,易集成,易加工;
3、方便集成电路布线,且波导不连续性影响较小;
4、调节波导工作频率的方式简单,可调参数多。
附图说明
图1为本发明蛇形基片集成槽间隙波导结构的整体结构图。
图2为本发明蛇形基片集成槽间隙波导结构的上层介质板的上表面图。
图3为本发明蛇形基片集成槽间隙波导结构的上层介质板的下表面图。
图4为本发明蛇形基片集成槽间隙波导结构的下层介质板的上表面图。
图5为本发明蛇形基片集成槽间隙波导结构的下层介质板的下表面图。
图6为本发明蛇形基片集成槽间隙波导结构的S11和S21的仿真图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细说明。
如图1-6所示,本发明蛇形基片集成槽间隙波导结构,包括:时层介质板(1),下层介质板(2),其中:
a、上层介质板(1)的上表面印刷由金属层(3),上表面金属层(3)的两端分别与印刷的过渡渐变线金属层(4、6)和馈电微带线金属层(5、7)连接,微带线金属层(5、7)作为波导的两个输入/输出端口,可以与其他微带线器件或接头相连;
b、下层介质板(2)的上表面的两侧分别印刷有多排蛇形排列的金属圆形贴片阵列(11,12),下层介质板(2)的上表面未印刷金属圆形贴片的中间为一条双90°圆弧弯曲的蛇形介质槽(9);下层介质板(2)的下表面印刷有接地金属层(8),两侧分别打入多排蛇形排列的周期性金属过孔(10),金属过孔(10)与金属圆形贴片(11,12)同圆心相连,形成蛇形排列的蘑菇状电磁带隙(EBG)结构阵列;
c、上层介质板(1)和下层介质板(2)可通过粘接或螺丝固定在一起,上层介质板(1)与下层介质板(2)长度和宽度相同。
如上所述的蛇形基片集成槽间隙波导结构,上层介质板(1)为基片集成槽间隙波导的间隙层,其厚度小于传播波长的1/4;上层介质板(1)的过渡渐变线金属层(4、6)和馈电微带线金属层(5、7)为波导与微带线的转接结构。
如上所述的蛇形基片集成槽间隙波导结构,下层介质板(2)为基片集成槽间隙波导的过孔层和介质槽层;下层介质板(2)上的介质槽(9)宽度是固定,为介质传输波长的1.3倍,电磁波在介质槽中进行传输,传输模式为TE10模;改变介质槽(9)的宽度,会影响波导的传输损耗。
如上所述的蛇形基片集成槽间隙波导结构,下层介质板(2)的介电常数必须大于上层介质板(1)的介电常数;改变两者的介电常数,会改变波导的特性阻抗,当两者的介电常数增加时,波导的阻抗会减小,且下层介质板(2)的介电常数对阻抗的影响要大于上层介质板(1)。
如上所述的蛇形基片集成槽间隙波导结构,下层介质板(2)的金属过孔(10)和金属圆形贴片(11)构成蛇形电磁带隙,形成了蛇形AMC,可以抑制介质槽中的电磁波向两侧辐射;改变下层介质板(2)上金属过孔(10)的直径和高度和金属圆形贴片阵列(11,12)的直径,可以改变波导的传输频段:金属圆形贴片的直径越小,传输频段的中心频率越高,频段宽度不变;金属过孔直径越大,传输频段的中心频率越高,且传输频段变宽;改变上层介质板(1)的厚度,可以改变波导的特性阻抗,上层介质板(1)的厚度越大,波导的特性阻抗越大。
如上所述的蛇形基片集成槽间隙波导结构,介质槽(9)由两段水平的介质槽和中间两段方向相反的90°的圆弧形介质槽组成,两个圆弧的半径相同,具有相同的不连续性;圆弧所在的半径越小,介质槽的弯曲部分越短,不连续性对波导的影响越大,传输损耗越大,高次谐波越多;如果圆弧半径为0,为直角弯曲波导;如果圆弧半径为无穷,为直波导。
如上所述的蛇形基片集成槽间隙波导结构,上层介质板(1)的损耗角正切要求较高,需尽量选择损耗角正切小的介质板,但对下层介质板(2)的损耗角正切要求不高,可选择便宜的大损耗的介质板,以降低成本。
如上所述的蛇形基片集成槽间隙波导结构,波导的整体尺寸为40.82mm*60.02mm*1.067mm;上层介质板(1)采用介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009的介质材料,下层介质板(2)是介电常数为3.48、损耗角正切为0.004的介质材料。
图6所示的S参数仿真结果表明,在20GHz-34GHz频段,本发明蛇形基片集成槽间隙波导结构具有S11大部分低于-20dB的阻抗特性,以及S12为-0.8dB--2.0dB的传输特性。
上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方式,在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (8)

1.本发明涉及蛇形基片集成槽间隙波导结构,其特征在于,包括:上层介质板(1),下层介质板(2),其中:
a、上层介质板(1)的上表面印刷由金属层(3),上表面金属层(3)的两端分别与印刷的过渡渐变线金属层(4、6)和馈电微带线金属层(5、7)连接,微带线金属层(5、7)作为波导的两个输入/输出端口,可以与其他微带线器件或接头相连;
b、下层介质板(2)的上表面的两侧分别印刷有多排蛇形排列的金属圆形贴片阵列(11,12),下层介质板(2)的上表面未印刷金属圆形贴片的中间为一条双90°圆弧弯曲的蛇形介质槽(9);下层介质板(2)的下表面印刷有接地金属层(8),两侧分别打入多排蛇形排列的周期性金属过孔(10),金属过孔(10)与金属圆形贴片(11,12)同圆心相连,形成蛇形排列的蘑菇状电磁带隙(EBG)结构阵列;
c、上层介质板(1)和下层介质板(2)可通过粘接或螺丝固定在一起,上层介质板(1)与下层介质板(2)长度和宽度相同。
2.根据权利要求1所述的蛇形基片集成槽间隙波导结构,其特征在于:上层介质板(1)为基片集成槽间隙波导的间隙层,其厚度小于传播波长的1/4;上层介质板(1)的过渡渐变线金属层(4、6)和馈电微带线金属层(5、7)为波导与微带线的转接结构。
3.根据权利要求1所述的蛇形基片集成槽间隙波导结构,其特征在于:下层介质板(2)为基片集成槽间隙波导的过孔层和介质槽层;下层介质板(2)上的介质槽(9)宽度是固定,为介质传输波长的1.3倍,电磁波在介质槽中进行传输,传输模式为TE10模;改变介质槽(9)的宽度,会影响波导的传输损耗。
4.根据权利要求1所述的蛇形基片集成槽间隙波导结构,其特征在于:下层介质板(2)的介电常数必须大于上层介质板(1)的介电常数;改变两者的介电常数,会改变波导的特性阻抗,当两者的介电常数增加时,波导的阻抗会减小,且下层介质板(2)的介电常数对阻抗的影响要大于上层介质板(1)。
5.根据权利要求1所述的蛇形基片集成槽间隙波导结构,其特征在于:下层介质板(2)的金属过孔(10)和金属圆形贴片(11)构成蛇形电磁带隙,形成了蛇形AMC,可以抑制介质槽中的电磁波向两侧辐射;改变下层介质板(2)上金属过孔(10)的直径和高度和金属圆形贴片阵列(11,12)的直径,可以改变波导的传输频段:金属圆形贴片的直径越小,传输频段的中心频率越高,频段宽度不变;金属过孔直径越大,传输频段的中心频率越高,且传输频段变宽;改变上层介质板(1)的厚度,可以改变波导的特性阻抗,上层介质板(1)的厚度越大,波导的特性阻抗越大。
6.根据权利要求1所述的蛇形基片集成槽间隙波导结构,其特征在于:介质槽(9)由两段水平的介质槽和中间两段方向相反的90°的圆弧形介质槽组成,两个圆弧的半径相同,具有相同的不连续性;圆弧所在的半径越小,介质槽的弯曲部分越短,不连续性对波导的影响越大,传输损耗越大,高次谐波越多;如果圆弧半径为0,为直角弯曲波导;如果圆弧半径为无穷,为直波导。
7.根据权利要求1所述的蛇形基片集成槽间隙波导结构,其特征在于:上层介质板(1)的损耗角正切要求较高,需尽量选择损耗角正切小的介质板,但对下层介质板(2)的损耗角正切要求不高,可选择便宜的大损耗的介质板,以降低成本。
8.根据权利要求1所述的蛇形基片集成槽间隙波导结构,其特征在于:波导的整体尺寸为40.82mm*60.02mm*1.067mm;上层介质板(1)采用介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009的介质材料,下层介质板(2)是介电常数为3.48、损耗角正切为0.004的介质材料。
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