CN116130903A - 一种基于间隙波导的亚毫米波波导法兰 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于间隙波导的亚毫米波波导法兰，包括第一波导和第二波导；第一波导固定连接第二波导；第一波导的中部设置有贯穿第一波导的第一通孔；第二波导的中部设置有贯穿第二波导，且连通第一通孔的第二通孔；第一波导和第二波导之间设置有多个依次固定连接的第一阻带；多个第一阻带用于限制第一通孔和第二通孔内电磁波泄露；每个第一阻带包括多个蘑菇型周期结构；多个蘑菇型周期结构沿着第一通孔的周向依次排列；本发明利用间隙波导技术在波导与波导连接之处设置蘑菇型周期结构，避免由于加工误差产生的空气间隙导致的电磁波能量的泄露，抑制波导法兰产生的PIM；波导法兰具有轻量化，低剖面以及密封性好的优点。
Description
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术领域，尤其涉及一种基于间隙波导的亚毫米波波导法兰。
背景技术
随着通信技术的飞速发展与应用，在无线通信***中，固定带宽内需要通过的语音和数据信息日益增加，以及频谱资源的有限，对***传输信息的能力有很大的挑战。为了保证传输信息的质量和效率，需要提高信息传输路径的质量，减小外界因素对***的干扰与影响。在两个或多个金属器件之间，如果没有很好的机械连接，则会因为金属连接处松动，导致金属表面由于氧化、腐蚀等原因产生无源互调(Passive-Intermodulation,PIM)，从而影响了***所传输的信息。常见的微波传输的方式为波导传输，波导与波导之间连接器——波导法兰盘的设计对提高***传输信息的质量十分重要。
传统的波导法兰在两个法兰盘相连接时，两者之间会有一些难以避免的空气间隙，会使得能量在传输过程中产生泄露，影响***的整体性能，尤其是对毫米波、太赫兹等极高频段及以上频段的影响尤为严重。目前，采用严格的表面处理工艺以及高压连接等，来抑制波导法兰产生的PIM，但是会带来较高的时间和制造成本。对于两波导法兰盘之间的间隙带来的能量泄露，间隙波导技术的无电接触的优点，实现阻止能量在意外间隙中的泄露。间隙波导技术广泛应用于微波和毫米波应用，如理想磁导体(PerfectMagneticConductor,PMC)封装、无源自封装间隙波导电路、天线、低无源互调连接和非接触波导法兰(ContactlessWaveguide Flange,CWF)等。
对于基于间隙波导技术的无接触波导法兰结构，其最大的优势是，即使两个法兰盘间会有空气间隙，由间隙波导技术构成的电磁带隙结构(ElectromagneticBandGap,EBG)会限制电磁波从两波导法兰间的空气间隙中泄露，从而减少PIM的产生，提高整个通信***的性能。目前，大多数研究人员所使用的EBG结构为金属柱，在尺寸和重量上不占优势，为了实现以上轻量化以及小型化的波导法兰盘设计，需要开发新的波导法兰结构。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于间隙波导的亚毫米波波导法兰。
本发明提供一种基于间隙波导的亚毫米波波导法兰，包括第一波导和第二波导；所述第一波导固定连接所述第二波导；所述第一波导的中部设置有贯穿所述第一波导的第一通孔；所述第二波导的中部设置有贯穿所述第二波导，且连通所述第一通孔的第二通孔；所述第一波导和第二波导之间设置有多个依次固定连接的第一阻带；多个所述第一阻带用于限制所述第一通孔和第二通孔内电磁波泄露；
每个所述第一阻带包括多个蘑菇型周期结构；多个所述蘑菇型周期结构沿着所述第一通孔的周向依次排列；所述蘑菇型周期结构包括空气间隙、金属贴片、高阻硅基板和多个金属柱；
所述空气间隙和高阻硅基板均为矩形柱结构；所述空气间隙位于所述高阻硅基板的顶部；所述空气间隙中部设置有贯穿所述空气间隙的第三通孔；所述金属贴片位于所述第三通孔的内部且位于所述高阻硅基板的顶部；多个所述金属柱位于所述高阻硅基板的内部；每个所述金属柱的轴向垂直于所述金属贴片底部所在的平面。
进一步地，所述第一波导包括固定连接的第一上波导和第一下波导；所述第一上波导上开设有第一上凹槽；所述第一下波导上开设有第一下凹槽；所述第一上凹槽和第一下凹槽构成所述第一通孔。
进一步地，所述第二波导包括固定连接的第二上波导和第二下波导；所述第二上波导上开设有第二上凹槽；所述第二下波导上开设有第二下凹槽；所述第二上凹槽和第二下凹槽构成所述第二通孔。
进一步地，所述第一上波导和第一下波导连接处设置有位于所述第一通孔两侧的多个依次固定连接的第二阻带；每个所述第二阻带包括多个所述蘑菇型周期结构；多个所述蘑菇型周期结构沿着所述第一通孔的轴向依次排列。
进一步地，所述第二上波导和第二下波导连接处设置有位于所述第二通孔两侧的多个依次固定连接的第三阻带；每个所述第三阻带包括多个所述蘑菇型周期结构；多个所述蘑菇型周期结构沿着所述第二通孔的轴向依次排列。
进一步地，所述第一阻带固定连接所述第一波导；所述第二波导靠近所述第一阻带的侧面开设有与所述第一阻带相匹配的第三凹槽。
进一步地，所述第一上波导和第一下波导通过多个第一金属销钉固定连接。
进一步地，所述第二上波导和第二下波导通过多个第一金属销钉固定连接。
进一步地，所述第二波导靠近所述第一阻带的侧面上设置有多个连接耳；所述第一波导上设置有与每个所述连接耳相匹配的连接槽；每个所述连接耳通过第二金属销钉与对应的所述连接槽固定连接。
进一步地，多个所述蘑菇型周期结构均为单边蘑菇型周期结构。
本发明提供一种基于间隙波导的亚毫米波波导法兰，包括第一波导和第二波导；所述第一波导固定连接所述第二波导；所述第一波导的中部设置有贯穿所述第一波导的第一通孔；所述第二波导的中部设置有贯穿所述第二波导，且连通所述第一通孔的第二通孔；所述第一波导和第二波导之间设置有多个依次固定连接的第一阻带；多个所述第一阻带用于限制所述第一通孔和第二通孔内电磁波泄露；每个所述第一阻带包括多个蘑菇型周期结构；多个所述蘑菇型周期结构沿着所述第一通孔的周向依次排列；所述蘑菇型周期结构包括空气间隙、金属贴片、高阻硅基板和多个金属柱；所述空气间隙和高阻硅基板均为矩形柱结构；所述空气间隙位于所述高阻硅基板的顶部；所述空气间隙中部设置有贯穿所述空气间隙的第三通孔；所述金属贴片位于所述第三通孔的内部且位于所述高阻硅基板的顶部；多个所述金属柱位于所述高阻硅基板的内部；每个所述金属柱的轴向垂直于所述金属贴片底部所在的平面。本发明利用间隙波导技术在波导与波导连接之处设置蘑菇型周期结构，避免由于加工误差产生的空气间隙导致的电磁波能量的泄露，抑制波导法兰产生的PIM；波导法兰具有轻量化，低剖面以及密封性好的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于间隙波导的亚毫米波波导法兰的结构图；
图2为本发明实施例提供的第二波导的侧视图；
图3为本发明实施例提供的一种基于间隙波导的亚毫米波波导法兰的分解图；
图4为本发明实施例提供的第二波导的结构图；
图5为本发明实施例提供的一种基于间隙波导的亚毫米波波导法兰的整体图；
图6为本发明实施例提供的第二波导的整体图；
图7为本发明实施例提供的蘑菇型周期结构的结构图；
图8为本发明实施例提供的蘑菇型周期结构的俯视图；
图9为本发明实施例提供的基于间隙波导技术的亚毫米波波导及法兰盘结构的仿真结果图。
其中，1、第一波导，101、第一上波导，1011、第一上凹槽，102、第一下波导，1021、第一下凹槽，103、连接槽；2、第二波导，201、第二上波导，2011、第二上凹槽，202、第二下波导，2021、第二下凹槽，203、第三凹槽，204、连接耳；3、第一通孔；4、第二通孔；5、第一阻带，501、蘑菇型周期结构，5011、空气间隙，5012、金属贴片，5013、高阻硅基板，5014、金属柱，5015、第三通孔；6、第二阻带；7、第三阻带；8、第一金属销钉；9、第二金属销钉。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供一种基于间隙波导的亚毫米波波导法兰，包括第一波导1和第二波导2；第一波导1固定连接第二波导2；第一波导1的中部设置有贯穿第一波导1的第一通孔3；第二波导2的中部设置有贯穿第二波导2，且连通第一通孔3的第二通孔4；第一波导1和第二波导2之间设置有多个依次固定连接的第一阻带5；多个第一阻带5用于限制第一通孔3和第二通孔4内电磁波泄露。
如图7和图8所示，每个第一阻带5包括多个蘑菇型周期结构501；多个蘑菇型周期结构501沿着第一通孔3的周向依次排列；蘑菇型周期结构501包括空气间隙5011、金属贴片5012、高阻硅基板5013和多个金属柱5014。
空气间隙5011和高阻硅基板5013均为矩形柱结构；空气间隙5011位于高阻硅基板5013的顶部；空气间隙5011中部设置有贯穿空气间隙5011的第三通孔5015；金属贴片5012位于第三通孔5015的内部且位于高阻硅基板5013的顶部；多个金属柱5014位于高阻硅基板5013的内部；每个金属柱5014的轴向垂直于金属贴片5012底部所在的平面。
示例性地，如图4和图5所示，第一波导1包括固定连接的第一上波导101和第一下波导102；第一上波导101上开设有第一上凹槽1011；第一下波导102上开设有第一下凹槽1021；第一上凹槽1011和第一下凹槽1021构成第一通孔3。如图2和图6所示，第二波导2包括固定连接的第二上波导201和第二下波导202；第二上波导201上开设有第二上凹槽2011；第二下波导202上开设有第二下凹槽2021；第二上凹槽2011和第二下凹槽2021构成第二通孔4。电磁波依次在第一通孔3和第二通孔4中传播，第一阻带5阻止电磁波能量在第一波导1和第二波导2连接处的泄露，抑制波导法兰产生的PIM。
示例性地，第一上波导101和第一下波导102连接处设置有位于第一通孔3两侧的多个依次固定连接的第二阻带6；每个第二阻带6包括多个蘑菇型周期结构501；多个蘑菇型周期结构501沿着第一通孔3的轴向依次排列。第二上波导201和第二下波导202连接处设置有位于第二通孔4两侧的多个依次固定连接的第三阻带7；每个第三阻带7包括多个蘑菇型周期结构501；多个蘑菇型周期结构501沿着第二通孔4的轴向依次排列。第二阻带6阻止电磁波能量在第一上波导101和第一下波导102连接处的泄露，抑制波导法兰产生的PIM；第三阻带7阻止电磁波能量在第二上波导201和第二下波导202连接处的泄露，抑制波导法兰产生的PIM。
示例性地，如图3所示，第一阻带5固定连接第一波导1；第二波导2靠近第一阻带5的侧面开设有与第一阻带5相匹配的第三凹槽203。第一阻带5嵌入第三凹槽203中，构成完整的蘑菇型电磁带隙结构。基于间隙波导技术的140GHz-210GHz波导法兰的工作频率可以设计为毫米波和太赫兹频段，蘑菇型周期结构501的衬底可以选择不同的材料。
示例性地，如图3所示，第一上波导101和第一下波导102通过多个第一金属销钉8固定连接。第二上波导201和第二下波导202通过多个第一金属销钉8固定连接。第二波导2靠近第一阻带5的侧面上设置有多个连接耳204；第一波导1上设置有与每个连接耳204相匹配的连接槽103；每个连接耳204通过第二金属销钉9与对应的连接槽103固定连接。
示例性地，多个蘑菇型周期结构501均为单边蘑菇型周期结构。其中，第一上波导101和第一下波导102连接处的多个蘑菇型周期结构501也可以为双边蘑菇型周期结构；同样，第二上波导201和第二下波导202连接处的多个蘑菇型周期结构501也可以为双边蘑菇型周期结构。
示例性地，如图2和图3所示，其中的蘑菇型周期结构501：空气间隙5011的尺寸为(按照X、Y、Z的顺序)：0.15mm*0.15mm*0.025mm，高阻硅基板5013的尺寸为：0.15mm*0.15mm*0.15mm，金属贴片5012的尺寸为：0.1mm*0.1mm*0.003mm，四个金属柱5014的半径和高度：0.01mm*0.15mm。
其中，a1＝1.20mm，a2＝2.125mm，a3＝0.625mm，a4＝0.50mm，b＝3.00mm，b1＝1.65mm，b2＝0.45mm，b3＝0.50mm，c＝4.60mm，c1＝2.275mm，c2＝1.10mm，h1＝1.00mm，h2＝0.70mm，h3＝0.10mm，h4＝0.20mm，r1＝0.1mm，r2＝0.05mm。
如图9所示，展示了基于间隙波导技术的亚毫米波波导及法兰盘结构的仿真结果(为了模拟现实中的装配，仿真时，在第一波导与第二波导之间设置了25um的缝隙来模拟误差，得到的仿真结果)。实施例中波导连接器在有25um缝隙的情况下，能够在140GHz-210GHz频率范围内实现电磁波的正常传输。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于间隙波导的亚毫米波波导法兰，其特征在于，包括第一波导(1)和第二波导(2)；所述第一波导(1)固定连接所述第二波导(2)；所述第一波导(1)的中部设置有贯穿所述第一波导(1)的第一通孔(3)；所述第二波导(2)的中部设置有贯穿所述第二波导(2)，且连通所述第一通孔(3)的第二通孔(4)；所述第一波导(1)和第二波导(2)之间设置有多个依次固定连接的第一阻带(5)；多个所述第一阻带(5)用于限制所述第一通孔(3)和第二通孔(4)内电磁波泄露；
每个所述第一阻带(5)包括多个蘑菇型周期结构(501)；多个所述蘑菇型周期结构(501)沿着所述第一通孔(3)的周向依次排列；所述蘑菇型周期结构(501)包括空气间隙(5011)、金属贴片(5012)、高阻硅基板(5013)和多个金属柱(5014)；
所述空气间隙(5011)和高阻硅基板(5013)均为矩形柱结构；所述空气间隙(5011)位于所述高阻硅基板(5013)的顶部；所述空气间隙(5011)中部设置有贯穿所述空气间隙(5011)的第三通孔(5015)；所述金属贴片(5012)位于所述第三通孔(5015)的内部且位于所述高阻硅基板(5013)的顶部；多个所述金属柱(5014)位于所述高阻硅基板(5013)的内部；每个所述金属柱(5014)的轴向垂直于所述金属贴片(5012)底部所在的平面。
2.根据权利要求1所述的基于间隙波导的亚毫米波波导法兰，其特征在于，所述第一波导(1)包括固定连接的第一上波导(101)和第一下波导(102)；所述第一上波导(101)上开设有第一上凹槽(1011)；所述第一下波导(102)上开设有第一下凹槽(1021)；所述第一上凹槽(1011)和第一下凹槽(1021)构成所述第一通孔(3)。
3.根据权利要求1所述的基于间隙波导的亚毫米波波导法兰，其特征在于，所述第二波导(2)包括固定连接的第二上波导(201)和第二下波导(202)；所述第二上波导(201)上开设有第二上凹槽(2011)；所述第二下波导(202)上开设有第二下凹槽(2021)；所述第二上凹槽(2011)和第二下凹槽(2021)构成所述第二通孔(4)。
4.根据权利要求2所述的基于间隙波导的亚毫米波波导法兰，其特征在于，所述第一上波导(101)和第一下波导(102)连接处设置有位于所述第一通孔(3)两侧的多个依次固定连接的第二阻带(6)；每个所述第二阻带(6)包括多个所述蘑菇型周期结构(501)；多个所述蘑菇型周期结构(501)沿着所述第一通孔(3)的轴向依次排列。
5.根据权利要求3所述的基于间隙波导的亚毫米波波导法兰，其特征在于，所述第二上波导(201)和第二下波导(202)连接处设置有位于所述第二通孔(4)两侧的多个依次固定连接的第三阻带(7)；每个所述第三阻带(7)包括多个所述蘑菇型周期结构(501)；多个所述蘑菇型周期结构(501)沿着所述第二通孔(4)的轴向依次排列。
6.根据权利要求1所述的基于间隙波导的亚毫米波波导法兰，其特征在于，所述第一阻带(5)固定连接所述第一波导(1)；所述第二波导(2)靠近所述第一阻带(5)的侧面开设有与所述第一阻带(5)相匹配的第三凹槽(203)。
7.根据权利要求2所述的基于间隙波导的亚毫米波波导法兰，其特征在于，所述第一上波导(101)和第一下波导(102)通过多个第一金属销钉(8)固定连接。
8.根据权利要求3所述的基于间隙波导的亚毫米波波导法兰，其特征在于，所述第二上波导(201)和第二下波导(202)通过多个第一金属销钉(8)固定连接。
9.根据权利要求1所述的基于间隙波导的亚毫米波波导法兰，其特征在于，所述第二波导(2)靠近所述第一阻带(5)的侧面上设置有多个连接耳(204)；所述第一波导(1)上设置有与每个所述连接耳(204)相匹配的连接槽(103)；每个所述连接耳(204)通过第二金属销钉(9)与对应的所述连接槽(103)固定连接。
10.根据权利要求1所述的基于间隙波导的亚毫米波波导法兰，其特征在于，多个所述蘑菇型周期结构(501)均为单边蘑菇型周期结构。
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