CN103887584A - 基于超常媒质的小型化基片集成波导 - Google Patents

Abstract

基于超常媒质的小型化基片集成波导，涉及一种基于超常媒质的基片集成波导。它是为了在保证工作带宽的情况下实现集成波导的小型化。它的两个50Ω微带线和两个微带线与基片集成波导转换结构；每个50Ω微带线为金属带条结构；每个微带线和基片集成波导转换结构为一段渐宽的金属带条；两个微带线与基片集成波导转换结构的较宽端镜像固定在介质板的左、右两个侧面的中间位置；两个50Ω微带线的一端分别与两个微带线和基片集成波导转换结构的较窄端连接为一体结构；所述介质板的上部和下部对应开有2N个金属通孔；介质板的上部的通孔和下部的通孔之间蚀刻有交指电容槽缝。本发明适用于作为集成波导器件。

Description

基于超常媒质的小型化基片集成波导

技术领域

本发明涉及一种基于超常媒质的基片集成波导。

背景技术

近些年来，吴柯等学者提出了一种新型的低剖面基片集成波导（SIW）。基片集成波导是一种新型微波传输线，它是在印制电路板（PCB）的两侧合理地打下两排金属过孔来实现的。利用该技术不仅可以减小传统波导的尺寸、重量、成本，而且加工的可实现性和可靠性可以大大提高，因此它有利于出集成波导器件，尤其是与超常媒质结合在一起，可以设计出更加出色的波导器件。

超常媒质是人工设计的具有异常电磁特性的特殊结构，由于它具有的异常电磁特性，在微波领域得到广泛的关注，近几年来，各种超常媒质被设计出来应用到各个微波各个领域，如零折射透镜，隐身，完美透镜等。其中最具价值的一项应用便是用于减小波导尺寸，通过在金属波导内部嵌入开口谐振环（SRR），引入负磁导率从而使得波导工作在截止频率之下。然而，传统波导由于高剖面，体积较大，笨重等缺点，不适合与其他电路元件集成，尤其是平面微波电路。而平面结构的基片集成波导的提出客服了这些缺点。如果能将基片集成波导横向尺寸进一步减小，将更有利于微波电路集成。

Yuan Dang Dong等人提出在基片集成波导上表面蚀刻互补谐振环（CSRR）来设计小型化窄带滤波器，最终获得了在截止频率之下的一个窄带频带，然而由于CSRR是谐振结构，该窄带带宽很窄，相对带宽只有6%左右，限制了将其用于宽带器件的设计。接着他们又在此基础上，提出了基于传输线结构的基片集成波导，但是仍然存在带宽太窄的缺点，相对带宽只有6.5%。

发明内容

本发明是为了在保证工作带宽的情况下实现集成波导的小型化，从而提供一种基于超常媒质的小型化基片集成波导。

基于超常媒质的小型化基片集成波导，它包括基板和介质板，所述基板固定在介质板的下面；它包括两个50Ω微带线1和两个微带线与基片集成波导转换结构2；

所述每个50Ω微带线1为金属带条结构；每个微带线和基片集成波导转换结构2为一段渐宽的金属带条；

所述两个微带线与基片集成波导转换结构2的较宽端镜像固定在介质板的左、右两个侧面的中间位置；

两个50Ω微带线1的一端分别与两个微带线和基片集成波导转换结构2的较窄端连接为一体结构；

所述介质板的上部和下部对应开有2N个金属通孔4；N为正整数；

所述介质板的上部的通孔和下部的通孔之间蚀刻有交指电容槽缝3。

介质板的介电常数为2.2。

交指电容槽缝3与介质板的中轴线之间的夹角介于0度至17.5度之间。

基于超常媒质的小型化基片集成波导的工作频带介于3.44GHz至5.35GHz。

介质板上部的相邻两个通孔的间距相等；介质板上部的相邻两个通孔的间距相等。

通过仿真说明本发明的效果：当交指电容槽缝逆时针旋转角度低于17.5度时，角度每增加3.5度，起始频率减小0.1GHz，当逆时针旋转角度大于17.5度时，频率起始频率不再随着角度增加而线性减小，此外这个时候波导的插入损耗也增大，最大可以达到6dB，传输系数恶化。相同尺寸条件下，普通基片集成波导的起始频率为6.12GHz，表面蚀刻交指电容基片集成波导，将交指电容逆时针旋转17.5度，其可以在截止频率之下的3.44GHz-5.35GHz带宽内工作，同时，插入损耗只有0.5dB，相比普通基片集成波导，非谐振结构超常媒质基片集成波导的横向电尺寸减小了43.7%，而相对带宽却仍然达到43.2%；本发明具有易与加工、低剖面、易与平面电路集成的优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明上通孔在印制电路板的分布示意图；

图3是本发明通孔在印制电路板的分布剖视图；

图4是本发明与普通基片集成波导的散射参数仿真示意图，其中：实线表示传输系数，虚线表示反射系数；

图5是本发明的基于超常媒质小型化基片集成波导的散射参数仿真示意图，其中实线表示传输系数，虚线表示反射系数；

图6是本发明的等效电路连接示意图；

图7是本发明对应的普通基片集成波导的等效本构参数仿真示意图；

图8是本发明的提取的等效本构参数仿真示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至3说明本具体实施方式，基于超常媒质的小型化基片集成波导，它包括基板和介质板，所述基板固定在介质板的下面；它包括两个50Ω微带线1和两个微带线与基片集成波导转换结构2；

所述每个50Ω微带线1为金属带条结构；每个微带线和基片集成波导转换结构2为一段渐宽的金属带条；

所述两个微带线与基片集成波导转换结构2的较宽端镜像固定在介质板的左、右两个侧面的中间位置；

两个50Ω微带线1的一端分别与两个微带线和基片集成波导转换结构2的较窄端连接为一体结构；

所述介质板的上部和下部对应开有2N个金属通孔4；N为正整数；

所述介质板的上部的通孔和下部的通孔之间蚀刻有交指电容槽缝3。

工作原理：本发明中微带线和基片集成拨打转换结构2实现阻抗匹配，微带线1与其它电路元件集成或提供测试。

本发明提出一种基于超常媒质的小型化基片集成波导，首先在介电常数为2.2的PCB板上等间距地钻两排孔并金属化处理，制作成基片集成波导。然后在基片集成波导表面上蚀刻交指电容槽缝制做成基于超常媒质小型化基片集成波导。

图4给出了相同物理尺寸下普通基片集成波导（无图1中3交指电容槽缝）的仿真散射参数。从图4中可以看出它的起始通带频率为6.12GHz(反射系数S₁₁小于-10dB，以下带宽定义均采用此标准)。

而从图5中可以清晰的看出，相同物理尺寸下，蚀刻倾斜交指电容槽缝的基片集成波导工作频带为（3.44GHz至5.35GHz，在截止频率之下工作），插入损耗只有0.5dB。相同物理尺寸下，更低频率的工作带宽，意味着电尺寸更小。以基片集成波导宽边对工作波长比值定义为宽边电尺寸，可以计算出，基于超常媒质的基片集成波导，宽边尺寸减小了43.7%，而其相对带宽依然能达到43.2%。

本发明的波导具有小型化，低插损，宽带等优点，可用于小型化宽带滤波器设计，小型化平面传输线设计，小型化漏波天线的设计。

倾斜交指电容槽缝3加载是本发明的独特结构，它的作用是实现小型化。

本发明原理可以用如图6的等效电路原理进行分析说明。由等效电路可知，工作频带取决于起始频率f_starting和截止频率f_stoping，它们分别由式（1）决定：

$f_{\mathrm{starting}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_R{C}_L}},f_{\mathrm{stopping}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_L{C}_R}}---\left(1\right)$

当CL增大时，f_starting减小，然而和f_stoping没有太大关系，所以可以通过增大C_L来使工作频带向更小频率移动，同时增大带宽。

其中利用仿真软件可以仿真基于超常媒质小型化基片集成波导的表面电流，通过仿真发现，当交指电容槽缝，沿着逆时针方向转动时候，切割的表面电流线数目发生变化，当旋转一定角度时，切割感应电流线较多时，此时C_L增大，f_starting减小，然而和f_stoping没有太大关系，所以可以通过增大C_L来使工作频带向更小频率移动，同时增大带宽。

事实上，等效电路虽然能解释本发明的波导的基本工作原理，但是等效电路并不很完美，因为等效的过程中做了些简化，比如该基片集成波导的两侧金属孔仅仅是用电感L_L来代替，事实上它应该是由6个并联电感分布在传输线两侧。在微波领域，本构参数是决定电磁传播特性的重要决定因素，所以可以通过获取该新型基片集成波导的等效本构参数来分析其机理。

采用Fan-Yi Meng等人提出的改进等效参数提取算法，提取图5普通基片集成波导和该新型基片集成波导的散射参数，分别计算它们的等效本构参数，如图7和8所示。

由图7可知，在截止频率（约7GHz）下普通基片集成波导SIW的有效介电常数ε_eff为负数，而有效磁导率μ_eff为正数，这种情况下波导内电磁波为倏逝波，随着传播距离呈现指数衰减，此时波导并不能正常工作。由图8知，对于该新型波导，在它的主要工作频带内（3.44GHz至5.35GHz），有效介电常数ε_eff和有效磁导率μ_eff均为负数，使得波导可以传输后向波，可以正常工作。

按照本发明提供的基于超常媒质小型化基片集成波导，包括介质板、地板导体、50Ω微带线、微带线和基片集成波导转换结构、交指电容槽缝、金属通孔等，其载体可以是PCB(印刷电路板)，导体可以使铜箔、电镀或者印刷的金属导体等。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于超常媒质的小型化基片集成波导的区别在于，印制电路板的介电常数为2.2。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于超常媒质的小型化基片集成波导的区别在于，交指电容槽缝（3）与印制电路板的中轴线之间的夹角介于0度至17.5度之间。

具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于超常媒质的小型化基片集成波导的区别在于，基于超常媒质的小型化基片集成波导的工作频带介于3.44GHz至5.35GHz。

具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于超常媒质的小型化基片集成波导的区别在于，介质板上部的相邻两个通孔的间距相等；印制电路板上部的相邻两个通孔的间距相等。

具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于超常媒质的小型化基片集成波导的区别在于，微带线与基片集成波导转换结构2为铜箔、电镀载体或印刷的金属导体。

具体实施方式七、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于超常媒质的小型化基片集成波导的区别在于，介质板为印制电路板。

Claims (7)

1.基于超常媒质的小型化基片集成波导，它包括基板和介质板，所述基板固定在介质板的下面；其特征是：它包括两个50Ω微带线（1）和两个微带线与基片集成波导转换结构（2）；

所述每个50Ω微带线（1）为金属带条结构；每个微带线和基片集成波导转换结构（2）为一段渐宽的金属带条；

所述两个微带线与基片集成波导转换结构（2）的较宽端镜像固定在介质板的左、右两个侧面的中间位置；

两个50Ω微带线（1）的一端分别与两个微带线和基片集成波导转换结构（2）的较窄端连接为一体结构；

所述介质板的上部和下部对应开有2N个金属通孔（4）；N为正整数；

所述介质板的上部的通孔和下部的通孔之间蚀刻有交指电容槽缝（3）。

2.根据权利要求1所述的基于超常媒质的小型化基片集成波导，其特征在于介质板的介电常数为2.2。

3.根据权利要求1所述的基于超常媒质的小型化基片集成波导，其特征在于交指电容槽缝（3）与介质板的中轴线之间的夹角介于0度至17.5度之间。

4.根据权利要求1所述的基于超常媒质的小型化基片集成波导，其特征在于基于超常媒质的小型化基片集成波导的工作频带介于3.44GHz至5.35GHz。

5.根据权利要求1所述的基于超常媒质的小型化基片集成波导，其特征在于介质板上部的相邻两个通孔的间距相等；介质板上部的相邻两个通孔的间距相等。

6.根据权利要求1所述的基于超常媒质的小型化基片集成波导，其特征在于微带线与基片集成波导转换结构（2）为铜箔、电镀载体或印刷的金属导体。

7.根据权利要求1所述的基于超常媒质的小型化基片集成波导，其特征在于介质板为印制电路板。

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