CN107546453B - 一种介质导波结构以及介质导波传输系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种介质导波结构，包括：从上到下依次排布的第一金属层、第一介质层、第二介质层和第二金属层；以及两组相邻的子结构，每一组子结构包括至少两个子结构，至少两个子结构包括至少一个蘑菇形结构；其中，蘑菇形结构包括一个第一金属化孔和对应的金属图层；第一介质层朝向第二介质层的一侧具有至少两个凹槽，凹槽的开口朝向第二介质层，每一凹槽内容纳有一个金属图层；第二介质层具有至少两个第一金属化孔，每一第一金属化孔贯穿第二介质层；第一金属层、第二金属层和两组相邻的子结构围合的结构为介质导波结构。本申请实施例提供的介质导波结构通过PCB工艺就可以实现对该介质导波结构的加工。
Description
技术领域
本申请涉及通信技术领域，具体涉及一种介质导波结构以及介质导波传输系统。
背景技术
在微波通信系统中，对硬件系统的性能要求越来越高。当前天线在板集成(antenna on board，英文简称：AOB)模块已经成为微波系统的首选技术方案，AOB模块就是将天线阵列、功分网络、耦合网络、滤波网络以及芯片控制线等功能模块封装在一块独立介质模块中。为了便于与印制线路板(print circuit board，英文简称：PCB)系统装配，AOB模块通常具有平面结构。
如图1所示，AOB模块包括依次间隔排布的多个介质层20和信号层30，在最上层的介质层20上设置有天线阵列10，芯片60设置在最下层的信号层30下方，芯片60可以通过胶粒粘贴在信号层30上，微波信号可以从下方的芯片依次通过各信号层和各介质层向上传输，当然微波信号也可以从上向下传输，AOB模块中为了实现信号传输和信号换层，在依次间隔排布的多个介质层和信号层中会设置有金属化孔，如图1中的盲孔50和埋孔40。
AOB模块目前的主流加工工艺是低温共烧多层陶瓷(low-temperature co-firedceramics，英文简称：LTCC)，LTCC工艺可以实现任意层互连，但LTCC工艺的单片加工尺寸受限，而且AOB中的金属化孔加工难度较大，不易与PCB系统装配，因此AOB模块通常采用PCB工艺进行加工。
采用PCB工艺加工AOB模块，较常用的方案有基片集成波导(substrateintegrated waveguide，英文简称：SIW)方案，如图2A中的SIW结构剖面图可见，SIW结构的最外层具有位于上方和位于下方的金属层21，金属层中间填充介质22，沿着信号传输方向左右放置具有一定间隔的金属化孔23，如图2B中的俯视图可见，每侧的金属化孔23至少一排以上，该金属化孔23使得上方和下方的金属层21实现电连接。但SIW基片集成波导技术主要有两个缺点：1)金属化孔必须保证上下金属层实现电连接，否则会导致信号泄露。同时两金属层无法实现直流信号隔离。2)在多层介质场景中，特别是聚四氟乙烯(poly tetrafluoro ethylene，英文简称：PTFE)材料，由于多次压合工艺的限制，导致金属化孔较难在多层材料中应用，无法很好的实现任意金属化孔加工。
间隙波导(gap waveguide)技术，该技术主要是为了解决SIW和带状线高介质损耗而提出来的一种信号传输线实现方式，如图3中间隙波导的侧视图所示，以脊间隙波导(ridge gap waveguide)为例进行介绍，ridge gap waveguide结构的主要特点是最外层具有上金属层31和下金属层32，内部脊(Ridge)走线33和周期金属图层34位于空气35中，且与介质36的上表面接触，金属化孔37穿透介质36，并与对应的周期金属图层34形成蘑菇形结构。金属信号分布在Ridge走线33上表面和上金属层31下表面之间，两者间通常为空气35，以达到降低损耗目的。周期性蘑菇形结构和Ridge走线33可以采用PCB介质板加工而成，但gap waveguide技术主要缺点是gap waveguide中的Ridge走线对结构件加工平整度及空气间隙装配精度提出了非常高要求，通常PCB加工工艺很难达到这种高平整度和高装配精度的要求。
发明内容
为解决现有技术中SIW金属化孔加工难度大，gap waveguide对结构件加工平整度及空气间隙装配精度高的问题，本申请实施例提供一种介质导波结构以及介质导波传输系统，通过PCB工艺就可以实现对该介质导波结构和介质导波传输系统的加工。
本申请第一方面提供一种介质导波结构，包括：第一金属层、第一介质层、第二介质层、第二金属层和两组相邻的子结构，其中，第一金属层和第二金属层的材质可以为铜、银等导体；第一介质层和第二介质层可以为陶瓷、硅等介电常数不等于1的非导电材料。第一介质层和第二介质层位于第一金属层和第二金属层之间，第一介质层位于第二介质层和第一金属层之间；也就是从上到下依次是第一金属层、第一介质层、第二介质层和第二金属层。两组相邻的子结构之间的间距大于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的二分之一，介质的介电常数是根据第一介质层内介质的介电常数和第二介质层内介质的介电常数确定的；每一组子结构包括至少两个子结构，至少两个子结构中每相邻两个子结构之间是隔离的，至少两个子结构包括至少一个蘑菇形结构；其中，蘑菇形结构包括一个第一金属化孔和对应的金属图层；第一介质层朝向第二介质层的一侧具有至少两个凹槽，凹槽的开口朝向第二介质层，每一凹槽内容纳有一个金属图层；第二介质层具有至少两个第一金属化孔，第一金属化孔和金属图层是一对一的，每一第一金属化孔贯穿第二介质层；每一组子结构内的至少两个子结构位于同一排，该排位于第一金属层和第二金属层之间，也就是说，每一组子结构都位于第一金属层和第二金属层之间，如果不考虑同一排中子结构的高度是否相同，将每一排理解为一条线，那么该排平行于第一金属层朝向第一介质层的表面所在的平面；第一金属层、第二金属层和两组相邻的子结构围合的结构为介质导波结构。从上述第一方面可见，第一方面提供的介质导波结构，不需要像gap waveguide技术一样设置内部脊走线，而且，在第一介质层的凹槽中设置金属图层，因此对结构件加工平整度装配精度没有过高的要求，PCB加工工艺很容易达到制作要求，另外，相比于SIW结构，第一金属层和第二金属层之间无需直接导通就可以实现电连接，使得多层介质场景中的金属化孔加工更加容易和灵活。
可选地，上述第一方面中，第一金属化孔也可以贯穿第二介质层和对应的金属图层。
结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，至少两个子结构中每相邻两个子结构之间的中心间距小于或等于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的四分之一。从该第一种可能的实现方式可见，每相邻两个子结构之间的中心间距小于或等于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的四分之一，有利于形成阻带电壁，确保微波信号在介质导波结构内谐振，避免微波信号泄漏。
结合第一方面第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，至少两个子结构中相邻两个子结构均为蘑菇形结构；或，至少两个子结构中相邻两个子结构均为第二金属化孔；或，至少两个子结构中相邻两个子结构其中一个为蘑菇形结构，另一个为第二金属化孔；第二金属化孔贯穿第一介质层和第二介质层。从第一方面第二种实现方式可见，第二金属化孔连通第一金属层和第二金属层，通过第二金属化孔直接电连接第一金属层和第二金属层的方式加工简单，在有盲孔和埋孔的位置使用蘑菇形结构，在没有盲孔和埋孔的位置使用第二金属化孔，能够提高了PCB加工的效率。
结合第一方面，在第三种可能的实现方式中，至少两个子结构包括两个相邻的蘑菇形结构，则两个相邻的蘑菇形结构的中心间距小于或等于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的四分之一。从该第三种可能的实现方式可见，每相邻两个蘑菇形结构之间的中心间距小于或等于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的四分之一，有利于形成阻带电壁，确保微波信号在介质导波结构内谐振，避免微波信号泄漏。
结合第一方面或第一方面第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，至少两个子结构还包括至少一个第二金属化孔，第二金属化孔贯穿第一介质层和第二介质层。从第一方面第四种实现方式可见，通过第二金属化孔直接电连接第一金属层和第二金属层的方式加工简单，在有盲孔和埋孔的位置使用蘑菇形结构，在没有盲孔和埋孔的位置使用第二金属化孔，能够提高了PCB加工的效率。
结合第一方面第四种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，位于同一组且相邻的蘑菇形结构和第二金属化孔的中心间距小于或等于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的四分之一。从该第五种可能的实现方式可见，位于同一组且相邻的蘑菇形结构和第二金属化孔的中心间距小于或等于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的四分之一，有利于形成阻带电壁，确保微波信号在介质导波结构内谐振，避免微波信号泄漏。
结合第一方面、第一方面第三种至第五种中任一可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，至少两个子结构还包括两个相邻的第二金属化孔，则两个相邻的第二金属化孔的中心间距小于或等于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的四分之一。从该第六种可能的实现方式可见，两个相邻的第二金属化孔的中心间距小于或等于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的四分之一，有利于形成阻带电壁，确保微波信号在介质导波结构内谐振，避免微波信号泄漏。
结合第一方面、第一方面第一种至第六种中任一可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，每一金属图层、第一金属层以及位于对应的金属图层和第一金属层之间的第一介质层形成电容，每个第一金属化孔形成电感，微波信号在介质导波结构的导波空间中传输时，会在根据电容和电感确定的中心频率的阻带范围内谐振。从该第七种可能的实现方式可见，因为蘑菇形结构处的电容和电感，使得第一金属层和第二金属层在蘑菇形结构处实现阻带范围内的等效电导效应。相当于第一金属层和第二金属层等效接地。因此，第一金属层和第二金属层之间无需直接导通就可以实现电连接，使得多层介质场景中的金属化孔加工更加容易和灵活。
结合第一方面、第一方面第一种至第七种中任一可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，相邻的两组子结构各自对应的排相互平行。每组中至少两个相邻的子结构形成排，每组的子结构都形成一个排，排与排之间相互平行。从该第八种可能的实现方式可见，相互平行的排形成导波空间，微波信号在该导波空间内沿着所述排的延伸方向传输。
结合第一方面、第一方面第一种至第八种中任一可能的实现方式，在第九种可能的实现方式中，位于同一组内的每相邻两个子结构的中心间距是相同的。从该第九种可能的实现方式可见，每相邻两个子结构的中心间距都相同，可以避免微波信号泄漏。
结合第一方面、第一方面第一种至第九种中任一可能的实现方式，在第十种可能的实现方式中，金属图层的形状包括三角形、多边形、圆形和螺旋形。从该第十种可能的实现方式可见，不同形状的金属图层会影响电流的流动长度，会影响电容C和电感L的取值，因此，可以通过改变金属图层的尺寸来调节中心频率f0，通常金属图层的尺寸越大，中心频率f0越小。
本申请第二方面提供一种介质导波结构，包括：第一金属层、第一介质层、第二介质层和第二金属层和多个子结构，其中，第一金属层和第二金属层的材质可以为铜、银等导体；第一介质层和第二介质层可以为陶瓷、硅等介电常数不等于1的非导电材料。第一介质层和第二介质层位于第一金属层和第二金属层之间，第一介质层位于第二介质层和第一金属层之间；也就是从上到下依次是第一金属层、第一介质层、第二介质层和第二金属层。多个子结构中每一子结构的两侧各分布有一个相邻的子结构，多个子结构中每相邻两个子结构之间是隔离的，多个子结构包括至少一个蘑菇形结构；其中，蘑菇形结构包括一个第一金属化孔和对应的金属图层；第一介质层朝向第二介质层的一侧具有至少两个凹槽，凹槽的开口朝向第二介质层，每一凹槽内容纳有一个金属图层；第二介质层具有至少两个第一金属化孔，第一金属化孔和金属图层是一对一的，每一第一金属化孔贯穿第二介质层；多个子结构、第一金属层和第二金属层围合的结构为介质导波结构。从上述第二方面可见，第二方面提供的介质导波结构，不需要像gap waveguide技术一样设置内部脊走线，而且，在第一介质层的凹槽中设置金属图层，因此对结构件加工平整度装配精度没有过高的要求，PCB加工工艺很容易达到制作要求，另外，相比于SIW结构，第一金属层和第二金属层之间无需直接导通就可以实现电连接，使得多层介质场景中的金属化孔加工更加容易和灵活。
可选地，上述第二方面中，第一金属化孔也可以贯穿第二介质层和对应的金属图层。
结合第二方面，在第一种可能的实现方式中，多个子结构中每相邻两个子结构之间的中心间距小于或等于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的四分之一，介质的介电常数是根据第一介质层内介质的介电常数和第二介质层内介质的介电常数确定的。从该第一种可能的实现方式可见，每相邻两个子结构之间的中心间距小于或等于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的四分之一，有利于形成阻带电壁，确保微波信号在介质导波结构内谐振，避免微波信号泄漏。
结合第二方面第一种可能的实现方，在第二种可能的实现方式中，多个子结构中相邻两个子结构均为蘑菇形结构；或，多个子结构中相邻两个子结构均为第二金属化孔；或，多个子结构中相邻两个子结构其中一个为蘑菇形结构，另一个为第二金属化孔；第二金属化孔贯穿第一介质层和第二介质层。从该第二种实现方式可见，第二金属化孔连通第一金属层和第二金属层，通过第二金属化孔直接电连接第一金属层和第二金属层的方式加工简单，在有盲孔和埋孔的位置使用蘑菇形结构，在没有盲孔和埋孔的位置使用第二金属化孔，能够提高了PCB加工的效率。
结合第二方面，在第三种可能的实现方式中，多个子结构包括两个相邻的蘑菇形结构，两个相邻的蘑菇形结构的中心间距小于或等于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的四分之一，介质的介电常数是根据第一介质层内介质的介电常数和第二介质层内介质的介电常数确定的。从该第三种可能的实现方式可见，每相邻两个蘑菇形结构之间的中心间距小于或等于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的四分之一，有利于形成阻带电壁，确保微波信号在介质导波结构内谐振，避免微波信号泄漏。
结合第二方面第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，多个子结构还包括至少一个第二金属化孔，第二金属化孔贯穿第一介质层和第二介质层。从该第四种实现方式可见，通过第二金属化孔直接电连接第一金属层和第二金属层的方式加工简单，在有盲孔和埋孔的位置使用蘑菇形结构，在没有盲孔和埋孔的位置使用第二金属化孔，能够提高了PCB加工的效率。
结合第二方面第四种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，相邻的蘑菇形结构和第二金属化孔的中心间距小于或等于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的四分之一。从该第五种可能的实现方式可见，相邻的蘑菇形结构和第二金属化孔的中心间距小于或等于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的四分之一，有利于形成阻带电壁，确保微波信号在介质导波结构内谐振，避免微波信号泄漏。
结合第二方面第四种或第五种可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，多个子结构还包括两个相邻的第二金属化孔，两个相邻的第二金属化孔的中心间距小于或等于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的四分之一。从该第六种可能的实现方式可见，两个相邻的第二金属化孔的中心间距小于或等于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的四分之一，有利于形成阻带电壁，确保微波信号在介质导波结构内谐振，避免微波信号泄漏。
结合第二方面、第二方面第一种至第六种中任一可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，每一金属图层、第一金属层以及位于对应的金属图层和第一金属层之间的第一介质层形成电容，每个第一金属化孔形成电感，微波信号在介质导波结构的导波空间中传输时，会在根据电容和电感确定的中心频率的阻带范围内谐振。从该第七种可能的实现方式可见，因为蘑菇形结构处的电容和电感，使得第一金属层和第二金属层在蘑菇形结构处实现阻带范围内的等效电导效应。相当于第一金属层和第二金属层等效接地。因此，第一金属层和第二金属层之间无需直接导通就可以实现电连接，使得多层介质场景中的金属化孔加工更加容易和灵活。
结合第二方面、第二方面第一种至第七种中任一可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，多个子结构均位于圆形、多边形或三角形的边上。从该第八种可能的实现方式可见，多个子结构均位于圆形、多边形或三角形的边上，可以满足在不同应用场景的多样化需求。
结合第二方面、第二方面第一种至第八种中任一可能的实现方式，在第九种可能的实现方式中，金属图层的形状包括三角形、多边形、圆形和螺旋形。从该第九种可能的实现方式可见，不同形状的金属图层会影响电流的流动长度，会影响电容C和电感L的取值，因此，可以通过改变金属图层的尺寸来调节中心频率f0，通常金属图层的尺寸越大，中心频率f0越小。
本申请第三方面提供一种多层垂直介质导波传输系统，包括第一介质导波结构和第二介质导波结构，第一介质导波结构和第二介质导波结构均为如上述第一方面或第二方面，以及第一方面或第二方面多种可能的实现方式中的所描述的介质导波结构，或者，第一介质导波结构为如上述第一方面或第二方面，以及第一方面或第二方面多种可能的实现方式中所描述的介质导波结构，第二介质导波结构为基片集成波导SIW结构；第一介质导波结构的第二金属层为第二介质导波结构的第一金属层，第一介质导波结构的第二金属层开设有缝隙，缝隙用于实现第一介质导波结构和第二介质导波结构之间的信号传递或信号耦合。第三方面所提供的多层垂直介质导波传输系统的加工原理与第一方面介质导波结构的加工原理相同，通过PCB加工工艺就可以很好加工得到。
本申请第四方面提供一种水平排布的介质导波传输系统，包括：包括第一介质导波结构和第二介质导波结构，第一介质导波结构和第二介质导波结构均为上述第一方面或第二方面，以及第一方面或第二方面多种可能的实现方式中的所描述的介质导波结构，或者，第一介质导波结构为如上述第一方面或第二方面，以及第一方面或第二方面多种可能的实现方式中所描述的介质导波结构，第二介质导波结构为基片集成波导SIW结构；第一介质导波结构和第二介质导波结构之间开设有缝隙，缝隙为通过调整信号传输位置的第一介质导波结构中的相邻的两个子结构的间距得到的，缝隙用于实现第一介质导波结构和第二介质导波结构之间的信号传递或信号耦合。从第四方面可见，在同一平面上，不同的导波空间之间可以通过调整子结构的间距进行信号传输，从而满足各种应用场景的需求。
结合第四方面，在第一种可能的实现方式中，该水平排布的介质导波传输系统包括功分器、耦合器和滤波器。
以上本申请实施例提供的介质导波结构，不需要像gap waveguide技术一样设置内部脊走线，而且，在第一介质层的凹槽中设置金属图层，因此对结构件加工平整度装配精度没有过高的要求，PCB加工工艺很容易达到制作要求，另外，相比于SIW结构，第一金属层和第二金属层之间无需直接导通就可以实现电连接，使得多层介质场景中的金属化孔加工更加容易和灵活。
附图说明
图1是AOB模块结构侧视图；
图2A是SIW结构的剖面图；
图2B是SIW结构的俯视图；
图3是脊间隙导波结构侧视图；
图4是本申请实施例中介质导波结构的一立体结构示意图；
图5是本申请实施例中图4所示的介质导波结构在可见两组相邻的子结构方向上的侧视图；
图6是本申请实施例中图4所示的介质导波结构的俯视图；
图7是本申请实施例中介质导波结构的另一俯视图；
图8是本申请实施例中介质导波结构的另一侧视图；
图9A是本申请实施例中金属图层的形状的一示意图；
图9B是本申请实施例中金属图层的形状的另一示意图；
图9C是本申请实施例中金属图层的形状的另一示意图；
图10是本申请实施例中周期性结构中电磁场不同模式的传播常数特性曲线示意图；
图11是本申请实施例中介质导波结构的另一俯视图；
图12是本申请实施例中介质导波结构的另一俯视图；
图13A是本申请实施例中介质导波结构中多子结构的一合围形状示意图；
图13B是本申请实施例中介质导波结构中多子结构的另一合围形状示意图；
图14是本申请实施例中多层垂直介质导波传输系统的一示例的侧视图；
图15是本申请实施例中多层垂直介质导波传输系统的另一示例的侧视图；
图16是本申请实施例中水平排布介质导波传输系统中功分器的一示例示意图；
图17是本申请实施例中水平排布介质导波传输系统中耦合器的一示例示意图；
图18是本申请实施例中水平排布介质导波传输系统中滤波器的一示例示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本申请的实施例进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员可见，随着技术的发展，本申请实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。
图4为本申请实施例中介质导波结构100的一立体结构示意图。
图5为本申请实施例中图4所示的介质导波结构100在可见两组相邻的子结构方向上的侧视图。
如图4所示，本申请实施例提供的介质导波结构100包括：第一金属层101、第二金属层102、第一介质层103、第二介质层104和两组相邻的子结构105。
如图5所示，第一金属层101和第二金属层102位于第一介质层103和第二介质层104之间，第一介质层103位于第二介质层104和第一金属层101之间，第二介质层104位于第一介质层103和第二金属层102之间，可以理解为从上至下依次为第一金属层101、第一介质层103、第二介质层104和第二金属层102。
两组相邻的子结构105之间的间距大于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的二分之一，如可以表达为图4中的间距D＞λ/2；其中，λ为介质导波结构100的工作频段的中心频率在介质中的波长。其中，介质的介电常数是根据第一介质层内103介质的介电常数和第二介质层104内介质的介电常数确定的。
每一组子结构105包括至少两个子结构，至少两个子结构中每相邻两个子结构之间是隔离的，至少两个子结构包括至少一个蘑菇形结构1051。图4所示出的子结构都为蘑菇形结构1051，实际上，子结构还可以有其他形状，在后面实施例中会进一步介绍子结构的其他形状。
其中，如图5所示，蘑菇形结构1051包括一个第一金属化孔10511和对应的金属图层10512；第一介质层103朝向第二介质层的一侧具有至少两个凹槽，凹槽的开口朝向第二介质层，每一凹槽内容纳有一个金属图层10512；第二介质层具有至少两个第一金属化孔10511，第一金属化孔10511和金属图层10512是一对一的，每一第一金属化孔10511可以贯穿第二介质层104和对应的金属图层10512，每一第一金属化孔10511也可以只贯穿第二介质层104，不贯穿对应的金属图层10512。
如图4所示，每一组子结构内的至少两个子结构位于同一排，排位于第一金属层101和第二金属层102之间，也就是说，每一组子结构都位于第一金属层和第二金属层之间，如果不考虑同一排中子结构的高度是否相同，将每一排理解为一条线，那么该排平行于第一金属层朝向第一介质层的表面所在的平面。
第一金属层101、第二金属层102和两组相邻的子结构105围合的结构为介质导波结构100，其中用于传输微波信号的空间称为导波空间106。
由此可见，本申请实施例提供的介质导波结构，不需要像gap waveguide技术一样设置内部脊走线，而且，在第一介质层的凹槽中设置金属图层，因此对结构件加工平整度装配精度没有过高的要求，PCB加工工艺很容易达到制作要求，另外，相比于SIW结构，第一金属层和第二金属层之间无需直接导通就可以实现电连接，使得多层介质场景中的金属化孔加工更加容易和灵活。
图6为图4所示的介质导波结构100的俯视图。
如图6所示，至少两个子结构中每相邻两个子结构之间的中心间距小于或等于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的四分之一。可以表达为d≤λ/4。
上述图4至图6所示的至少两个子结构中相邻两个子结构均为蘑菇形结构实际上，至少两个子结构中相邻两个子结构均为第二金属化孔；或，至少两个子结构中相邻两个子结构其中一个为蘑菇形结构，另一个为第二金属化孔，第二金属化孔贯穿第一介质层和第二介质层。
如图7所示的介质导波结构100的另一俯视图中，相邻两个子结构可以均为第二金属化孔1052，也可以是一个为蘑菇形结构1051，另一个为第二金属化孔1052。
包含第二金属化孔1052的介质导波结构100的侧视图可以参阅图8进行理解。如图8所示，子结构中包括第二金属化孔1052，第二金属化孔1052贯穿第一介质层103和第二介质层104。
在本申请实施例中，至少两个子结构中每相邻两个子结构之间的中心间距小于或等于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的四分之一，可以包括：
两个相邻的蘑菇形结构的中心间距小于或等于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的四分之一。
位于同一组且相邻的蘑菇形结构和第二金属化孔的中心间距小于或等于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的四分之一。
两个相邻的第二金属化孔的中心间距小于或等于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的四分之一。
无论相邻两个子结构是两个蘑菇形结构、一个蘑菇型结构和一个第二金属化孔或者两个金属化孔，中心间距d≤λ/4，有利于形成阻带电壁，确保微波信号在介质导波结构内谐振，避免微波信号泄漏。
其中，第一金属层101、第二金属层102和第一金属化孔10511、第二金属化孔1052的材质可以为铜、银等导体；第一介质层103和第二介质层104可以为陶瓷或硅等介电常数不等于1的非导电材料。
图4至图8所示的介质导波结构中，每一金属图层、第一金属层以及位于对应的金属图层和第一金属层之间的第一介质层形成电容C，每个第一金属化孔形成电感L，电容C和电感L形成容/感性结构。在本申请实施例中，该容/感性结构也被称为蘑菇形结构。微波信号在介质导波结构的导波空间中传输时，会在根据电容C和电感L确定的中心频率的阻带范围内谐振。因为蘑菇形结构处的电容和电感，使得第一金属层和第二金属层在蘑菇形结构处实现阻带范围内的等效电导效应。相当于第一金属层和第二金属层等效接地。因此，第一金属层和第二金属层之间无需直接导通就可以实现电连接，使得多层介质场景中的金属化孔加工更加容易和灵活。
第二金属化孔1052贯穿第一介质层103和第二介质层104，使得第一金属层101和第二金属层102电连接，通过第二金属化孔1052直接电连接第一金属层101和第二金属层102的方式加工简单。本申请实施例中，在有盲孔和埋孔的位置使用蘑菇形结构1051，在没有盲孔和埋孔的位置使用第二金属化孔1052，能够提高了PCB加工的效率。
如图4、图6和图7中所示出的，相邻的两组子结构各自对应的排相互平行。每组中至少两个相邻的子结构形成排，每组的子结构都形成一个排，排与排之间相互平行。位于同一排的多个子结构有规律的间隔排布形成一种导波结构，应当知道的是，相邻两排之间形成导波空间，信号在该导波空间内沿着排的延伸方向传输。
导波空间形成的原理是：每个金属图层10512与第一金属层101形成电容C，每个第一金属化孔10511形成电感L，电容C和电感L两者在特定的频段范围内形成谐振现象，例如在(10GHz～100GHz)的范围内形成谐振现象。因为该谐振现象，使得平行排列的两排蘑菇形结构具有阻止该特定频段信号传输的阻带特性，该特定频段的阻带带宽为f1，谐振的中心频率设为f0，f0的计算公式可以为f0＝1/(2*π*sqrt(L*C))，其中，*表示乘号，sqrt表示开平方根。
因为每个蘑菇形结构中的金属图层10512与第一金属层101形成电容，第一金属化孔10511形成电感，而且，第一金属化孔10511与第二金属层102导通，电容C和电感L又在阻带带宽f1内形成谐振，从而使平行排列的两排蘑菇形结构具有阻止(f0-f1/2，f0+f1/2)范围内微波信号的作用，这就相当于第一金属层101和第二金属层102在蘑菇形结构处实现了(f0-f1/2，f0+f1/2)范围内的等效电导效应，该蘑菇形结构也可以称为等效接地结构。这样，导波空间两侧的子结构就形成了阻带电壁，确保微波信号在介质导波结构内谐振，避免微波信号泄漏。子结构为蘑菇形结构时，就在多个蘑菇形结构处实现阻带电壁的效果。
以上实施例中是以两排子结构为例进行的说明，实际上不限于两排，也可以是多排，每两排子结构中间形成导波空间。
微波信号在两排蘑菇形结构中间的介质空间内传输，由于微波信号在该导波结构中的传导模式与矩形波导中的传导模式相同，因此根据矩形波导中特性阻抗原理，可通过改变两侧蘑菇形结构的间距来改变该导波结构的特性阻抗。
图4、图6和图7所示的金属图层为圆形，实际上该金属图层也可以为其他形状，如图9A中的三角形、图9B中的多边形和图9C中的螺旋形等，不同形状的金属图层会影响电流的流动长度，会影响电容C和电感L的取值，因此，可以通过改变金属图层的尺寸来调节中心频率f0，通常金属图层的尺寸越大，中心频率f0越小。
图10为周期性结构中不同传导模式的传播常数特性曲线示意图。如图10所示，平行排列的两排蘑菇形结构具有阻止(f0-f1/2，f0+f1/2)范围内微波信号的作用。
以上实施例所描述的相互平行的排的导波结构也可以称为开放式的介质导波结构，本申请实施例还提供了一种闭合式的介质导波结构。下面结合附图，介绍本申请实施例中的闭合式的导波结构。
本申请实施例提供的介质导波结构的另一实施例包括：第一金属层、第一介质层、第二介质层和第二金属层和多个子结构，第一介质层和第二介质层位于第一金属层和第二金属层之间，第一介质层位于第二介质层和第一金属层之间。
多个子结构中每一子结构的两侧各分布有一个相邻的子结构，多个子结构中每相邻两个子结构之间是隔离的，多个子结构包括至少一个蘑菇形结构。
其中，蘑菇形结构包括一个第一金属化孔和对应的金属图层；第一介质层朝向第二介质层的一侧具有至少两个凹槽，凹槽的开口朝向第二介质层，每一凹槽内容纳有一个金属图层；第二介质层具有至少两个第一金属化孔，第一金属化孔和金属图层是一对一的，每一第一金属化孔贯穿第二介质层。在不同应用场景中，第一金属化孔也可以贯穿第二介质层和对应的金属图层。
多个子结构、第一金属层和第二金属层围合的结构为介质导波结构。
闭合式的介质导波结构与上述实施例中描述的开放式的介质导波结构基本相同，差异点在于开放式的介质导波结构的子结构是两排相互平行的结构，闭合式的介质导波结构中，多个子结构是合围的，多个子结构中每一子结构的两侧各分布有一个相邻的子结构，多个子结构中每相邻两个子结构之间是隔离的，多个子结构包括至少一个蘑菇形结构。如图11所示的为闭合式的介质导波结构的俯视图。与图6的区别就在于多个子结构被设置的形状不同。图11所示出的子结构都是蘑菇形结构，图11中的蘑菇形结构合围成的腔为谐振腔107，实际上，与上述图7所类似的，子结构中也可以包括第二金属化孔，如图12所示的，多个子结构中包括蘑菇形结构和第二金属化孔1052。
也就是说，多个子结构中相邻两个子结构可以均为蘑菇形结构；或，多个子结构中相邻两个子结构可以均为第二金属化孔；或，多个子结构中相邻两个子结构可以是其中一个为蘑菇形结构，另一个为第二金属化孔；第二金属化孔贯穿第一介质层和第二介质层。第二金属化孔连通第一金属层和第二金属层，通过第二金属化孔直接电连接第一金属层和第二金属层的方式加工简单，在有盲孔和埋孔的位置使用蘑菇形结构，在没有盲孔和埋孔的位置使用第二金属化孔，能够提高了PCB加工的效率。
该闭合式的介质导波结构中的多个子结构中每相邻两个子结构之间的中心间距小于或等于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的四分之一，介质的介电常数是根据第一介质层内介质的介电常数和第二介质层内介质的介电常数确定的。
多个子结构中每相邻两个子结构之间的中心间距小于或等于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的四分之一可以是：
两个相邻的蘑菇形结构的中心间距小于或等于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的四分之一。
相邻的蘑菇形结构和第二金属化孔的中心间距小于或等于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的四分之一。
两个相邻的第二金属化孔的中心间距小于或等于介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的四分之一。
无论相邻两个子结构是两个蘑菇形结构、一个蘑菇型结构和一个第二金属化孔或者两个金属化孔，中心间距d≤λ/4，有利于形成阻带电壁，确保微波信号在介质导波结构内谐振，避免微波信号泄漏。
每一金属图层、第一金属层以及位于对应的金属图层和第一金属层之间的第一介质层形成电容，每个第一金属化孔形成电感，微波信号在介质导波结构的导波空间中传输时，会在根据电容和电感确定的中心频率的阻带范围内谐振。因为蘑菇形结构处的电容和电感，使得第一金属层和第二金属层在蘑菇形结构处实现阻带范围内的等效电导效应。相当于第一金属层和第二金属层等效接地。因此，第一金属层和第二金属层之间无需直接导通就可以实现电连接，使得多层介质场景中的金属化孔加工更加容易和灵活。
金属图层的形状包括三角形、多边形、圆形和螺旋形。
图11和图12所示出的多个子结构所围成的形状为四边形，多个子结构实际上该封闭空间形状可以为图13A所示的三角形和图13B所示的圆形，当然也还是其他的闭合式形状。多个子结构均位于圆形、多边形或三角形的边上。
闭合式的介质导波结构中第一金属层、第二金属层、第一介质层、第二介质层、子结构和蘑菇型结构都可以参阅上述开放式的介质导波结构中的相应部件进行理解，区别只是，子结构所构成的导波空间的形状不同。
上述所描述的都是单层的介质导波结构，在AOB模块中，通常都是多层垂直介质导波系统。
下面结合附图，介绍本申请实施例中的多层垂直介质导波系统。
本申请实施例提供的多层垂直介质导波传输系统包括上述图4至图13所示的介质导波结构中的一种或者至少两种的组合。
图14只是多层垂直介质导波传输系统中的一种结构类型，实际上，本申请实施例中的多层垂直介质导波传输系统可以根据需求将上述开放式的介质导波结构和封闭式的介质导波结构进行组合，将包含第二金属化孔的介质导波结构和不包含第二金属化孔的介质导波结构进行组合。需要说明的是，相邻的上下两个介质导波结构具有共用金属层，该共用金属层为位于上方的介质导波结构的第二金属层，且为位于下方的介质导波结构的第一金属层；该上下相邻的两个介质导波结构在所述共用金属层上开设有用于信号传递或耦合的缝隙。
下面以图14为例进行介绍，图14所示的多层垂直介质导波传输系统中包括从上至下垂直排布的n层介质导波结构，n为大于或等于3的整数。如图14所示，相邻两个导波结构间的信号交换可以采用缝隙进行传递或耦合。例如：介质导波结构1和介质导波结构2之间通过缝隙1进行信号的传递或耦合。介质导波结构2与下一层的介质导波结构之间通过缝隙2进行信号的传递或耦合。以此类推，介质导波结构n+1与介质导波结构n之间通过缝隙n进行信号的传递或耦合。从图14中可见，介质导波结构1和介质导波结构2具有共用金属层，在该共用金属层上开设有缝隙1，以此类推，介质导波结构2与介质导波结构3具有一个共用金属层，在该共用金属层上开设有缝隙2，介质导波结构n+1与介质导波结构n具有一个共用金属层，在该共用金属层上开设有缝隙n。
缝隙可以为矩形或圆形，通过改变缝隙的大小、数量以及在导波结构中位置来满足不同信号传导要求。在某些情况下，负责信号传递或耦合的缝隙也可采用金属探针(或金属化孔)代替。
如图15所示，本申请实施例还提供了一种上述介质导波结构与SIW结构混排所组成的介质导波传输系统，图15中以垂直结构上包含介质导波结构1、SIW结构和介质导波结构2三个导波结构为例进行说明，实际上，具体介质导波结构、SIW结构的数量本申请实施例中不做限定。
除了上述多层垂直介质导波系统外，本申请实施例还提供了水平排布的介质导波传输系统。
本申请实施例提供的水平排布的介质导波传输系统在水平方向包含上述图4至图13所示的介质导波结构中的一种或者至少两种的组合。各导波结构可独立工作，并可以进行信号传递或耦合，如：功分器、耦合器、滤波器等等。
如图16所示为功分器，端口1为合路口，端口2和3为分路口。
如图17所示为耦合器，端口1为输入口，端口4为隔离口，端口2和3为输出口，通过调节中间的两个间隙的大小和距离来改变耦合度。
如图18所示为一个四腔滤波器，通过调节腔之间的耦合缝隙大小，调节耦合系数。
在耦合器或滤波器这种需要信号交换或耦合的场景中，除了采用缝隙方式，也可以采用一定长度的金属走线连接相邻导波结构，直接形成电耦合。
以上对本申请实施例所提供的介质导波结构以及介质导波传输系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
Claims (10)
1.一种介质导波结构，其特征在于，包括：第一金属层、第一介质层、第二介质层、第二金属层和两组相邻的子结构，所述第一介质层和所述第二介质层位于所述第一金属层和所述第二金属层之间，所述第一介质层位于所述第二介质层和所述第一金属层之间；
两组相邻的子结构之间的间距大于所述介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的二分之一，所述介质的介电常数是根据所述第一介质层内介质的介电常数和所述第二介质层内介质的介电常数确定的；
每一组子结构包括至少两个子结构，所述至少两个子结构中每相邻两个子结构之间是隔离的，所述至少两个子结构包括至少一个蘑菇形结构；
其中，所述蘑菇形结构包括一个第一金属化孔和对应的金属图层；所述第一介质层朝向所述第二介质层的一侧具有至少两个凹槽，所述凹槽的开口朝向所述第二介质层，每一所述凹槽内容纳有一个所述金属图层；所述第二介质层具有至少两个第一金属化孔，所述第一金属化孔和所述金属图层是一对一的，每一所述第一金属化孔贯穿所述第二介质层；
每一组子结构内的至少两个子结构位于同一排，所述排位于所述第一金属层和所述第二金属层之间；
所述第一金属层、所述第二金属层和所述两组相邻的子结构围合的结构为所述介质导波结构；
每一所述金属图层、所述第一金属层以及位于对应的所述金属图层和所述第一金属层之间的所述第一介质层形成电容，每个所述第一金属化孔形成电感，微波信号在所述介质导波结构的导波空间中传输时，会在根据所述电容和所述电感确定的中心频率的阻带范围内谐振。
2.根据权利要求1所述的介质导波结构，其特征在于，所述至少两个子结构中每相邻两个子结构之间的中心间距小于或等于所述介质导波结构的工作频段的中心频率在所述介质中波长的四分之一。
3.根据权利要求2所述的介质导波结构，其特征在于，
所述至少两个子结构中相邻两个子结构均为所述蘑菇形结构；或，
所述至少两个子结构中相邻两个子结构均为第二金属化孔；或，
所述至少两个子结构中相邻两个子结构其中一个为所述蘑菇形结构，另一个为第二金属化孔；
所述第二金属化孔贯穿所述第一介质层和所述第二介质层。
4.根据权利要求1至3任一项所述的介质导波结构，其特征在于，相邻的两组子结构各自对应的排相互平行。
5.根据权利要求1至3任一项所述的介质导波结构，其特征在于，位于同一组内的每相邻两个子结构的中心间距是相同的。
6.一种介质导波结构，其特征在于，包括：第一金属层、第一介质层、第二介质层和第二金属层和多个子结构，所述第一介质层和所述第二介质层位于所述第一金属层和所述第二金属层之间，所述第一介质层位于所述第二介质层和所述第一金属层之间；
所述多个子结构中每一子结构的两侧各分布有一个相邻的子结构，所述多个子结构中每相邻两个子结构之间是隔离的，所述多个子结构包括至少一个蘑菇形结构；
其中，所述蘑菇形结构包括一个第一金属化孔和对应的金属图层；所述第一介质层朝向所述第二介质层的一侧具有至少两个凹槽，所述凹槽的开口朝向所述第二介质层，每一所述凹槽内容纳有一个所述金属图层；所述第二介质层具有至少两个第一金属化孔，所述第一金属化孔和所述金属图层是一对一的，每一所述第一金属化孔贯穿所述第二介质层；
所述多个子结构、所述第一金属层和所述第二金属层围合的结构为所述介质导波结构；
每一所述金属图层、所述第一金属层以及位于对应的所述金属图层和所述第一金属层之间的所述第一介质层形成电容，每个所述第一金属化孔形成电感，微波信号在所述介质导波结构的导波空间中传输时，会在根据所述电容和所述电感确定的中心频率的阻带范围内谐振。
7.根据权利要求6所述的介质导波结构，其特征在于，所述多个子结构中每相邻两个子结构之间的中心间距小于或等于所述介质导波结构的工作频段的中心频率在介质中波长的四分之一，所述介质的介电常数是根据所述第一介质层内介质的介电常数和所述第二介质层内介质的介电常数确定的。
8.根据权利要求7所述的介质导波结构，其特征在于，
所述多个子结构中相邻两个子结构均为所述蘑菇形结构；或，
所述多个子结构中相邻两个子结构均为第二金属化孔；或，
所述多个子结构中相邻两个子结构其中一个为所述蘑菇形结构，另一个为第二金属化孔；
所述第二金属化孔贯穿所述第一介质层和所述第二介质层。
9.根据权利要求6至8任一项所述的介质导波结构，其特征在于，
所述多个子结构均位于圆形、多边形或三角形的边上。
10.一种多层垂直介质导波传输系统，其特征在于，包括第一介质导波结构和第二介质导波结构，所述第一介质导波结构和所述第二介质导波结构均为如权利要求1-9任一所述的介质导波结构，或者，所述第一介质导波结构为如权利要求1-9任一所述的介质导波结构，所述第二介质导波结构为基片集成波导SIW结构；
所述第一介质导波结构的第二金属层为所述第二介质导波结构的第一金属层，所述第一介质导波结构的第二金属层开设有缝隙，所述缝隙用于实现所述第一介质导波结构和所述第二介质导波结构之间的信号传递或信号耦合。
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