CN109167137A - 一种新型基片集成脊波导结构 - Google Patents

一种新型基片集成脊波导结构 Download PDF

Info

Publication number
CN109167137A
CN109167137A CN201811033643.0A CN201811033643A CN109167137A CN 109167137 A CN109167137 A CN 109167137A CN 201811033643 A CN201811033643 A CN 201811033643A CN 109167137 A CN109167137 A CN 109167137A
Authority
CN
China
Prior art keywords
medium substrate
substrate
ridge waveguide
waveguide structure
novel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201811033643.0A
Other languages
English (en)
Inventor
王宁
许涛
马艳颍
高聪
马志豪
孟丛
张坤
陈加骏
唐小玉
贾宏志
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Shanghai for Science and Technology
Original Assignee
University of Shanghai for Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Shanghai for Science and Technology filed Critical University of Shanghai for Science and Technology
Priority to CN201811033643.0A priority Critical patent/CN109167137A/zh
Publication of CN109167137A publication Critical patent/CN109167137A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P3/00—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type
    • H01P3/12—Hollow waveguides
    • H01P3/123—Hollow waveguides with a complex or stepped cross-section, e.g. ridged or grooved waveguides

Landscapes

  • Waveguides (AREA)

Abstract

本发明提供了一种新型基片集成脊波导结构，包括：介质基板单元，包括下介质基板以及设置在下介质基板上的上介质基板，上介质基板与下介质基板的介电常数不同；悬空金属柱，沿着垂直于介质基板单元的方向嵌入上介质基板中，且周期性地排列在上介质基板的长度方向上的中心线上；以及金属条，设置在悬空金属柱的底部。该新型基片集成脊波导由具有不同介电常数的两层介质基板构成，结构中嵌入的悬空金属柱的下表面与介质基板单元的下表面之间存在的间隙形成脊电容，从而降低主模的截止频率。另外，通过设置在悬空金属柱的底部的金属条来增加极板之间的面积，使得脊电容值增大，进一步地降低了主模的截止频率，进而使得主模的工作带宽极大地提高。

Description

一种新型基片集成脊波导结构
技术领域
本发明涉及微波导技术领域，具体涉及一种新型基片集成脊波导结构。
背景技术
随着微波、毫米波技术在无线通讯和雷达系统领域的发展，低成本、高可靠性的集成电路的使用日益广泛。金属波导具有品质因素(Q)高、损耗小等优点，然而类似于矩形波导的金属波导体积大、成本高，限制了其向小型化和集成化方向发展。
基片集成波导(Substrateintegratedwaveguide,SIW)是近些年来提出的一种高性能低损耗小型化的传输线，用周期性金属通孔代替传统矩形波导的金属侧壁，其电磁波传播特性与传统的矩形波导类似。SIW具有体积小、低成本、抗电磁干扰、高功率容量等优点，已经广泛应用于天线、滤波器、功分器、耦合器等研究。作为设计器件、天线、集成系统的基础，SIW传输结构的优点十分明显，但同时也存在一些局限。一方面，随着现代微波集成电路技术的快速发展，对基片集成波导器件的集成度提出了更高要求。另一方面，SIW的单模工作带宽被限制在一个倍频程，不适合应用于宽带微波系统中。所以，如何拓展基片集成波导的带宽，提高集成度是目前亟待解决的问题。
已知在常规波导中加入纵向金属脊可以提高波导的工作带宽，而不会影响其射频传输特性。因此，为了提高基片集成波导SIW的单模工作带宽，在SIW的中间加入一排与两侧壁类似的周期性排列的悬空金属柱，从而构成了基片集成脊波导结构(Ridgesubstrateintegratedwaveguide,RSIW)。基片集成脊波导是由基片集成波导发展而来的，是解决基片集成波导的局限性，形成紧凑型宽带互连的一个良好选择。目前，一些脊波导电路已被应用在微波毫米波器件和天线系统中，如宽带滤波器、阻抗变换器，以及天线或放大器的宽带微波功率馈电等。近年来，军事和民用上应用的平面裂缝辐射器中采用的脊波导裂缝阵列可以增大天线阵列的扫描范围。在这些应用中，有些工作带宽只需10％-30％。然而，在有些应用中则需要更宽乃至倍频程的带宽，所以有必要进一步展宽带宽。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种新型基片集成脊波导结构。
本发明提供了一种新型基片集成脊波导结构，具有这样的特征，包括：介质基板单元，包括下介质基板以及设置在下介质基板上的上介质基板，上介质基板与下介质基板的介电常数不同；悬空金属柱，沿着垂直于介质基板单元的方向嵌入上介质基板中，且周期性地排列在上介质基板的长度方向上的中心线上；以及金属条，设置在悬空金属柱的底部。
本发明的新型基片集成脊波导结构的传输模式为：主模传输的是TE10模，高次模传输的是TE20模，主模工作带宽为第一高次模和主模的截止频率的差值。嵌入的悬空金属柱的下表面与介质基板单元的下表面之间存在的间隙形成脊电容，从而降低该新型基片集成脊波导结构所传输的主模的截止频率，但不影响其射频传输特性。
另外，通过设置在悬空金属柱的底部的金属条来增加极板之间的面积，使得脊电容值增大，进一步地降低了主模的截止频率，进而使得第一高次模与主模截止频率的差值提高，即主模工作带宽提高。该新型基片集成脊波导结构的工作频率范围为2.46GHz～13.34GHz，能够适用于覆盖整个超宽带(3.1GHz～10.6GHz)的应用，极大地拓展了基片集成脊波导的应用范围。
在本发明提供的新型基片集成脊波导结构中，还可以具有这样的特征还包括：一对金属柱，其中，一对金属柱沿着介质基板单元的长度方向，周期性地排列在靠近介质基板单元的两侧壁处，能够将电磁波限制在介质基板单元的壁内空间传播，起到了电壁的作用。
在本发明提供的新型基片集成脊波导结构中，还可以具有这样的特征：其中，悬空金属柱的上表面与上介质基板的上表面重合。
在本发明提供的新型基片集成脊波导结构中，还可以具有这样的特征：其中，金属条的下表面与上介质基板的下表面重合。
在本发明提供的新型基片集成脊波导结构中，还可以具有这样的特征：其中，上介质基板的上表面上以及下介质基板的下表面上均覆盖有金属层。通过金属层以及金属条的位置设置使得电容上下极板(悬空金属柱的下底面与下介质基板的下表面上的金属层)之间的面积增加，进而使得脊电容增加。
在本发明提供的新型基片集成脊波导结构中，还可以具有这样的特征，还包括：一对空气孔单元，其中，一对空气孔单元沿着介质基板单元的长度方向，周期性地排列在悬空金属柱的两侧。采用空气孔单元能够进一步得降低两侧介质材料的有效介电常数，提高高次模的截止频率，且不会影响到主模的截止频率。
在本发明提供的新型基片集成脊波导结构中，还可以具有这样的特征：其中，上介质基板的厚度大于下介质基板的厚度，上介质基板的介电常数小于下介质基板的介电常数。下介质基板采用厚度小介电常数高的板材，通过减小长方形金属条与下底板之间的极板间距和增大填充介质的介电常数来增大脊电容值。上介质基板采用厚度大介电常数低的板材，通过降低介质材料的有效介电常数可以提高高次模的截止频率，进而提高该新型基片集成脊波导结构的工作带宽。
附图说明
图1是本发明的实施例中新型基片集成脊波导结构的结构示意图；
图2是本发明的实施例中新型基片集成脊波导结构的垂直于传播方向的横截面图；
图3是本发明的实施例中新型基片集成脊波导结构的相移常数与频率的关系图；
图4是本发明的实施例中新型基片集成脊波导结构的S11和S21参数仿真结果图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明新型基片集成脊波导结构作具体阐述。
本实施例中的基片集成脊波导结构100主模传输的是TE10模，高次模传输的是TE20模，主模工作带宽为高次模TE20模的截止频率与主模TE10模的截止频率的差值。
图1是本发明的实施例中新型基片集成脊波导结构的结构示意图。
如图1所示，新型基片集成脊波导结构100包括介质基板单元10、悬空金属柱20、金属条30、一对金属柱40以及一对空气孔单元50。
介质基板单元10包括介电常数不同的下介质基板11与上介质基板12。上介质基板12的上表面上以及下介质基板11的下表面上均覆盖有铜层13。上介质基板12的厚度大于下介质基板11的厚度，上介质基板12的介电常数小于下介质基板11的介电常数。
下介质基板11采用的是厚度较小介电常数较高的Rogers6010LM材料，该材料的介电常数为10.2，介质损耗角正切为0.0023，介质高度(下介质基板11的厚度)H2为0.64mm。
上介质基板12设置在下介质基板11上，采用的是厚度较大介电常数较低的Rogers5880材料，该材料的介电常数为2.2，介质损耗角正切为0.0009，介质高度(下介质基板12的厚度)H1为1.52mm。
悬空金属柱20沿着垂直于介质基板单元10的水平面的方向上，嵌入到上介质基板12中，且周期性地排列在上介质基板12的长度方向上的中心线上，构成了该新型基片集成脊波导结构100的“脊”。悬空金属柱20的上表面与上介质基板12的上表面重合。
悬空金属柱20的下底面与下介质基板11的下底面(铜层13)之间存在一定的间隙，形成了脊电容，该脊电容能够降低主模TE10模的截止频率，且并不影响其射频传输特性。另外，主模TE10模的电场主要集中在波导中心的脊棱附近，其截止频率降低的主要原因是脊电容的引入，脊电容越大，TE10模的截止频率将会越低。
金属条30为长方形，设置悬空金属柱20的底部，用于连接周期性排列的悬空金属柱20。金属条20的下底面与上介质基板12的下表面重合。该金属条30能够增大悬空金属柱20的下底面与下介质基板11的下表面的金属层13之间的相对面积使得脊电容增加，进而使得主模TE10模的截止频率降低。
一对金属柱40分别沿着介质基板单元10的长度方向，周期性排列在介质基板单元10的两侧壁处。一对金属柱40能够将电磁波限制在壁内空间传播，起到了电壁的作用。
一对空气孔单元50，每个空气孔单元50内包括两列周期性地沿着介质基板10的长度方向进行排列的空气孔51。一个空气孔单元50内的两列空气孔51设置在悬空金属柱20的一侧且位于金属柱40内。另一个空气孔单元50内的两列空气孔51设置在悬空金属柱20的另一侧且位于另一侧的金属柱40内。
空气孔51沿着介质基板单元10的高度方向贯穿整个介质基板单元10，能够进一步降低介质基板单元10的两侧介质材料的有效介电常数，提高高次模TE20模的截止频率，且由于其位置关系，对主模TE10模的截止频率影响会很小。
本实施例中的新型基片集成脊波导结构100通过降低主模的截止频率与提高高次模的截止频率，来使得高次模的截止频率与主模的截止频率的差值(主模工作带宽)增加。
另外，本实施例中的新型基片集成脊波导结构100中的悬空金属柱20、一对金属柱40以及一对空气孔单元50均为沿着介质基板单元10的长度方向上进行周期性排列的，因此，该新型基片集成脊波导结构100为一种周期性结构，也可以看成是有多个基本单元构成。在本实施例中，新型基片集成脊波导结构100是有12个基本单元构成。
沿着介质基板单元10的宽度方向，以包括一个悬空金属柱20的宽度进行切割得到基本单元A。基本单元A的纵向长度S为3mm。所以，本实施例中由12个基本单元构成的新型基片集成脊波导结构100整体长度为36mm。
图2是本发明的实施例中新型基片集成脊波导结构的垂直于传播方向的横截面图。
如图2所示，介质基板单元10的高度为上介质基板12的厚度H1与下介质基板11的厚度H2之和2.16mm。在基本单元A中，铜层13的厚度t为0.035mm。两侧壁处的一对金属柱40的直径D1为1.5mm，两个金属柱40之间的横向间距W1为15.4mm。悬空金属柱20的直径D2为2mm，深度h为1.485mm。金属条30的宽W4为2.8mm，长度为36mm，厚度t为0.035mm。空气孔51直径D3为2.4mm，高度与介质基板单元10的高度相同为2.16mm。位于悬空金属柱20一侧的两个空气孔51之间的横向间距W2为11mm，距离悬空金属柱20最近的两个空气孔51的横向间距W3＝5.2mm。
图3是本发明的实施例中新型基片集成脊波导结构的相移常数与频率的关系图。
另外，利用全波电磁仿真软件HFSS对基本单元A进行本征模求解来获取结构的色散图。通过HFSS中的设计优化模块，将单元结构A在传播方向(Z方向)上的两个面上设置相移变量φ，利用参数扫描分析对φ值进行0°至180°的扫描。然后通过以下公式的求解，最终可以得到如图3所示的新型基片集成脊波导结构100的色散图，即相移常数和频率的关系：
式中，φ为相位变量，单位为rad；S是结构的纵向长度，单位为m；β表示相移常数，单位rad/m。
由图3可知，本实施例得到的新型基片集成脊波导结构100的主模TE10模的截止频率f1为2.46GHz，第一高次模TE20模的截止频率f2为13.34GHz,由截止频率差得出该新型基片集成脊波导结构100的单模工作带宽达到10.88GHz。
图4是本发明的实施例中的新型基片集成脊波导结构100的S11和S21参数仿真结果图。
如图4所示，本实施例中的新型基片集成脊波导结构100在通带内插入损耗S21的曲线较平稳，在13GHz时S21取得最小值-1.1dB，表现出良好的传输特性。而通带内回波损耗S11的值整体在-15dB以下，仅在3.03GHz-4.38GHz频率范围内反射略微偏大，但回波损耗S11的值仍远小于-10dB，符合传输线的要求。
综上，本实施例中的新型基片集成脊波导结构100的单模工作带宽宽，能够适用于覆盖整个超宽带的应用。同时，该结构在整个通带范围内表现出了良好的传输特性，为解决基片集成波导带宽窄的局限性，形成紧凑型宽带互连提供了一个良好选择。
另外，由图2所示的尺寸可以看出，与相同工作频率条件下的基片集成波导结构相比，本实施例中的新型基片集成脊波导结构100上午横向尺寸更小，有利于减小整个电路尺寸，提高系统的集成度。
上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换，这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种新型基片集成脊波导结构，其特征在于，包括：
介质基板单元，包括下介质基板以及设置在所述下介质基板上的上介质基板，所述上介质基板与所述下介质基板的介电常数不同；
悬空金属柱，沿着垂直于所述介质基板单元的方向嵌入所述上介质基板中，且周期性地排列在所述上介质基板的长度方向上的中心线上；以及
金属条，设置在所述悬空金属柱的底部。
2.根据权利要求1所述的新型基片集成脊波导结构，其特征在于，还包括：
一对金属柱，
其中，一对所述金属柱沿着所述介质基板单元的长度方向，周期性地排列在靠近所述介质基板单元的两侧壁处。
3.根据权利要求1所述的新型基片集成脊波导结构，其特征在于：
其中，所述悬空金属柱的上表面与所述上介质基板的上表面重合。
4.根据权利要求1所述的新型基片集成脊波导结构，其特征在于：
其中，所述金属条的下表面与所述上介质基板的下表面重合。
5.根据权利要求1所述的新型基片集成脊波导结构，其特征在于：
其中，所述上介质基板的上表面上以及所述下介质基板的下表面上均覆盖有金属层。
6.根据权利要求1所述的新型基片集成脊波导结构，其特征在于，还包括：
一对空气孔单元，
其中，一对所述空气孔单元沿着所述介质基板单元的长度方向，周期性地排列在所述悬空金属柱的两侧。
7.根据权利要求1所述的新型基片集成脊波导结构，其特征在于：
其中，所述上介质基板的厚度大于所述下介质基板的厚度，所述上介质基板的介电常数小于所述下介质基板的介电常数。
CN201811033643.0A 2018-09-05 2018-09-05 一种新型基片集成脊波导结构 Pending CN109167137A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811033643.0A CN109167137A (zh) 2018-09-05 2018-09-05 一种新型基片集成脊波导结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811033643.0A CN109167137A (zh) 2018-09-05 2018-09-05 一种新型基片集成脊波导结构

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109167137A true CN109167137A (zh) 2019-01-08

Family

ID=64894175

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811033643.0A Pending CN109167137A (zh) 2018-09-05 2018-09-05 一种新型基片集成脊波导结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109167137A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112290180A (zh) * 2020-11-06 2021-01-29 上海交通大学 一种脊半模基片集成波导传输线
CN113764848A (zh) * 2021-09-17 2021-12-07 上海交通大学 一种单模带宽提升的基片集成波导传输线

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101499552A (zh) * 2008-02-01 2009-08-05 南京理工大学 宽带衬底集成脊波导及其分析方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101499552A (zh) * 2008-02-01 2009-08-05 南京理工大学 宽带衬底集成脊波导及其分析方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
M. BOZZI等: "Review of substrate-integrated waveguide circuits and antennas", 《IET MICROWAVES, ANTENNAS & PROPAGATION 》 *
RICCARDO MORO等: "Novel inkjet-printed substrate integrated waveguide (SIW) structures on low-cost materials for wearable applications", 《2012 42ND EUROPEAN MICROWAVE CONFERENCE》 *
STEFANO MOSCATO等: "Two-Material Ridge Substrate Integrated Waveguide for Ultra-Wideband Applications", 《IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112290180A (zh) * 2020-11-06 2021-01-29 上海交通大学 一种脊半模基片集成波导传输线
CN112290180B (zh) * 2020-11-06 2021-07-30 上海交通大学 一种脊半模基片集成波导传输线
CN113764848A (zh) * 2021-09-17 2021-12-07 上海交通大学 一种单模带宽提升的基片集成波导传输线

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110401026B (zh) 一种具有近似椭圆滤波响应的磁电偶极子滤波天线
CN110544822A (zh) 基于SIW结构的Ka波段小型化滤波天线
CN109326863B (zh) 一种基于介质基片集成波导的双频滤波功分器
CN109301416B (zh) 悬置基片集成波导传输线
CN101237082B (zh) 基于分裂环谐振器和贴片刻蚀缝隙的多阻带超宽带天线
CN103326093A (zh) 新型交叉耦合基片集成波导带通滤波器
CN106654497B (zh) 小型化宽带慢波半模基片集成波导耦合器及其设计方法
CN109546348A (zh) 一种新型小型化宽带sw-siw喇叭天线及其设计方法
CN103178341B (zh) 具有宽波束的q波段毫米波室内高速通信天线
JPWO2006126320A1 (ja) 通信回路、通信装置、インピーダンス整合回路、インピーダンス整合回路を生産する方法、及び、インピーダンス整合回路設計方法
CN102904011B (zh) 平衡微带线过渡全模双脊集成波导馈电对称振子印刷天线
CN109167137A (zh) 一种新型基片集成脊波导结构
Soundarya et al. Compact dual-band SIW bandpass filter using CSRR and DGS structure resonators
CN113644429B (zh) 一种可重构四种微波功能的平面微波无源器件
CN202121040U (zh) 高缺陷共面波导双频滤波器
CN101286589B (zh) 基于双模双阻带滤波器的超宽带多阻带天线
CN105789810A (zh) 一种宽带半模波纹基片集成波导耦合器及其设计方法
CN111541018B (zh) 一种高增益陡峭滤波融合双工集成天线
CN112234358A (zh) 一种小型化双陷波超宽带天线
US20020097108A1 (en) Transmission line to waveguide mode transformer
CN104269588A (zh) 一种基于中心枝节加载的小型化六边形三模滤波器
CN116613545A (zh) 一种介质型人工表面等离激元带通滤波阵列天线
CN216120755U (zh) 一种高隔离度低剖面宽带基站天线
CN202564510U (zh) 低损耗射频平面集成带通滤波器
CN210272629U (zh) 一种新型的基于双脊集成基片间隙波导的定向耦合器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20190108

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication