CN109216845A - 一种基片集成槽间隙波导结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基片集成槽间隙波导(SIGGW)结构,该波导由两层层介质板连接而成。上层介质板的上表面印刷有金属层,金属层两端连接过渡渐变线和馈电微带线,实现波导与微带线电路的模式转换和阻抗匹配;下层介质板的上表面两侧印刷有金属圆形贴片,中间是介质槽;下表面印刷有接地金属层,下表面的两侧分别打入多排周期性金属过孔,与上表面的金属圆形贴片相连,形成人工磁导体结构。该波导在下层介质槽和其上方介质板中传输电磁波,传输模式为TE10模。本发明实现了介质槽传输电磁波,解决了金属槽波导的难集成、体积大等问题,并实现了与微带线电路的模式转换和阻抗匹配。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域,具体涉及一种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,在无线通信系统中得到了广泛应用。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。
本发明一种基片集成槽间隙波导,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。对比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,设计出一种基片集成槽间隙波导。
本发明一种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位置为介质槽(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。
如上所述的一种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。
如上所述的一种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。
如上所述的一种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)。
如上所述的一种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)构成电磁带隙,形成了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。
如上所述的一种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、具有小尺寸,低剖面,易集成,易加工;
3、结构稳定,传输性能好;
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为本发明一种基片集成槽间隙波导结构的整体结构图。
图2为本发明一种基片集成槽间隙波导结构的上层介质板的上表面图。
图3为本发明一种基片集成槽间隙波导结构的上层介质板的下表面图。
图4为本发明一种基片集成槽间隙波导结构的下层介质板的上表面图。
图5为本发明一种基片集成槽间隙波导结构的下层介质板的下表面图。
图6为本发明一种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,本发明一种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位置为介质槽(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。
如上所述的一种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。
如上所述的一种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。
如上所述的一种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)。
如上所述的一种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)构成电磁带隙,形成了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。
如上所述的一种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。
如上所述的一种基片集成槽间隙波导结构,波导的整体尺寸为35.6mm*22.05mm*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18GHz-35GHz频段,本发明一种基片集成槽间隙波导具有S11大部分低于-20dB的阻抗特性,以及S12为-0.52dB--1.5dB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 (7)
1.本发明一种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位置为介质槽(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所述的一种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所述的一种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所述的一种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所述的一种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)构成电磁带隙,形成了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所述的一种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。
7.根据权利要求1所述的一种基片集成槽间隙波导结构,其特征在于:波导的整体尺寸为35.6mm*22.05mm*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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