CN110021805A - 复杂馈电网络中基于空气间隙波导的立体过渡结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复杂馈电网络中基于空气间隙波导的立体过渡结构，属于微波元器件，包括顶层板、中间层板和底层板，中间层板设置在顶层板和底层板之间，三者固连；具体采用理想电导壁、人工磁导壁、脊间隙波导结构、空气间隙波导‑耦合缝隙匹配结构、矩形波导过渡结构、国标BJ400矩形波导耦合缝隙和电磁带隙EBG结构；电磁波只能沿着顶层板的矩形波导过渡结构和脊间隙波导结构、空气间隙波导‑耦合缝隙匹配结构和国标BJ400矩形波导耦合缝隙形成的特定引导结构传输；电磁带隙EBG结构周期性的布置在脊间隙波导周围，用于限制电磁波向四周泄漏。本发明在较宽的带宽下实现了低插入损耗的传输特性。

Description

复杂馈电网络中基于空气间隙波导的立体过渡结构
技术领域
本发明属于微波元器件，具体涉及一种复杂馈电网络中基于空气间隙波导的立体过渡结构。
背景技术
在过去的十年中，在毫米波（mmW）的应用领域提出了一种新的传输结构，即间隙波导技术。基于该技术产生了大量微波器件，如天线、滤波器、馈电网络和耦合器等。间隙波导是通过两个平行的金属板实现，电磁带隙阵列制作在下金属板形成人工磁导面，上金属面为理想电壁。除了沿着一些特定的引导结构，例如脊（Ridge）和槽，在引脚顶部和上板之间的间隙小于四分之一波长的条件下，没有电磁波可以穿过上述结构。
就像所有不同类型的间隙波导一样，电磁波仅在人工磁导面和理想电壁之间的空气中传播。相比微带线结构以及基片集成波导，由于空气间隙波导中电磁波的传播不是在介质中进行，因此它的介质损耗很低，这些都是微带线以及基片集成波导所不能及的。
Davoud Zarifi, Ali Farahbakhsh等在《Design and Fabrication of a High-Gain 60-GHz Corrugated Slot Antenna Array With Ridge Gap WaveguideDistribution Layer》（IEEE Trans. Antennas Propag, vol. 64, no. 7, pp. 2905-2913, July, 2016.）一文中设计了一种RGW到WR-15的一种16 x 16天线过渡传输方式，其实测增益大于32.5dBi，天线效率超过70%，但是没有提及到如何降低插入损耗问题。
A. Farahbakhsh, D. Zarifi等在《60-GHz groove gap waveguide basedwideband H -plane power dividers and transitions: For use in high-gain slotarray antenna》（IEEE Trans. Microw. Theory Techn, vol. 65, no. 11, pp. 4111–4121, Nov. 2017.）一文中设计了一种基于槽空气隙导波结构（groove gap waveguide ，GGW）技术的功率分配器，其增益大于32.5dBi，总辐射效率超过80%，但是没有提及到如何降低插入损耗问题。
与传统的法向阵列天线相比，单脉冲阵列天线、六端口阵列天线、巴特勒矩阵多波束阵列天线，他们的馈电网络更大，更复杂，也就需要更多的布线空间来进行馈电网络的设计，这就要求在连接不同层馈电网络的传输结构需要具有低插入损耗特性和宽带宽的特性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复杂馈电网络中基于空气间隙波导的立体过渡结构，提高了馈电网络各层间的传输效率，进而降低了插入损耗。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种复杂馈电网络中基于空气间隙波导的立体过渡结构，包括顶层板、中间层板和底层板，中间层板设置在顶层板和底层板之间，三者固连。
顶层板包括第一理想电导壁、第一人工磁导壁、脊间隙波导结构、空气间隙波导-耦合缝隙匹配结构、矩形波导过渡结构和若干电磁带隙EBG结构，第一理想电导壁一端与第一人工磁导壁一端直接相连，脊间隙波导结构沿第一人工磁导壁底面的中轴线设置，其一端与第一理想电导壁相连，另一端通过空气间隙波导-耦合缝隙匹配结构与矩形波导过渡结构相连形成一条电磁波传输通道，若干电磁带隙EBG结构设置在第一人工磁导壁底面，且脊间隙波导结构被周期性排布的电磁带隙EBG结构包围。
中间层板包括第二人工磁导壁、第二理想电导壁、两个空气间隙波导-耦合缝隙匹配结构、两条脊间隙波导结构和若干电磁带隙EBG结构，第二人工磁导壁的长度大于第二理想电导壁的长度，两条脊间隙波导结构分别沿第二人工磁导壁顶面和底面的中轴线设置，一端与第二理想电导壁相连，两条脊间隙波导结构的另一端均与空气间隙波导-耦合缝隙匹配结构相连，在两个空气间隙波导-耦合缝隙匹配结构之间开有一个矩形通孔形成一个国标BJ400矩形波导耦合缝隙，若干电磁带隙EBG结构分别设置在第二人工磁导壁的顶面和底面，并且上述两条脊间隙波导结构被周期性排布的电磁带隙EBG结构包围。
底层板包括第三理想电导壁、第三人工磁导壁、脊间隙波导结构、空气间隙波导-耦合缝隙匹配结构、矩形波导过渡结构和若干电磁带隙EBG结构，第三理想电导壁一端与第三人工磁导壁一端直接相连，脊间隙波导结构沿第三人工磁导壁底面的中轴线设置，其一端与第三理想电导壁相连，另一端通过空气间隙波导-耦合缝隙匹配结构与矩形波导过渡结构相连形成一条电磁波传输通道，若干电磁带隙EBG结构设置在第三人工磁导壁底面，且脊间隙波导结构被周期性排布的电磁带隙EBG结构包围。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
（1）损耗低：相比于基片集成波导和微带线，因为电磁波在空气间隙波导的传输是在空气中进行的，而基片集成波导和微带线则是在介质中进行的，会有介质损耗，因此空气间隙波导的损耗低。
（2）可集成性好：相比于传统的矩形金属波导，空气间隙波导可以利用印刷电路板（PCB）工艺进行制作，方便与后端的电路进行集成。
（3） 在结构上不需要电接触：相比于其他多层传输结构，相邻上下两层不需要接触，从而降低了加工精度的要求。
附图说明
图1是本发明复杂馈电网络中基于空气间隙波导的立体过渡结构的整体构示意图。
图2是本发明复杂馈电网络中基于空气间隙波导的立体过渡结构的爆炸图。
图3是本发明复杂馈电网络中基于空气间隙波导的立体过渡结构的主视图。
图4是本发明中间层板的局部俯视图。
图5是本发明电磁带隙EBG结构示意图。
图6是本发明实施例中一个反射系数仿真与实际测试图。
图7是本发明实施例中一个传输系数仿真与实际测试图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图5，本发明所述的复杂馈电网络中基于空气间隙波导的立体过渡结构，包括顶层板1、中间层板2和底层板3，中间层板2设置在顶层板1和底层板3之间，三者通过螺栓固连。
顶层板1包括第一理想电导壁1-1、第一人工磁导壁1-2、脊间隙波导结构8、空气间隙波导-耦合缝隙匹配结构7、矩形波导过渡结构4和若干电磁带隙EBG结构5，第一理想电导壁1-1一端与第一人工磁导壁1-2一端直接相连，第一理想电导壁1-1的长度小于第一人工磁导壁1-2的长度，且第一理想电导壁1-1的高度大于第一人工磁导壁1-2的高度，两者顶面共面，脊间隙波导结构8沿第一人工磁导壁1-2底面的中轴线设置，其一端与第一理想电导壁1-1相连，另一端通过空气间隙波导-耦合缝隙匹配结构7与矩形波导过渡结构4相连形成一条电磁波传输通道，若干电磁带隙EBG结构5设置在第一人工磁导壁1-2底面，且脊间隙波导结构8被周期性排布的电磁带隙EBG结构5包围。
中间层板2包括第二人工磁导壁2-1、第二理想电导壁2-2、两个空气间隙波导-耦合缝隙匹配结构7、两条脊间隙波导结构8和若干电磁带隙EBG结构5，第二人工磁导壁2-1的长度大于第二理想电导壁2-2的长度，第二人工磁导壁2-1的高度小于第二理想电导壁2-2的高度，第二理想电导壁2-2一端与第二人工磁导壁2-1一端直接相连，且两者的顶面和底面均不共面，两条脊间隙波导结构8分别沿第二人工磁导壁2-1顶面和底面的中轴线设置，一端与第二理想电导壁2-2相连，两条脊间隙波导结构8的另一端均与空气间隙波导-耦合缝隙匹配结构7相连，在两个空气间隙波导-耦合缝隙匹配结构7之间开有一个5.69mm *2.845mm的矩形通孔形成一个国标BJ400矩形波导耦合缝隙6，若干电磁带隙EBG结构5分别设置在第二人工磁导壁2-1的顶面和底面，并且上述两条脊间隙波导结构8被周期性排布的电磁带隙EBG结构5包围。
底层板3包括第三理想电导壁3-1、第三人工磁导壁3-2、脊间隙波导结构8、空气间隙波导-耦合缝隙匹配结构7、矩形波导过渡结构4和若干电磁带隙EBG结构5，第三理想电导壁3-1一端与第三人工磁导壁3-2一端直接相连，第三理想电导壁3-1的长度小于第三人工磁导壁3-2的长度，且第三理想电导壁3-1的高度大于第三人工磁导壁3-2的高度，两者顶面共面，脊间隙波导结构8沿第三人工磁导壁3-2底面的中轴线设置，其一端与第三理想电导壁3-1相连，另一端通过空气间隙波导-耦合缝隙匹配结构7与矩形波导过渡结构4相连形成一条电磁波传输通道，若干电磁带隙EBG结构5设置在第三人工磁导壁3-2底面，且脊间隙波导结构8被周期性排布的电磁带隙EBG结构5包围。
结合图3，将第一理想电导壁1-1、第二人工磁导壁2-1和第三理想电导壁3-1相对，且将第一人工磁导壁1-2、第二理想电导壁2-2、第二人工磁导壁3-2依次相对时，第二人工磁导壁2-1上的电磁带隙EBG结构5、脊间隙波导结构8分别与第一人工磁导壁1-2上的电磁带隙EBG结构5、脊间隙波导结构8以及第三人工磁导壁3-2上的电磁带隙EBG结构5、脊间隙波导结构8相对，并形成空气间隙层，于是电磁波可以在上述立体电磁传输结构上低损耗的传输。
本实施例基于空气间隙波导复杂馈电网络的立体过渡结构是在电磁仿真软件HFSS中建模仿真的。图6是本实施例基于空气间隙波导复杂馈电网络的立体过渡结构的S参数仿真图，从图中可以看出在37.7GHz到43.5GHz的带宽范围内，本发明的基于空气间隙波导复杂馈电网络的立体过渡结构具有反射系数低于-15dB，工作带宽内的插入损耗约为1.3dB的传输特性。
综上所述，本发明的基于空气间隙波导复杂馈电网络的立体过渡结构实现了一种适用于Ka波段的带宽宽，插入损耗低的两个不同RGW层之间的过渡结构。

Claims (8)

1.一种复杂馈电网络中基于空气间隙波导的立体过渡结构，其特征在于：包括顶层板（1）、中间层板（2）和底层板（3），中间层板（2）设置在顶层板（1）和底层板（3）之间，三者固连；
顶层板（1）包括第一理想电导壁（1-1）、第一人工磁导壁（1-2）、脊间隙波导结构（8）、空气间隙波导-耦合缝隙匹配结构（7）、矩形波导过渡结构（4）和若干电磁带隙EBG结构（5），第一理想电导壁（1-1）一端与第一人工磁导壁（1-2）一端直接相连，脊间隙波导结构（8）沿第一人工磁导壁（1-2）底面的中轴线设置，其一端与第一理想电导壁（1-1）相连，另一端通过空气间隙波导-耦合缝隙匹配结构（7）与矩形波导过渡结构（4）相连形成一条电磁波传输通道，若干电磁带隙EBG结构（5）设置在第一人工磁导壁（1-2）底面，且脊间隙波导结构（8）被周期性排布的电磁带隙EBG结构（5）包围。
2.根据权利要求1所述的复杂馈电网络中基于空气间隙波导的立体过渡结构，其特征在于：第一理想电导壁（1-1）的长度小于第一人工磁导壁（1-2）的长度，且第一理想电导壁（1-1）的高度大于第一人工磁导壁（1-2）的高度，两者顶面共面。
3.根据权利要求1所述的复杂馈电网络中基于空气间隙波导的立体过渡结构，其特征在于：中间层板（2）包括第二人工磁导壁（2-1）、第二理想电导壁（2-2）、两个空气间隙波导-耦合缝隙匹配结构（7）、两条脊间隙波导结构（8）和若干电磁带隙EBG结构（5），第二人工磁导壁（2-1）的长度大于第二理想电导壁（2-2）的长度，两条脊间隙波导结构（8）分别沿第二人工磁导壁（2-1）顶面和底面的中轴线设置，一端与第二理想电导壁（2-2）相连，两条脊间隙波导结构（8）的另一端均与空气间隙波导-耦合缝隙匹配结构（7）相连，在两个空气间隙波导-耦合缝隙匹配结构（7）之间开有一个矩形通孔形成一个国标BJ400矩形波导耦合缝隙（6），若干电磁带隙EBG结构（5）分别设置在第二人工磁导壁（2-1）的顶面和底面，并且上述两条脊间隙波导结构（8）被周期性排布的电磁带隙EBG结构（5）包围。
4.根据权利要求3所述的复杂馈电网络中基于空气间隙波导的立体过渡结构，其特征在于：第二人工磁导壁（2-1）的高度小于第二理想电导壁（2-2）的高度，第二理想电导壁（2-2）一端与第二人工磁导壁（2-1）一端直接相连，且两者的顶面和底面均不共面。
5.根据权利要求3所述的复杂馈电网络中基于空气间隙波导的立体过渡结构，其特征在于：国标BJ400矩形波导耦合缝隙（6）尺寸为5.69mm * 2.845mm。
6.根据权利要求1所述的复杂馈电网络中基于空气间隙波导的立体过渡结构，其特征在于：底层板（3）包括第三理想电导壁（3-1）、第三人工磁导壁（3-2）、脊间隙波导结构（8）、空气间隙波导-耦合缝隙匹配结构（7）、矩形波导过渡结构（4）和若干电磁带隙EBG结构（5），第三理想电导壁（3-1）一端与第三人工磁导壁（3-2）一端直接相连，脊间隙波导结构（8）沿第三人工磁导壁（3-2）底面的中轴线设置，其一端与第三理想电导壁（3-1）相连，另一端通过空气间隙波导-耦合缝隙匹配结构（7）与矩形波导过渡结构（4）相连形成一条电磁波传输通道，若干电磁带隙EBG结构（5）设置在第三人工磁导壁（3-2）底面，且脊间隙波导结构（8）被周期性排布的电磁带隙EBG结构（5）包围。
7.根据权利要求6所述的复杂馈电网络中基于空气间隙波导的立体过渡结构，其特征在于：第三理想电导壁（3-1）的长度小于第三人工磁导壁（3-2）的长度，且第三理想电导壁（3-1）的高度大于第三人工磁导壁（3-2）的高度，两者顶面共面。
8.根据权利要求1所述的复杂馈电网络中基于空气间隙波导的立体过渡结构，其特征在于：将第一理想电导壁（1-1）、第二人工磁导壁（2-1）和第三理想电导壁（3-1）相对，且将第一人工磁导壁（1-2）、第二理想电导壁（2-2）、第二人工磁导壁（3-2）依次相对时，第二人工磁导壁（2-1）上的电磁带隙EBG结构（5）、脊间隙波导结构（8）分别与第一人工磁导壁（1-2）上的电磁带隙EBG结构（5）、脊间隙波导结构（8）以及第三人工磁导壁（3-2）上的电磁带隙EBG结构（5）、脊间隙波导结构（8）相对，并形成空气间隙层。
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