CN110661070A - 一种应用于毫米波波段电磁波的垂直传输结构 - Google Patents

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谭杰洪
梁稳
陈国胜
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Abstract

本发明提供一种应用于毫米波波段电磁波的垂直传输结构，包括上隔板、下隔板、突起、脊隙、探针、矩形波导，突起设置在隔板的表面，脊隙设置在隔板的中部，探针位于脊隙的末端并伸入矩形波导的内腔，突起与上隔板、下隔板组成高阻抗表面，导引电磁波沿预设方向传播。通过设置周期性排布的金属结构，配合上下两层隔板形成高阻抗表面结构，阻止电磁波的侧向传播，抑制电磁波的泄露和辐射，并在脊隙的末端加入导引结构，用以导引电磁波沿预设方向传播，对电磁场形成微扰，实现阻抗变换。该垂直传输结构具有宽频带、低插损、尺寸小的优良性能，且该结构体积小、结构简单，在毫米波混合集成电路中具有重要的工程应用价值和广阔的应用前景。

Description

一种应用于毫米波波段电磁波的垂直传输结构
技术领域
本发明属于通信领域，更具体的是涉及一种毫米波波段电磁波的垂直传输结构。
背景技术
在通信领域，特别是微波、电磁波、毫米波等通信领域，同轴传输线和矩形波导是微波毫米波系统中十分常用的两种传输线，在复杂的毫米波天线系统中，常常需要上述两种传输结构的多次转换。
同轴线、矩形波导一般使用为40GHz 以下的频率，在60GHz以上频率存在加工难度大，工艺昂贵，组装公差大、面电流连续性不好等问题，并且波导和同轴波导转接器在频率60GHz时的电性能较差，频段内驻波达到1.4，不能满足产业需求。
近年来兴起的高阻抗表面导波结构将导波结构分为上下两个平板金属层，两侧为高阻抗表面，阻止电磁波的侧向传播，上下两层金属表面和两侧的高阻抗表面能够抑制电磁波的泄露和辐射，在高阻抗表面结构中间加入导引结构，用以导引电磁波传播，高阻抗表面导波结构在上下两层金属表面之间无须良好的电接触，加工精度放宽，成本得到有效降低，基于以上的特点，在60GHz以上的毫米波波段，高阻抗表面导波结构能够完全克服传统矩形波导带来的缺陷。
中国专利申请人西南交通大学的专利申请号2018111818572揭示了一种基于表面波波导和高阻抗表面的宽带端射天线，基于表面波波导和高阻抗表面的宽带端射天线，利用表面波波导和高阻抗表面分别对于表面波的传导与抑制功能实现了端射效果。但是该技术方案适用的电磁波频率仅限于10Ghz频率以下，不能作用于60Ghz的高频。
在实际产业应用中，对于微波器件的激励主要还是有标准的矩形波导来完成的，并且，目前的高阻抗表面导波结构做成的微波器件都需要标准波导来激励，标准矩形波导的激励接口到高阻抗表面导波结构的传输转换结构是十分重要和必要的，因此，业界亟需开发适应60GHz及以上频率时的电磁波导引结构，改进高增益天线的设计思路，设计一种成本低、性能好，便于产业推广的提高天线增益的方案。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种应用于毫米波波段电磁波的垂直传输结构，其技术方案为：
一种应用于毫米波波段电磁波的垂直传输结构，其特征在于，包括上隔板、下隔板、突起、脊隙、探针、矩形波导，突起设置在上隔板或下隔板的内表面，脊隙设置在隔板的中部，探针位于脊隙的末端并伸入矩形波导的内腔，突起与上隔板、下隔板组成高阻抗表面，导引电磁波沿预设方向传播。
进一步的，所述的突起采用的金属材料制成。
进一步的，突起的排列周期小于电磁波工作波长。
进一步的，突起的高度为电磁波工作波长的四分之一。
进一步的，探针形状可以为长条形或三角锥或圆柱体的任一种。
进一步的，矩形波导的接口可以采用WR3至WR90标准接口的任一规格。
进一步的，相邻两个突起的间距小于电磁波工作波长。
进一步的，上隔板和下隔板之间的间距小于四分之一电磁波工作波长。
进一步的，电磁波工作波长为0.1mm～1000mm。
采用本发明的应用于毫米波波段电磁波的垂直传输结构，通过设置周期性排布的金属形成高阻抗表面结构，阻止电磁波的侧向传播，抑制电磁波的泄露和辐射，并在高阻抗表面结构中间加入导引结构，用以导引电磁波沿预设方向传播，末端增加阶梯，对电磁场形成微扰，实现阻抗变换，该结构具有宽频带、低插损、尺寸小的优良性能，且该结构体积小、结构简单，在毫米波混合集成电路中具有重要的工程应用价值和广阔的应用前景。
附图说明
图1：本发明的垂直传输结构的结构示意图 图2：本发明的垂直传输结构的另一结构示意图
图3：图2的垂直传输结构的剖切示意图
图4：应用本发明的垂直传输结构的传输S参数仿真图。
具体实施方式
下面将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出，虽然将结合优选实施例描述本发明，但是本领域技术人员应该理解，这些实施例并不是将本发明限制于这些实施例，相反，本发明旨在覆盖可包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的替代、修改和等同物。此外，在本发明的以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解，然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。
请参考图1，本发明的垂直传输结构的结构示意图，该波导传输结构由上隔板101、下隔板102、突起103、脊隙104组成，突起设置在上隔板101或下隔板102的内表面，上隔板101的下表面与下隔板102的上表面涂覆金属材料，基板可以采用常见的氟树脂基板、LTCC基板、有机材料、LCP基材等基板材料制成。其中w为电磁波模腔104的宽度，d为突起103的高度，d为电磁波波长的四分之一，a为相邻两个突起103的间距，a小于一个电磁波的工作波长，h为上隔板和下隔板之间的间距，h小于四分之一电磁波的工作波长，电磁波的工作波长0.1mm～1000mm，工作波长一般为标准波长，在波导内部填充介质例如塑料的情况下，电磁波的工作波长相对空气波长要稍短。
突起103与下隔板可以电性连接，也可以绝缘连接，突起103采用导电性能良好的金属材料制成，多个突起103构成周期性结构，其与上隔板101、下隔板102共同构成高阻抗表面，两侧为复数个突起103构成的周期性金属结构，该高阻抗表面阻止电磁波的侧向传播，抑制电磁波的泄露和辐射，在高阻抗表面结构中间加入导引结构，用以导引电磁波沿预设方向传播，在导引结构的末端增加阶梯，例如探针结构，对电磁场形成微扰，实现阻抗变换。
请参考图2本发明的垂直传输结构的另一结构示意图，该波导传输结构由上盖板101、探针202、脊隙104、突起103、矩形波导205组成，请同时参考图3是图2的波导传输结构的剖切示意图，从图中可以看出，多个突起103构成周期性的金属结构，在下隔板102的上表面周期性的排列金属突起103，该突起103的排列周期小于一个电磁波的工作波长，突起103的高度d为工作波长的四分之一，脊隙104构成电磁波的导引结构，在脊隙104的末端设置阶梯状的探针202，探针202伸入矩形波导205的内腔，对电磁场形成微扰，实现阻抗变换，其形状可以为长条形、三角锥、圆柱体等适宜激励耦合的形状。
突起103形成的周期性排布的边界可以为长方体，圆柱体、立方体、椭圆体等长条，突起103的形状可以为长方体、正方体、圆柱形、棱柱形、三角锥。矩形波导205的WR15接口也可以为WR3至WR90标准中的任一规格接口，例如WR12、WR18、WR22等接口标准，且其孔径可随具体的电磁波频率渐变，本领域技术人员熟知该波导接口的国际标准。
请参考图4应用本发明的垂直传输结构的传输S参数仿真图，图中虚线线条在应用本发明的波导传输结构的输入波形，黑色实线条为应用本发明的波导传输结构的输出波形，可以看出，输出波形表征的传输S参数与输入波形的传输路径高度吻合，表明本发明技术方案的波导传输结构性能良好。
采用本发明的应用于毫米波波段电磁波的垂直传输结构，通过设置周期性排布的金属形成高阻抗表面结构，阻止电磁波的侧向传播，抑制电磁波的泄露和辐射，并在高阻抗表面结构中间加入导引结构，用以导引电磁波沿预设方向传播，在脊隙末端增加阶梯，对电磁场形成微扰，实现阻抗变换，该结构具有宽频带、低插损、尺寸小的优良性能，且该结构体积小、结构简单，在毫米波混合集成电路中具有重要的工程应用价值和广阔的应用前景。

Claims (10)

1.一种应用于毫米波波段电磁波的垂直传输结构，其特征在于，包括上隔板、下隔板、脊隙、探针、矩形波导，突起设置在上隔板或下隔板的内表面，脊隙设置在隔板的中部，探针位于脊隙的末端并伸入矩形波导的内腔，突起与上隔板、下隔板组成高阻抗表面，阻止电磁波的侧向传播。
2.如权利要求1所述的应用于毫米波波段电磁波的垂直传输结构，其特征在于，所述的突起采用的金属材料制成。
3.如权利要求1所述的应用于毫米波波段电磁波的垂直传输结构，其特征在于，突起的排列周期小于电磁波的工作波长。
4.如权利要求1所述的应用于毫米波波段电磁波的垂直传输结构，其特征在于，突起的高度为电磁波的工作波长的四分之一。
5.如权利要求1所述的应用于毫米波波段电磁波的垂直传输结构，其特征在于，突起的数量为复数个，其形状可以为长方体、正方体、圆柱形、棱柱形、三角锥。
6.如权利要求1所述的应用于毫米波波段电磁波的垂直传输结构，其特征在于，探针形状可以为长条形或三角锥或圆柱体的任一种。
7.如权利要求1所述的应用于毫米波波段电磁波的垂直传输结构，其特征在于，矩形波导的接口可以采用WR3至WR90标准接口的任一规格。
8.如权利要求1所述的应用于毫米波波段电磁波的垂直传输结构，其特征在于，相邻两个突起的间距小于电磁波的工作波长。
9.如权利要求1所述的应用于毫米波波段电磁波的垂直传输结构，其特征在于，上隔板和下隔板之间的间距小于四分之一电磁波的工作波长。
10.如权利要求3或4或8或9任一项所述的应用于毫米波波段电磁波的垂直传输结构，其特征在于，电磁波工作波长为0.1mm～1000mm。
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