CN111082194B - 一种具有慢波效应的基片集成槽间隙波导传输线 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波器件技术领域，公开了具有慢波效应的基片集成槽间隙波导传输线包括：上层介质板、间隙层、下层介质板，上层介质板、下层介质板长边两侧分别加载了蘑菇型EBG结构；在上层介质板上表面和下层介质板下表面为金属地板；所述间隙层两侧加载的是微带‑间隙波导过渡结构；下层介质板槽中是慢波结构。本发明采用了非对称性半高蘑菇EBG结构，有效展宽了禁带宽度，且可根据设计需求，灵活地调整每一层介质板的高度，具有更大设计自由度。利用慢波结构，有效实现了基片集成槽间隙波导的小型化。与相同横向尺寸的基片集成槽间隙波导相比，截止频率降低了40％，减小横向尺寸；与相同截止频率的基片集成槽间隙波导相比，相速度减小了54％，减小了纵向尺寸。

Description

一种具有慢波效应的基片集成槽间隙波导传输线

技术领域

本发明属于微波器件技术领域，尤其涉及一种具有慢波效应的基片集成槽间隙波导传输线。

背景技术

目前，最接近的现有技术：间隙波导技术作为一种新的电磁传输和屏蔽结构，具有非电接触的特性，有效的降低了因电路电接触不好带来的性能不良的问题。间隙波导技术因非接触的优点，在电路封装、电路设计、天线设计中提供了便利。间隙波导技术包含了脊间隙波导，槽间隙波导和倒微带间隙波导，在目前已有的槽间隙波导技术采用的是金属销钉作为EBG电磁带隙结构，这种槽间隙波导结构尺寸较大，且加工费用较高，不利于集成。因此基于平面PCB工艺的基片集成槽间隙波导被广泛应用。这种平面结构加工成本较低，电路面积较小，可集成度较高。然而，基片集成槽间隙波导在一些小型化的应用中依旧存在尺寸较大的缺陷，不适应目前通信系统小型化的需求。

综上所述，现有技术存在的问题是：在现有的槽间隙波导中，由于采用的EBG结构为金属化销钉，导致尺寸过大，且不易于集成，成本较高。采用蘑菇型EBG结构的槽间隙波导易集成，成本低，但是在小型化应用中，存在尺寸较大的缺陷，不符合通信系统小型化的趋势。

解决上述技术问题的难度：在采用基片槽间隙波导的前提下，如何实现小型化，成为至关重要的问题。已有研究通过加载慢波结构改善电路性能，减小尺寸，应用于SIW小型化设计中。

解决上述技术问题的意义：本发明首次提出一种具有慢波小型的基片集成槽间隙波导结构，实现了基片集成槽间隙波导的小型化，满足了通信系统小型化的趋势，使基片集成槽间隙波导应用更广泛。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种具有慢波效应的基片集成槽间隙波导传输线。

本发明是这样实现的，一种具有慢波效应的基片集成槽间隙波导传输线，所述具有慢波效应的基片集成槽间隙波导传输线设置有：上层介质板、间隙层、下层介质板；

上层介质板、下层介质板长边两侧分别加载了蘑菇型EBG结构；在上层介质板上表面和下层介质板下表面为金属地板。

所述间隙层两侧加载的是微带-间隙波导过渡结构；下层介质板槽中是慢波结构；

进一步，在下层介质板上表面和上层介质板下表面均分布蘑菇型EBG结构，所述蘑菇型EBG结构由金属贴片、地板以及金属化过孔构成，位于介质板两侧，关于中心槽对称。

进一步，所述微带-间隙波导过渡结构位于间隙层下表面，在过渡结构两侧分别有一个匹配金属化过孔，位于下层介质板中；在过渡结构中间馈线处加载矩形缝隙。

进一步，用于形成基片集成槽间隙波导电磁带隙结构为非对称蘑菇型EBG结构。

进一步，用于实现小型化的慢波结构是在下层介质板的槽中加载周期性金属化过孔。

进一步，用于实现小型化慢波结构中金属化过孔的高度与下层介质板的高度相同。

本发明的另一目的在于提供一种安装有所述具有慢波效应的基片集成槽间隙波导传输线在电路封装中的应用。

本发明的另一目的在于提供一种安装有所述具有慢波效应的基片集成槽间隙波导传输线在电路设计中的应用。

本发明的另一目的在于提供一种安装有所述具有慢波效应的基片集成槽间隙波导传输线在天线设计中的应用。

本发明的另一目的在于提供所述具有慢波效应的基片集成槽间隙波导传输线在通信系统中的应用。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明在上层介质板、下层介质板长边两侧分别加载了蘑菇型EBG结构,中间为间隙层，上层介质板上表面和下层介质板下表面为金属地板,实现基片集成槽间隙波导传输线；基片集成槽间隙波导的电磁带隙结构为非对称蘑菇型EBG结构，为展宽电磁带隙的禁带宽度；间隙层左右两侧端口是微带-间隙波导过渡结构，微带-间隙波导过渡结构采用的微带线，为实现从馈电端口到间隙波导的阻抗匹配；微带-间隙波导过渡结构两侧分别有一个匹配金属化过孔，且在馈线加载矩形缝隙，为优化过渡结构，展宽慢波基片集成槽间隙波导的工作带宽。基片集成槽间隙波导底层介质板槽中加载了三排周期性金属化过孔，形成慢波结构，其功能为在不影响波导中磁场分布的情况下，使电场分布在上层，增加了传输结构的等效介电常数，增加电长度，降低了波速，实现了基片集成槽间隙波导的尺寸的减小。

本发明包括三层介质板：上层介质板，间隙层和下层介质板；在上层和下层介质板两侧分别加载了关于中心槽对称的蘑菇型EBG结构，在上层介质板上表面和下层介质板下表面为金属地板；间隙层两侧加载的微带-间隙波导过渡结构和下层介质板中的慢波结构；基片集成槽间隙波导采用非对称性的蘑菇型EBG结构，即上下两层介质高度不同的EBG结构，其中蘑菇型EBG结构是由介质层下方的金属地板，介质层上方的金属贴片以及介质中的金属化过孔构成的。在基片集成槽间隙波导的两侧端口均为微带-间隙波导的过渡结构，过渡结构为渐变型微带线结构，为了达到更好的匹配效果，在过渡结构加载矩形缝隙，改善了低频段的过渡，在过渡结构的两侧分别有一个匹配金属化过孔，且两个匹配金属化过孔关于x轴对称，改善高频段的匹配。在基片集成槽间隙波导的下层介质板为慢波结构，慢波结构是通过在下层介质板槽中加载三排周期性金属化过孔形成的。

本发明采用了非对称性半高蘑菇EBG结构，有效展宽了禁带宽度，且可根据设计需求，灵活地调整每一层介质板的高度，具有更大设计自由度，应用范围更广泛。本发明首次提出一种具有慢波效应的基片集成槽间隙波导传输线，有效实现了基片集成槽间隙波导的小型化。如图2所示，与相同横向尺寸的基片集成槽间隙波导传输线相比，截止频率降低了40％，减小横向尺寸；如图3所示，与相同截止频率的基片集成槽间隙波导传输线相比，相速度减小了54％，减小了纵向尺寸。

本发明中采用了槽间隙波导技术。目前已有的槽间隙波导技术采用的是金属销钉作为EBG作为电磁带隙结构。这种槽间隙波导结构尺寸较大，且加工费用较高，不利于集成。因此基于平面PCB工艺的基片集成槽间隙波导被广泛应用。这种平面结构加工成本较低，电路面积较小，可集成度较高。本发明中，采用了非对称性蘑菇型EBG结构设计了一个基片集成槽间隙波导。然而，基片集成槽间隙波导在一些小型化的应用中依旧存在尺寸较大的缺陷，不适应目前通信系统小型化的需求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的具有慢波效应的基片集成槽间隙波导传输线的结构示意图；

图中：1、上层介质板上表面金属地板；2、上层介质板；3、中间间隙层；4、下层介质板；5、下层介质板下表面金属地板；6、微带-间隙波导过渡结构；7、微带-间隙波导过渡结构的匹配金属化过孔；8、微带-间隙波导过渡结构的匹配矩形缝隙；9、慢波结构；10、上层介质板下表面EBG结构的金属贴片；11、下层介质板上表面EBG结构的金属贴片12、螺丝孔；13、定位孔。

图2是本发明实施例提供的加载慢波结构和未加载慢波结构的反射系数特性曲线对比示意图。

图3是本发明实施例加载慢波结构和未加载慢波结构的慢波因子(相速度)对比示意图。

图4是本发明具体实施例提供的加载慢波结构基片集成槽间隙波导传输线在17.7GHz和未加载慢波结构基片集成槽间隙波导传输线在30GHz的电场分布图。

图5是本发明实施例提供的慢波基片集成槽间隙波导传输线过渡结构各个阶段的|S₁₁|对比示意图。

图6是本发明具体实施例提供的具有慢波效应的基片集成槽间隙波导实物图；

图中：(a)前视图；(b)后视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种具有慢波效应的基片集成槽间隙波导传输线，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的具有慢波效应的基片集成槽间隙波导传输线包括：上层介质板、间隙层、下层介质板；

在间隙层3上下两层分别为高度不同的介质板；在上层介质板2上表面为金属地板1，下表面为上层EBG结构的金属贴片10；在底层介质板4上表面为下层EBG结构的金属贴片11，下表面为金属地板结构5；中间的槽均匀加载了三列周期性金属化过孔-慢波结构9，在槽间隙波导的两侧为微带-间隙波导的过渡结构6，位于微带-间隙波导过渡结构两侧为匹配金属化过孔7，在微带线加载了匹配矩形缝隙8；在过渡结构两侧的基片2、3上分别加载了两个螺丝孔13且基片2,3的螺丝孔的中心位置重合；在2、3、4介质板y方向上两侧分别加载两个定位孔12，定位孔的位置以一定的距离偏离EBG的金属地板的长边，三个介质板两侧的定位孔中心位置重合且关于x轴对称。

本发明中介质基板3采用相对介电常数为2.2的罗杰斯5880材料，其损耗正切仅为0.0009，基片2、3的厚度为0.127mm，长为22.1mm，宽为22.56mm；基片4的厚度为0.787mm，长为11.3mm，宽为22.56mm。用于构成EBG结构的金属贴片尺寸为2mm*2mm，金属通孔的直径为0.3mm。构成慢波结构的金属化通孔的直径为0.7mm，y轴方向相邻两个金属化通孔之间的中心距离S₁为1.2mm，x轴方向相邻两个金属化通孔之间的中心距S₂为1.25mm；慢波结构金属化通孔上面圆环的半径为0.11mm。微带-波导过渡结构6两侧的匹配金属化过孔7的直径为0.3mm；矩形缝隙8的长与宽分别为1.2mm与0.6mm；用于馈电的第一微带线4、第二微带线5的特性阻抗为50Ω，在本发明实例中的宽度均为0.7mm。第一缝隙9、第二缝隙10的长度均为2.7mm，宽度均为0.6mm；其中螺丝孔的半径为0.9906mm，与下层介质板宽边所对应位置的偏移量5.4mm；定位孔的直径为2.1mm；与地板长边边缘的偏移量为1.45mm。

图2、图3分别为本发明具体实施例的加载慢波结构和未加载慢波结构的反射系数特性曲线和慢波因子特性曲线的对比示意图。图2可以看出，本发明具体实施例的基片集成槽间隙波导截止频率从20GHz降低至12GHz，在相同的横向波导尺寸下截止频率减小了8GHz，降低了百分之40％；从图3可以看出，加载了金属化过孔慢波结构后，归一化相速度减小了54％，与传统的基片集成槽间隙波导传输线相比，在同一截止频率下，波导的纵向维度减小了54％。

图4是本发明具体实施例提供的加载慢波结构基片集成槽间隙波导传输线在17.7GHz和未加载慢波结构基片集成槽间隙波导传输线在30GHz的电场分布图。

图5是本发明实施例提供的慢波基片集成槽间隙波导传输线过渡结构各个阶段的|S₁₁|对比示意图。从图4可以看出，过渡结构两端的匹配金属化过孔提高了15.81GHz-18.62GHz频段的阻抗匹配，而矩形缝隙改善了11.87GHz-14.64GHz的阻抗匹配；通过同时加载匹配金属化过孔和矩形缝隙，慢波基片集成槽间隙波导的反射系数在整个Ku频段优于-14dB。

图6是本发明具体实施例提供的具有慢波效应的基片集成槽间隙波导传输线实物图照片。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有慢波效应的基片集成槽间隙波导传输线，其特征在于，所述具有慢波效应的基片集成槽间隙波导传输线设置有：上层介质板、间隙层、下层介质板；

上层介质板、下层介质板两侧分别加载了蘑菇型EBG结构；在上层介质板上表面和下层介质板下表面为金属地板；

所述间隙层两端加载的是微带-间隙波导过渡结构；下层介质板有槽，槽中加载周期性金属化过孔作为慢波结构；

所述微带-槽间隙波导过渡结构位于间隙层下表面，在过渡结构两侧分别有一个匹配金属化过孔，位于下层介质板中；在过渡结构中间馈线处加载矩形缝隙。

2.如权利要求1所述的具有慢波效应的基片集成槽间隙波导传输线，其特征在于，在下层介质板上表面和上层介质板下表面均分布蘑菇型EBG结构，所述蘑菇型EBG结构由金属贴片、地板以及金属化过孔构成，分别位于上层介质板、下层介质板两侧，关于槽对称。

3.如权利要求2所述的具有慢波效应的基片集成槽间隙波导传输线，其特征在于，用于形成基片集成槽间隙波导电磁带隙结构的每一个蘑菇型EBG结构均为非对称结构。

4.如权利要求2所述的具有慢波效应的基片集成槽间隙波导传输线，其特征在于，用于实现小型化慢波结构的金属化过孔的高度与下层介质板的高度相同。

5.一种电路封装结构，其特征在于，所述电路封装结构包括权利要求1~4任意一项所述具有慢波效应的基片集成槽间隙波导传输线。

6.一种电路，其特征在于，所述电路包括权利要求1~4任意一项所述具有慢波效应的基片集成槽间隙波导传输线。

7.一种天线，其特征在于，所述天线包括权利要求1~4任意一项所述具有慢波效应的基片集成槽间隙波导传输线。

8.一种通信系统，其特征在于，所述通信系统包含权利要求1~4任意一项所述具有慢波效应的基片集成槽间隙波导传输线。

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