CN112117519A - 一种基于双层介质的微带型gwg交叉结及定向传输设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双层介质的微带型GWG交叉结及定向传输设计方法，包括，基于色散特性分析策略构建分析模型分析EBG三维模型适宜尺寸，控制电磁波传播范围；将双层介质的所述EBG作为基本结构，同时在上层介质中布置微带线，形成微带型GWG结构；利用定向耦合器原理在所述微带线之间添加矩形耦合段作为引导结构，连接所述GWG的微带型四臂以引导所述电磁波定向传输。发明提出的交叉结是由GWG和中心矩形组合而成，而GWG中的微带四臂和矩形连接形成交叉结构，交叉结可以实现0dB定向耦合器的功能，完成功率的定向分配，具有较好的耦合度、隔离度以及方向性等性能。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波天线技术领域，尤其涉及一种基于双层介质的微带型GWG交叉结及定向传输设计方法。
背景技术
天线作为无线电波接收和发射的设备，在无线电通信、雷达、导航、测控等各种军用和民用无线电系统中起着至关重要的作用，随着电子技术的快速发展，电磁频谱资源愈发紧张，对系统的容量和传输速率的要求也更高，毫米波技术得到了广泛的研究和应用。随着频率的增高，利用微带线、基片集成波导(Substrate integrated waveguide,SIW)等传统传输结构设计的天线受到高损耗的影响，将产生效率低等问题。为了改善高频传输线的性能，有学者提出了间隙波导(GWG)这一新型传输结构，在毫米波频段具有宽带、低损耗、易集成等优势。在天线设计方面，GWG既可以用作天线馈电网络，也可以用来实现天线。
印刷脊隙波导(PRGW)技术在微波器件的设计中扮演着重要的角色，因为它能够在毫米波应用中发挥重要作用。一些新型的传输结构(如SIW)被开发出来用以减小结构件的尺寸，但是许多这样的设计都存在性能差的问题，带宽窄、隔离度低，体积大、结构复杂等特点，极大限制了在实际中的应用，因此PRGW技术的提出较好的解决了这些缺陷，相比于其他印刷技术，PRGW具有更低的传输损耗。
在微波领域，定向耦合器是一种用途广泛的四端口器件，在电子对抗、通信系统、雷达系统以及测试测量仪器中不可或缺。其主要用途有合成和分配功率，扩大功率量程、监视功率和频谱等。主要强调，定向耦合器是一种具有定向传输特性的功率分配器，构成耦合器的两条传输线通过耦合结构连接在一起，可以根据需求设计成不同的功率分配比，是实现功率定向分配与合成的核心无源器件，在现代电子系统中占据着重要地位。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明提供了一种基于双层介质的微带型GWG交叉结及定向传输设计方法，能够解决EBG单元和微带型之间相互干扰的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，基于色散特性分析策略构建分析模型分析EBG三维模型适宜尺寸，控制电磁波传播范围；将双层介质的所述EBG作为基本结构，同时在上层介质中布置微带线，形成微带型GWG结构；利用定向耦合器原理在所述微带线之间添加矩形耦合段作为引导结构，连接所述GWG的微带型四臂以引导所述电磁波定向传输。
作为本发明所述的基于双层介质的微带型GWG交叉结的定向传输设计方法的一种优选方案，其中：所述分析模型包括，
其中，γ：频率范围指标系数，b：尺寸，θim：色散因子置信度，m：分析置信评价系数，i：常数。
作为本发明所述的基于双层介质的微带型GWG交叉结的定向传输设计方法的一种优选方案，其中：分析设计所述EBG三维模型适宜尺寸包括，控制所需频率范围内的所述电磁波能够传播，而禁止其他频段内的所述电磁波传播。
作为本发明所述的基于双层介质的微带型GWG交叉结的定向传输设计方法的一种优选方案，其中：所述定向耦合器原理包括，将一条传输路径上的能量引导传输至另一个端口。
作为本发明所述的基于双层介质的微带型GWG交叉结的一种优选方案，其中：包括，EBG单元，用于在特定频率范围内阻止电磁波的传播而不影响其他频段的所述电磁波传播，形成高阻抗面抑制表面波，其包括双层介质和金属柱，所述双层介质包括空气介质和其他介质，所述金属柱设置于所述空气介质内；微带线连接所述EBG单元与微带型GWG，用于传输所述电磁波。
作为本发明所述的基于双层介质的微带型GWG交叉结的一种优选方案，其中：还包括，耦合模块连接90度弯曲的所述微带线，用于形成四臂和矩形组合的交叉耦合结构，且调整耦合矩形段的形状和尺寸能够定向分配功率；过度模块连接于所述耦合模块，用于为测量结构性能提供途径。
作为本发明所述的基于双层介质的微带型GWG交叉结的一种优选方案，其中：所述微带线呈90度弯曲状以增大两根平行的所述微带线的耦合空间M。
作为本发明所述的基于双层介质的微带型GWG交叉结的一种优选方案，其中：所述耦合空间M为矩形，并划分出耦合输出的台阶性区域。
作为本发明所述的基于双层介质的微带型GWG交叉结的一种优选方案，其中：所述耦合空间M的长度为10.38mm，宽度为5.5mm，上下两侧各向内弯曲了三级，所述耦合空间M分别对拐角处进行弯曲处理，且上下边的所述拐角基于圆半径0.6mm进行弯曲，左右边的所述拐角基于圆半径0.515mm进行弯曲。
作为本发明所述的基于双层介质的微带型GWG交叉结的一种优选方案，其中：还包括，第一级的长度为8mm、宽度为0.25mm，第二级的长度为7.5mm、宽度为0.15mm，第三级的长度为7.16mm、宽度为0.13mm。
本发明的有益效果：本发明方法采用色散特性分析策略构建分析模型对结构尺寸进行合理评价，设计出EBG单元合适的尺寸，使得所需频率范围的电磁波可以传播，而禁止其他频段内的电磁波传播；另一方面，本发明提出的交叉结是由GWG和中心矩形组合而成，而GWG中的微带四臂和矩形连接形成交叉结构，交叉结可以实现0dB定向耦合器的功能，完成功率的定向分配，具有较好的耦合度、隔离度以及方向性等性能；同时，基于该传输线，通过对耦合结构的合理改动，实现功率的定向分配，即电磁波从一端口输入，尽可能全部从对角线端口输出，完成耦合度、隔离度和方向性性能较好的交叉结器件设计。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明一个实施例所述的基于双层介质的微带型GWG交叉结及定向传输设计方法的流程示意图；
图2为本发明一个实施例所述的基于双层介质的微带型GWG交叉结及定向传输设计方法的色散曲线示意图；
图3为本发明一个实施例所述的基于双层介质的微带型GWG交叉结及定向传输设计方法的双层介质和金属销钉组成的EBG单元示意图；
图4为本发明一个实施例所述的基于双层介质的微带型GWG交叉结及定向传输设计方法的90度弯曲微带型间隙波导结构示意图；
图5为本发明一个实施例所述的基于双层介质的微带型GWG交叉结及定向传输设计方法的矩形连接四臂形成的交叉耦合结构示意图；
图6为本发明一个实施例所述的基于双层介质的微带型GWG交叉结及定向传输设计方法的S参数曲线示意图；
图7为本发明一个实施例所述的基于双层介质的微带型GWG交叉结及定向传输设计方法的耦合度曲线示意图；
图8为本发明一个实施例所述的基于双层介质的微带型GWG交叉结及定向传输设计方法的隔离度曲线示意图；
图9为本发明一个实施例所述的基于双层介质的微带型GWG交叉结及定向传输设计方法的方向性曲线示意图；
图10为本发明一个实施例所述的基于双层介质的微带型GWG交叉结及定向传输设计方法的模块结构分布示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种基于双层介质的微带型GWG交叉结的定向传输设计方法，包括：
S1：基于色散特性分析策略构建分析模型分析EBG三维模型适宜尺寸，控制电磁波传播范围。其中需要说明的是，分析模型包括：
其中，γ：频率范围指标系数，b：尺寸，θim：色散因子置信度，m：分析置信评价系数，i：常数。
具体的，分析设计EBG三维模型适宜尺寸包括：
控制所需频率范围内的电磁波能够传播，而禁止其他频段内的电磁波传播。
S2：将双层介质的EBG作为基本结构，同时在上层介质中布置微带线，形成微带型GWG结构。
S3：利用定向耦合器原理在微带线之间添加矩形耦合段作为引导结构，连接GWG的微带型四臂以引导电磁波定向传输。本步骤需要说明的是，定向耦合器原理包括：
将一条传输路径上的能量引导传输至另一个端口。
实施例2
参照图2～图10，为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种基于双层介质的微带型GWG交叉结，包括：
EBG单元100，用于在特定频率范围内阻止电磁波的传播而不影响其他频段的电磁波传播，形成高阻抗面抑制表面波，其包括双层介质101和金属柱102，双层介质101包括空气介质101a和其他介质101b，金属柱102设置于空气介质101a内。
微带线200连接EBG单元100与微带型GWG，用于传输电磁波。
耦合模块300连接90度弯曲的微带线200，用于形成四臂和矩形组合的交叉耦合结构，且调整耦合矩形段的形状和尺寸能够定向分配功率。
过度模块400连接于耦合模块300，用于为测量结构性能提供途径。
较佳的，本实施例还需要具体说明的是，EBG单元100还包括金属盖板103，金属盖板103分为上层金属盖板103a和下层金属盖板103b且盖板厚度均为0.1mm，另一方面，空气介质101a的介电常数为2.2，与上层金属盖板103a的空气间隙为0.2mm；EBG单元100所产生的频率带隙将所需带宽26GHz～30GHz包含在内，金属柱102的边长为1mm,高度为2.5mm，且金属柱102上方叠加其他介质101b，且其他介质101b上表面布置连接两根平行的微带线200。
具体的，微带线200阻抗50Ω、线宽0.86mm、线长25mm，并在微带线200设置端口201，端口201宽度4.3mm、高度3.048mm，需要说明的是，微带线200呈90度弯曲状以增大两根平行的微带线200的耦合空间M，耦合空间M为矩形，并划分出耦合输出的台阶性区域。
进一步的是，耦合空间M的长度为10.38mm，宽度为5.5mm，上下两侧各向内弯曲了三级，耦合空间M分别对拐角处进行弯曲处理，且上下边的拐角基于圆半径0.6mm进行弯曲，左右边的拐角基于圆半径0.515mm进行弯曲，第一级的长度为8mm、宽度为0.25mm，第二级的长度为7.5mm、宽度为0.15mm，第三级的长度为7.16mm、宽度为0.13mm。
参照图3，为本发明提供的EBG单元示意图，其中，上下层为金属盖板，金属销钉放置在空气介质中，空气介质上层是介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009的介质单元，上层盖板与该介质中间是一段高度为0.2mm的空气间隙；不同尺寸的EBG结构可以产生不同的频率带隙，为了得到精准的禁带特性，采用了色散模式法来分析设计具体的尺寸，并建立空气腔将模型包围，在空气腔的前后和左右两对立面建立主从边界条件，该发明中金属销钉的边长a为1mm，高度h为2.5mm，上层介质厚度为0.254mm，两个金属盖板的厚度为0.1mm,EBG单元的周期性为2.5mm；进一步的，参照图2，为EBG单元的色散特性曲线图，从图中可以看出，本发明设计的EBG单元所产生的频率带隙将所需带宽(26GHz～30GHz)包含在内，是满足设计要求的。
再进一步的是，参照图4，为本发明提供的GWG结构示意图，90度弯曲的微带线构成的GWG传输结构，选用阻抗50Ω的微带线，对应线宽为0.86mm，线长取25mm，并对单根微带线设置波端口，端口宽度取5倍微带线宽，高度取12倍介质厚度，经过微调后，输入端口起始坐标为(-1.25mm,4.37mm,2.754mm),转折处以半径为0.5mm的圆为基础做出弯曲，图中微带线的相关参数为a＝11.3mm，b＝5.31mm。
优选的，参照图5，为本发明提供的交叉结结构示意图，矩形耦合段的长度为10.38mm,宽度为5.5mm，上下两侧各向内弯曲了三级，第一级长8mm，宽0.25mm，第二级长7.5mm，宽0.15mm,第三级长7.16mm，宽0.13mm，同时对耦合段直角拐角处进行弯曲处理，上下边的四个角以半径为0.6mm的圆为基础进行弯曲，左右边的四个角以半径为0.515mm的圆为基础进行弯曲。
为了更好地对本发明方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例选择利用HFSS仿真软件进行建模仿真，工作频段设为26-30GHz，根据仿真模拟结果对比设计优化性能，以验证本发明方法所具有的真实效果。
参照图6，为本发明提供的设计完成后的驻波(VSWR＜1.5)曲线图，能够看到曲线指数性能较好；参照图7，为本发明提供的设计完成后的耦合度曲线图，即从输入端口1通过矩形耦合段到耦合端口3的能量，当曲线越接近于0时耦合的能量越多，根据图6的示意，能够看到曲线在0.6dB内，达到了较大耦合量；参照图8，为本发明提供的设计完成后的隔离度曲线图，即输入端口1到隔离端口4的输出能量，输出能量越少则隔离度越高，根据图8的示意，隔离度曲线小于-10dB则隔离度越好；参照图9，为本发明提供的设计完成后的方向性曲线图，即端口1输入定向由端口3输出，而不会耦合到端口4输出，根据图9的示意，由端口3和端口4的方向性曲线进行表示，能够直观的看出方向性曲线小于-16dB，具有较高的方向性。
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
如在本申请所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地系统、分布式系统中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它系统进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种基于双层介质的微带型GWG交叉结的定向传输设计方法，其特征在于：包括，
基于色散特性分析策略构建分析模型分析EBG三维模型适宜尺寸，控制电磁波传播范围；
将双层介质的所述EBG作为基本结构，同时在上层介质中布置微带线，形成微带型GWG结构；
利用定向耦合器原理在所述微带线之间添加矩形耦合段作为引导结构，连接所述GWG的微带型四臂以引导所述电磁波定向传输。
2.根据权利要求1所述的基于双层介质的微带型GWG交叉结的定向传输设计方法，其特征在于：所述分析模型包括，
其中，γ：频率范围指标系数，b：尺寸，θim：色散因子置信度，m：分析置信评价系数，i：常数。
3.根据权利要求1或2所述的基于双层介质的微带型GWG交叉结的定向传输设计方法，其特征在于：分析设计所述EBG三维模型适宜尺寸包括，
控制所需频率范围内的所述电磁波能够传播，而禁止其他频段内的所述电磁波传播。
4.根据权利要求3所述的基于双层介质的微带型GWG交叉结的定向传输设计方法，其特征在于：所述定向耦合器原理包括，将一条传输路径上的能量引导传输至另一个端口。
5.一种基于双层介质的微带型GWG交叉结，其特征在于：包括，
EBG单元(100)，用于在特定频率范围内阻止电磁波的传播而不影响其他频段的所述电磁波传播，形成高阻抗面抑制表面波，其包括双层介质(101)和金属柱(102)，所述双层介质(101)包括空气介质(101a)和其他介质(101b)，所述金属柱(102)设置于所述空气介质(101a)内；
微带线(200)连接所述EBG单元(100)与微带型GWG，用于传输所述电磁波。
6.根据权利要求5所述的基于双层介质的微带型GWG交叉结，其特征在于：还包括，
耦合模块(300)连接90度弯曲的所述微带线(200)，用于形成四臂和矩形组合的交叉耦合结构，且调整耦合矩形段的形状和尺寸能够定向分配功率；
过度模块(400)连接于所述耦合模块(300)，用于为测量结构性能提供途径。
7.根据权利要求5或6所述的基于双层介质的微带型GWG交叉结，其特征在于：所述微带线(200)呈90度弯曲状以增大两根平行的所述微带线(200)的耦合空间M。
8.根据权利要求7所述的基于双层介质的微带型GWG交叉结，其特征在于：所述耦合空间M为矩形，并划分出耦合输出的台阶性区域。
9.根据权利要求8所述的基于双层介质的微带型GWG交叉结，其特征在于：所述耦合空间M的长度为10.38mm，宽度为5.5mm，上下两侧各向内弯曲了三级，所述耦合空间M分别对拐角处进行弯曲处理，且上下边的所述拐角基于圆半径0.6mm进行弯曲，左右边的所述拐角基于圆半径0.515mm进行弯曲。
10.根据权利要求9所述的基于双层介质的微带型GWG交叉结，其特征在于：还包括，
第一级的长度为8mm、宽度为0.25mm，第二级的长度为7.5mm、宽度为0.15mm，第三级的长度为7.16mm、宽度为0.13mm。
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| CN202010869691.4A CN112117519A (zh) | 2020-08-26 | 2020-08-26 | 一种基于双层介质的微带型gwg交叉结及定向传输设计方法 |
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