CN112290180A - 一种脊半模基片集成波导传输线 - Google Patents

一种脊半模基片集成波导传输线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种脊半模基片集成波导传输线。该脊半模基片集成波导传输线包括：脊半模基片集成波导和人工表面等离激元结构；所述人工表面等离激元结构刻蚀在所述脊半模基片集成波导的中间金属层上；通过调节所述人工表面等离激元结构刻蚀凹槽的长度来调节所述脊半模基片集成波导传输线的波导波长；所述凹槽的长度方向与所述脊半模基片集成波导中间金属层的宽度方向一致。本发明可以实现基片集成波导的纵向尺寸的调节。

Description

一种脊半模基片集成波导传输线
技术领域
本发明涉及微波毫米波及通信领域，特别是涉及一种脊半模基片集成波导传输线。
背景技术
基片集成波导，因其低损耗，低串扰，易于与平面微波电路集成而被广泛用于微波和射频系统中。然而基片集成波导的截至频率与横向尺寸有关，过大的横向尺寸限制了它在紧凑型微波电路中的应用。为了实现基片集成波导的小型化，研究者相继提出折叠基片集成波导，半模基片集成波导，脊基片集成波导和脊半模基片集成波导。以上这些技术只减小了横向尺寸而不能实现纵向尺寸(波导波长)的小型化。
发明内容
本发明的目的是提供一种脊半模基片集成波导传输线，以实现基片集成波导的纵向尺寸的调节。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种脊半模基片集成波导传输线，包括：脊半模基片集成波导和人工表面等离激元结构；
所述人工表面等离激元结构刻蚀在所述脊半模基片集成波导的中间金属层上；通过调节所述人工表面等离激元结构刻蚀凹槽的长度来调节所述脊半模基片集成波导传输线的波导波长；所述凹槽的长度方向与所述脊半模基片集成波导中间金属层的宽度方向一致。
可选的，所述人工表面等离激元结构以周期性凹槽的形式刻蚀在所述脊半模基片集成波导的中间金属层上。
可选的，每个凹槽的宽度小于长度，且每个凹槽的长度小于所述中间金属层的宽度；相邻两个凹槽之间间隔距离刻蚀。
可选的，所有凹槽的开口平齐。
可选的，所述人工表面等离激元结构中所有凹槽的长度相同，所有凹槽的宽度也相同，且所有相邻的两个凹槽之间间隔距离均相同。
可选的，所述凹槽的长度越大，所述脊半模基片集成波导传输线的波导波长越小。
可选的，所述脊半模基片集成波导包括上金属层、中间金属层、下金属层、第一介质基板、第二介质基板、第一列金属化通孔和第二列金属化通孔；所述第一介质基板的宽度与所述上金属层的宽度相等；所述第二介质基板的宽度与所述下金属层的宽度相等；所述上金属层的宽度和所述中间金属层的宽度均小于所述下金属层的宽度；
所述上金属层与所述第一介质基板的上表面贴合，所述第一介质基板的下表面的第一部分与所述第二介质基板的上表面的第一部分粘合，所述第一介质基板的下表面的第二部分与所述中间金属层的上表面的第一部分贴合；所述中间金属层的上表面的第二部分刻蚀所述人工表面等离激元结构，所述中间金属层的下表面与所述第二介质基板的上表面的第二部分贴合；所述第二介质基板的下表面与所述下金属层的上表面贴合；
所述第一介质基板的下表面的第一部分的宽度与所述第一介质基板的下表面的第二部分的宽度之和为所述第一介质基板的宽度；所述第二介质基板的上表面的第一部分的宽度与所述第二介质基板的上表面的第二部分的宽度之和为所述第二介质基板的宽度；所述中间金属层的上表面的第一部分的宽度与所述中间金属层的上表面的第二部分的宽度之和为所述中间金属层的宽度；
所述第一列金属化通孔依次贯穿所述上金属层、所述第一介质基板的第一部分、所述的第二介质基板的第一部分和所述下金属层；所述第一列金属化通孔内壁喷涂金属，与所述上金属层和所述下金属层连接；所述第二列金属化通孔依次贯穿所述上金属层、所述第一介质基板的第二部分和所述中间金属层的第一部分；所述第二列金属化通孔内部喷涂金属，与所述上金属层和所述中间金属层连接。
可选的，所述第一介质基板的介电常数和所述第二介质基板的介电常数相同，所述第一介质基板的厚度与所述第二介质基板的厚度不同。
可选的，所述第二介质基板的厚度与所述第一介质基板和所述第二介质基板厚度之和的比值越小，所述脊半模基片集成波导传输线的横向尺寸越小。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明采用脊半模基片集成波导和人工表面等离激元结构相混合的传输结构，利用平面周期性亚波长人工表面等离激元结构，能够实现具有慢波特性的人工表面等离激元的传输；利用人工表面等离激元的慢波特性和脊半模基片集成波导技术，同时减小了横向和纵向尺寸。虽然脊半模基片集成波导在减少横向尺寸的同时增加了加工复杂度，但由于与人工表面等离激元结合大幅度减小了纵向尺寸，从而具有较小的体积。本发明作为一种人工表面等离激元加载的脊半模基片集成波导传输线，具有体积小、紧凑性高、设计简单、损耗小等优点。可以在本器件上进行改进，实现进一步的电磁波调控。在未来微波和太赫兹波段的集成电路和通信系统、雷达系统中有重要前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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他的附图。
图1为本发明脊半模基片集成波导传输线的结构示意图；
图2为不同介质层厚度比对色散特性的影响曲线图；
图3为金属凹槽长度l对色散特性影响曲线图；
图4为脊半模基片集成波导传输线的S11(反射系数)和S21(传输系数)参数图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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，都属于本发明保护的范围。
表面等离激元是指在光频段下金属与电介质交界面处存在的自由振动的电子与光子因相互作用产生的混合激发态，是沿交界面传播的表面电磁波,在与交界面垂直方向按指数衰减。然而，在微波毫米波频段下，不存在表面等离激元。通过人工周期结构在微波毫米波频段可以模拟出与表面等离激元相类似的表面波，我们把它称为人工表面等离激元。人工表面等离激元可以通过改变金属的结构参数控制其慢波特性和截止频率，因此在微波段有独特的优越性和发展前景。为了能实现脊半模基片集成波导纵向尺寸的小型化，本发明将平面人工表面等离激元结构刻蚀在脊半模基片集成波导的中间金属层上，实现了对脊半模基片集成波导慢波特性的调控。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明脊半模基片集成波导传输线的结构示意图，如图1所示，本发明脊半模基片集成波导传输线包括：脊半模基片集成波导1和人工表面等离激元结构2，所述人工表面等离激元结构2刻蚀在所述脊半模基片集成波导1的中间金属层1-3上，人工表面等离激元结构2为多个凹槽结构，凹槽的长度方向与脊半模基片集成波导1的宽度方向一致，通过调节所述人工表面等离激元结构刻蚀凹槽的长度来调节所述脊半模基片集成波导传输线的波导波长，凹槽的长度越大，脊半模基片集成波导传输线的波导波长越小，即脊半模基片集成波导传输线的纵向尺寸越小。
具体的，本发明的人工表面等离激元结构2以周期性凹槽的形式刻蚀在脊半模基片集成波导1的中间金属层1-3上，且周期相同。所有凹槽的开口平齐，所有凹槽的长度相同，所有凹槽的宽度也相同，每个凹槽的宽度w小于长度l，且每个凹槽的长度l小于中间金属层1-3的宽度b。相邻两个凹槽之间间隔距离刻蚀，且所有相邻的两个凹槽之间间隔距离均相同，均为p。通过调节人工表面等离激元结构的凹槽长度l，可以实现对脊半模基片集成波导1慢波特性的调控，l越大，脊半模基片集成波导传输线的波导波长越小。
本发明的脊半模基片集成波导1包括上金属层1-1、中间金属层1-3、下金属层1-5、第一介质基板1-2、第二介质基板1-4、第一列金属化通孔1-6和第二列金属化通孔1-7。第一介质基板1-2的宽度与上金属层1-1的宽度相等，宽度均为a；第二介质基板1-4的宽度与下金属层1-5的宽度相等，均为c；中间金属层1-3的宽度为b，上金属层1-1的宽度和中间金属层1-3的宽度均小于下金属层1-5的宽度。
上金属层1-1与第一介质基板1-2的上表面贴合，第一介质基板1-2的下表面的第一部分(图中第一介质基板1-2左侧的部分)与第二介质基板1-4的上表面的第一部分(图中第二介质基板1-4左侧部分)粘合，图中第一介质基板1-2和第二介质基板1-4之间空白区域为粘合剂粘合部分。第一介质基板1-2的下表面的第二部分(第一介质基板1-2右侧部分)与中间金属层1-3的上表面的第一部分(中间金属层1-3左侧部分)贴合，中间金属层1-3的上表面的第二部分(中间金属层1-3右侧部分)刻蚀人工表面等离激元结构。中间金属层1-3的下表面与第二介质基板1-4的上表面的第二部分(第二介质基板1-4右侧部分)贴合，第二介质基板1-4的下表面与下金属层1-5的上表面贴合，由此形成脊半模基片集成波导。
上述中，第一介质基板1-2的下表面的第一部分的宽度与第一介质基板1-2的下表面的第二部分的宽度之和为第一介质基板1-2的宽度；第二介质基板1-4的上表面的第一部分的宽度与第二介质基板1-4的上表面的第二部分的宽度之和为第二介质基板1-4的宽度；中间金属层1-3的上表面的第一部分的宽度与中间金属层1-3的上表面的第二部分的宽度之和为中间金属层1-3的宽度。
第一列金属化通孔依次贯穿上金属层1-1、第一介质基板1-2的第一部分、的第二介质基板1-4的第一部分和下金属层1-5；第一列金属化通孔内壁喷涂金属，与上金属层1-1和下金属层1-5连接。第二列金属化通孔依次贯穿上金属层1-1、第一介质基板1-2的第二部分和中间金属层1-3的第一部分；第二列金属化通孔内部喷涂金属，与上金属层1-1和中间金属层1-3连接。
本发明脊半模基片集成波导的第一介质基板1-2和第二介质基板1-4的介电常数相同，所述第一介质基板1-2的厚度h1与所述第二介质基板1-4的厚度h2不同。所述第二介质基板1-4的厚度与所述第一介质基板1-2和所述第二介质基板1-4厚度之和的比值h2/(h1+h2)越小，将会引入越大的电容，在工作截至频率不变的情况下，横向尺寸越小。
下面提供一个具体实例进一步说明本发明的方案。
本实例的脊半模基片集成波导传输线中，第一介质基板和第二介质基板采用Rogers RT/duroid 5880材料(介电常数2.2，介质损耗角正切0.0009)，上层金属宽度a＝3mm，中间层金属宽度b＝3.5mm；下层金属宽度c＝6.5mm，第一介质基板厚度h1＝0.254mm，第二介质基板厚度h2＝0.254mm，金属过孔直径d＝0.2mm，凹槽周期p＝0.8mm，凹槽长度l＝3mm，凹槽宽度a＝1mm，不同介质层厚度比h2/(h1+h2)对色散特性的影响和改变金属凹槽长度l对色散特性影响分别如图2、图3所示，其中，图2、图3中的横轴表示归一化传播常数(βp/π)，纵轴表示频率(Frequency(GHz))。基于本实例的脊半模基片集成波导传输线，仿真和测试的S参数如图4所示，横轴表示频率(Frequency(GHz))，纵轴表示分贝(dB)，图中，S11为反射系数，和S21为传输系数，S11(Sim)表示仿真得到的S11参数，S11(Meas)表示测试得到的S11参数，S21(Sim)表示仿真得到的S21参数，S21(Meas)表示测试得到的S21参数。
本实例的脊半模基片集成波导传输线，与传统的基片集成波导相比，具有横向尺寸小、损耗小、慢波特性可调的优点，此外该混合结构简单紧凑，易于集成，制作方便，适用范围广，在微波段具有广阔的应用前景。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种脊半模基片集成波导传输线，其特征在于，包括：脊半模基片集成波导和人工表面等离激元结构；
所述人工表面等离激元结构刻蚀在所述脊半模基片集成波导的中间金属层上；通过调节所述人工表面等离激元结构刻蚀凹槽的长度来调节所述脊半模基片集成波导传输线的波导波长；所述凹槽的长度方向与所述脊半模基片集成波导中间金属层的宽度方向一致。
2.根据权利要求1所述的脊半模基片集成波导传输线，其特征在于，所述人工表面等离激元结构以周期性凹槽的形式刻蚀在所述脊半模基片集成波导的中间金属层上。
3.根据权利要求2所述的脊半模基片集成波导传输线，其特征在于，每个凹槽的宽度小于长度，且每个凹槽的长度小于所述中间金属层的宽度；相邻两个凹槽之间间隔距离刻蚀。
4.根据权利要求2所述的脊半模基片集成波导传输线，其特征在于，所有凹槽的开口平齐。
5.根据权利要求2所述的脊半模基片集成波导传输线，其特征在于，所述人工表面等离激元结构中所有凹槽的长度相同，所有凹槽的宽度也相同，且所有相邻的两个凹槽之间间隔距离均相同。
6.根据权利要求1所述的脊半模基片集成波导传输线，其特征在于，所述凹槽的长度越大，所述脊半模基片集成波导传输线的波导波长越小。
7.根据权利要求1所述的脊半模基片集成波导传输线，其特征在于，所述脊半模基片集成波导包括上金属层、中间金属层、下金属层、第一介质基板、第二介质基板、第一列金属化通孔和第二列金属化通孔；所述第一介质基板的宽度与所述上金属层的宽度相等；所述第二介质基板的宽度与所述下金属层的宽度相等；所述上金属层的宽度和所述中间金属层的宽度均小于所述下金属层的宽度；
所述上金属层与所述第一介质基板的上表面贴合，所述第一介质基板的下表面的第一部分与所述第二介质基板的上表面的第一部分粘合，所述第一介质基板的下表面的第二部分与所述中间金属层的上表面的第一部分贴合；所述中间金属层的上表面的第二部分刻蚀所述人工表面等离激元结构，所述中间金属层的下表面与所述第二介质基板的上表面的第二部分贴合；所述第二介质基板的下表面与所述下金属层的上表面贴合；
所述第一介质基板的下表面的第一部分的宽度与所述第一介质基板的下表面的第二部分的宽度之和为所述第一介质基板的宽度；所述第二介质基板的上表面的第一部分的宽度与所述第二介质基板的上表面的第二部分的宽度之和为所述第二介质基板的宽度；所述中间金属层的上表面的第一部分的宽度与所述中间金属层的上表面的第二部分的宽度之和为所述中间金属层的宽度；
所述第一列金属化通孔依次贯穿所述上金属层、所述第一介质基板的第一部分、所述的第二介质基板的第一部分和所述下金属层；所述第一列金属化通孔内壁喷涂金属，与所述上金属层和所述下金属层连接；所述第二列金属化通孔依次贯穿所述上金属层、所述第一介质基板的第二部分和所述中间金属层的第一部分；所述第二列金属化通孔内部喷涂金属，与所述上金属层和所述中间金属层连接。
8.根据权利要求7所述的脊半模基片集成波导传输线，其特征在于，所述第一介质基板的介电常数和所述第二介质基板的介电常数相同，所述第一介质基板的厚度与所述第二介质基板的厚度不同。
9.根据权利要求7所述的脊半模基片集成波导传输线，其特征在于，所述第二介质基板的厚度与所述第一介质基板和所述第二介质基板厚度之和的比值越小，所述脊半模基片集成波导传输线的横向尺寸越小。
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