CN112886168A - 基于基片集成波导和人工表面等离激元的模分复用传输线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于基片集成波导和人工表面等离激元的模分复用传输线，属于微波毫米波中射频微波器件技术领域。包括下层介质基板和上层介质基板；下层介质基板的下表面设置有第一金属层；下层介质基板的上表面设置有第二金属层，第二金属层的两端分别连接有微带结构；第二金属层上开设有两排沿X轴方向分布的金属化通孔；第二金属层上开设有沿X轴方向延伸的第一凹槽，所述第一凹槽的两侧依次对称设置有若干对连通的第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽，第一凹槽的两端设置有圆形凹槽；上层介质基板的上表面设置有两个第一微带，所述第一微带的一端设置有金属圆片。本发明能够实现同时、同频、同结构中传输多路信号，从而提高了信道容量和传输效率。

Description

基于基片集成波导和人工表面等离激元的模分复用传输线

技术领域

本发明属于微波毫米波中射频微波器件技术领域，具体涉及一种基于基片集成波导和人工表面等离激元的模分复用传输线。

背景技术

随着现代微波和无线通信系统的快速发展，高度集成的多功能高速微波电路成为了新的发展方向。然而相邻电路的干扰阻碍了微波系统小型化、高速化的进一步发展，为了解决这个问题，开发一种新颖的微波传输结构十分重要。

基片集成波导是一种新型导波结构，具有低插入损耗，低干扰和低辐射的特性，很容易和其他平面电路集成的优点。为了实现高度集成、多功能、高速的微波电路，研究人员基于基片集成波导(SIW)提出了多种模式复合传输线，可以在紧凑的尺寸下传播多个不同频段的隔离信号，例如申请号为201810656738.1的中国专利公开了一种带过渡结构的模式复合传输线。但是，这类结构都是通过集成两条不同的传输线复合而成。本质上来讲，电磁波仍沿两个不同的传输结构传输，同时需要复杂的馈电结构解决不同种类传输线馈电的互耦问题。由于传输结构的不同，现有模式混合传输线均为电磁波传输在不同频带，无法进一步应用于信号高速传输中。

表面等离激元(SPP)是一种发生在金属和介质交界面处的消逝模现象，其能够将电磁波约束在亚波长尺寸结构中，在光学中得到了广泛的研究和应用。通过使用一维或者二维的周期性亚波长结构可以在微波频段模拟表面等离激元的特性，实现人工表面等离激元模式(SSPP)的传播，不同种类的SSPP具有两种不同模式，其中电场对称的传播模式称为偶数模式，电场互补的传播模式称为奇模，但两种模式不易在同一结构上激发。

为了能够实现信息的高效传输，提出了SIW-SSPP混合结构，例如申请号为201910487302.9的中国专利公开了一种加载方盘型SSPP结构的SIW带通滤波器，解决了解决SSP-SIW尺寸过大以及加载型带内损耗略差的问题，但是目前这类中混合结构只能实现在SIW结构上偶模传播，奇数模式未能得SIW结构上激发，因此，这类复用传输线的信道容量还相对较小，信息的传输效率较低。

发明内容

技术问题：本发明针对现有的复合结构传输线的信道容量差导致信息传输效率低的问题，本发明提供一种基于基片集成波导和人工表面等离激元的模分复用传输线，所提出的传输线能够实现同一时间、同一频段、同一结构中传输多路信号，从而提高了信道容量，使得信息传输效率提高；进一步地，本发明的传输线结构紧凑、损耗较低。

技术方案：本发明的基于基片集成波导和人工表面等离激元的模分复用传输线，包括下层介质基板和设置在所述下层介质基板上的上层介质基板；

下层介质基板的下表面设置有第一金属层；

下层介质基板的上表面设置有第二金属层，第二金属层的两端分别连接有微带结构，所述微带结构包括一端与第二金属层连接的渐变过渡结构、与所述渐变过渡结构的另一端连接的微带线；

所述第二金属层上开设有两排沿X轴方向分布的金属化通孔，所述金属化通孔贯穿第二金属层、下层介质基板和第一金属层；

所述第二金属层上开设有沿X轴方向延伸的第一凹槽，所述第一凹槽的两侧依次对称设置有若干对连通的第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽，所述第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽均位于两排金属化通孔之间，第一凹槽的两端设置有圆形凹槽，所述圆形凹槽与第一凹槽连通；

上层介质基板的上表面设置有两个第一微带，所述第一微带的一端设置有金属圆片。

进一步地，所述第一凹槽第二凹槽、第三凹槽、第四凹槽和圆形凹槽均贯穿第二金属层。

进一步地，所述第三凹槽沿Y轴方向延伸，若干对所述第三凹槽的长度l_s相同。

进一步地，所述第二凹槽和第四凹槽均沿Y轴方向延伸，其中，第二凹槽的长度由0渐变到第三凹槽的长度l_s；第四凹槽的长度由第三凹槽的长度l_s渐变到0。

进一步地，所述渐变过渡结构为等腰梯形渐变过渡结构，等腰梯形渐变过渡结构的下底与第二金属层连接，上底与微带线连接。

进一步地，所述圆形凹槽的直径d₁与第一凹槽宽度g的关系为：d₁＝(2～3)g。

进一步地，所述金属圆片的直径d₂大于或等于2倍的第一微带的宽度w_p2。

进一步地，上层介质基板的厚度与下层介质基板的厚度相同。

进一步地，两排所述金属化通孔的间距为a，金属化通孔的间距为a与第三凹槽的长度l_s的关系为：l_s＝(0.05～0.45)a。

进一步地，所述上层介质基板比下层介质基板宽w_g，当上层介质基板与下层介质基板安装在一起后，上层介质基板相对于下层介质基板宽出的部分的下表面设置有第三金属层。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

(1)本发明所提供的传输线，利用基片集成波导与人工表面等离激元的模式复合方式，通过基片集成波导激励起偶模，利用人工表面等离激元激励起奇模，从而在同一结构上，同时同频的激励起两个不同模式，实现了基于基片集成波导和人工表面等离激元的模分复用传输，可以有效提高信道容量，解决传统技术通过信道编码技术提高信道容量边界极限的瓶颈。

(2)本发明提出的传输线由于两种模式之间相互隔离，无需额外的物理结构进行隔离，防止了不同信号之间的串扰，并且本发明的传输线具有很宽的相对带宽，且两种模式的工作频率相同，可用于高度集成的多功能微波电路等应用。

(3)本发明提出的传输线结构紧凑，并且损耗较低，传输性能较好。

附图说明

图1为本发明的基于基片集成波导和人工表面等离激元的模分复用传输线的爆炸结构图；

图2为下层介质基板的上表面的结构图；

图3为下层介质基板的下表面的结构图；

图4为上层介质基板的上表面的结构图；

图5为上层介质基板的下表面的结构图；

图6为本发明的一种实施例中复用传输线不同端口间的传输系数与反射系数仿真图；

图7为本发明的一种实施例中复用传输线不同端口间的隔离度仿真图。

图中有：1、下层介质基板；2、上层介质基板；3、第一金属层；4、第二金属层；5、微带结构；6、渐变过渡结构；7、微带线；8、金属化通孔；9、第一凹槽；10、第二凹槽；11、第四凹槽；12、第三凹槽；13、圆形凹槽；14、第一微带；15、金属圆片；16、第三金属层。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步描述，其中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

结合图1所示，本发明的基于基片集成波导和人工表面等离激元的模分复用传输线，包括下层介质基板1和设置在下层介质基板1上的上层介质基板2。

其中，如图2所示，下层介质基板1的下表面设置有第一金属层3，第一金属层3覆盖下层介质基板1的整个下表面。

下层介质基板1的上表面设置有第二金属层4，第二金属层4的两端分别连接有微带结构5，所述微带结构5包括一端与第二金属层4连接的渐变过渡结构6、与所述渐变过渡结构6的另一端连接的微带线7。具体地，在本发明的实施例中，渐变过渡结构6采用的等腰梯形渐变过渡结构，即渐变过渡结构6的形状为等腰梯形，其中，等腰梯形渐变过渡结构的下底与第二金属层4连接，上底与微带线7连接。结合图2所示，可以看出，上层介质基板2的上表面各部分的连接关系，具体的，沿X轴正方向，依次为微带线7、渐变过渡结构6、第二金属层4、渐变过渡结构6、微带线7。

第二金属层4上开设有两排沿X轴方向分布的金属化通孔8，金属化通孔8是指通孔的孔壁镀有金属，从而使得通孔金属化。金属化通孔8贯穿第二金属层4、下层介质基板1和第一金属层3，从而构成了基片集成波导。

对于基片集成波导，结合图3所示，相邻两个金属化通孔8的间距为b，孔径为d，两排金属化通孔8的距离为a，通常满足b≤2d，从而满足基片集成波导的传输性能。

如图2所示，在第二金属层4上开设有沿X轴方向延伸的第一凹槽9，第一凹槽9的两侧依次对称设置有若干对连通第二凹槽10、第三凹槽12和第四凹槽11，具体地，第一凹槽9、第二凹槽10、第三凹槽12和第四凹槽11均位于两排金属化通孔8之间，所有第二凹槽10、第三凹槽12和第四凹槽11均与第一凹槽9连通。第一凹槽9的两端设置有圆形凹槽13，圆形凹槽13与第一凹槽9连通，从而形成了人工表面等离激元结构。在本发明的实施例中，第一凹槽9、第二凹槽10、第三凹槽12、第四凹槽11和圆形凹槽13均贯穿第二金属层4，在在制造过程中，可通过蚀刻的工艺在第二金属层4上加工出上述的各种凹槽结构。

在本发明的实施例中，第二凹槽10、第三凹槽12、第四凹槽11的间距是相同的，即如图2所示，相邻的两个第三凹槽12的间距为p，若第三凹槽12与第二凹槽10相邻，则间距也为p，若第三凹槽12与第四凹槽11相邻，则第三凹槽12与第四凹槽11的间距同样为p。

为了使得传输线具有更好的性能，在本发明的实施例中，如图2所示，第三凹槽12沿Y轴方向延伸，同时若干对所述第三凹槽12的长度l_s相同。第二凹槽10和第四凹槽11均沿Y轴方向延伸，其中，第二凹槽10的长度由0渐变到第三凹槽12的长度l_s；第四凹槽11的长度由第三凹槽12的长度l_s渐变到0。

在本发明的实施例中，下层介质基板1的上表面中的激励结构包括两个端口，如图2所示，一个微带线7的端口为P1，另一个微带线7的端口为P2，通过P1和P2实现偶模的输入和输出。

在本法发明的实施例中，如图4所示，上层介质基板2的上表面设置有两个第一微带14，第一微带14的一端设置有金属圆片15，上层介质基板2的上表面的结构主要用于奇模的输入和输出，在图4中，其中一个第一微带14的端口为P3，另一个第一微带14的端口为P4，通过P3和P4，实现奇模的输入和输出。

利用本发明的传输线结构，通过基片集成波导激励起偶模，利用人工表面等离激元激励起奇模，由于偶模和奇模本身具有正交性，从而在同一结构上，同时同频的激励起两个不同模式，实现了基于基片集成波导和人工表面等离激元的模分复用传输，可以有效提高信道容量，解决传统技术通过信道编码技术提高信道容量边界极限的瓶颈，并且，所述的传输线的结构紧凑。

同时，根据所提出的结构，可以看出人工表面等离激元与基片集成波导在进行数据传输时，偶模和奇模之间相互隔离，无需额外的物理结构进行隔离，防止了不同信号之间的串扰，从而提高了传输性能。

并且为了获得较好的传输性能以及使得结构更加紧凑，在本发明的实施例中，结构尺寸的设计上，圆形凹槽13的直径d₁与第一凹槽9宽度g的关系为：d₁＝(2～3)g；金属圆片15的直径d₂大于或等于2倍的第一微带14的宽度w_p2；两排所述金属化通孔8的间距为a，所述第三凹槽12的长度l_s等与金属化通孔8的间距为a的关系为：l_s＝(0.05～0.45)a。同时为了便于安装，上层介质基板2比下层介质基板1宽w_g(w_g>0)，当上层介质基板2与下层介质基板1安装在一起后，上层介质基板2相对于下层介质基板1宽出的部分的下表面设置有第三金属层16，参见图5所示，利用第三金属层16，可便于上层介质基板2的接地。

为了对本发明的复用传输线的性能进行验证，给出了一个具体的复用传输线的结构，其中，上层介质基板2和下层介质基板1均采用Rogers RT5880，厚度h＝0.508mm；下层介质基板1和长度L＝115mm，宽度W＝25mm，上层介质基板2比下层介质基板1宽w_g＝7mm，两排金属化通孔8的间距a＝10.5mm，金属化通孔8的直径d＝0.5mm,相邻金属化通孔8的间距b＝1mm；人工表面等离激元中，对于第二凹槽10、第三凹槽12、第四凹槽11，相邻两个凹槽的间距p＝1mm，第三凹槽12的长度为l_s＝2.35mm，第一凹槽9的宽度g＝1mm,圆形凹槽13的直径d₁＝2.2mm。

其中，渐变过渡结构6的参数分别为w_f＝4.4mm,w_p1＝1.5mm,l_f＝12mm，上层介质基板上的激励结构中，金属圆片15的直径d₂＝3.2mm，第一微带14的宽度w_p2＝1.5mm。

图6为该实施例中不同端口间的传输系数与反射系数仿真图，其中S₁₁和S₃₃表示发射系数的仿真情况，S₂₁和S₄₃表示传输系数的仿真情况，从图6可以看出，该实施例中，奇模和偶模传输在同一频段从10.3GHz到18GHz，损耗均为-1dB左右。

图7为该实施例对于各端口隔离度的仿真情况，可以看出，奇模和偶模传输在同一频段从10.3GHz到18GHz，各个端口的隔离度均小于-15dB。从而可以看出，本发明的传输线隔离度较好，因此该传输线具有较好的性能。

从图6和图7可以看出，本发明的传输线有效地实现了同一时间、同一频段、同一结构中多路信号的传输，并且具有很宽的相对带宽，信道容量较大，损耗较低、各项性能较好，从而满足了数据传输的需求，可用于高度集成的多功能微波电路等应用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于基片集成波导和人工表面等离激元的模分复用传输线，其特征在于，包括下层介质基板(1)和设置在所述下层介质基板(1)上的上层介质基板(2)；

下层介质基板(1)的下表面设置有第一金属层(3)；

下层介质基板(1)的上表面设置有第二金属层(4)，第二金属层(4)的两端分别连接有微带结构(5)，所述微带结构(5)包括一端与第二金属层(4)连接的渐变过渡结构(6)、与所述渐变过渡结构(6)的另一端连接的微带线(7)；

所述第二金属层(4)上开设有两排沿X轴方向分布的金属化通孔(8)，所述金属化通孔(8)贯穿第二金属层(4)、下层介质基板(1)和第一金属层(3)；

所述第二金属层(4)上开设有沿X轴方向延伸的第一凹槽(9)，所述第一凹槽(9)的两侧依次对称设置有若干对连通的第二凹槽(10)、第三凹槽(12)和第四凹槽(11)，所述第一凹槽(9)、第二凹槽(10)、第三凹槽(12)和第四凹槽(11)均位于两排金属化通孔(8)之间，第一凹槽(9)的两端设置有圆形凹槽(13)，所述圆形凹槽(13)与第一凹槽(9)连通；

上层介质基板(2)的上表面设置有两个第一微带(14)，所述第一微带(14)的一端设置有金属圆片(15)。

2.根据权利要求1所述的基于基片集成波导和人工表面等离激元的模分复用传输线，其特征在于，所述第一凹槽(9)第二凹槽(10)、第三凹槽(12)、第四凹槽(11)和圆形凹槽(13)均贯穿第二金属层(4)。

3.根据权利要求1所述的基于基片集成波导和人工表面等离激元的模分复用传输线，其特征在于，所述第三凹槽(12)沿Y轴方向延伸，若干对所述第三凹槽(12)的长度l_s相同。

4.根据权利要求2所述的基于基片集成波导和人工表面等离激元的模分复用传输线，其特征在于，所述第二凹槽(10)和第四凹槽(11)均沿Y轴方向延伸，其中，第二凹槽(10)的长度由0渐变到第三凹槽(12)的长度l_s；第四凹槽(11)的长度由第三凹槽(12)的长度l_s渐变到0。

5.根据权利要求1-4任一项所述的基于基片集成波导和人工表面等离激元的模分复用传输线，其特征在于，所述渐变过渡结构(6)为等腰梯形渐变过渡结构，等腰梯形渐变过渡结构的下底与第二金属层(4)连接，上底与微带线(7)连接。

6.根据权利要求5所述的基于基片集成波导和人工表面等离激元的模分复用传输线，其特征在于，所述圆形凹槽(13)的直径d₁与第一凹槽(9)宽度g的关系为：d₁＝(2～3)g。

7.根据权利要求5所述的基于基片集成波导和人工表面等离激元的模分复用传输线，其特征在于，所述金属圆片(15)的直径d₂大于或等于2倍的第一微带(14)的宽度w_p2。

8.根据权利要求5所述的基于基片集成波导和人工表面等离激元的模分复用传输线，其特征在于，上层介质基板(2)的厚度与下层介质基板(1)的厚度相同。

9.根据权利要求5所述的基于基片集成波导和人工表面等离激元的模分复用传输线，其特征在于，两排所述金属化通孔(8)的间距为a，金属化通孔(8)的间距为a与第三凹槽(12)的长度l_s的关系为：l_s＝(0.05～0.45)a。

10.根据权利要求5所述的基于基片集成波导和人工表面等离激元的模分复用传输线，其特征在于，所述上层介质基板(2)比下层介质基板(1)宽w_g，当上层介质基板(2)与下层介质基板(1)安装在一起后，上层介质基板(2)相对于下层介质基板(1)宽出的部分的下表面设置有第三金属层(16)。

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