CN114256579B - 一种d波段siw勒洛耦合结构及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微波技术，具体为一种D波段SIW勒洛耦合结构。本发明对于双层SIW传输线的公共金属层采用构建单双两种勒洛环的结构，并配合三种缝隙W的加载方式，构成结构1、2、3共计三种结构实现耦合，区别传统的耦合孔，其既有强的电耦合也有强的磁耦合，其原理均利用内外弧的相位差实现。结构1、结构2将2端口的能量耦合到4端口，在4端口产生一个谐振频率点；结构3区别在于缝隙的位置，将本来耦合到上层的能量均从2端口出，在2端口产生了一个谐振频率点。最终本发明采用区别于传统耦合孔和超结构之外的特殊勒洛环结构实现了高频率、高选择性。

Description

一种D波段SIW勒洛耦合结构及其设计方法
技术领域
本发明涉及微波技术，具体为一种D波段SIW勒洛耦合结构及其设计方法。
背景技术
D波段为：110-170GHz，位于太赫兹频段。随着现频谱资源的日益紧张，高频段逐渐成为人们关注的重点，具有重要的通信研究价值。SIW作为微波传输线，具有传输性能好的特点。传统使用微波传输线来实现滤波效果主要是方形、圆形、及其组合方式，且往往需要多个腔体之间相互耦合来实现高选择性的问题，存在相对复杂以及高选择性相对不足的问题。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决现有SIW耦合结构相对复杂、以及高选择性相对不足的问题，本发明提供了一种D波段SIW勒洛耦合结构及其设计方法。
本发明的技术方案如下：
一种D波段SIW勒洛耦合结构，包括：两层传统SIW结构的传输线，上下两层结构、参数完全相同，且中心点相重合。下层为1、2端口，上层为3、4端口，1，3端口位于同一侧。上下两层SIW结构的中间层采用公共金属层，公共金属层上设置有勒洛环结构。
所述勒洛环结构是在公共金属层中打通形成的空腔结构，分别为双环或单环结构，并设有缝隙W(本文中表述的对象为具体的空腔结构形状，对应到实际结构中，缝隙W的位置即为不打通的公共金属层)。
以公共金属层的中心点为勒洛三角形的垂心，公共金属层沿电磁波传播方向的中线定义为F，勒洛三角形的一个顶点和垂心均处于F上。保持垂心不变，改变勒洛三角形的大小(即顶点至垂心的距离)从而构成勒洛环。若为双环结构则保持垂心不变，通过进一步改变勒洛三角形的大小构成两个不接触的同心勒洛环。
所述缝隙W在勒洛环结构为单环时，分为2个(结构如图2所示)或3个(结构如图4所示)：其一设置于勒洛环位于F上的顶点处；当缝隙W为2个时另一缝隙W设置于勒洛环与F的交汇处，为结构1，对应的缝隙W宽度有w1＝0.12～0.16mm；当缝隙W为3个时另2个缝隙W分别设置于勒洛环的另2个顶点处，为结构3，对应的缝隙W宽度有w2＝0.05～0.1mm。
所述缝隙W在勒洛环结构为双环时(结构如图3所示)，分为4个：其中两个缝隙分别设置于内外两个勒洛环位于F上的顶点处，另外两个缝隙分别设置于内外两个勒洛环与F的交汇处，为结构2。对应的内外勒洛环的缝隙W宽度有w1＝0.12～0.16mm。
进一步的，当勒洛环结构为双环时，所述内外勒洛环的缝隙W宽度w1取值相等。
上述D波段SIW勒洛耦合结构的设计方法，包括以下步骤：
步骤1、设计一条D波段传输的SIW传输线：确定两行金属通孔的距离(即腔宽)E，SIW传输线的长度，金属通孔的直径d，同侧相邻两个金属通孔之间的孔心距p，介质基板的厚度t，以及金属层的厚度t1。
步骤2、在双层SIW的公共金属层上构建勒洛环结构。
首先确定设计的勒洛环结构为单环还是双环，若为单环时对应的缝隙W为2个还是3个。
以公共金属铜层的中心为勒洛三角形的垂心(达到勒洛三角形三个顶点的距离相同)，沿着电磁波传播方向，以勒洛三角形位于F上的顶点到垂心的距离为变量，通过调整该尺寸的大小分别构建内外侧勒洛三角形，从而构建勒洛环。L1为外侧勒洛三角形顶点到垂心的距离，L1＝0.75～0.85mm；L2为内侧勒洛三角形顶点到垂心的距离，L2＝0.55～0.65mm。
若为双环结构则保持垂心不变，通过进一步改变勒洛三角形的大小构成两个不接触的同心勒洛环。此时对应有：L1为外环的外侧勒洛三角形顶点到垂心的距离，L1＝0.75～0.85mm；L2为外环的内侧勒洛三角形顶点到垂心的距离，L2＝0.55～0.65mm；L3为内环的外侧勒洛三角形顶点到垂心的距离，L3＝0.45～0.55mm；L4为内环的内侧勒洛三角形顶点到垂心的距离，L4＝0.25～0.35mm。
步骤3、分别在勒洛环的不同位置引入缝隙W。此缝隙W从电原理图来讲相当于电容，以便构建谐振效应。缝隙W将勒洛环沿着电磁波传播方向分为上下两个镜像环。
缝隙W在勒洛环结构为单环时，分为2个(结构如图2所示)或3个(结构如图4所示)：其一设置于勒洛环位于F上的顶点处；当缝隙W为2个时另一缝隙W设置于勒洛环与F的交汇处，为结构1，对应的缝隙W宽度有w1＝0.12～0.16mm；当缝隙W为3个时另2个缝隙W分别设置于勒洛环的另2个顶点处，为结构3，对应的缝隙W宽度有w2＝0.05～0.1mm。
缝隙W在勒洛环结构为双环时(结构如图3所示)，分为4个：其中两个缝隙分别设置于内外两个勒洛环位于F上的顶点处，另外两个缝隙分别设置于内外两个勒洛环与F的交汇处，为结构2，对应的内外勒洛环的缝隙W宽度有w1＝0.12～0.16mm。
增加内勒洛环的目的在于增加耦合，增加选择性。耦合结构部分的电原理图：结构1的电原理图如附图5所示；结构2的电原理图如附图6所示；结构3的电原理图如附图7所示。
本发明的创新点在于勒洛环耦合，区别传统的耦合孔，其既有强的电耦合也有强的磁耦合，其原理均利用内外弧的相位差实现。结构1、结构2将2端口的能量耦合到4端口，在4端口产生一个谐振频率点。结构3区别在于缝隙的位置，将本来耦合到上层的能量均从2端口出，在2端口产生了一个谐振频率点。而本设计采用介于传统耦合孔和超结构之间的特殊结构实现高频率、高选择性。
附图说明
图1是本发明结构1的立体结构示意图；
图2是本发明结构1的俯视图；
图3是本发明结构2的俯视图；
图4是本发明结构3的俯视图；
图5是本发明结构1的电原理图；
图6是本发明结构2的电原理图；
图7是本发明结构3的电原理图；
图8是本发明结构1的s参数图；
图9是本发明结构2的s参数图；
图10是本发明结构3的s参数图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
一种D波段SIW勒洛耦合结构的设计，包括以下步骤：
步骤1、设计一条D波段传输的SIW传输线。确定介质基板介电常数ε＝2.1，腔宽E＝1.59～1.63mm，SIW传输线的长度为3mm，金属通孔的直径d＝0.2～0.3mm，相邻两个金属通孔之间的孔心距p＝0.24～0.26mm，介质基板的厚度t＝0.2～0.25mm，及覆铜板的厚度t1＝0.02mm。本实施例中d＝0.2mm，E＝1.59mm，p＝0.24mm，t＝0.25mm。
步骤2、在双层SIW的公共金属层上构建勒洛环结构。
首先确定设计的勒洛环结构为单环还是双环，单环的话对应的缝隙W为2个还是3个。
以公共金属铜层的中心为勒洛三角形的垂心(达到勒洛三角形三个顶点的距离相同)，沿着电磁波传播方向，以勒洛三角形位于F上的顶点到垂心的距离为变量，通过调整该尺寸的大小分别构建内外侧勒洛三角形，从而构建勒洛环。L1为外侧勒洛三角形顶点到垂心的距离，L1＝0.75～0.85mm；L2为内侧勒洛三角形顶点到垂心的距离，L2＝0.55～0.65mm。
若为双环结构则保持垂心不变，通过进一步改变勒洛三角形的大小构成两个不接触的同心勒洛环。此时对应有：L1为外环的外侧勒洛三角形顶点到垂心的距离，L1＝0.75～0.85mm；L2为外环的内侧勒洛三角形顶点到垂心的距离，L2＝0.55～0.65mm；L3为内环的外侧勒洛三角形顶点到垂心的距离，L3＝0.45～0.55mm；L4为内环的内侧勒洛三角形顶点到垂心的距离，L4＝0.25～0.35mm。
根据SIW传输线中TE10模电磁波的特点，沿着电磁波传播方向中间部分电场越强，两侧磁场越强。初步确定L1＝0.75～0.85mm，L2＝0.55～0.65mm。此时勒洛耦合结构兼具强的电耦合和强的磁耦合。
步骤3、分别在勒洛环的不同位置引入缝隙W。此缝隙W从电原理图来讲相当于电容，以便构建谐振效应。缝隙W将勒洛环沿着电磁波传播方向分为上下两个镜像环。
结构1为沿着电磁波传播方向，以铜板中心线为中心，宽度为w1＝0.12～0.16mm的缝隙。结构1的俯视图如附图2所示。在结构1的基础上增加内勒洛环，其内外弧垂心到顶点的距离分别为L3,L4。缝隙宽度w1与外勒洛环相同。结构2的俯视图如附图3所示。增加内勒洛环的目的在于增加耦合，增加选择性。
结构3缝隙的位置在勒洛环的三个顶点位置，宽度为w2的缝隙，w2＝0.05～0.1mm。结构3的俯视图如附图4所示。根据原理，结构3靠近金属通孔两侧的磁场最强，在此引入缝隙后，等效电感减小，则相应减小缝隙宽度从而减小等效电容。
本实施例中最终参数有：L1＝0.8mm，L2＝0.6mm，L3＝0.5mm,L4＝0.3mm，w1＝0.14mm，w2＝0.05mm。耦合结构部分的电原理图：结构1的电原理图如附图5所示；结构2的电原理图如附图6所示；结构3的电原理图如附图7所示。结构1的S参数图如附图8所示，结构2的S参数图如附图9所示；结构3的S参数图如附图10所示。
从结构1的s参数图可以看出：在130.6GHz于4端口产生了谐振频率点，能量从4端口出，S41＞-0.37dB，驻波最低点在-45dB，相对于传统耦合结构选择性更好。结构2同理。结构3区别结构1、2在于谐振频率端口在端口2，S21＞-0.72dB，驻波最低点在-30dB。
通过以上实施例可见，本发明对于双层SIW传输线的公共金属层采用构建单双两种勒洛环的结构，并配合三种缝隙W的加载方式，构成结构1、2、3共计三种结构实现耦合，区别传统的耦合孔，其既有强的电耦合也有强的磁耦合，其原理均利用内外弧的相位差实现。结构1、结构2将2端口的能量耦合到4端口，在4端口产生一个谐振频率点；结构3区别在于缝隙的位置，将本来耦合到上层的能量均从2端口出，在2端口产生了一个谐振频率点。最终本发明采用区别于传统耦合孔和超结构之外的特殊勒洛环结构实现了高频率、高选择性。

Claims (6)

1.一种D波段SIW勒洛耦合结构，包括两层传统SIW结构的传输线，上下两层结构、参数完全相同，且中心点相重合，其特征在于：下层为1、2端口，上层为3、4端口，1，3端口位于同一侧，上下两层SIW结构的中间层采用公共金属层，公共金属层上设置有勒洛环结构；
所述勒洛环结构是在公共金属层中打通形成的空腔结构，分别为双环或单环结构，并设有缝隙W；
以公共金属层的中心点为勒洛三角形的垂心，公共金属层沿电磁波传播方向的中线定义为F，勒洛三角形的一个顶点和垂心均处于F上；保持垂心不变，改变勒洛三角形的大小从而构成勒洛环；若为双环结构则保持垂心不变，通过进一步改变勒洛三角形的大小构成两个不接触的同心勒洛环；
所述缝隙W在勒洛环结构为单环时，分为2个或3个：其一设置于勒洛环位于F上的顶点处；当缝隙W为2个时另一缝隙W设置于勒洛环与F的交汇处，为结构1，对应的缝隙W宽度有w1＝0.12～0.16mm；当缝隙W为3个时另2个缝隙W分别设置于勒洛环的另2个顶点处，为结构3，对应的缝隙W宽度有w2＝0.05～0.1mm；
所述缝隙W在勒洛环结构为双环时，分为4个：其中两个缝隙分别设置于内外两个勒洛环位于F上的顶点处，另外两个缝隙分别设置于内外两个勒洛环与F的交汇处，为结构2，对应的内外勒洛环的缝隙W宽度有w1＝0.12～0.16mm。
2.如权利要求1所述D波段SIW勒洛耦合结构，其特征在于：当勒洛环结构为双环时，所述内外勒洛环的缝隙W宽度w1取值相等。
3.如权利要求1所述D波段SIW勒洛耦合结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、设计一条D波段传输的SIW传输线：确定两行金属通孔的距离E，SIW传输线的长度，金属通孔的直径d，同侧相邻两个金属通孔之间的孔心距p，介质基板的厚度t，以及金属层的厚度t1；
步骤2、在双层SIW的公共金属层上构建勒洛环结构；
步骤3、分别在步骤2构建勒洛环的不同位置引入缝隙W，以便构建谐振效应，缝隙W将勒洛环沿着电磁波传播方向分为上下两个镜像环。
4.如权利要求3所述D波段SIW勒洛耦合结构的设计方法，其特征在于：
所述勒洛环结构为单环，对应的缝隙W为2个时：
步骤2、以公共金属铜层的中心为勒洛三角形的垂心，沿着电磁波传播方向，以勒洛三角形位于F上的顶点到垂心的距离为变量，通过调整该距离的大小分别构建内外侧勒洛三角形，从而构建勒洛环；L1为外侧勒洛三角形顶点到垂心的距离，L1＝0.75～0.85mm；L2为内侧勒洛三角形顶点到垂心的距离，L2＝0.55～0.65mm；
步骤3、在勒洛环位于F上的顶点处设置第一个缝隙W，另一缝隙W设置于勒洛环与F的交汇处，为结构1，对应的缝隙W宽度有w1＝0.12～0.16mm。
5.如权利要求3所述D波段SIW勒洛耦合结构的设计方法，其特征在于：
所述勒洛环结构为单环，对应的缝隙W为3个时：
步骤2、以公共金属铜层的中心为勒洛三角形的垂心，沿着电磁波传播方向，以勒洛三角形位于F上的顶点到垂心的距离为变量，通过调整该距离的大小分别构建内外侧勒洛三角形，从而构建勒洛环；L1为外侧勒洛三角形顶点到垂心的距离，L1＝0.75～0.85mm；L2为内侧勒洛三角形顶点到垂心的距离，L2＝0.55～0.65mm；
步骤3、在勒洛环的3个顶点处均设置缝隙W，为结构3，对应的缝隙W宽度有w2＝0.05～0.1mm。
6.如权利要求3所述D波段SIW勒洛耦合结构的设计方法，其特征在于：
所述勒洛环结构为双环，对应的缝隙W为4个时：
步骤2、以公共金属铜层的中心为勒洛三角形的垂心，沿着电磁波传播方向，以勒洛三角形位于F上的顶点到垂心的距离为变量，通过调整该距离的大小分别构建内外侧勒洛三角形，从而构建第一个勒洛环；L1为外侧勒洛三角形顶点到垂心的距离，L1＝0.75～0.85mm；L2为内侧勒洛三角形顶点到垂心的距离，L2＝0.55～0.65mm；
保持垂心不变，通过进一步改变勒洛三角形的大小构成两个不接触的同心勒洛环；此时对应有：L1为外环的外侧勒洛三角形顶点到垂心的距离，L1＝0.75～0.85mm；L2为外环的内侧勒洛三角形顶点到垂心的距离，L2＝0.55～0.65mm；L3为内环的外侧勒洛三角形顶点到垂心的距离，L3＝0.45～0.55mm；L4为内环的内侧勒洛三角形顶点到垂心的距离，L4＝0.25～0.35mm；
步骤3、对于步骤2所构建的双环勒洛环结构，其中两个缝隙分别设置于内外两个勒洛环位于F上的顶点处，另外两个缝隙分别设置于内外两个勒洛环与F的交汇处，为结构2，对应的内外勒洛环的缝隙W宽度有w1＝0.12～0.16mm。
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