CN116387783A - 准空气集成波导、过渡结构、阵列天线及制造方法 - Google Patents

准空气集成波导、过渡结构、阵列天线及制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种准空气集成波导、过渡结构、阵列天线及制造方法，所述准空气集成波导包括第一金属导电层和第二金属导电层，其中，第二金属导电层沿第一方向开设有主通道，沿着所述主通道的两侧分别设置有一列间隔排列的导电连接结构，所述的第一方向为电磁波的传播方向；第二金属导电层通过所述间隔排列的导电连接结构与第一金属导电层无间隙导电连接。本发明可以减小由于加工和组装带来公差误差的影响，实现高工程应用性，且在损耗和功率容量上也是满足高频的应用。尤其是在工作频率很高时，可以有效解决现有各种传统波导的介质损耗或由于加工公差带来的高成本的问题，同时满足功率容量的要求。

Description

准空气集成波导、过渡结构、阵列天线及制造方法
技术领域
本发明涉及通信器件领域，尤其涉及一种准空气集成波导、过渡结构、阵列天线及制造方法。
背景技术
近年来，射频电路用于几乎所有的具有电路传输功能的产品中，特别涉及到信息传递的产品中。按照射频工作频率划分可分为：低频场景和高频场景。在低频处，信息沿着电线或电缆传播；在高频处信息可通过无线电波以无线的方式传播或沿着具有低损耗的传输线传输。根据产品的实现功能，无论是低频还是高频利用传输线传输都是需要的。
以前我们生活中所需的产品，对信息传播的速率，信息量等要求都不高，且传递信息的工作频率也是工作在低频，因此常规的传输线是可以满足彼时的应用需求。
近年来，随着智慧城市，车联网等新型互联业务的数据量爆发式增长，数据传输需要可媲美光纤的传输速率通信技术以其高带宽、高速率、高可靠、低时延、低功耗、大连接等优势已经成为此时的产品需求。
要实现高带宽，高可靠，低延时，低功耗，大连接的信息传输，则必须应用的频率在高频(毫米波频段，THz频段等)。在高频段，常用的传输线有微带线，同轴线，带状线，差分线，共面波导(CPW)，介质集成波导(SIW)以及波导等，其中：
微带线，是最普通最常用的传输线，传输准TEM波，其结构形式是条状导体位于介质板的上表面，且介质板的下表面为金属面，金属面的大小一般情况下与介质的大小一致，特殊情况也会出现不一致情况。这种传输线如果用于高频传输，会由于介质损耗而严重降低传输效率和质量，目前也可采用在高频介质损耗较低的高频板材，但这板材价格昂贵，增加产品的成本。另外，微带线由于裸漏在PCB板表面，因此当其长度如果大于几个波长，会有额外辐射影响传输效率和质量。
同轴线，也是常用的传输线，其传输TEM波，其结构形式是两根共轴的圆柱导体构成，两个圆柱导体之间填充介质材料，和微带线一样，工作与高频时，由于介质损耗会严重降低传输效率和质量。另外同轴线的体积较大，不利于小型化的产品应用。
带状线，是常用的微波传输线，其传输TEM波，其结构形式是在两块接地板中间放置导带，带状线可看作是由同轴线演变而来，其优化了传输线结构体积(更具低剖面)，但也会由于介质损耗而不适用于高频。
差分线，信号传输有三种模式：单端模式，共模模式和差分模式，非常适合高速传输场景，但也会由于介质损耗造成传输效率和传输质量的降低。
共面波导，其传输准TEM波，其与微带线相比，解决了微带线的辐射问题，但在高频端，由于介质的存在还是会造成介质损耗降低传输效率和质量。
介质集成波导，它的来源是叠层波导，其结构是在双面覆铜介质板的两侧加入两排半径相同的金属过孔，相邻两金属过孔的间距相等，这种结构如果用在高频，由于介质损耗还是会降低信息传输的效率和质量。
波导，按照结构分可分为：圆柱形波导，矩形波导，间隙波导。圆柱形波导和矩形波导，其由金属外壁裹成封闭空间，横截面为圆形或矩形，电磁波在其中间传播，但在加工制作时这种结构对加工制成要求非常严格。而间隙波导，是在两块平行金属导体板中间加入周期性或准周期性的金属柱，金属柱一端与两块金属导体板中的一块金属导体板电连接，另一端与两块金属导体板的另一块金属导体板非电连接。但这种结构存在功率容量低等缺点。
综上，传统传输线都有应用上的局限，而当工作于毫米波频段，介质损耗会迅速增大，而且波导由于制造工艺及功率容量问题也会降低电磁波的传输效率和质量。
发明内容
本发明的目的在于对上述现有技术的不足，提供一种准空气集成波导、过渡结构、阵列天线及制造方法，可以减小由于加工和组装带来公差误差的影响，实现高工程应用性，且在损耗和功率上也是满足高频的应用。尤其是在工作频率很高时，可以有效解决现有射频如介质集成波导(SIW)，微带线，带状线以及共面波导(CPW)的介质损耗或由于加工公差带来的高成本的问题。由本发明通过采用空气介质波导结构，不仅大大降低传输损耗，而且还具有较大功率容量，可用于微波，毫米波频段。本发明的准空气集成波导可应用于电路、滤波器、功分器，合成器、耦合器、天线等器件中。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供一种准空气集成波导，包括：
第一金属导电层和第二金属导电层，其中，
第二金属导电层沿第一方向开设有主通道，沿着所述主通道的两侧分别设置有一列间隔排列的导电连接结构，所述的第一方向为电磁波的传播方向；
第二金属导电层通过所述间隔排列的导电连接结构与第一金属导电层无间隙导电连接。
根据本发明的又一个方面，所述的一列间隔排列的导电连接结构，包括：
设置在主通道两侧侧壁上的多个凹槽、以及各凹槽之间的凸起结构，所述的凸起结构周期或非周期的排列，且凸起结构顶部与第一金属导电层无间隙导电连接，形成间隔排列的导电连接结构。
根据本发明的又一个方面，所述一列间隔排列的导电连接结构，包括：
设置在主通道两侧侧壁上的多个凹槽，以及各凹槽之间的凸起结构，所述的凸起结构周期或非周期的排列；
第一金属导电层上对应于所述凸起结构设置有两列通孔，每个通孔对应一个凸起结构，各通孔通过焊接剂与凸起结构顶部无间隙焊接，形成间隔排列的导电连接结构。
根据本发明的又一个方面，所述一列间隔排列的导电连接结构，包括：
在第一金属导电层上设置有两列焊盘，各焊盘间隔排列，每列焊盘分别与第二金属导电层两侧的边缘上部区域对应，且通过间隔设排列的焊盘与第二金属导电层顶部无间隙导电连接。
根据本发明的又一个方面，所述一列间隔排列的导电连接结构，包括：
在第一金属导电层上设置有两列通孔，各通孔间隔排列，每列通孔分别与第二金属导电层两侧的边缘上部区域对应，且通过间隔排列的通孔利用焊接剂与第二金属导电层顶部无间隙导电连接。
根据本发明的又一个方面，所述一列间隔排列的导电连接结构，包括：
在主通道两侧设置有间隔排列的金属柱，所述间隔排列为周期或非周期的，所述的金属柱将第二金属导电层与第一金属导电层无间隙导电连接。
根据本发明的另一个方面，还提供一种前述准空气集成波导的过渡结构，包括：
设置在第二金属导电层上且与主通道一端相连通的过渡通孔，所述过渡通孔与主通道相互垂直；
转接波导，用于与所述的过渡通孔对接，耦合电磁波；
其中，在过渡通孔中设置有金属柱结构，以及在过渡通孔周围内壁设置有多个所述凹槽和凸起结构；或者在过渡通孔周围围绕设置有间隔排列的焊盘连接结构，通过上述间隔排列的焊盘连接结构，能够转接波导与过渡通孔无间隙导电连接。
进一步的，还包括在主通道与过渡通孔交界处设置有匹配结构。
根据本发明的另一个，还提供一种准空气集成波导缝隙天线，在前述的准空气集成波导上，沿着第一金属导电层表面的第一方向，设置有多个缝隙开口。
根据本发明的又一个方面，提供一种前述准空气集成波导的加工方法，包括：
在第二金属导电层上加工出主通道，所述的主通道为凹槽结构；
在所述的主通道的两侧壁分别加工出间隔排列的凹槽结构，所述的凹槽之间形成凸起结构；
将第一金属导电层安装第二金属导电层之上，并通过将所述的凸起结构上部与第一金属导电层焊接形成无间隙的导电连接结构，得到所述的准空气集成波导。
进一步的，在第一金属导电层上加工两列间隔排列的金属通孔；所述各金属通孔与第二金属导电层上的凸起结构一一对应；
在所述金属通孔中放入焊接剂，将所述金属通孔与凸起结构焊接实现无间隙导电连接。
根据本发明的又一个方面，提供一种前述准空气集成波导的加工方法，包括：
在第二金属导电层上加工出主通道，所述的主通道为凹槽结构；
在第二金属导电层主通道两侧上方加工两列间隔排列的金属焊盘，或者，在第一金属导电层上加工两列间隔排列金属通孔；
通过所述的金属焊盘或者金属通孔将第一金属导电层与第二金属导电层实现无间隙焊接，实现无间隙导电连接。
本发明与现有技术相比，有如下优点：
1、本发明的准空气集成波导能有效降低制造精度要求，降低加工制作程度，节约加工成本，且该空气集成波导传输损耗小，功率容量大，非常适合用于高频段传输。
2、本发明的准空气集成波导当频率很高以使现有传输线和波导具有过大损耗或者不能以所需公差被具有成本效益地制造时，本发明是具有优势的。能够在高频处代替同轴线、圆柱形波导和微带线以及其他具有介质基片限制的传输线，例如基片集成波导SIW(Substrate Integrated Waveguide)。本发明采用准空气集成波导的方式，用空气替代介质基片，不需要昂贵的高频PCB板材和金属化通孔，实现比基片集成波导SIW更优异的传输损耗和功率容量。
3、本发明的本发明的准空气集成波导，其基本几何结构包括两个平行的传导表面。这些表面可以是两个金属块或者金属平板的表面，但是它们还可由具有金属化表面的其他类型的材料制成，也可以是双层或多层印刷电路板(PCB)的上表面或下表面金属面的一面，它们还可由其他具有良好导电性的材料制成。两个表面可以是平的或弯曲的。在两个表面之间的这个间隙内形成有传输线电路和波导电路，因此，加工方法多种多样，可选择性多。
4、本发明的准空气集成波导特别适用于在频率30GHz以上的使用，以及例如在用于雷达或传感器系统中的天线系统中的使用。本发明当频率较高(如77GHz)对现有的电磁传输线例如同轴线和微带线、带状线及介质集成波导SIW(Substrate IntegratedWaveguide)传输线由于其介质损耗和生产加工问题而不能良好工作时，这种准空气集成波导是有优势的。
5、本发明的准空气集成波导主要用在毫米波区域(30GHz-300GHz)，但本发明在高于300GHz或低于30GHz的频率也是具有优势的。
附图说明
图1是本发明的实施例1的准空气集成波导结构示意图；
图2是本本发明的实施例2的准空气集成波导结构示意图；
图3是本发明的实施例3的准空气集成波导结构示意图；
图4是本本发明的实施例4的准空气集成波导结构示意图；
图5是本发明实施例5，是在实施例1中加载单脊形式的准空气集成波导结构示意图；
图6是本发明实施例6，是在实施例3中加载单脊形式的准空气集成波导结构示意图；
图7是本发明实施例1中加载双脊形式的准空气集成波导结构试图；
图8是图7结构的侧视图；
图9是本发明实施例3中加载双脊形式的准空气集成波导结构试图；
图10是图9结构的侧视图；
图11是本发明实施例5的准空气集成波导结构示意图；
图12是本发明实施例5演变为双脊准空气集成波导结构示意图；
图13是本发明双脊准空气集成波导结构侧视图；
图14是图13结构的爆炸图；
图15是矩形波导与本发明实施例1的垂直过渡结构示意图；
图16是图15结构的俯视图；
图17是矩形波导与本发明实施例3的垂直过渡结构示意图；
图18是图17的俯视图；
图19是图15-18垂直过渡结构后视图，其中垂直的波导是常规的矩形波导；
图20是图15-18垂直过渡结构后视图，其中垂直的波导是由多个金属柱实现；
图21是加载辐射天线的PCB结构示意图；
图22是图19的PCB结构与矩形波导的过渡示意图，其中与PCB上方接触的波导为矩形波导结构；
图23是图19的PCB结构与矩形波导的过渡示意图，其中与PCB上方接触的波导为金属柱实现的矩形波导结构；
图24是图21中金属柱实现波导功能的结构示意图；
图25是在PCB上开矩形口实现矩形波导的结构示意图；
图26是LOP与矩形波导过渡结构示意图，其中与PCB上方接触的波导为矩形波导结构；
图27是LOP与矩形波导过渡结构示意图，其中与PCB上方接触的波导为金属柱实现的矩形波导结构；
图28是图23中金属柱实现波导功能的机构示意图；
图29是基于本发明中实施例1的准空气集成波导设计的缝隙阵列天线示意图；
图30是基于本发明中实施例3的准空气集成波导设计的缝隙阵列天线示意图。
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
当频率很高时，现有传输线和各种波导存在过大损耗的问题，或者不能以所需公差被具有成本效益地制造，无法满足工艺、功率容量、成本等方面的需求，为解决上述技术问题，根据本发明的实施例，提出一种准空气集成波导，包括：
第一金属导电层和第二金属导电层，其中，
第二金属导电层沿第一方向开设有主通道，沿着所述主通道的两侧分别设置有一列间隔排列的导电连接结构，所述的第一方向为电磁波的传播方向；
第二金属导电层通过所述间隔排列的导电连接结构与第一金属导电层无间隙导电连接。
所述的间隔排列的导电连接结构，例如可以通过在常规矩形波导的两个窄边蚀刻凹槽结构，让相邻凹槽之间形成导电的凸起结构，凸起结构通过焊锡把上下两层金属板实现无间隙电连接，这种结构本发明称之为准空气集成波导AIW(Air IntegratedWaveguide)，或者可以设计为其他类似结构，下面结合实施例进行详细说明。
实施例1
在本实施例1中，所述的间隔排列的导电连接结构包括：设置在主通道两侧侧壁上的多个凹槽、以及各凹槽之间的凸起结构，所述的凸起结构周期或非周期的排列，且凸起结构顶部与第一金属导电层无间隙导电连接，形成间隔排列的导电连接结构。
参见图1，为本发明实施例1的准空气集成波导结构示意图，所述的准空气集成波导包括第一金属导电层101和第二金属导电层102；
第一金属导电层可以为冲压而成的平面金属板，其材质可以是铜，铝等金属材料，厚度为0.2mm-1mm，作为波导传输线宽边的一边起到屏蔽电磁信号的作用。
第二金属导电层102沿第一方向开设有主通道103，所述主通道作为所述波导电磁波的传输路径；所述的主通道例如是一定深度的凹槽，主通道凹槽的截面为矩形，所述的第一方向为电磁波的传播方向，所述的主通道凹槽深度可以根据波导的尺寸设计，其宽度在0.5-10mm的范围内，深度(也即高度)在0.5mm-5mm范围内。
可选的，所述的主通道可以是笔直的，也可以是弯曲的，例如为S型或者弧形。
所述的第二金属导电层，其厚度范围在1mm-10mm之间。
在此实施例中，在主通道两侧开有间隔排列的凹槽104，各凹槽104可以按照周期性或非周期性的排列，即等间距排列，或者不等间距排列，每一列各凹槽之间的形成有凸起结构，所述的凸起结构高度相同，且为金属导电材料；
且所述相邻凹槽之间的凸起结构其形状可以是半圆柱体、或长方体、三棱柱等棱柱体等，本发明不做限制。
需要说明的是，所述的凸起结构与所在第二金属导电层的其他凸起结构处于电连接状态，且所有的凸起结构均与第一金属导电层处于无间隙导电连接中。
优选的，所述的第二金属导电层102可以直接CNC成型，也可以用塑料注塑成型并在其表面电镀金属漆，第一金属导电层101与第二金属导电层102通过在凸起结构105的上表面加锡实现电连接，这样可以阻止电磁波除了沿着主通道103方向传播外的其他方向传播。另外为了增加矩形波导传输线的机械结构强度，会在第二金属导电层102中的主通道103两侧向外延伸的区域106处适当的位置增加锁紧螺丝，进一步增加主通道两侧区域导电连接可靠性。因此，通过将所述的两个导电层在主通道103两侧向外延伸的区域为了无间隙而通过机械结构连接在一起，能够降低电磁波在传播方向两侧区域的泄露。
考虑到加工，衰减及电磁波泄露等特性，第二金属导电层102中的相邻凸起结构105的间距s满足：s/d<2,d/w<0.2，就可以阻止能量的泄露，其中d为凸起结构105的直径,w为主通道103两侧的两列凸起结构105之间的距离。
基本尺寸为：s/d<2,d/w<0.2。
本发明的矩形波导传输线只在工作频率内传输TE10模。
波导只传输TE10模的条件：λ0/2<w<λ0，0<b<λ0。
λ0为工作频率在自由空间的波长，b为凹槽的深度。
可选的，所述凹槽104的深度b范围可设置为：0.3mm-5mm，优选的所述的凹槽深度范围在0.1-2mm之间；d的范围设置为0.5mm-2mm,w的尺寸受工作频率的影响，根据不同工作频率，其范围可设置为2mm-10mm，沿着电磁波传播路径方向的相邻凹槽之间间距在0.1mm-5mm的范围内，凹槽宽度范围在0.1-5mm，
可选的，所述的凹槽可以布置于其中的一个任意一个金属导电层中，且所述的凹槽可以对称或不对称的分布于其中一个金属导电层的主通道的两侧，。
优选的，所述的凹槽原则上是等宽，等长和等深，在所有凹槽中的最大高度差(即竖直方向)应小于0.015mm。其中凹槽的宽定义为与主通道平行的方向，凹槽的长定义为与主通道垂直的方向，凹槽的深定义为与主通道在垂直维度的深度b一致。
进一步的，所述的两个导电层及导电层上包含的其他所有结构都是由金属制成，处于互相的电连接状态。
进一步的，所述两个导电层形成的主通道沿着电磁波传播路径的两端至少有一个开口，所述的开口用于电磁辐射传输到所述微波器件和从所述的微波器件接收电磁辐射。
在此实施例中，通过在主通道两侧设置间隔排列的凹槽和凸起结构，以及通过在凸起结构105的上表面加锡与第一金属导电层电连接，实现了准空气集成波导结构，由于凸起结构与第一金属导电层电连接的工艺成本较低，实现容易，同时由于两侧设置的间隔排列的凹槽和凸起结构能够将阻止电磁波除了沿着主通道103方向传播外的其他方向传播，因此，该结构不仅能够降低矩形波导的加工难度，而且能够提高功率容量。
实施例2
在本实施例2中，所述的间隔排列的导电连接结构包括：设置在主通道两侧侧壁上的多个凹槽，以及各凹槽之间的凸起结构，所述的凸起结构周期或非周期的排列；
第一金属导电层上对应于所述凸起结构设置有两列通孔，每个通孔对应一个凸起结构，各通孔通过焊接剂与凸起结构顶部无间隙焊接，形成间隔排列的导电连接结构。
参见图2，为本发明实施例2的准空气集成波导结构示意图，本实施例2中的技术方案与实施例1中大体相同，不同之处在于，所述的第一金属导电层201，在此实施例2中，所述的第一金属导电层201上开对应于所述凸起结构205设置有两列金属通孔207，该两列金属通孔207每个金属通孔2071在垂直投影上与凸起结构205一一对应，该金属通孔207也是周期性或非周期性的间隔排列，凸起结构205之间形成有凹槽204。
在第二金属导电层202中的主通道203两侧向外延伸的区域206的适当位置，通过紧固螺栓等方式将第一金属导电层201与第二金属导电层202进行紧固实现电连接，同时通过在金属圆孔207增加焊锡来保证电磁波传播路径主通道203的两侧无间隙的电连接。
在此实施例中，通过在金属圆孔207增加焊锡来保证电磁波传播路径主通道203的两侧无间隙的电连接，相对于实施例1，具有更好的导电连接可靠性，减少电磁波在主通道两侧的泄露的可能性。
实施例3
在本实施例3中，所述的间隔排列的导电连接结构包括：
在第一金属导电层上设置有两列焊盘，各焊盘间隔排列，每列焊盘分别与第二金属导电层两侧的边缘上部区域对应，且通过间隔设排列的焊盘与第二金属导电层顶部无间隙导电连接。
图3是本发明实施例3的准空气集成波导结构示意图。第一金属导电层301与实施例1中相同，不同之处在，本实施例3中的第二金属导电层302，其包括一沿第一方向开设有主通道303，以及位于主通道两侧的间隔排列的两列焊盘308，所述的两列焊盘308为周期性或非周期性的排列，且在主通道303两侧不设置凹槽和凸起结构，通过在两列焊盘308位置加锡使导电层第一金属导电层301与第二金属导电层302焊接而处于无间隙电连接状态。
进一步的，同实施例1、2中，为了增加产品的机械结构强度，也会在第二金属导电层主通道303两侧的向外延伸区域306适当位置增加锁紧螺丝结构。
在此实施例中，本发明通过在主通道两侧设置间隔排列的焊盘结构，第二金属导电层通过上述焊盘直接与第第一金属导电层电连接，从而在主通道两侧形成了相关的屏蔽结构，防止电磁波泄露到主通道的两侧方向上，使得电磁波沿着第一方向传播。
实施例4
在本实施例4中，所述的间隔排列的导电连接结构包括：
在第一金属导电层上设置有两列通孔，各通孔间隔排列，每列通孔分别与第二金属导电层两侧的边缘上部区域对应，且通过间隔排列的通孔利用焊接剂与第二金属导电层顶部无间隙导电连接。
参见图4，是本实施例4的准空气集成波导结构示意图，在此实施例4中，第二金属导电层402与实施例3中相同，不同之处在于，第一金属导电层401上开有间隔排列的两列金属通孔407，每列的各金属通孔按照周期性或非周期性排列，且该金属通孔407在垂直投影上与第二金属导电层两侧的边缘上部区域的焊盘408一一对应，通过在金属通孔407处增加焊锡来保证第一金属导电层401与第二金属导电层402在电磁波传播路径主通道403的两侧无间隙的电连接，
进一步的，同实施例1、2中，为了增加产品的机械结构强度和电连接性，也会在第二金属导电层主通道403两侧的向外延伸区域406适当位置增加锁紧螺丝结构，使得第一金属导电层401与第二金属导电层402具有良好的电接触。
进一步的，本发明还可以在主通道上设置单脊结构，从而，可以使得电磁波在第一金属导电层与单脊之间传播：具体参见下面的实施例5-6；
实施例5，
参见图5，是本实施例5的准空气集成波导结构示意图，此实施例5是实施例1的衍生结构，第一金属导电层501与实施例1中第第一金属导电层101相同，不同之处在于，第二金属导电层502在主通道503上沿着第一方向增加有单脊509，此时，电磁波被束缚在单脊509上表面与第一金属导电层501之间。
实施例6
参见图6，是本实施例6的准空气集成波导结构示意图，此实施例6是实施例3的衍生结构，第一金属导电层601与实施例3中第第一金属导电层101相同，不同之处在于，第二金属导电层602在主通道603上沿着第一方向增加有单脊结构609，此时，电磁波被束缚在单脊609上表面与第一金属导电层601之间。
进一步的，本发明还通过在将第一金属导电层替换设置为与第二金属导电层相同的结构，将两个相同结构的第二金属导电层主通道内设置单脊结构，并将主通道所在的面相互扣合，贴合位置导电连接，形成双脊结构波导，如下面的实施例7所示。
实施例7
参见图7，是基于实施例1衍生出的双脊准空气集成波导结构示意图，第一金属导电层701与第二金属导电层702结构相同，都采用实施例1中的第二金属导电层102相同的结构，且在主通道增设有单脊，结构，然后将结构相同的第二金属导电层金属层主通道内设置单脊结构，并将两个金属导电层主通道所在的面相互扣合，贴合接触位置通过焊盘或直接导电连接，形成上下的双脊结构波导。图8是该双脊准空气集成波导结构的侧视图。
实施例8
参见图9-10，本实施例8与实施例7的结构总体相同，不同之处在于，将第二金属导电层替换为实施例3中的第二金属导电层302，且在主通道803上沿着第一方向设置有单脊，从而上下两个完全相同的第一金属导电层801和第二金属导电层802主通道所在的面相互扣合，贴合接触位置通过焊盘或直接导电连接，形成上下的双脊结构准空气集成波导，电磁波沿着双脊传播。图10为双脊准空气集成波导结构的侧视图。
进一步的，根据本发明的一个优选实施方式，所述的间隔排列的导电连接结构还可以设置为：
在主通道两侧设置有间隔排列的金属柱，所述间隔排列为周期或非周期的，所述的金属柱将第二金属导电层与第一金属导电层无间隙导电连接。如下面的实施例9所示。
实施例9
参见图11所示，根据本发明的实施例9，第一金属导电层901与实施例1中相同，不同之处在于，在第二金属导电层902的主通道903两侧设置有间隔排列的两列金属柱905，所述间隔排列是指排列间距为周期性的或非周期性的，两列金属柱905分别位于主通道903的两侧，且在主通道903上还设置有单脊909。
所示的第二金属导电层902可以是CNC的金属或塑料电镀材料，进一步的，在金属柱905上上表面增加焊锡对第一金属导电层901与第二金属导电层902进行焊接，实现无间隙电连接，形成准空气集成波导结构，电磁波沿着单脊的方向在第一金属导电层901和单脊之间传播。
实施例10
根本发明的实施例10，如图12所示，还可以在实施例9的基础上，将第一金属导电层1001对应主通道1003的主通道方向加工出单脊1019，然后将第一金属导电层1001扣合在第二金属导电层1002上，从而衍生出一种双脊空气集成波导结构，图13是沿着其侧视图。
参见图14，是基于图13生产的爆炸图。其中，第一金属导电层1001与第一单脊1019为一体结构，加工时可一体成型；第二金属导电层1002与第二单脊1029、以及金属柱1005为一体结构，加工时可一体成型，直接在第二金属导电层1002上加工出第二单脊1029、以及金属柱1005。为了防止电磁泄露，同样在金属柱1005的上表面增加焊锡，与第一金属导电层1001焊接实现无缝隙电连接。
上述各实施例中的准空气集成波导器件可应用于天线系统，功分器，合成器，滤波器，电路系统等。本发明特别适用于在频率30GHz以上的使用，以及例如在用于雷达或传感器系统中的天线系统中的使用。本发明当频率较高(如77GHz)对现有的电磁传输线例如同轴线和微带线、带状线及介质集成波导SIW(Substrate Integrated Waveguide)传输线由于其介质损耗和生产加工问题而不能良好工作时，这种新的电磁波传输器件是有优势的。
本发明主要涉及毫米波区域(30GHz-300GHz)，但本发明在高于300GHz或低于30GHz的频率也是具有优势的。
根据本发明的另一个方面，还提出一种针对前述实施例1、2的准空气集成波导的加工方法，包括如下步骤：
在第二金属导电层上加工出主通道，所述的主通道为凹槽结构；
在所述的主通道的两侧壁分别加工出间隔排列的凹槽结构，所述的凹槽之间形成凸起结构；
其中，所述凹槽和凸起结构形成在所述的第二金属导电层基部，所有各凸起结构至少经由它们固定地连接到的所述第二金属导电层基部而电连接到彼此，即各凸起结构通过共同的第二金属导电层基部实现彼此的电连接；
将第一金属导电层安装第二金属导电层之上，并通过将所述的凸起结构上部与第一金属导电层焊接形成无间隙的导电连接结构，得到所述的准空气集成波导。
由于将第一金属导电层安装在所述第二金属导电层之上，从而在所述第一金属导电层和所述第二金属导电层之间形成无间隙内包围住的主通道；
其中主通道两侧无间隙以阻止工作频带中的在除了沿着预期波导路径以外的其它方向上的波传播，以及
其中，所述主通道两侧所在第二金属导电层中的凹槽或凸起结构为间隔排列的，可以为周期性或非周期性，本发明不作限制，但是对间距尺寸有要求，具体参见实施例1中的尺寸限定，最后，通过焊接使得各凸起结构与第一金属导电层处于无间隙的导电连接状态。
进一步的，其中周期性或非周期性的凹槽可通过铣削或蚀刻制造。
进一步的，可以在第一金属导电层上加工两列间隔排列的金属通孔；所述各金属通孔与第二金属导电层上的凸起结构一一对应；每列的金属通孔可以为周期性或非周期性；
进一步的，其中所述的周期性或非周期性金属通孔的个数与第二金属导电层中的周期性或非周期性凹槽之间的凸起结构个数相等，且垂直投影上位置一一对应。
在所述金属通孔中放入焊接剂，将所述金属通孔与凸起结构焊接实现无间隙导电连接。
还可以将第一金属导电层通过锁螺丝，焊接或铆接的方式实现两层导电层无间隙电连接。
如果通过焊接方式连接，其中焊接的位置位于所述凸起结构上，具体安装时，首先，先将焊锡一次刷到所述的凸起结构上，再将把没有开孔的第一金属导电层按照结构尺寸要求组装到涂有焊锡的第二金属导电层上，并放置烤箱加热定型，或者
把开有圆孔的平面导电层按照圆孔位置与凸起结构一一对应对齐组装，然后在通过圆孔加锡来实现两个导电层电连接。
上述具有周期性或非周期性凹槽的第二金属导电层，可以通过CNC或塑料电镀实现。
其中所述的塑料电镀是先用注塑实现导电层的形状，然后在注塑的结构表面喷金属漆来实现导电功能。
根据本发明的另一个方面，还提出一种针对前述实施例3、4的准空气集成波导的加工方法，包括如下步骤：
在第二金属导电层上加工出主通道，所述的主通道为凹槽结构；
在第二金属导电层主通道两侧上方加工两列间隔排列的金属焊盘，或者，在第一金属导电层上加工两列间隔排列金属通孔；
所述的每列金属通孔可以为周期性或非周期性排列，本发明不作限制，但是对间距尺寸有要求，具体参见实施例1中的尺寸限定；
其中第二金属导电层可用黄铜冲压而成或CNC制造。
所述的第一金属导电层可以是不加载任何器件的平面导电层，也可以是开有周期性或非周期性圆孔的平面导电层。
通过所述的金属焊盘或者金属通孔将第一金属导电层与第二金属导电层实现无间隙焊接，实现无间隙导电连接。
可以将第一金属导电层通过锁螺丝，焊接或铆接的方式实现两层导电层无间隙电连接。
根据本发明的另一方面，还提供了一种用于上述准空气集成波导的垂直过渡结构，用于与上述各实施例中的准空气集成波导相耦合，进行电磁波传输。具体的，包括：
设置在第二金属导电层上且与主通道一端相连通的过渡通孔，所述过渡通孔与主通道相互垂直；
转接波导，用于与所述的过渡通孔对接，耦合电磁波，所述转接波导垂直于准空气集成波导；
其中，在过渡通孔中设置有金属柱结构，以及在过渡通孔周围内壁设置有多个所述凹槽和凸起结构；或者在过渡通孔周围围绕设置有间隔排列的焊盘连接结构，通过上述间隔排列的焊盘连接结构，能够转接波导与过渡通孔无间隙导电连接。
进一步的，还包括：在主通道与过渡通孔交界处设置的匹配结构。
参见图15所示，图15是本发明的实施例1中的准空气集成波导与矩形波导的垂直过渡结构示意图，与实施例1中的准空气集成波导垂直的转接波导形式可以是图19中的第一型垂直波导43或者图20中的第二型垂直波导44，第一型垂直波导43中间用一定数量的金属柱替代矩形波导的四周电壁，第二型垂直波导44是常规的矩形波导。在实施例1中的准空气集成波导主通道末端开设有波导口39，其口径与第一型垂直波导43或44的口径一样，另外在垂直波导和准空气集成波导的交界处设置有匹配结构38，其中匹配结构38形状可以是等高的矩形或呈阶梯状，除了上述形状也可以是其他不限于本方案中的额形状。匹配结构的宽度范围可设置为0.5-2mm，长度范围可设置1-10mm。
图16是图15结构的俯视图。
图17是本发明的技术实施例3中的准空气集成波导与矩形波导的垂直过渡结构示意图，与实施例3中的准空气集成波导垂直的波导形式可以是图19中的第一型垂直波导43或者图20中的第二型垂直波导44，第一型垂直波导43中间用一定数量的金属柱替代矩形波导的四周电壁，第二型垂直波导44是常规的矩形波导。波导口41是在实施例1中的准空气集成波导末端开的与第一型垂直波导43或44的口径一样，另外在垂直波导和准空气集成波导的交界处设置有匹配结构40，其中匹配结构40形状可以是等高的矩形或呈阶梯状，除了上述形状也可以是其他不限于本方案中的额形状。匹配结构的宽度范围可设置为0.5-2mm，长度范围可设置1-10mm。
图18是图17中结构俯视图。
图21是PCB上辐射天线与共面波导(CPW)示意图，PCB由三层结构组成：顶层金属层51，中间介质层48和底层金属层50。根据不同的工作频率，介质层48的材料可选不同的规格，例如工作于毫米波的话，需要的介质必须是低损耗的高频板材。传输线46与辐射贴片45处于电连接，且辐射贴片45位于顶层金属层51开窗49的内部。传输线46和辐射贴片45与PCB顶层金属层51处于同一层。沿着开窗49的周围分布周期性或非周期性的金属通孔。
图22是图21中的PCB与针对实施例1中的准空气集成波导过渡结构示意图，开口窗49的尺寸与矩形波导53的口径尺寸一致或者矩形波导53的口径尺寸略大于开口窗49的口径尺寸，为了防止矩形波导53与PCB 55中的传输线46短路，需要在矩形波导53的窄边开有缺口54，其尺寸范围根据工作频率而定。矩形波导53与准空气集成波导52是一体化成型，并通过锁螺丝的方式与PCB 55处于电连接。
图23与图22的结构唯一不同的是垂直过渡的矩形波导，图23中用金属柱实现的矩形波导替代图22中的常规矩形波导53，这样做的优点是可以减小波导与PCB 58组装时带来的误差影响传输性能。准空气集成波导52和56可以是本发明中的实施例1至实施例5中的任意一种。
图24是图23中垂直过渡波导57的细节图，金属柱59可以是圆柱形也可以是矩形或者其他可以实现阻止电磁波泄露的其他形状。波导口60是电磁传输的路径通道，61是给PCB上传输线46通过的开口。
图25是在PCB上在垂直向实现矩形波导口的示意图。这里需要说明一个概念LoP(Launch on Package)，就是在芯片中集成了辐射贴片45和传输线46，因此我们在设计产品时不需要再单独在PCB上设计辐射贴片45和传输线46。这样的好处是不论频率高低，我们都可采用常规的普通板材，因为PCB上没有辐射贴片45和传输线46，所以没有由于介质损耗带来的性能恶化。有了LoP后，我们只需在普通PCB板材上开窗63，并在开窗63的四周加载周期性或非周期性的金属通孔62，金属通孔62类似于矩形波导的四个电壁阻止电磁波的泄露。另外普通PCB板材最少由顶层金属层64，中间介质层65和底层金属层66组成，当然根据实际需要，PCB的层叠结构可以是2-10层不等。
图26是LoP方案下的PCB 69与准空气集成波导67的过渡示意图，芯片70中包含传输线46和辐射贴片45，其中芯片70中的辐射贴片在垂直投影上位于PCB开口窗63内部，开口窗63与矩形波导68在口径上也是投影重合。这里因为在PCB表面没有传输线46，所以矩形波导68不需要像矩形波导53那样在窄边开槽54。
图27与图26的结构唯一不同的是垂直过渡的矩形波导72，图27中用金属柱实现的矩形波导替代图26中的常规矩形波导68，这样做的优点是可以减小波导与PCB 73组装时带来的误差影响传输性能。准空气集成波导67和71可以是本发明中的实施例1至5中的任意一种。
图28是图27中垂直过渡波导72的细节俯视图。
根据本发明的另一方面，还提出一种具有准空气集成波导的阵列天线，其包括上述各实施例中之一所述的准空气集成波导，其中，在所述的准空气集成波导上，沿着第一金属导电层表面的第一方向，设置有多个缝隙开口。
相对传统缝隙天线的优势是天线结构的实现形式，此种缝隙天线不会因为加工误差或组装误差带来天线性能的恶化。而传统缝隙天线有加工误差或组装误差带来天线性能恶化的风险，同时传统缝隙天线有产线一致性风险，但此种阵列天线产线一致性是优越的。
图29和图30是基于本发明中的技术实施例1和实施例3中的准空气集成波导衍生出缝隙阵列天线的结构示意图。图29和图30中是端馈形式，但中间馈电的形式也受本发明的保护。缝隙的个数根据需求可以设置的范围为1-10不等。
最后要说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，但本领域的相关人员应当理解，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 (18)

1.一种准空气集成波导，其特征在于，包括：
第一金属导电层和第二金属导电层，其中，
第二金属导电层沿第一方向开设有主通道，沿着所述主通道的两侧分别设置有一列间隔排列的导电连接结构，所述的第一方向为电磁波的传播方向；
第二金属导电层通过所述间隔排列的导电连接结构与第一金属导电层无间隙导电连接。
2.根据权利要求1所述的一种准空气集成波导，其特征在于：所述的一列间隔排列的导电连接结构，包括：
设置在主通道两侧侧壁上的多个凹槽、以及各凹槽之间的凸起结构，所述的凸起结构周期或非周期的排列，且凸起结构顶部与第一金属导电层无间隙导电连接，形成间隔排列的导电连接结构。
3.根据权利要求1所述的一种准空气集成波导，其特征在于：所述一列间隔排列的导电连接结构，包括：
设置在主通道两侧侧壁上的多个凹槽，以及各凹槽之间的凸起结构，所述的凸起结构周期或非周期的排列；
第一金属导电层上对应于所述凸起结构设置有两列通孔，每个通孔对应一个凸起结构，各通孔通过焊接剂与凸起结构顶部无间隙焊接，形成间隔排列的导电连接结构。
4.根据权利要求1所述的一种准空气集成波导，其特征在于：所述一列间隔排列的导电连接结构，包括：
在第一金属导电层上设置有两列焊盘，各焊盘间隔排列，每列焊盘分别与第二金属导电层两侧的边缘上部区域对应，且通过间隔设排列的焊盘与第二金属导电层顶部无间隙导电连接。
5.根据权利要求1所述的一种准空气集成波导，其特征在于：所述一列间隔排列的导电连接结构，包括：
在第一金属导电层上设置有两列通孔，各通孔间隔排列，每列通孔分别与第二金属导电层两侧的边缘上部区域对应，且通过间隔排列的通孔利用焊接剂与第二金属导电层顶部无间隙导电连接。
6.根据权利要求1所述的一种准空气集成波导，其特征在于：所述一列间隔排列的导电连接结构，包括：
在主通道两侧设置有间隔排列的金属柱，所述间隔排列为周期或非周期的，所述的金属柱将第二金属导电层与第一金属导电层无间隙导电连接。
7.根据权利要求2-6之一所述的一种准空气集成波导，其特征在于：在主通道上还设置有单脊结构。
8.根据权利要求2-6之一所述的一种准空气集成波导，其特征在于：通过在将第一金属导电层替换设置为与第二金属导电层相同的结构，将两个相同结构的第二金属导电层主通道内设置单脊结构，并将主通道所在的面相互扣合，贴合位置导电连接，形成双脊结构波导。
9.根据权利要求2或3所述的准空气集成波导，其特征在于：
所述的多个凸起结构为金属导电材料，高度相同，形状为半圆柱或三棱锥、长方体。
10.根据权利要求2或3所述的准空气集成波导，其特征在于：
两列凸起结构之间的距离为w，同一列凸起结构中相邻凸起结构中心之间的间距为s，凸起结构的宽度为d，则：s/d<2,d/w<0.2。
11.根据权利要求4或5所述的准空气集成波导，其特征在于：
两列焊盘之间的距离为w，同一列焊盘中相邻焊盘中心之间的间距为s，焊盘的直径为d，则：s/d<2,d/w<0.2。
12.根据权利要求1-6之一所述的准空气集成波导，其特征在于：
所述的第一金属导电层为金属平板。
13.一种用于权利要求1-6之一所述准空气集成波导的过渡结构，其特征在于，包括：
设置在第二金属导电层上且与主通道一端相连通的过渡通孔，所述过渡通孔与主通道相互垂直；
转接波导，用于与所述的过渡通孔对接，耦合电磁波；
其中，在过渡通孔中设置有金属柱结构，以及在过渡通孔周围内壁设置有多个所述凹槽和凸起结构；或者在过渡通孔周围围绕设置有间隔排列的焊盘连接结构，通过上述间隔排列的焊盘连接结构，能够将转接波导与过渡通孔无间隙导电连接。
14.根据权利要求13所述的垂直过渡结构，其特征在于，还包括：
在主通道与过渡通孔交界处设置有匹配结构。
15.一种准空气集成波导缝隙天线，其特征在于，在如权利要求1-6之一所述的准空气集成波导上，沿着第一金属导电层表面的第一方向，设置有多个缝隙开口。
16.一种如权利要求1-3之一所述的准空气集成波导的加工方法，其特征在于，包括：
在第二金属导电层上加工出主通道，所述的主通道为凹槽结构；
在所述的主通道的两侧壁分别加工出间隔排列的凹槽结构，所述的凹槽之间形成凸起结构；
将第一金属导电层安装第二金属导电层之上，并通过将所述的凸起结构上部与第一金属导电层焊接形成无间隙的导电连接结构，得到所述的准空气集成波导。
17.根据权利要求17所述的准空气集成波导的加工方法，其特征在于：
在第一金属导电层上加工两列间隔排列的金属通孔；所述各金属通孔与第二金属导电层上的凸起结构一一对应；
在所述金属通孔中放入焊接剂，将所述金属通孔与凸起结构焊接实现无间隙导电连接。
18.一种如权利要求1、4-5之一所述的准空气集成波导的加工方法，其特征在于，包括：
在第二金属导电层上加工出主通道，所述的主通道为凹槽结构；
在第二金属导电层主通道两侧上方加工两列间隔排列的金属焊盘，或者，在第一金属导电层上加工两列间隔排列金属通孔；
通过所述的金属焊盘或者金属通孔将第一金属导电层与第二金属导电层实现无间隙焊接，实现无间隙导电连接。
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