一种单模带宽提升的基片集成波导传输线
阅读说明：本技术 一种单模带宽提升的基片集成波导传输线 (Substrate integrated waveguide transmission line with improved single-mode bandwidth ) 是由 李晓春 纪磊 朱宏彬 毛军发 于 2021-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种单模带宽提升的基片集成波导传输线。该波导传输线包括：第一介质基板、第一金属贴片、第一金属过孔、第二金属过孔、第二金属贴片、第二介质基板和第三金属贴片。其中,第一介质基板、第一金属贴片、第一金属过孔、第二金属过孔、第二金属贴片形成不同材料填充的金属脊,第一介质基板中设置空气过孔阵列,进而形成脊半模基片集成波导和空气过孔阵列相混合的传输结构,与传统的基片集成波导相比,同时实现横向尺寸的减小和单模传输带宽的提升,此外该混合结构简单紧凑,易于集成,制作方便,适用范围广,在超宽带通信系统中具有广阔的应用前景。(The invention relates to a single-mode bandwidth-improved substrate integrated waveguide transmission line. The waveguide transmission line includes: the metal-clad plate comprises a first dielectric substrate, a first metal patch, a first metal via hole, a second metal patch, a second dielectric substrate and a third metal patch. The first dielectric substrate, the first metal patch, the first metal via hole, the second metal patch forms the metal ridge filled with different materials, the air via hole array is arranged in the first dielectric substrate, and then the transmission structure with the ridge half-mode substrate integrated waveguide and the air via hole array mixed is formed.)
技术领域
本发明涉及波导传输装置技术领域，特别是涉及一种单模带宽提升的基片集成波导传输线。
背景技术
基片集成波导(SIW)具有屏蔽性良好、低成本、高品质因数、高功率容量和易于集成等优点，已成为微波毫米波电路器件和高速电互连系统的重要选择。与微带线和共面波导等传输线相比，基片集成波导技术的主要缺点是横向尺寸较大，单模传输带宽(SMB)有限。
为了减小基片集成波导的横向尺寸并增大其单模传输带宽，相关研究分别提出了例如基片集成折叠波导、脊基片集成波导和半模基片集成波导等多种基片集成波导结构。对于基片集成折叠波导传输线，通过折叠其上金属表面，可以在不显著影响场分布的情况下，使波导结构的横向尺寸减小50％。由于波导的主模(f1)和第一个高次模(f2)的截止频率同时改变，因此单模传输带宽与传统基片集成波导相比保持不变。对于脊基片集成波导传输线，位于波导宽边中部的金属脊可以在不明显影响f2的情况下减小f1，从而实现波导横向宽度的小型化和单模传输带宽的提升。此外，通过沿基片集成波导中心对称线去掉一半可以得到半模基片集成波导，也可以实现波导的横向宽度减小50％。提高基片集成波导的单模传输带宽的另一种方法是通过降低波导第一个高次模分布区域的有效介电常数来提高第一个高次模的截止频率(f2)，但对波导的横向尺寸减小有限。
以上这些技术很难在减小横向尺寸的同时显著提升单模传输带宽，为解决这一技术问题，现有技术亟需提供一种两种材料填充的脊半模基片集成波导传输线，在减小横向尺寸的同时显著提升单模传输带宽。
发明内容
本发明的目的是提供一种单模带宽提升的基片集成波导传输线，能够在减小波导横向尺寸的同时显著提升单模传输带宽。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种单模带宽提升的基片集成波导传输线，包括：第一介质基板、第一金属贴片、第一金属过孔、第二金属过孔、第二金属贴片、第二介质基板和第三金属贴片；
所述第二介质基板设置在所述第三金属贴片上；所述第二金属贴片设置在所述第二介质基板上；所述第一介质基板设置在所述第二金属贴片上；所述第一金属贴片设置在所述第一介质基板上；所述第一金属过孔穿过所述第一介质基板和所述第二介质基板后分别与所述第一金属贴片和所述第三金属贴片连接；所述第二金属过孔穿过所述第一介质基板后分别与第一金属贴片和所述第二金属贴片连接；所述第一介质基板中设置有空气过孔阵列。
优选地，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不同。
优选地，所述第一介质基板的介电常数小于所述第二介质基板的介电常数。
优选地，所述第一介质基板的介电常数大于所述第二介质基板的介电常数。
优选地，所述第一金属贴片的宽度和所述第三金属贴片的宽度相等。
优选地，所述第二金属贴片的宽度小于所述第一金属贴片的宽度和所述第三金属贴片的宽度。
优选地，所述第一金属贴片的宽度大于所述第三金属贴片的宽度。
优选地，所述第一金属贴片的宽度小于所述第三金属贴片的宽度。
优选地，所述空气过孔阵列中各列空气过孔的排列周期相同。
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：
本发明提供的波导传输线包括：第一介质基板、第一金属贴片、第一金属过孔、第二金属过孔、第二金属贴片、第二介质基板和第三金属贴片。其中，第一介质基板、第一金属贴片、第一金属过孔、第二金属过孔、第二金属贴片形成不同材料填充的脊半模基片集成波导和空气过孔阵列相混合的传输结构，能够显著提升单模传输带宽。
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为本发明提供的单模带宽提升的基片集成波导传输线的结构示意图；
图2为本发明提供的单模带宽提升的基片集成波导传输线的横截面示意图；
图3为本发明实施例提供的不同金属脊高度对主模和高次模截止频率的影响结果图；
图4为本发明实施例提供的不同介电常数基板填充对主模和高次模截止频率的影响结果图。
图5为本发明实施例提供的加载不同数量空气过孔对主模和高次模截止频率的影响结果图。
图6为本发明实施例提供的改变空气过孔半径对主模和高次模截止频率的影响结果图。
图7为本发明实施例提供的波导传输线S参数的仿真和测试结果图。
符号说明：
1-第一介质基板，2-第一金属贴片，3-第一金属过孔，4-空气过孔阵列，5-第二金属贴片，6-第二介质基板，7-第三金属贴片，8-第二金属过孔。
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。
本发明的目的是提供一种单模带宽提升的基片集成波导传输线，能够显著提升单模传输带宽。
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。
如图1和图2所示，本发明提供的波导传输线，包括：第一介质基板1、第一金属贴片2、第一金属过孔3、第二金属过孔8、第二金属贴片5、第二介质基板6和第三金属贴片7。
第二介质基板6设置在第三金属贴片7上。第二金属贴片5设置在第二介质基板6上。第一介质基板1设置在第二金属贴片5上。第一金属贴片2设置在第一介质基板1上。第一金属过孔3穿过第一介质基板1和第二介质基板6后分别与第一金属贴片2和第三金属贴片7连接。第二金属过孔8穿过第一介质基板1后分别与第一金属贴片2和第二金属贴片5连接。第一介质基板1中设置有空气过孔阵列4。
其中，第一介质基板1、第一金属贴片2、第一金属过孔3、第二金属过孔8、第二金属贴片5、第二介质基板6和第三金属贴片7形成脊半模基片集成波导，并和空气过孔阵列相混合形成传输结构。其中，第一金属过孔3的直径和第二金属过孔8的直径均为d。
进一步为了能够得到更宽的单模传输带宽，第一介质基板的介电常数ε1和第二介质基板的介电常数ε2不同，ε2/ε1越小，实现的单模传输带宽越宽。
为了能够显著减小横向尺寸，第一金属贴片2的宽度和第三金属贴片7的宽度间的关系不做要求，在制备过程中，只需要确保第二金属贴片5的宽度小于第一金属贴片2的宽度和第三金属贴片5的宽度即可。其中，第一金属贴片2的宽度为w、第二金属贴片5的宽度为ws、第三金属贴片7的宽度为wg。
并且，通过调节金属脊的高度h2(如图2所示，即为第一介质基板1的高度)可实现对基片集成波导横向尺寸的小型化，通过调节第一、第二介质基板的介电常数ε1和ε2、周期性空气过孔阵列4的排列周期p的大小，可实现对脊半模基片集成波导单模传输带宽的提升。
进一步，第一、第二介质基板的厚度(h1和h2)不同，h2/(h1+h2)越小，引入的电容越大，在工作截至频率不变的情况下，实现横向尺寸的减小。
进一步，根据实际应用需求，通过调节空气过孔阵列4中的空气过孔的半径r，可以实现单模带宽的进一步提升。其中，两个空气过孔间的距离为p，单位为mm，空气过孔的直径为da。
下面采用具体的实施例对本发明上述提供的的显著性能进行说明。
实施例1
第一介质基板1采用Taconic TLY材料，其介电常数为2.2，介质损耗角正切为0.001。第二介质基板6采用Taconic CER-10材料，其介电常数为10.0，介质损耗角正切为0.0035。第一金属贴片2的宽度w＝8mm，第二金属贴片5的宽度ws＝1.2mm。第三金属贴片7的宽度wg＝6.5mm，第一介质基板1的厚度h1＝0.5mm，第二介质基板6的厚度h2＝1.5mm，空气过孔直径da＝0.8mm，空气过孔周期p＝0.8mm。不同介质基板厚度比h2/h1变化对主模(模式1)和高次模(模式2)截止频率的影响如图3所示，底层基板介电常数变化对主模(模式1)和高次模(模式2)截止频率的影响如图4所示。上层基板介电常数变化对主模(模式1)和高次模(模式2)截止频率的影响如图5所示。为加载空气过孔阵列对主模和高次模截止频率的影响如图6所示，其中，图3-图6中的横轴表示为频率(GHz)，纵轴表示为传播常数(rad/m)。仿真和测试的S参数如图7所示。图7中横轴表示频率(GHz)，纵轴表示分贝(dB)。
实施例2
该实施例2中，除将第一金属贴片2的宽度w设置为8mm，第三金属贴片7的宽度wg设置为8mm之外，其他部件的设置参数与实施例1相同。
实施例3
该实施例2中，除将第一金属贴片2的宽度w设置为9.5mm，第三金属贴片7的宽度wg设置为8mm之外，其他部件的设置参数与实施例1相同。
综上，本发明采用填充两层不同介电常数的介质基板以及加载空气过孔阵列的脊半模基片集成波导传输结构，利用金属脊引入耦合电容，在工作截止频率不变的情况下，实现了波导横向尺寸的减小。并利用填充两层不同介电常数的介质基板以及加载空气过孔阵列，实现了单模传输带宽的显著提升。虽然脊半模基片集成波导增加了加工复杂度，但减少了横向尺寸，并且实现了单模传输带宽的显著提升。本发明作为一种单模传输带宽提升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，具有体积小、紧凑性高、设计简单、单模传输带宽宽等优点。可以在本传输线上进行改进，实现宽带化的器件设计。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。
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。
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