間隙波導(dǎo)的基本原理和優(yōu)勢

在我們學(xué)習(xí)射頻的第二課，就是射頻傳輸線，射頻設(shè)計(jì)在很大程度上其實(shí)是射頻傳輸線的設(shè)計(jì)，尤其對無源器件來說，無論是濾波器，功分器，耦合器，其實(shí)都是對某一種射頻傳輸線的一種結(jié)構(gòu)組合，讓其能夠?qū)崿F(xiàn)濾波，功分，耦合的功能。

在之前的文章中，我們不厭其煩地給大家介紹微波傳輸線的知識，一來是微波傳輸線在射頻設(shè)計(jì)中極其重要，另外這也是射頻設(shè)計(jì)區(qū)別于低頻的地方。

微波技術(shù)的發(fā)展，一來是隨著射頻集成電路的發(fā)展，射頻電路的集成化程度越來越高，而來是隨著新型傳輸線的出現(xiàn)，射頻設(shè)計(jì)變得也越來越精細(xì)。從最早的雙線，到后來的同軸線，再到可以與PCB相結(jié)合的帶狀線，微帶線，再到共面波導(dǎo)，基片集成波導(dǎo)SIW，每一個(gè)新型傳輸線的出現(xiàn)都帶來了射頻設(shè)計(jì)技術(shù)的一次飛躍。

今天再給大家介紹一款比較年輕的傳輸線——間隙波導(dǎo)。

間隙波導(dǎo)，英文名稱為Gap Waveguide，簡稱GW，這款新型的傳輸線最早是瑞典查爾姆斯理工大學(xué)Kildal等人在2009年提出，發(fā)表在論文《Local Metamaterial-Based Waveguides in Gaps Between Parallel Metal Plates》，這篇創(chuàng)始論文到現(xiàn)在已經(jīng)被700余篇論文引用。

這篇文章所提出的間隙波導(dǎo)實(shí)際上是是一種具有周期性結(jié)構(gòu)特征、基于非接觸電磁帶隙原理的新型電磁傳輸及屏蔽技術(shù)，通過周期性電磁結(jié)構(gòu)在一定條件下形成無需物理接觸的電磁帶隙(Electromagnetic Band Gap, EBG)，利用EBG的電磁禁帶特性構(gòu)建導(dǎo)波或屏蔽結(jié)構(gòu)，并衍生應(yīng)用于微波毫米波技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。

No.1 間隙波導(dǎo)的原理

間隙波導(dǎo)的基本原理是一個(gè)由兩個(gè)平行導(dǎo)體平面組成，兩個(gè)導(dǎo)體平面之間有一個(gè)很小的縫隙d，同時(shí)滿足λ＞4d，且兩個(gè)導(dǎo)體之間填充空氣或其他電介質(zhì)材料。

這樣的話就可以等效為一個(gè)理想電導(dǎo)體PEC和理想磁導(dǎo)體PMC模型，兩個(gè)無限大的PEC與PMC平行放置且不接觸，根據(jù)maxwell方程組和電磁場邊界條件，兩個(gè)平面間的波動方程的解不存在傳播模式，因而形成頻率禁帶，構(gòu)成一種EBG結(jié)構(gòu)。

由于自然界中沒有理想磁導(dǎo)體，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中可以采用特定的周期性結(jié)構(gòu)來形成人工磁導(dǎo)體來代替PMC平面。最為典型的即為周期性金屬凸體陣列構(gòu)成的金屬釘床和采用蘑菇貼片陣列構(gòu)建的基片式間隙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。這種周期性結(jié)構(gòu)破壞了平行板波導(dǎo)模式，進(jìn)而形成頻率禁帶，即構(gòu)成非接觸EBG。通常采用色散圖描述GW的電磁禁帶特性，如下圖所示

根據(jù)這一基本理論，研究者設(shè)計(jì)了各種間隙波導(dǎo)傳輸線，比如槽間隙波導(dǎo)（Groove Gap Waveguide， GGW）、脊間隙波導(dǎo)（Ridge Gap Waveguide， RGW）、微帶脊間隙波導(dǎo)（Micro-strip Ridge Gap Waveguide， MRGW）、倒置微帶間隙波導(dǎo)(Inverted Micro-strip Gap Waveguide, IMGW)等。

如下圖所示

GGW通過非接觸電磁屏蔽代替?zhèn)鹘y(tǒng)波導(dǎo)的封閉式寬邊或窄邊，根據(jù)非接觸EBG的設(shè)置位置，可分為垂直極化和水平極化兩種。GGW內(nèi)部場分布與矩形波導(dǎo)類似，傳輸主模為準(zhǔn)TE10模。**RGW以金屬脊和上方非接觸的PEC平面構(gòu)成雙導(dǎo)體傳輸結(jié)構(gòu)，以PEC-AMC作為電磁屏蔽結(jié)構(gòu)，傳輸特性類似于微帶線，傳輸主模為準(zhǔn)TEM模。**當(dāng)采用基片型AMC配合微帶脊結(jié)構(gòu)時(shí)，RGW可演變成為MRGW，也稱為基片RGW。IMGW結(jié)構(gòu)與RGW相似，通過在AMC平面上放置背面無金屬覆層的微帶線構(gòu)成，上方的PEC面與微帶線不接觸，可看成是一種AMC封裝形式的倒置微帶或懸置微帶線，其最大優(yōu)點(diǎn)是便于和傳統(tǒng)平面電路相互集成。但由于有介質(zhì)的存在，IMGW比RGW的損耗相對較高。

No.2 間隙波導(dǎo)的優(yōu)勢

間隙波導(dǎo)的寬帶、非接觸電磁屏蔽特性在構(gòu)建新型傳輸線、提升或改善電路系統(tǒng)性能及實(shí)現(xiàn)更加靈活的集成等方面顯示出極大的優(yōu)勢和潛力，為微波毫米波器件、電路、天線等提供了新的思路和技術(shù)途徑，相關(guān)研究在近年來得到了快速發(fā)展，引起了廣泛關(guān)注。

通過上面表格可以看出，基于間隙波導(dǎo)的天線的損耗比微帶線小 10 倍以上，損耗比基板集成波導(dǎo) （SIW） 天線低 3 倍以上，損耗與矩形波導(dǎo)大致相同。與矩形波導(dǎo)的高生產(chǎn)成本相比，生產(chǎn)成本被認(rèn)為是低到中等的。間隙波導(dǎo)技術(shù)具有與微帶波導(dǎo)技術(shù)相媲美的高天線設(shè)計(jì)和集成靈活性。

結(jié)構(gòu)化表面可以通過機(jī)械加工（例如銑削、鉆孔）、模制或擠出塑料表面金屬化或用塑料或彈性體層層壓導(dǎo)電帶來制造。兩塊板之間不需要金屬接觸或?qū)щ娐窂?，因此與焊接或緊密機(jī)械緊固的矩形波導(dǎo)相比，該組件更簡單、更易于制造。

No.3 間隙波導(dǎo)的應(yīng)用

間隙波導(dǎo)對于毫米波，尤其是30GHz以上的優(yōu)勢特別明顯，因此在毫米波電路，天線上也得到了廣泛的研究和關(guān)注。比如工作在77GHz的毫米波雷達(dá)天線，就可以采用間隙波導(dǎo)技術(shù)來提高毫米波雷達(dá)的性能，如下圖所示

同時(shí)有論文3基于塑料注塑和微加工工藝實(shí)現(xiàn)了140GHz的間隙波導(dǎo)天線陣，如下圖所示，

其結(jié)構(gòu)原理圖如下

其中的間隙波導(dǎo)三功分器如下圖所示

天線陣列單元如下圖所示

在論文4中給出了一種基于間隙波導(dǎo)技術(shù)的Ka波段平面開槽波導(dǎo)陣列，這篇論文里面給出了一種基于間隙波導(dǎo)的一分四功分器，如下圖所示

基于間隙波導(dǎo)的天線設(shè)計(jì)如下

論文5中提出了一款基于間隙波導(dǎo)的漏波天線，結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：