朱明，肖懷寶，張志波，逯貴禎

(中國(guó)傳媒大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100024)

新型縫隙波導(dǎo)的研究與分析

朱明，肖懷寶，張志波，逯貴禎

(中國(guó)傳媒大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100024)

本文在用色散圖法分析了目前主要存在的兩種能夠傳輸準(zhǔn)TEM波的縫隙波導(dǎo)的特性基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種能夠傳輸準(zhǔn)TEM波的新型平行板縫隙波導(dǎo)，通過(guò)對(duì)色散圖的仿真研究其縫隙高度對(duì)波導(dǎo)傳輸特性的影響以及通帶范圍內(nèi)波的模式特性，該縫隙波導(dǎo)具有相對(duì)較大縫隙尺寸，使其能夠方便地應(yīng)用于測(cè)量具有周期結(jié)構(gòu)的人工電磁材料電磁參數(shù)。

色散圖；縫隙波導(dǎo)；準(zhǔn)TEM波；人工電磁材料

1 引言

近幾年來(lái)人們對(duì)于高頻環(huán)境下的通信設(shè)備傳輸能力的要求越來(lái)越高，很多新型的傳輸結(jié)構(gòu)被陸續(xù)的設(shè)計(jì)并被應(yīng)用于微波及通信系統(tǒng)領(lǐng)域中，縫隙波導(dǎo)就是其中的一種。這種新型結(jié)構(gòu)擁有能夠傳播準(zhǔn)TEM波的能力，且具很寬的工作頻帶，故在微波高頻段尤其是毫米波頻段以上的通信系統(tǒng)中擁有巨大的應(yīng)用前景。

關(guān)于新型縫隙波導(dǎo)的研究目前主要是由P.S.Kildal等外國(guó)學(xué)者完成，國(guó)內(nèi)在此方面的文獻(xiàn)資料還相對(duì)較少。下面我們來(lái)介紹一下對(duì)于這種新型縫隙波導(dǎo)的主要研究成果有哪些。2009年P(guān).S.Kildal等人第一次提出了金屬脊型縫隙波導(dǎo)的概念[1]，主要闡明了這種新型波導(dǎo)能夠傳播準(zhǔn)TEM波，在這一年他們又對(duì)軟硬表面構(gòu)成的人工磁導(dǎo)體(artificial magnetic conductor：AMC)平面給出了分析說(shuō)明，同時(shí)提出了脊型、溝槽型、微帶線(xiàn)型三種縫隙波導(dǎo)并進(jìn)行了簡(jiǎn)要的比較分析[2]，此外，該團(tuán)隊(duì)還對(duì)縫隙波導(dǎo)的特性阻抗做了簡(jiǎn)要說(shuō)明[3]。此后幾年，對(duì)縫隙波導(dǎo)的研究還是主要集中在基礎(chǔ)理論分析階段，并且主要由P.S.Kildal等人完成。2008年Silveirinha M G等人提出了金屬針狀結(jié)構(gòu)的色散特性和表面阻抗的計(jì)算公式[4]。2010年E.Pucci等人通過(guò)對(duì)Q值的分析得出縫隙波導(dǎo)的傳輸損耗遠(yuǎn)低于普通波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和微帶線(xiàn)結(jié)構(gòu)[5]。同年E.Rajo Iglesias和P.S.Kildal針對(duì)金屬柱和蘑菇型人工磁導(dǎo)體表面的相關(guān)參數(shù)對(duì)帶寬的影響進(jìn)行了分析[6]，同時(shí)，P.S.Kildal等人還在之前研究的基礎(chǔ)上對(duì)縫隙波導(dǎo)的特性阻抗和場(chǎng)分布做了進(jìn)一步的研究[7]，對(duì)色散特性也進(jìn)行了深入的研究并給出了解析表達(dá)式[8]。這些研究證明新型縫隙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在毫米波及亞毫米波等高頻段內(nèi)有工作頻帶寬、傳輸損耗低、集成度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于加工、無(wú)需封裝等優(yōu)勢(shì)。目前該結(jié)構(gòu)已經(jīng)成功應(yīng)用于功分器、巴倫、濾波器、耦合器、天線(xiàn)以及MMIC封裝等領(lǐng)域[9-13]。Elena Pucci等人在2012年加工出微帶線(xiàn)型縫隙波導(dǎo)[14]，該結(jié)構(gòu)的人工磁導(dǎo)體平面是由蘑菇型電磁帶隙結(jié)構(gòu)(electromagnetic band gap：EBG)構(gòu)成，這種平面在特定頻段內(nèi)表現(xiàn)為高阻抗表面[15]，阻止表面波在其表面上方傳播。其實(shí)早在1999年就有人提出將蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)用于微帶線(xiàn)傳輸[16]，P.S.Kildal等人在提出縫隙波導(dǎo)概念的同時(shí)也提出過(guò)用蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)構(gòu)成人工磁導(dǎo)體平面，但直到2012年才設(shè)計(jì)加工出微帶線(xiàn)型縫隙波導(dǎo)的實(shí)物模型，該波導(dǎo)在保持寬頻帶特性的同時(shí)，相對(duì)于金屬脊型縫隙波導(dǎo)，更適用于低頻領(lǐng)域的應(yīng)用，成本也能夠大大降低。

本文主要通過(guò)對(duì)一維周期結(jié)構(gòu)的色散圖仿真確定縫隙高度對(duì)帶寬的影響以及通帶內(nèi)波的模式特性?？紤]到這兩種新型縫隙波導(dǎo)能夠傳輸準(zhǔn)TEM波的縫隙尺寸相對(duì)較小，材料的制備相對(duì)較難，本文最后設(shè)計(jì)了一種基于平行板模型的能夠傳輸準(zhǔn)TEM波的縫隙波導(dǎo)，該縫隙波導(dǎo)具有相對(duì)較大的縫隙尺寸，可以用來(lái)測(cè)量體積較大的物體的材料參數(shù)，進(jìn)而可以用來(lái)測(cè)量具有周期結(jié)構(gòu)的人工電磁材料的電磁參數(shù)。

2 縫隙波導(dǎo)的基本理論

不管是金屬脊型縫隙波導(dǎo)還是微帶線(xiàn)型縫隙波導(dǎo)，其所擁有的傳播準(zhǔn)TEM波能力的理論基礎(chǔ)都在于結(jié)構(gòu)中的人工磁導(dǎo)體平面。當(dāng)頻率在諧振頻段內(nèi)，由周期性結(jié)構(gòu)構(gòu)成的平面將會(huì)阻止電磁波在平面上方傳播，且具有同相位反射的磁導(dǎo)體特性，故該平面被稱(chēng)為人工磁導(dǎo)體平面。金屬脊型縫隙波導(dǎo)的人工磁導(dǎo)體平面是由成周期狀的金屬柱構(gòu)成的，目前主要有圓形柱結(jié)構(gòu)和方形柱結(jié)構(gòu)兩種，該結(jié)構(gòu)是在軟硬表面的基礎(chǔ)上提出的一種能夠阻止電磁波在任意方向傳播的人工磁導(dǎo)體平面[17][18]，在高頻范圍內(nèi)金屬柱的高度大約為1/4波長(zhǎng)，此外，單元尺寸和縫隙高度將對(duì)帶寬產(chǎn)生影響[19]。微帶線(xiàn)型縫隙波導(dǎo)的人工磁導(dǎo)體平面是由蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)組成，在特定頻率范圍內(nèi)形成高阻抗平面，阻止表面波的傳播，其諧振頻率受到貼片尺寸，介質(zhì)等參數(shù)的影響，目前，主要是通過(guò)改變貼片形狀來(lái)增加等效電容，進(jìn)而達(dá)到增加帶寬的目的[20]。蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)的帶寬可以通過(guò)反射相位法、色散圖法、波導(dǎo)傳輸法獲得[21]，在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中波導(dǎo)傳輸法仿真得到的帶寬同整體模型仿真得到的帶寬更為接近，而色散圖法更能準(zhǔn)確得到模式特性，但方法較為復(fù)雜。

當(dāng)人工磁導(dǎo)體平面上方覆蓋有光滑的金屬板且之間的間距小于1/4波長(zhǎng)時(shí)，水平極化波(TE波)和垂直極化波(TM波)將不能夠在其表面上方傳播，只有當(dāng)條形金屬嵌入人工磁導(dǎo)體表面中，將會(huì)有準(zhǔn)TEM波在金屬條和上導(dǎo)體板之間的縫隙傳播，如圖1所示。

圖1 新型縫隙波導(dǎo)基本模型

3 金屬脊型縫隙波導(dǎo)的特性分析

金屬脊型的縫隙波導(dǎo)的AMC表面是由周期性的金屬柱狀結(jié)構(gòu)形成的，它的高度d一般為1/4波長(zhǎng)，其中周期p，金屬柱的寬度a和縫隙高度h對(duì)帶寬會(huì)產(chǎn)生影響。金屬脊的寬度w會(huì)影響波導(dǎo)的特性阻抗。它的幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示，結(jié)構(gòu)的四周都是由金屬壁包圍。接下來(lái)我們主要是對(duì)其波導(dǎo)的色散圖進(jìn)行仿真和分析。

(1)部分俯視圖結(jié)構(gòu)

(2)正視圖結(jié)構(gòu)

在仿真中我們發(fā)現(xiàn)縫隙的高度h對(duì)帶寬的影響比較大，如圖3所示。當(dāng)金屬柱的高度d=7.5mm，邊長(zhǎng)a=3mm，周期p=7.5mm，金屬脊的寬度w=12mm時(shí)，隨著縫隙高度h的增大帶寬會(huì)逐漸減小，而低頻的變化幅度不大，主要是高頻的降低使得工作頻帶逐漸變小。

圖3 縫隙高度對(duì)頻帶寬度的影響

圖4 h=3時(shí)的金屬脊型縫隙波導(dǎo)的色散圖

當(dāng)縫隙高度h=3mm時(shí)，金屬脊型縫隙波導(dǎo)的色散圖如圖4所示。在較低頻段內(nèi)的模式為T(mén)M模，在較高頻段內(nèi)的模式為T(mén)E模，而在工作帶寬內(nèi)只有一種模式，由于該模式的色散曲線(xiàn)接近light-line，也就是該模式的傳輸特性接近TEM波的傳輸特性，所以該模式被稱(chēng)為準(zhǔn)TEM模，由此可以說(shuō)明金屬脊型縫隙波導(dǎo)能夠傳播準(zhǔn)TEM波。由于人工磁導(dǎo)體平面畢竟不是理想磁導(dǎo)體，在波的傳播過(guò)程中肯定會(huì)有電場(chǎng)或磁場(chǎng)在傳輸方向的上的分量，只有當(dāng)準(zhǔn)TEM模越接近light-line時(shí)，傳播分量就會(huì)越小，就越和TEM波接近。

4 微帶線(xiàn)型縫隙波導(dǎo)的特性分析

微帶線(xiàn)型縫隙波導(dǎo)的AMC表面是由蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)構(gòu)成，蘑菇型的結(jié)構(gòu)單元相當(dāng)于一個(gè)LC回路，它們之間的縫隙寬度提供等效電容C，兩個(gè)金屬柱和地面相當(dāng)于電感L，如圖5所示。其表面阻抗和諧振頻率可由公式(1)和(2)得到。

(1)

(2)

圖5 蘑菇狀EBG結(jié)構(gòu)單元及其等效電路

微帶線(xiàn)型縫隙波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)如圖6所示，四周同樣為金屬壁。金屬片的寬度w，連接金屬片和地面的金屬柱的半徑r，介質(zhì)厚度d，貼片縫隙寬度g，縫隙高度h，以及介質(zhì)的介電常數(shù)都會(huì)對(duì)中心頻率和帶寬產(chǎn)生影響。

當(dāng)參數(shù)g=0.5mm，w=3.7mm，d=1.6mm，r=0.5mm，介電常數(shù)為4.4時(shí)，在只改變縫隙高度h的情況下，頻帶寬度的變化如圖7所示。當(dāng)h較小時(shí)，頻帶的變化比較大，隨著h的增大，頻帶的變化也逐漸平緩，其中低頻的變化范圍不大，主要是高頻的變化比較明顯。

(1)部分俯視圖結(jié)構(gòu)

(2)正視圖結(jié)構(gòu)

圖7 縫隙高度對(duì)頻帶寬度的影響

圖8 h=3時(shí)微帶線(xiàn)型縫隙波導(dǎo)的色散圖

當(dāng)縫隙高度h=3mm時(shí)，微帶線(xiàn)型縫隙波導(dǎo)的色散圖如圖8所示。低頻區(qū)域的模式為T(mén)M模，高頻區(qū)域的模式為T(mén)E模，在頻帶范圍內(nèi)只有一種準(zhǔn)TEM模式，可能由于介質(zhì)的存在，對(duì)波的傳播產(chǎn)生影響，使得該模式和light-line的耦合不如金屬脊型縫隙波導(dǎo)。

5 平行板型縫隙波導(dǎo)的設(shè)計(jì)與仿真

由于一般人工電磁材料具有周期性，要完整的反應(yīng)電磁材料的特性，則要求待測(cè)材料的各個(gè)方向至少要有三個(gè)周期，從而使得人工電磁材料待測(cè)樣品的體積不可能太小，所以要求測(cè)量工具具有一定的空間大小。

考慮到上述要求本文設(shè)計(jì)了基于平行板結(jié)構(gòu)的縫隙波導(dǎo)，該波導(dǎo)的設(shè)計(jì)思路同樣來(lái)源于圖1所示的能夠傳輸準(zhǔn)TEM波的基本縫隙波導(dǎo)模型，與微帶線(xiàn)型縫隙波導(dǎo)將人工磁導(dǎo)體平面同中間金屬條構(gòu)成整體結(jié)構(gòu)不同，平行板型縫隙波導(dǎo)將蘑菇型EBG結(jié)構(gòu)平面分成兩塊分別放在一塊尺寸較寬的金屬板兩邊，上面同樣覆蓋有光滑的金屬板，且縫隙高度有所增加，這樣中間能夠傳播準(zhǔn)TEM波的縫隙尺寸就得到增加，同時(shí)減小了微帶線(xiàn)型縫隙波導(dǎo)金屬條下方的介質(zhì)對(duì)波的影響。在整體模型的制作上，微帶線(xiàn)型縫隙波導(dǎo)要將同軸饋電和中間的金屬條相連接，平行板型縫隙波導(dǎo)的同軸饋電放在上面的金屬板上。平行板縫隙波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)如圖9所示。

(1)部分俯視圖結(jié)構(gòu)

(2)正視圖結(jié)構(gòu)

當(dāng)平板寬度a=30mm，h=7mm，g=0.5mm，w=3.7mm，d=1.6mm，r=0.5mm，介電常數(shù)為4.4時(shí)，平行板型縫隙波導(dǎo)的色散圖如圖10所示。從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)模型能夠傳播準(zhǔn)TEM波單一模式的帶寬大約是8.2-8.5GHz。這一帶寬很小的原因是平行板型縫隙波導(dǎo)的縫隙高度h相對(duì)較大，同時(shí)金屬板a的尺寸較寬。然而通過(guò)仿真整體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，得到整體結(jié)構(gòu)的工作帶寬為8.8-9.9GHz，如圖11所示。結(jié)合圖10我們可以發(fā)現(xiàn)，平行板縫隙波導(dǎo)的工作帶寬范圍內(nèi)主要有兩種模式的波，一個(gè)是準(zhǔn)TEM波，還有一個(gè)是TE波，但是從圖12和圖13可以看出，從Y軸(縫隙高度的1/2處)方向上看去電磁波在傳播方向上的場(chǎng)分量很小，且在場(chǎng)分量值同金屬脊型縫隙波導(dǎo)相當(dāng)?shù)那闆r下，傳輸準(zhǔn)TEM波的相對(duì)尺寸更大，滿(mǎn)足了測(cè)量人工電磁材料的空間要求。

圖10 平行板型縫隙波導(dǎo)的色散圖

(1)平行板縫隙波導(dǎo)的整體仿真結(jié)構(gòu)

(2)整體結(jié)構(gòu)的S參數(shù)

圖12 傳輸方向上E的分量(Y軸)

圖13 傳輸方向上H的分量(Y軸)

6 總結(jié)

近年來(lái)，新型縫隙波導(dǎo)逐漸成為微波領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，受到廣泛的關(guān)注，金屬脊型縫隙波導(dǎo)和微帶線(xiàn)型縫隙波導(dǎo)中間的金屬條型結(jié)構(gòu)相對(duì)較窄，同時(shí)金屬條型結(jié)構(gòu)和上金屬板的縫隙較小，這兩個(gè)條件保證了新型縫隙波導(dǎo)能夠傳播單一模式準(zhǔn)TEM波的頻帶范圍較大，在整個(gè)波導(dǎo)模型的帶寬范圍中占絕大部分，由此可以認(rèn)為整體波導(dǎo)模型的工作帶寬就是能夠傳播單一模式準(zhǔn)TEM波的頻帶寬度。但是平行板縫隙波導(dǎo)采用了較寬的金屬板，同時(shí)縫隙高度也得到增大，導(dǎo)致能夠傳播單一模式準(zhǔn)TEM波的頻帶較小，在整體模型通帶內(nèi)就會(huì)同時(shí)存在其他模式的波，但通過(guò)加大傳輸距離和進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化等措施，可以將準(zhǔn)TEM模式外的其他模式的數(shù)量減小，同時(shí)在傳輸方向上的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的分量也能變得較小，由此可以將模型中的電磁波看成是準(zhǔn)TEM波。正如圖11中的模型所示，該模型在其通帶內(nèi)有兩種模式的波，但是通過(guò)對(duì)電磁波在傳輸方向上的分量和金屬脊型縫隙波導(dǎo)進(jìn)行對(duì)比，分量的大小可以跟金屬脊型縫隙波導(dǎo)相當(dāng)，并且相對(duì)尺寸更大，解決了金屬脊型縫隙波導(dǎo)和微帶線(xiàn)性縫隙波導(dǎo)縫隙高度小的弊端，將在其應(yīng)用于測(cè)量人工電磁材料的電磁參數(shù)方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。

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(責(zé)任編輯：宋金寶)

The Analysis and Design of New Gap Waveguide

ZHU Ming，XIAO Huai-bao，ZHANG Zhi-bo，LU Gui-zhen

(Information Engineering School，Communication University of China，Beijing 100024，China)

This paper discusses the two types of new gap waveguide which can support quasi-TEM waves and designs a new parallel plate gap waveguide supporting quasi-TEM waves.Through simulating the dispersion diagram to analyse the influences of the gap height on the characteristic of gap waveguide and the modes of waves in bandwidth.The designed new parallel plate gap waveguide has a relatively larger gap which is convenient to be used in measuring electromagnetic parameters of artificial electromagnetic materials.

dispersion diagram；gap waveguide；quasi-TEM；artificial electromagnetic materials

2016-09-14

朱明(1990-)，男(漢族)，河北唐山人，中國(guó)傳媒大學(xué)碩士研究生，E-mail：916320489@qq.com.

TN814

A

1673-4793(2017)02-0060-07