新型縫隙波導的研究與分析

朱明，肖懷寶，張志波，逯貴禎

(中國傳媒大學 信息工程學院，北京 100024)

新型縫隙波導的研究與分析

朱明，肖懷寶，張志波，逯貴禎

(中國傳媒大學 信息工程學院，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TEM波的縫隙波導的特性基礎上，設計了一種能夠傳輸準TEM波的新型平行板縫隙波導，通過對色散圖的仿真研究其縫隙高度對波導傳輸特性的影響以及通帶范圍內波的模式特性，該縫隙波導具有相對較大縫隙尺寸，使其能夠方便地應用于測量具有周期結構的人工電磁材料電磁參數。

色散圖；縫隙波導；準TEM波；人工電磁材料

1 引言

近幾年來人們對于高頻環境下的通信設備傳輸能力的要求越來越高，很多新型的傳輸結構被陸續的設計并被應用于微波及通信系統領域中，縫隙波導就是其中的一種。這種新型結構擁有能夠傳播準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中擁有巨大的應用前景。

關于新型縫隙波導的研究目前主要是由P.S.Kildal等外國學者完成，國內在此方面的文獻資料還相對較少。下面我們來介紹一下對于這種新型縫隙波導的主要研究成果有哪些。2009年P.S.Kildal等人第一次提出了金屬脊型縫隙波導的概念[1]，主要闡明了這種新型波導能夠傳播準TEM波，在這一年他們又對軟硬表面構成的人工磁導體(artificial magnetic conductor：AMC)平面給出了分析說明，同時提出了脊型、溝槽型、微帶線型三種縫隙波導并進行了簡要的比較分析[2]，此外，該團隊還對縫隙波導的特性阻抗做了簡要說明[3]。此后幾年，對縫隙波導的研究還是主要集中在基礎理論分析階段，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構的色散特性和表面阻抗的計算公式[4]。2010年E.Pucci等人通過對Q值的分析得出縫隙波導的傳輸損耗遠低于普通波導結構和微帶線結構[5]。同年E.Rajo Iglesias和P.S.Kildal針對金屬柱和蘑菇型人工磁導體表面的相關參數對帶寬的影響進行了分析[6]，同時，P.S.Kildal等人還在之前研究的基礎上對縫隙波導的特性阻抗和場分布做了進一步的研究[7]，對色散特性也進行了深入的研究并給出了解析表達式[8]。這些研究證明新型縫隙波導結構在毫米波及亞毫米波等高頻段內有工作頻帶寬、傳輸損耗低、集成度高、結構簡單易于加工、無需封裝等優勢。目前該結構已經成功應用于功分器、巴倫、濾波器、耦合器、天線以及MMIC封裝等領域[9-13]。Elena Pucci等人在2012年加工出微帶線型縫隙波導[14]，該結構的人工磁導體平面是由蘑菇型電磁帶隙結構(electromagnetic band gap：EBG)構成，這種平面在特定頻段內表現為高阻抗表面[15]，阻止表面波在其表面上方傳播。其實早在1999年就有人提出將蘑菇型EBG結構用于微帶線傳輸[16]，P.S.Kildal等人在提出縫隙波導概念的同時也提出過用蘑菇型EBG結構構成人工磁導體平面，但直到2012年才設計加工出微帶線型縫隙波導的實物模型，該波導在保持寬頻帶特性的同時，相對于金屬脊型縫隙波導，更適用于低頻領域的應用，成本也能夠大大降低。

本文主要通過對一維周期結構的色散圖仿真確定縫隙高度對帶寬的影響以及通帶內波的模式特性?？紤]到這兩種新型縫隙波導能夠傳輸準TEM波的縫隙尺寸相對較小，材料的制備相對較難，本文最后設計了一種基于平行板模型的能夠傳輸準TEM波的縫隙波導，該縫隙波導具有相對較大的縫隙尺寸，可以用來測量體積較大的物體的材料參數，進而可以用來測量具有周期結構的人工電磁材料的電磁參數。

2 縫隙波導的基本理論

不管是金屬脊型縫隙波導還是微帶線型縫隙波導，其所擁有的傳播準TEM波能力的理論基礎都在于結構中的人工磁導體平面。當頻率在諧振頻段內，由周期性結構構成的平面將會阻止電磁波在平面上方傳播，且具有同相位反射的磁導體特性，故該平面被稱為人工磁導體平面。金屬脊型縫隙波導的人工磁導體平面是由成周期狀的金屬柱構成的，目前主要有圓形柱結構和方形柱結構兩種，該結構是在軟硬表面的基礎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體平面[17][18]，在高頻范圍內金屬柱的高度大約為1/4波長，此外，單元尺寸和縫隙高度將對帶寬產生影響[19]。微帶線型縫隙波導的人工磁導體平面是由蘑菇型EBG結構組成，在特定頻率范圍內形成高阻抗平面，阻止表面波的傳播，其諧振頻率受到貼片尺寸，介質等參數的影響，目前，主要是通過改變貼片形狀來增加等效電容，進而達到增加帶寬的目的[20]。蘑菇型EBG結構的帶寬可以通過反射相位法、色散圖法、波導傳輸法獲得[21]，在波導結構中波導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，而色散圖法更能準確得到模式特性，但方法較為復雜。

當人工磁導體平面上方覆蓋有光滑的金屬板且之間的間距小于1/4波長時，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，只有當條形金屬嵌入人工磁導體表面中，將會有準TEM波在金屬條和上導體板之間的縫隙傳播，如圖1所示。

圖1 新型縫隙波導基本模型

3 金屬脊型縫隙波導的特性分析

金屬脊型的縫隙波導的AMC表面是由周期性的金屬柱狀結構形成的，它的高度d一般為1/4波長，其中周期p，金屬柱的寬度a和縫隙高度h對帶寬會產生影響。金屬脊的寬度w會影響波導的特性阻抗。它的幾何結構如圖2所示，結構的四周都是由金屬壁包圍。接下來我們主要是對其波導的色散圖進行仿真和分析。

(1)部分俯視圖結構

(2)正視圖結構

在仿真中我們發現縫隙的高度h對帶寬的影響比較大，如圖3所示。當金屬柱的高度d=7.5mm，邊長a=3mm，周期p=7.5mm，金屬脊的寬度w=12mm時，隨著縫隙高度h的增大帶寬會逐漸減小，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 縫隙高度對頻帶寬度的影響

圖4 h=3時的金屬脊型縫隙波導的色散圖

當縫隙高度h=3mm時，金屬脊型縫隙波導的色散圖如圖4所示。在較低頻段內的模式為TM模，在較高頻段內的模式為TE模，而在工作帶寬內只有一種模式，由于該模式的色散曲線接近light-line，也就是該模式的傳輸特性接近TEM波的傳輸特性，所以該模式被稱為準TEM模，由此可以說明金屬脊型縫隙波導能夠傳播準TEM波。由于人工磁導體平面畢竟不是理想磁導體，在波的傳播過程中肯定會有電場或磁場在傳輸方向的上的分量，只有當準TEM模越接近light-line時，傳播分量就會越小，就越和TEM波接近。

4 微帶線型縫隙波導的特性分析

微帶線型縫隙波導的AMC表面是由蘑菇型EBG結構構成，蘑菇型的結構單元相當于一個LC回路，它們之間的縫隙寬度提供等效電容C，兩個金屬柱和地面相當于電感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結構單元及其等效電路

微帶線型縫隙波導的幾何結構如圖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，介質厚度d，貼片縫隙寬度g，縫隙高度h，以及介質的介電常數都會對中心頻率和帶寬產生影響。

當參數g=0.5mm，w=3.7mm，d=1.6mm，r=0.5mm，介電常數為4.4時，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h較小時，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)部分俯視圖結構

(2)正視圖結構

圖7 縫隙高度對頻帶寬度的影響

圖8 h=3時微帶線型縫隙波導的色散圖

當縫隙高度h=3mm時，微帶線型縫隙波導的色散圖如圖8所示。低頻區域的模式為TM模，高頻區域的模式為TE模，在頻帶范圍內只有一種準TEM模式，可能由于介質的存在，對波的傳播產生影響，使得該模式和light-line的耦合不如金屬脊型縫隙波導。

5 平行板型縫隙波導的設計與仿真

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

考慮到上述要求本文設計了基于平行板結構的縫隙波導，該波導的設計思路同樣來源于圖1所示的能夠傳輸準TEM波的基本縫隙波導模型，與微帶線型縫隙波導將人工磁導體平面同中間金屬條構成整體結構不同，平行板型縫隙波導將蘑菇型EBG結構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TEM波的縫隙尺寸就得到增加，同時減小了微帶線型縫隙波導金屬條下方的介質對波的影響。在整體模型的制作上，微帶線型縫隙波導要將同軸饋電和中間的金屬條相連接，平行板型縫隙波導的同軸饋電放在上面的金屬板上。平行板縫隙波導的幾何結構如圖9所示。

(1)部分俯視圖結構

(2)正視圖結構

當平板寬度a=30mm，h=7mm，g=0.5mm，w=3.7mm，d=1.6mm，r=0.5mm，介電常數為4.4時，平行板型縫隙波導的色散圖如圖10所示。從圖中我們可以發現模型能夠傳播準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的縫隙高度h相對較大，同時金屬板a的尺寸較寬。然而通過仿真整體波導結構，得到整體結構的工作帶寬為8.8-9.9GHz，如圖11所示。結合圖10我們可以發現，平行板縫隙波導的工作帶寬范圍內主要有兩種模式的波，一個是準TEM波，還有一個是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分量很小，且在場分量值同金屬脊型縫隙波導相當的情況下，傳輸準TEM波的相對尺寸更大，滿足了測量人工電磁材料的空間要求。

圖10 平行板型縫隙波導的色散圖

(1)平行板縫隙波導的整體仿真結構

(2)整體結構的S參數

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

近年來，新型縫隙波導逐漸成為微波領域的一個研究熱點，受到廣泛的關注，金屬脊型縫隙波導和微帶線型縫隙波導中間的金屬條型結構相對較窄，同時金屬條型結構和上金屬板的縫隙較小，這兩個條件保證了新型縫隙波導能夠傳播單一模式準TEM波的頻帶范圍較大，在整個波導模型的帶寬范圍中占絕大部分，由此可以認為整體波導模型的工作帶寬就是能夠傳播單一模式準TEM波的頻帶寬度。但是平行板縫隙波導采用了較寬的金屬板，同時縫隙高度也得到增大，導致能夠傳播單一模式準TEM波的頻帶較小，在整體模型通帶內就會同時存在其他模式的波，但通過加大傳輸距離和進行參數優化等措施，可以將準TEM模式外的其他模式的數量減小，同時在傳輸方向上的電場和磁場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TEM波。正如圖11中的模型所示，該模型在其通帶內有兩種模式的波，但是通過對電磁波在傳輸方向上的分量和金屬脊型縫隙波導進行對比，分量的大小可以跟金屬脊型縫隙波導相當，并且相對尺寸更大，解決了金屬脊型縫隙波導和微帶線性縫隙波導縫隙高度小的弊端，將在其應用于測量人工電磁材料的電磁參數方面具有較大的優勢。

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(責任編輯：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，中國傳媒大學碩士研究生，E-mail：916320489@qq.com.

TN814

A

1673-4793(2017)02-0060-07