新型缝隙波导的研究与分析

朱明，肖怀宝，张志波，逯贵祯

(中国传媒大学 信息工程学院，北京 100024)

新型缝隙波导的研究与分析

朱明，肖怀宝，张志波，逯贵祯

(中国传媒大学 信息工程学院，北京 100024)

本文在用色散图法分析了目前主要存在的两种能够传输准TEM波的缝隙波导的特性基础上，设计了一种能够传输准TEM波的新型平行板缝隙波导，通过对色散图的仿真研究其缝隙高度对波导传输特性的影响以及通带范围内波的模式特性，该缝隙波导具有相对较大缝隙尺寸，使其能够方便地应用于测量具有周期结构的人工电磁材料电磁参数。

色散图；缝隙波导；准TEM波；人工电磁材料

1 引言

近几年来人们对于高频环境下的通信设备传输能力的要求越来越高，很多新型的传输结构被陆续的设计并被应用于微波及通信系统领域中，缝隙波导就是其中的一种。这种新型结构拥有能够传播准TEM波的能力，且具很宽的工作频带，故在微波高频段尤其是毫米波频段以上的通信系统中拥有巨大的应用前景。

关于新型缝隙波导的研究目前主要是由P.S.Kildal等外国学者完成，国内在此方面的文献资料还相对较少。下面我们来介绍一下对于这种新型缝隙波导的主要研究成果有哪些。2009年P.S.Kildal等人第一次提出了金属脊型缝隙波导的概念[1]，主要阐明了这种新型波导能够传播准TEM波，在这一年他们又对软硬表面构成的人工磁导体(artificial magnetic conductor：AMC)平面给出了分析说明，同时提出了脊型、沟槽型、微带线型三种缝隙波导并进行了简要的比较分析[2]，此外，该团队还对缝隙波导的特性阻抗做了简要说明[3]。此后几年，对缝隙波导的研究还是主要集中在基础理论分析阶段，并且主要由P.S.Kildal等人完成。2008年Silveirinha M G等人提出了金属针状结构的色散特性和表面阻抗的计算公式[4]。2010年E.Pucci等人通过对Q值的分析得出缝隙波导的传输损耗远低于普通波导结构和微带线结构[5]。同年E.Rajo Iglesias和P.S.Kildal针对金属柱和蘑菇型人工磁导体表面的相关参数对带宽的影响进行了分析[6]，同时，P.S.Kildal等人还在之前研究的基础上对缝隙波导的特性阻抗和场分布做了进一步的研究[7]，对色散特性也进行了深入的研究并给出了解析表达式[8]。这些研究证明新型缝隙波导结构在毫米波及亚毫米波等高频段内有工作频带宽、传输损耗低、集成度高、结构简单易于加工、无需封装等优势。目前该结构已经成功应用于功分器、巴伦、滤波器、耦合器、天线以及MMIC封装等领域[9-13]。Elena Pucci等人在2012年加工出微带线型缝隙波导[14]，该结构的人工磁导体平面是由蘑菇型电磁带隙结构(electromagnetic band gap：EBG)构成，这种平面在特定频段内表现为高阻抗表面[15]，阻止表面波在其表面上方传播。其实早在1999年就有人提出将蘑菇型EBG结构用于微带线传输[16]，P.S.Kildal等人在提出缝隙波导概念的同时也提出过用蘑菇型EBG结构构成人工磁导体平面，但直到2012年才设计加工出微带线型缝隙波导的实物模型，该波导在保持宽频带特性的同时，相对于金属脊型缝隙波导，更适用于低频领域的应用，成本也能够大大降低。

本文主要通过对一维周期结构的色散图仿真确定缝隙高度对带宽的影响以及通带内波的模式特性。考虑到这两种新型缝隙波导能够传输准TEM波的缝隙尺寸相对较小，材料的制备相对较难，本文最后设计了一种基于平行板模型的能够传输准TEM波的缝隙波导，该缝隙波导具有相对较大的缝隙尺寸，可以用来测量体积较大的物体的材料参数，进而可以用来测量具有周期结构的人工电磁材料的电磁参数。

2 缝隙波导的基本理论

不管是金属脊型缝隙波导还是微带线型缝隙波导，其所拥有的传播准TEM波能力的理论基础都在于结构中的人工磁导体平面。当频率在谐振频段内，由周期性结构构成的平面将会阻止电磁波在平面上方传播，且具有同相位反射的磁导体特性，故该平面被称为人工磁导体平面。金属脊型缝隙波导的人工磁导体平面是由成周期状的金属柱构成的，目前主要有圆形柱结构和方形柱结构两种，该结构是在软硬表面的基础上提出的一种能够阻止电磁波在任意方向传播的人工磁导体平面[17][18]，在高频范围内金属柱的高度大约为1/4波长，此外，单元尺寸和缝隙高度将对带宽产生影响[19]。微带线型缝隙波导的人工磁导体平面是由蘑菇型EBG结构组成，在特定频率范围内形成高阻抗平面，阻止表面波的传播，其谐振频率受到贴片尺寸，介质等参数的影响，目前，主要是通过改变贴片形状来增加等效电容，进而达到增加带宽的目的[20]。蘑菇型EBG结构的带宽可以通过反射相位法、色散图法、波导传输法获得[21]，在波导结构中波导传输法仿真得到的带宽同整体模型仿真得到的带宽更为接近，而色散图法更能准确得到模式特性，但方法较为复杂。

当人工磁导体平面上方覆盖有光滑的金属板且之间的间距小于1/4波长时，水平极化波(TE波)和垂直极化波(TM波)将不能够在其表面上方传播，只有当条形金属嵌入人工磁导体表面中，将会有准TEM波在金属条和上导体板之间的缝隙传播，如图1所示。

图1 新型缝隙波导基本模型

3 金属脊型缝隙波导的特性分析

金属脊型的缝隙波导的AMC表面是由周期性的金属柱状结构形成的，它的高度d一般为1/4波长，其中周期p，金属柱的宽度a和缝隙高度h对带宽会产生影响。金属脊的宽度w会影响波导的特性阻抗。它的几何结构如图2所示，结构的四周都是由金属壁包围。接下来我们主要是对其波导的色散图进行仿真和分析。

(1)部分俯视图结构

(2)正视图结构

在仿真中我们发现缝隙的高度h对带宽的影响比较大，如图3所示。当金属柱的高度d=7.5mm，边长a=3mm，周期p=7.5mm，金属脊的宽度w=12mm时，随着缝隙高度h的增大带宽会逐渐减小，而低频的变化幅度不大，主要是高频的降低使得工作频带逐渐变小。

图3 缝隙高度对频带宽度的影响

图4 h=3时的金属脊型缝隙波导的色散图

当缝隙高度h=3mm时，金属脊型缝隙波导的色散图如图4所示。在较低频段内的模式为TM模，在较高频段内的模式为TE模，而在工作带宽内只有一种模式，由于该模式的色散曲线接近light-line，也就是该模式的传输特性接近TEM波的传输特性，所以该模式被称为准TEM模，由此可以说明金属脊型缝隙波导能够传播准TEM波。由于人工磁导体平面毕竟不是理想磁导体，在波的传播过程中肯定会有电场或磁场在传输方向的上的分量，只有当准TEM模越接近light-line时，传播分量就会越小，就越和TEM波接近。

4 微带线型缝隙波导的特性分析

微带线型缝隙波导的AMC表面是由蘑菇型EBG结构构成，蘑菇型的结构单元相当于一个LC回路，它们之间的缝隙宽度提供等效电容C，两个金属柱和地面相当于电感L，如图5所示。其表面阻抗和谐振频率可由公式(1)和(2)得到。

(1)

(2)

图5 蘑菇状EBG结构单元及其等效电路

微带线型缝隙波导的几何结构如图6所示，四周同样为金属壁。金属片的宽度w，连接金属片和地面的金属柱的半径r，介质厚度d，贴片缝隙宽度g，缝隙高度h，以及介质的介电常数都会对中心频率和带宽产生影响。

当参数g=0.5mm，w=3.7mm，d=1.6mm，r=0.5mm，介电常数为4.4时，在只改变缝隙高度h的情况下，频带宽度的变化如图7所示。当h较小时，频带的变化比较大，随着h的增大，频带的变化也逐渐平缓，其中低频的变化范围不大，主要是高频的变化比较明显。

(1)部分俯视图结构

(2)正视图结构

图7 缝隙高度对频带宽度的影响

图8 h=3时微带线型缝隙波导的色散图

当缝隙高度h=3mm时，微带线型缝隙波导的色散图如图8所示。低频区域的模式为TM模，高频区域的模式为TE模，在频带范围内只有一种准TEM模式，可能由于介质的存在，对波的传播产生影响，使得该模式和light-line的耦合不如金属脊型缝隙波导。

5 平行板型缝隙波导的设计与仿真

由于一般人工电磁材料具有周期性，要完整的反应电磁材料的特性，则要求待测材料的各个方向至少要有三个周期，从而使得人工电磁材料待测样品的体积不可能太小，所以要求测量工具具有一定的空间大小。

考虑到上述要求本文设计了基于平行板结构的缝隙波导，该波导的设计思路同样来源于图1所示的能够传输准TEM波的基本缝隙波导模型，与微带线型缝隙波导将人工磁导体平面同中间金属条构成整体结构不同，平行板型缝隙波导将蘑菇型EBG结构平面分成两块分别放在一块尺寸较宽的金属板两边，上面同样覆盖有光滑的金属板，且缝隙高度有所增加，这样中间能够传播准TEM波的缝隙尺寸就得到增加，同时减小了微带线型缝隙波导金属条下方的介质对波的影响。在整体模型的制作上，微带线型缝隙波导要将同轴馈电和中间的金属条相连接，平行板型缝隙波导的同轴馈电放在上面的金属板上。平行板缝隙波导的几何结构如图9所示。

(1)部分俯视图结构

(2)正视图结构

当平板宽度a=30mm，h=7mm，g=0.5mm，w=3.7mm，d=1.6mm，r=0.5mm，介电常数为4.4时，平行板型缝隙波导的色散图如图10所示。从图中我们可以发现模型能够传播准TEM波单一模式的带宽大约是8.2-8.5GHz。这一带宽很小的原因是平行板型缝隙波导的缝隙高度h相对较大，同时金属板a的尺寸较宽。然而通过仿真整体波导结构，得到整体结构的工作带宽为8.8-9.9GHz，如图11所示。结合图10我们可以发现，平行板缝隙波导的工作带宽范围内主要有两种模式的波，一个是准TEM波，还有一个是TE波，但是从图12和图13可以看出，从Y轴(缝隙高度的1/2处)方向上看去电磁波在传播方向上的场分量很小，且在场分量值同金属脊型缝隙波导相当的情况下，传输准TEM波的相对尺寸更大，满足了测量人工电磁材料的空间要求。

图10 平行板型缝隙波导的色散图

(1)平行板缝隙波导的整体仿真结构

(2)整体结构的S参数

图12 传输方向上E的分量(Y轴)

图13 传输方向上H的分量(Y轴)

6 总结

近年来，新型缝隙波导逐渐成为微波领域的一个研究热点，受到广泛的关注，金属脊型缝隙波导和微带线型缝隙波导中间的金属条型结构相对较窄，同时金属条型结构和上金属板的缝隙较小，这两个条件保证了新型缝隙波导能够传播单一模式准TEM波的频带范围较大，在整个波导模型的带宽范围中占绝大部分，由此可以认为整体波导模型的工作带宽就是能够传播单一模式准TEM波的频带宽度。但是平行板缝隙波导采用了较宽的金属板，同时缝隙高度也得到增大，导致能够传播单一模式准TEM波的频带较小，在整体模型通带内就会同时存在其他模式的波，但通过加大传输距离和进行参数优化等措施，可以将准TEM模式外的其他模式的数量减小，同时在传输方向上的电场和磁场的分量也能变得较小，由此可以将模型中的电磁波看成是准TEM波。正如图11中的模型所示，该模型在其通带内有两种模式的波，但是通过对电磁波在传输方向上的分量和金属脊型缝隙波导进行对比，分量的大小可以跟金属脊型缝隙波导相当，并且相对尺寸更大，解决了金属脊型缝隙波导和微带线性缝隙波导缝隙高度小的弊端，将在其应用于测量人工电磁材料的电磁参数方面具有较大的优势。

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(责任编辑：宋金宝)

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(汉族)，河北唐山人，中国传媒大学硕士研究生，E-mail：916320489@qq.com.

TN814

A

1673-4793(2017)02-0060-07