一种基于四角星形槽状超构表面的基片集成波导谐振腔

1.本发明涉及谐振腔技术领域，特别是涉及一种基于四角星形槽状超构表面的基片集成波导谐振腔。


背景技术：

2.随着移动通信、卫星通信和雷达等技术的发展，射频系统日益趋于集成化，对射频和微波器件提出了小型化的设计要求。而作为一种重要的射频和微波元器件，微波谐振腔广泛应用于滤波器、振荡器和信号源等，其小型化设计尤其重要。
3.微波谐振腔主要包括两大类，分别为金属波导谐振腔和基片集成波导(substrate integrated waveguide，siw)谐振腔。金属波导谐振腔具有低损耗和高功率容量的优点，但是其尺寸过大，过于笨重，不能满足小型化和集成化的要求。而siw基于平面传输线设计形成，更容易与其他器件形成集成化设计，因此得到越来越多的关注。
4.siw谐振腔由上下金属贴片和四周带有周期性金属通孔的介质基板组成，其谐振频率由腔体尺寸和介质基板介电常数决定。目前常用的小型化siw谐振腔，主要基于高介电常数介质基板设计形成，但是这些高介电常数介质材料造价高昂。因此，在实际工程应用中，迫切需要一款造价低廉的小型化siw谐振腔。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于四角星形槽状超构表面的基片集成波导谐振腔，降低成本且减小电尺寸。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种基于四角星形槽状超构表面的基片集成波导谐振腔，包括：从上到下依次叠加的上层金属贴片、介质基板和下层金属贴片；从所述上层金属贴片上表面到所述下层金属贴片的下表面，开设贯穿所述上层金属贴片、所述介质基板和所述下层金属贴片的多个通孔；多个所述通孔沿所述上层金属贴片的边缘均匀布设；
8.多个所述通孔在所述上层金属贴片的上表面围成刻蚀区域，在所述刻蚀区域中刻蚀多个大小相同的四角星形的槽状超构表面。
9.可选地，所述刻蚀区域为矩形区域。
10.可选地，所述通孔侧壁上贴有金属贴片。
11.可选地，所述通孔的直径为1.1mm。
12.可选地，所述刻蚀区域的长为30mm，宽为20mm。
13.可选地，相邻所述槽状超构表面的中心的距离相等。
14.可选地，所述上层金属贴片的高为0.035mm。
15.可选地，所述介质基板的高为0.254mm。
16.可选地，所述下层金属贴片的高为0.035mm。
17.可选地，所述金属贴片的材料包括：银、铜和铝中的至少一者。
18.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：
19.本发明公开了一种基于四角星形槽状超构表面的基片集成波导谐振腔，包括：从上到下依次叠加的上层金属贴片、介质基板和下层金属贴片；从上层金属贴片上表面到下层金属贴片的下表面，开设贯穿上层金属贴片、介质基板和下层金属贴片的多个通孔；多个通孔沿上层金属贴片的边缘均匀布设；多个通孔在上层金属贴片的上表面围成刻蚀区域，在刻蚀区域中刻蚀多个大小相同的四角星形的槽状超构表面。相较于传统的siw谐振腔，本发明中的上层金属贴片刻蚀四角星形槽状超构表面，降低了siw谐振腔的谐振频率，从而减小了谐振腔的电尺寸；且介质基板无需使用高介电常数介质基板，降低了成本。
附图说明
20.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。
21.图1为本发明实施例提供的基于四角星形槽状超构表面的基片集成波导谐振腔结构图；
22.图2为本发明实施例提供的基于四角星形槽状超构表面的基片集成波导谐振腔侧视图；
23.图3为本发明实施例提供的基于四角星形槽状超构表面的基片集成波导谐振腔俯视图；
24.图4为本发明实施例提供的四角星形槽状超构表面的俯视图；
25.图5为本发明实例中的小型化siw谐振腔的反射系数图；
26.图6为与本发明实例中的小型化siw谐振腔具有相同物理尺寸的传统siw谐振腔的反射系数图。
27.附图说明：1-上层金属贴片，2-介质基板，3-下层金属贴片，4-通孔，5-槽状超构表面。
具体实施方式
28.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。
29.本发明的目的是提供一种基于四角星形槽状超构表面的基片集成波导谐振腔，旨在降低成本且减小电尺寸，可应用于谐振腔技术领域。
30.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。
31.图1为本发明实施例提供的基于四角星形槽状超构表面的基片集成波导谐振腔框图。图2为本发明实施例提供的基于四角星形槽状超构表面的基片集成波导谐振腔侧视图。如图1-图2所示，本实施例中的基于四角星形槽状超构表面的基片集成波导谐振腔，包括：
从上到下依次叠加的上层金属贴片1、介质基板2和下层金属贴片3；从上层金属贴片1上表面到下层金属贴片3的下表面，开设贯穿上层金属贴片1、介质基板2和下层金属贴片3的多个通孔4；多个通孔4沿上层金属贴片1的边缘均匀布设。
32.多个通孔4在上层金属贴片1的上表面围成刻蚀区域，在刻蚀区域中刻蚀多个大小相同的四角星形的槽状超构表面5。
33.具体的，沿上层金属贴片1的同一边缘布设的相邻通孔4间的中心的距离s均相等。通孔4上层金属贴片1的边缘一定保护距离即可，对siw腔体的性能影响不大。
34.介质基板2可以为常规的低成本低介电常数介质。
35.作为一种可选的实施方式，刻蚀区域为矩形区域。
36.具体的，如图3所示，刻蚀区域的长与上层金属贴片1的长平行，刻蚀区域的宽与上层金属贴片1的宽平行。
37.作为一种可选的实施方式，通孔4侧壁上贴有金属贴片。
38.作为一种可选的实施方式，通孔4的直径d为1.1mm。
39.具体的，通孔4的直径d和相邻通孔4间的中心的距离s均满足siw的一般设计原则，即通孔4的直径d小于十分之一工作波长，间距s和直径d的比值小于2.5。
40.作为一种可选的实施方式，刻蚀区域的长l为30mm，宽w为20mm。
41.作为一种可选的实施方式，相邻槽状超构表面5的中心的距离相等。
42.具体的，如图3-图4所示，四角星形成呈周期性，周期性是一种结构上的重复性，在长和宽两个方向上分别具有m个周期和n个周期，周期大小分别为pl和pw，各四角星形互不接触并且不接触通孔4。
43.一个四角星形可以看作由一个正方形和四个等腰三角形组合形成，从而形成类似四角星的形状。其中，正方形边长b＝2mm；等腰三角形底边b＝2mm，高h＝3.3mm，顶角为因此四角星主体的整体长度b 2h＝8.6mm，小于pl和pw。
44.作为一种可选的实施方式，上层金属贴片1的高t1为0.035mm。
45.作为一种可选的实施方式，介质基板2的高h为0.254mm。
46.作为一种可选的实施方式，下层金属贴片3的高t2为0.035mm。
47.作为一种可选的实施方式，金属贴片的材料包括：银、铜和铝中的至少一者。
48.实例：上层金属贴片、下层金属贴片和通孔侧壁的金属片均采用铜，其导电率为5.8
×
107s/m。介质基板使用的是罗杰斯公司生产的rogers 5880，相对介电常数为εr＝2.2，损耗角正切tanδ≈0.0009，介质损耗相对较低。其中siw谐振腔由集总端口馈电，特征阻抗为50欧姆。馈电端口为一矩形片，其宽度为0.5mm，高度为0.254mm。馈电端口的上下表面分别连接上层金属贴片和下层金属贴片，但是不能接触四角星形槽状结构和通孔。
49.如图5所示，本发明实例中的小型化siw谐振腔，谐振频率为5.0959ghz(对应的波长为58.87mm)。将金属贴片的横向尺寸30mm
×
20mm进行波长归一化处理，得到金属贴片横向电尺寸为0.510λ
×
0.340λ；其厚度为0.254mm归一化的电尺寸为0.0043λ。
50.如图6所示，与本发明实例中的小型化siw谐振腔具有相同物理尺寸的传统siw谐振腔，不刻蚀四角星形槽状超构表面。可以看出，此时工作于最低阶主模的谐振频率为6.2279ghz(对应波长为48.17mm)。将金属贴片横向尺寸30mm
×
20mm进行波长归一化处理，得到金属贴片的横向电尺寸为0.623λ
×
0.415λ；其厚度0.254mm归一化后的电尺寸为
0.0053λ。
51.对比图5和图6，可以得到结论：在刻蚀新型四角星形槽状超构表面后，谐振频率降低了18.2％，金属贴片电尺寸的面积减少了33％。
52.本发明实例中的小型化siw谐振腔和传统siw谐振腔性能对比如表1所示：
53.表1性能对比表
[0054][0055]
由表1，可以明显看到，对于同样物理尺寸的siw谐振腔，本发明实例中的小型化siw谐振腔具有更低的谐振频率和更小的电尺寸。
[0056]
在电磁场与电磁波技术领域，器件尺寸的小型化主要指的是“电尺寸”的小型化，即物理尺寸除以工作波长。因此，对于同样的物理长度，如果工作波长不同，其电尺寸是不同的：例如同样30mm的物理长度，如果工作于1ghz(对应波长为λ＝300mm)，那么其电尺寸为0.1λ；如果工作于10ghz(对应波长为λ＝30mm)，那么其电尺寸为1λ。因此，30mm在1ghz时的电长度(0.1λ)要小于10ghz的电长度(1λ)。由此，同样的物理尺寸，如果工作频率更低(对应波长更长)，则其电尺寸越短。因此，器件的小型化实际是“电尺寸”的小型化。小型化意味着两种情况：1)同样的物理尺寸，谐振频率更低(此时谐振波长更长)；2)同样的谐振频率(此时谐振波长相同)，物理尺寸更小。
[0057]
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。
[0058]
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装置及其核心思想；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。