基于间隙波导封装的空气同轴传输线

1.本实用新型属于微波技术领域，更具体地说，是涉及一种基于间隙波导封装的空气同轴传输线。


背景技术：

2.空气同轴传输线采用空气作为同轴线介质，具有介质损耗小、色散损耗小、与相邻信道串扰小和结构灵活性强的优势，能够支持tem模宽带单模传输。空气同轴传输线架构已在多种微波毫米波无源器件中得以应用，如谐振器滤波器、天线馈电网络、过渡耦合器和功率分配器等。空气同轴传输线包括内导体、空气介质和外导体，其中，内导体通常采用多个终端短路枝节与外导体连接或用一层低损耗介质薄膜支撑，使其能够悬置于空气介质中，外导体通常为封闭的金属外壳。制造空气同轴传输线结构存在两个主要挑战，第一，要求空气同轴传输线的内、外导体具有良好的导电性能和电磁屏蔽性能，使得其加工和装配误差带来的射频损耗最小化；第二，要求空气同轴传输线的结构材料与加工工艺的兼容性高，以最大程度地简化内导体悬置结构的制造工序。
3.传统技术中，工作于毫米波至亚毫米波频段的空气同轴传输线结构往往采用高精度的光刻胶厚膜或硅基微加工工艺制造，加工工序复杂，成本高，需要实现多层结构堆叠，对装配精度要求高；工作于微波低频段的空气同轴传输线结构可以采用多层印制电路板(pcb)工艺实现，或pcb与金属腔体的混合集成实现，也可以采用3-d打印工艺一体化制造成型。用这些制造技术加工空气同轴传输线结构主要存在以下问题：(1)同轴线外导体上需要设计释放孔(工艺孔)用于刻蚀同轴线介质区域的牺牲层材料，或用于辅助同轴线内表面的金属化处理，释放孔的存在使建模和加工更加复杂；(2)同轴线的封闭结构使其内表面的工艺质量难以控制，容易产生结构缺陷，导致同轴线射频性能的恶化，且这些内部的结构缺陷在加工过程中难以检查出来；(3)通过堆叠并压合多层结构制造出的空气同轴传输线难免存在层与层之间的对位误差和缝隙，易造成射线性能恶化。


技术实现要素：

4.本实用新型实施例的目的在于提供一种基于间隙波导封装的空气同轴传输线，在不牺牲空气同轴传输线的宽带、低损耗传输性能的前提下，作为传统空气同轴传输线结构的一种替代方案，实现良好的电磁屏蔽性能和便捷、精准的加工和装配。
5.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种基于间隙波导封装的空气同轴传输线，包括下金属板和固定于所述下金属板的上金属板，所述下金属板的面向所述上金属板一侧为所述下金属板的顶面，所述上金属板的面向所述下金属板一侧为所述上金属板的底面，所述下金属板的顶面具有多个阵列设置的金属带隙柱、传输线内导体以及多个金属支撑柱，所述传输线内导体由所述金属支撑柱支撑，使所述传输线内导体悬空设置于所述下金属板，所述上金属板的底面与所述金属带隙柱的顶面之间具有空气间隙，所述金属带隙柱、所述下金属板的与所述金属带隙柱连接处的部分顶面、所述上金属板的
与所述金属带隙柱相正对的部分底面共同形成间隙波导的电磁带隙结构，所述上金属板的底面、所述电磁带隙结构和所述下金属板的顶面构成传输线外导体。
6.可选地，所述下金属板的面向所述上金属板一侧还具有多个枝节内导体，所述枝节内导体的一端与所述传输线内导体连接，所述枝节内导体的另外一端与所述金属支撑柱连接，所述枝节内导体的长度为四分之一波导波长，所述波导波长为所述空气同轴传输线工作频段中心频率对应的波导波长。
7.可选地，所述枝节内导体靠近所述上金属板的一侧与所述传输线内导体靠近所述上金属板的一侧共面设置。
8.可选地，所述枝节内导体和所述传输线内导体的横截面尺寸相同。
9.可选地，所述传输线内导体的中点处为对称中心，所述枝节内导体关于所述对称中心呈中心对称或轴对称设置。
10.可选地，所述传输线内导体的两侧均设置有所述金属带隙柱，各个所述金属带隙柱的高度相等。
11.可选地，位于所述传输线内导体同一侧的所述金属带隙柱至少具有两列，每列所述金属带隙柱均沿所述传输线内导体的长度方向排列。
12.可选地，所述下金属板开设有沉槽，多个所述金属支撑柱均设置于所述沉槽内。
13.可选地，所述基于间隙波导封装的空气同轴传输线还包括同轴连接器，所述传输线内导体的端部开设有沿其轴向设置的第一通孔，所述下金属板正对所述第一通孔处开设有贯穿其的第二通孔，所述同轴连接器的内导体穿过所述第二通孔并插入所述第一通孔内，所述第二通孔的孔壁和所述同轴连接器的内导体之间具有介质。
14.可选地，所述第二通孔包括同轴设置的第一孔段和第二孔段，所述第一孔段和所述第二孔段的连接处形成有轴肩，且所述第二孔段靠近所述第一通孔设置，所述第一孔段的内壁形成所述同轴连接器的外导体，所述第一孔段的内壁和所述同轴连接器的内导体之间具有所述同轴连接器的介质，所述第二孔段的内壁和所述同轴连接器的内导体之间具有空气介质。
15.本实用新型提供的基于间隙波导封装的空气同轴传输线的有益效果在于：(1)利用间隙波导的电磁带隙结构，等效替代传统的空气同轴传输线的外导体(现有技术的传输线外导体通常为实心金属壁)，起到良好的电磁屏蔽作用，避免了传统外导体结构在层叠过程中因存在缝隙而产生的射频损耗；(2)加工和装配简单，“等效替代”不牺牲空气同轴传输线的宽带、低损耗传输性能，特别地，这种封装结构兼容金属的计算机数控铣(cnc)工艺，封装结构材料的导电性能良好；(3)引入间隙波导的电磁带隙结构，使得外导体部分镂空，而镂空结构本质上属于间隙波导的功能结构，因此，无需再设计额外的工艺孔；(4)部分镂空的外导体使得加工工序的执行和质量检查更加便捷。
附图说明
16.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，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它的附图。
17.图1为本实用新型实施例提供的一种基于间隙波导封装的空气同轴传输线的立体拆解结构图；
18.图2为图1中下金属板、传输线内导体、电磁带隙结构的立体半剖视图；
19.图3为图1中传输线内导体、枝节内导体和金属支撑柱的立体结构图；
20.图4为本实用新型实施例提供的一种基于间隙波导封装的空气同轴传输线的空气腔仿真模型；
21.图5为图4中左端的放大结构图；
22.图6为图4中模型不含图5中结构的散射参数曲线图；
23.图7为图5中模型的散射参数曲线图；
24.图8为图1中间隙波导周期性单元结构的仿真的色散图；
25.图9为本实用新型实施例提供的一种基于间隙波导封装的空气同轴传输线的仿真的散射参数曲线图；
26.图10为本实用新型实施例提供的一种基于间隙波导封装的空气同轴传输线的仿真和测量的散射参数曲线图；
27.图11为图10中传输系数(s
21
)曲线的拉近视图；
28.图12为本实用新型实施例提供的一种基于间隙波导封装的空气同轴传输线的仿真和测量的射频损耗曲线图；
29.图13为本实用新型实施例提供的一种基于间隙波导封装的空气同轴传输线的仿真和测量的s
21
参数的群时延曲线图。
30.其中，图中各附图标记：
31.1-下金属板；11-第二通孔；111-第一孔段；112-第二孔段；12-螺纹孔；2-上金属板；21-连接孔；3-传输线内导体；30-第一通孔；4-枝节内导体；5-金属支撑柱；6-电磁带隙结构；60-金属带隙柱；71-同轴连接器的内导体；72-同轴连接器的介质；73-空气介质。
具体实施方式
32.为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
33.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
34.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
35.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
36.现对本实用新型实施例提供的基于间隙波导封装的空气同轴传输线进行说明。
37.请参阅图1至图3，图1为本实用新型实施例提供的一种基于间隙波导封装的空气同轴传输线的立体拆解结构图，图2为图1中下金属板1、传输线内导体3、电磁带隙结构6的立体半剖视图，图3为图1中传输线内导体3、枝节内导体4和金属支撑柱5的立体结构图。该空气同轴传输线包括下金属板1和上金属板2，下金属板1和上金属板2固定连接。下金属板1的面向上金属板2的一侧为下金属板1的顶面，上金属板2的面向下金属板1的一侧为上金属板2的底面。下金属板1的顶面具有多个阵列设置的金属带隙柱60、传输线内导体3和多个金属支撑柱5，多个金属支撑柱5用于支撑传输线内导体3，使传输线内导体3悬空设置于下金属板1，上金属板2的底面与金属带隙柱60的顶面之间具有空气间隙，传输线内导体3周围均为空气介质。金属带隙柱60、下金属板1的与金属带隙柱60连接的部分顶面，上金属板2的与金属带隙柱60相正对的部分底面共同形成间隙波导的电磁带隙结构6。上金属板2的底面、电磁带隙结构6和下金属板1的顶面构成传输线外导体。传输线外导体、空气介质和传输线内导体3共同组成了空气同轴传输线。
38.上述实施例中的空气同轴传输线，(1)利用间隙波导的电磁带隙结构6，等效替代传统的空气同轴传输线的外导体(现有技术的传输线外导体通常为实心金属壁)，起到良好的电磁屏蔽作用，避免了传统外导体结构在层叠过程中因存在缝隙而产生的射频损耗；(2)加工和装配简单，“等效替代”不牺牲空气同轴传输线的宽带、低损耗传输性能，特别地，这种封装结构兼容金属的计算机数控铣(cnc)工艺，封装结构材料的导电性能良好；(3)引入间隙波导的电磁带隙结构6，使得外导体部分镂空，而镂空结构本质上属于间隙波导的功能结构，因此，无需再设计额外的工艺孔；(4)部分镂空的外导体使得加工工序的执行和质量检查更加便捷。
39.其中，传输线内导体3和传输线外导体同轴设置，即两者具有共同的中心轴。
40.可选地，空气同轴传输线为矩形同轴结构，即，传输线内导体3的横截面为矩形，传输线外导体的边界轮廓为矩形。或者，空气同轴传输线为圆形同轴结构，即，传输线内导体3的横截面为圆形，传输线外导体的边界轮廓为圆形。
41.在本实用新型的其中一个实施例中，请参阅图1及图3，下金属板1的顶侧具有多个枝节内导体4，多个枝节内导体4用于支撑传输线内导体3，使传输线内导体3悬空设置。枝节内导体4的一端与传输线内导体3连接，枝节内导体4的另一端与传输线外导体短路连接。每个枝节内导体4的长度均为四分之一波导波长，此处的波导波长是指该空气同轴传输线工作频段中心频率对应的波导波长。
42.其中，传输线内导体3可为直线型，也可呈弯曲状设置，其具体形状此处不做限定。
43.可选地，枝节内导体4远离传输线内导体3的一端与金属支撑柱5短路连接，枝节内导体4的数量与金属支撑柱5的数量相同，每一个枝节内导体4对应有一个金属支撑柱5支撑，也就是说，枝节内导体4和传输线内导体3均由金属支撑柱5支撑。
44.可选地，枝节内导体4靠近上金属板2的一侧与传输线内导体3靠近上金属板2的一侧共面设置，便于枝节内导体4和传输线内导体3的加工成型。在其它实施例中，枝节内导体4靠近上金属板2的一侧与传输线内导体3靠近上金属板2的一侧也可不共面设置。
45.可选地，枝节内导体4和传输线内导体3的横截面尺寸相同，使枝节内导体4和传输线内导体3的设计与建模得以简化。
46.在本实用新型的其中一个实施例中，请参阅图3，传输线内导体3的中点处为对称中心，多个枝节内导体4关于该对称中心呈中心对称分布。枝节内导体4的数量为偶数个，传输线内导体3的两侧分别设置有相同数量的枝节内导体4。例如，枝节内导体4的数量为四个，传输线内导体3的相对两侧均设置有两个枝节内导体4，且四个枝节内导体4关于上述对称中心呈中心对称分布。
47.在本实用新型的另一个实施例中，以传输线内导体3的长度方向的中心面为对称面，多个枝节内导体4关于该对称面呈轴对称分布。
48.在本实用新型的其中一个实施例中，请参阅图1及图2，传输线外导体由间隙波导的电磁带隙结构6替代，电磁带隙结构6包括多个阵列分布的金属带隙柱60，相邻的金属带隙柱60之间间隔设置，各个金属带隙柱60的高度相同，且在上金属板2固定至下金属板1上时，上金属板2的底面和金属带隙柱60的顶面之间具有空气间隙。传输线内导体3的相对两侧均设置有金属带隙柱60，使电磁带隙结构6与传输线内导体3同轴设置。金属带隙柱60的横截面可为方形或圆形等形状。
49.可选地，为了实现良好的电磁屏蔽性能，位于传输线内导体3同一侧的金属带隙柱60至少有两列，金属带隙柱60可以有两列、三列或更多列，其中，每列金属带隙柱60均沿传输线内导体3的长度方向排列。
50.在本实用新型的其中一个实施例中，请参阅图1，下金属板1开设有沉槽，多个金属支撑柱5均设置于沉槽内。沉槽设置于下金属板1的相对两侧，其数量和位置由枝节内导体4和金属支撑柱5的数量和位置决定。
51.上金属板2盖设在下金属板1上，上金属板2可为平板状，上金属板2和下金属板1可通过螺纹件等固定件固定连接。例如，上金属板2开设有连接孔21，连接孔21为通孔，下金属板1开设有螺纹孔12，螺纹件穿过连接孔21并连接于螺纹孔12内，使上金属板2和下金属板1相互固定。
52.在本实用新型的其中一个实施例中，基于间隙波导封装的空气同轴传输线还包括同轴连接器，传输线内导体3的端部开设有第一通孔30，下金属板1与第一通孔30正对处开设有第二通孔11，第二通孔11贯穿下金属板1设置，第二通孔11用于安装同轴连接器。具体而言，同轴连接器的内导体71穿过第二通孔11并插入至第一通孔30的内部，第二通孔11的至少部分孔壁形成同轴连接器的外导体，同轴连接器的外导体和同轴连接器的内导体71之间具有介质。传输线内导体3的两端均开设有第一通孔30，下金属板1的相对两侧均开设有第二通孔11，使下金属板1的相对两侧均可以连接同轴连接器。
53.可选地，第二通孔11包括相互连接的第一孔段111和第二孔段112，第一孔段111和第二孔段112同轴设置，且第一孔段111和第二孔段112的内径不同，使第一孔段111和第二孔段112的连接处形成轴肩。第二孔段112靠近第一通孔30设置，如此，第二通孔11的内壁、同轴连接器的内导体71和两者之间的介质形成过渡同轴线。第一孔段111的内壁形成同轴连接器的外导体，第一孔段111的内壁和同轴连接器的内导体71之间具有同轴连接器的介质72，同轴连接器的介质72可为固体，也可为空气。第二孔段112的内壁和同轴连接器的内导体71之间具有空气介质73。
54.在其它实施例中，电磁带隙结构6、传输线内导体3以及多个金属支撑柱5可凸出于下金属板1的顶侧设置，上金属板2的两侧则朝向下金属板1延伸形成有支撑结构，第二通孔
11则开设于支撑结构上。
55.其中，空气同轴传输线的特征阻抗为50欧姆，也可为30欧姆、70欧姆等。
56.请参阅图4及图5，图4为本实用新型实施例提供的一种基于间隙波导封装的空气同轴传输线的空气腔仿真模型，图5为图4中左端的放大结构图。为了便于测量空气同轴传输线的射频性能，将一对同轴连接器如图4所示安装于空气同轴传输线的金属壳体上，同轴连接器的内导体71插入传输线内导体3的第一通孔30内，同轴连接器的介质72插入至第二通孔11中，通过阶梯形的过渡同轴线实现空气同轴传输线到同轴连接器的过渡。过渡同轴线的内导体即为同轴连接器的内导体71，过渡同轴线的外导体为第二通孔11，过渡同轴线的介质为空气。
57.请参阅图6及图7，图6为图4中模型不含图5中结构的散射参数曲线图，图7为图5中模型的散射参数曲线图。仿真结果表明，空气同轴传输线本身具有宽带、低损耗传输性能，在k全频段的反射系数小于-25db；过渡同轴线也具有宽带、低损耗传输性能，在16
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28ghz大部分频点的反射系数小于-20db；级联了过渡同轴线之后的空气同轴传输线，在k全频段的反射系数小于-17db，插入损耗为0.2
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0.4db。
58.本实用新型利用间隙波导的周期性电磁带隙结构6，等效替代了传统的空气同轴传输线的外导体(通常为实心金属壁)，起到了良好的电磁屏蔽作用，可以避免传统外导体结构在层叠过程中因存在缝隙而产生的射频损耗，这就要求间隙波导的禁带完全覆盖空气同轴传输线的带宽。因此，为了获得覆盖k全频段的禁带特征，对间隙波导的周期性单元结构进行电磁仿真。间隙波导的周期性单元结构的边长、高度、间距和空气间隙高度影响禁带宽度，该禁带宽度用色散图来表征。请参阅图8，图8为图1中间隙波导周期性单元结构的仿真的色散图。在一组优选尺寸下，间隙波导的禁带覆盖10
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60ghz，对应的空气间隙高度为0.05毫米，金属带隙柱60的边长为1.5毫米，高度为2.35毫米，间距为1.5毫米。
59.请参阅图9，图9为本实用新型实施例提供的一种基于间隙波导封装的空气同轴传输线的仿真的散射参数曲线图。图中对空气同轴传输线用间隙波导封装前后的传输性能进行了对比，发现仿真的传输性能一致吻合，表明“等效替代”不牺牲空气同轴传输线的宽带、低损耗传输性能。特别地，这种封装结构兼容金属cnc工艺，封装结构材料的导电性能良好，进一步保障了空气同轴传输线良好的电磁屏蔽性能。
60.请参阅图10至图13，图10为本实用新型实施例提供的一种基于间隙波导封装的空气同轴传输线的仿真和测量的散射参数曲线图，图11为图10中传输系数(s
21
)曲线的拉近视图，图12为本实用新型实施例提供的一种基于间隙波导封装的空气同轴传输线的仿真和测量的射频损耗曲线图，图13为本实用新型实施例提供的一种基于间隙波导封装的空气同轴传输线的仿真和测量的s
21
参数的群时延曲线图。在16
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28ghz，封装的空气同轴传输线测量的插入损耗为0.36
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1.09db；测量的回波损耗最差约为10db，和仿真结果相比有一定程度恶化，这主要是由同轴连接器的内导体71和传输线内导体3接触不良引起的，加工误差也导致了回波损耗的恶化；由测试数据计算得到的射频损耗小于0.92db，去除了同轴连接器引入的射频损耗之后，计算得到空气同轴传输线的衰减因子为0.09
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0.39db/cm；s
21
参数的群时延响应平坦，群时延为0.12
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0.16ns，波动小于20ps，验证了空气同轴传输线的低色散特征。
61.与图10至图13中仿真结果对应的一组优选的基于间隙波导封装的空气同轴传输线的关键结构尺寸如下。
62.传输线内导体3的横截面为正方形，边长为0.96毫米，间隙波导等效的外导体的横截面边长为2.4毫米；金属支撑柱5的高度为4毫米，位于传输线内导体3同一侧的两个枝节内导体4的间距为4.2毫米，传输线内导体3的端面和与其相邻的枝节内导体4的间距为5.8毫米；传输线内导体3的端面距离下金属板1的内侧壁0.45毫米，第二孔段112的直径为0.84毫米；金属带隙柱60的边长为1.5毫米，高度为2.35毫米，间距为1.5毫米，空气间隙为0.05毫米；上金属板2和下金属板1安装后的总长度为20毫米，总宽度为15毫米，总高度为16.4毫米。
63.在本实用新型所提供的实施例中，应该理解到，所公开的空气同轴传输线的间隙波导封装方案，可以普遍适用到其它空气同轴传输线架构的器件上，空气同轴传输线的结构仅仅是示意性的，在实际应用中可以根据射频指标需求和电路布局，灵活设计间隙波导封装的空气同轴传输线的路径。此外，这种封装方案为空气同轴传输线架构采用金属cnc加工提供了便利，进一步佐证了空气同轴传输线制造工艺的灵活性。
64.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。