間隙波導GW，會不會成為毫米波時代的超級英雄？！

在我們學習射頻的第二課，就是射頻傳輸線，射頻設計在很大程度上其實是射頻傳輸線的設計，尤其對無源器件來說，無論是濾波器，功分器，耦合器，其實都是對某一種射頻傳輸線的一種結構組合，讓其能夠實現(xiàn)濾波，功分，耦合的功能。在之前的文章中，我們不厭其煩地給大家介紹微波傳輸線的知識，一來是微波傳輸線在射頻設計中極其重要，另外這也是射頻設計區(qū)別于低頻的地方。

關于微波傳輸線，這篇文章講透了！

微波傳輸線理論小節(jié)

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微波技術的發(fā)展，一來是隨著射頻集成電路的發(fā)展，射頻電路的集成化程度越來越高，而來是隨著新型傳輸線的出現(xiàn)，射頻設計變得也越來越精細。從最早的雙線，到后來的同軸線，再到可以與PCB相結合的帶狀線，微帶線，再到共面波導，基片集成波導SIW，每一個新型傳輸線的出現(xiàn)都帶來了射頻設計技術的一次飛躍。今天再給大家介紹一款比較年輕的傳輸線——間隙波導。

間隙波導，英文名稱為Gap Waveguide，簡稱GW，這款新型的傳輸線最早是瑞典查爾姆斯理工大學Kildal等人在2009年提出，發(fā)表在論文《Local Metamaterial-Based Waveguides in Gaps Between Parallel Metal Plates》，這篇創(chuàng)始論文到現(xiàn)在已經(jīng)被700余篇論文引用。

這篇文章所提出的間隙波導實際上是是一種具有周期性結構特征、基于非接觸電磁帶隙原理的新型電磁傳輸及屏蔽技術，通過周期性電磁結構在一定條件下形成無需物理接觸的電磁帶隙(Electromagnetic Band Gap, EBG)，利用EBG的電磁禁帶特性構建導波或屏蔽結構，并衍生應用于微波毫米波技術的各個領域。

No.1 間隙波導的原理

間隙波導的基本原理是一個由兩個平行導體平面組成，兩個導體平面之間有一個很小的縫隙d，同時滿足λ＞4d，且兩個導體之間填充空氣或其他電介質(zhì)材料。這樣的話就可以等效為一個理想電導體PEC和理想磁導體PMC模型，兩個無限大的PEC與PMC平行放置且不接觸，根據(jù)maxwell方程組和電磁場邊界條件，兩個平面間的波動方程的解不存在傳播模式，因而形成頻率禁帶，構成一種EBG結構。由于自然界中沒有理想磁導體，因此在實際設計中可以采用特定的周期性結構來形成人工磁導體來代替PMC平面。最為典型的即為周期性金屬凸體陣列構成的金屬釘床和采用蘑菇貼片陣列構建的基片式間隙波導結構。這種周期性結構破壞了平行板波導模式，進而形成頻率禁帶，即構成非接觸EBG。通常采用色散圖描述GW的電磁禁帶特性，如下圖所示

根據(jù)這一基本理論，研究者設計了各種間隙波導傳輸線，比如槽間隙波導（Groove Gap Waveguide， GGW）、脊間隙波導（Ridge Gap Waveguide， RGW）、微帶脊間隙波導（Micro-strip Ridge Gap Waveguide， MRGW）、倒置微帶間隙波導(Inverted Micro-strip Gap Waveguide, IMGW)等。

如下圖所示

GGW通過非接觸電磁屏蔽代替?zhèn)鹘y(tǒng)波導的封閉式寬邊或窄邊，根據(jù)非接觸EBG的設置位置，可分為垂直極化和水平極化兩種。GGW內(nèi)部場分布與矩形波導類似，傳輸主模為準TE10模。RGW以金屬脊和上方非接觸的PEC平面構成雙導體傳輸結構，以PEC-AMC作為電磁屏蔽結構，傳輸特性類似于微帶線，傳輸主模為準TEM模。

當采用基片型AMC配合微帶脊結構時，RGW可演變成為MRGW，也稱為基片RGW。IMGW結構與RGW相似，通過在AMC平面上放置背面無金屬覆層的微帶線構成，上方的PEC面與微帶線不接觸，可看成是一種AMC封裝形式的倒置微帶或懸置微帶線，其最大優(yōu)點是便于和傳統(tǒng)平面電路相互集成。但由于有介質(zhì)的存在，IMGW比RGW的損耗相對較高。

No.2 間隙波導的優(yōu)勢

間隙波導的寬帶、非接觸電磁屏蔽特性在構建新型傳輸線、提升或改善電路系統(tǒng)性能及實現(xiàn)更加靈活的集成等方面顯示出極大的優(yōu)勢和潛力，為微波毫米波器件、電路、天線等提供了新的思路和技術途徑，相關研究在近年來得到了快速發(fā)展，引起了廣泛關注。

通過上面表格可以看出，基于間隙波導的天線的損耗比微帶線小 10 倍以上，損耗比基板集成波導 （SIW） 天線低 3 倍以上，損耗與矩形波導大致相同。與矩形波導的高生產(chǎn)成本相比，生產(chǎn)成本被認為是低到中等的。間隙波導技術具有與微帶波導技術相媲美的高天線設計和集成靈活性。結構化表面可以通過機械加工（例如銑削、鉆孔）、模制或擠出塑料表面金屬化或用塑料或彈性體層層壓導電帶來制造。兩塊板之間不需要金屬接觸或導電路徑，因此與焊接或緊密機械緊固的矩形波導相比，該組件更簡單、更易于制造。

No.3 間隙波導的應用

間隙波導對于毫米波，尤其是30GHz以上的優(yōu)勢特別明顯，因此在毫米波電路，天線上也得到了廣泛的研究和關注。比如工作在77GHz的毫米波雷達天線，就可以采用間隙波導技術來提高毫米波雷達的性能，如下圖所示

同時有論文3基于塑料注塑和微加工工藝實現(xiàn)了140GHz的間隙波導天線陣，如下圖所示，

其結構原理圖如下

其中的間隙波導三功分器如下圖所示

天線陣列單元如下圖所示

在論文4中給出了一種基于間隙波導技術的Ka波段平面開槽波導陣列，這篇論文里面給出了一種基于間隙波導的一分四功分器，如下圖所示

基于間隙波導的天線設計如下

論文5中提出了一款基于間隙波導的漏波天線，結構圖如下圖所示：

參考文獻

論文1：Local Metamaterial-Based Waveguides in Gaps Between Parallel Metal Plates

論文2：間隙波導技術及其空間應用

論文3：Realizing a 140 GHz Gap Waveguide–Based Array Antenna by Low-Cost Injection Molding and Micromachining；

論文4：Ka-band planar slotted waveguide array based on groove gap waveguide technology with a glide-symmetric holey metasurface

論文5：Array of stacked leaky-wave antennas in groove gap waveguide technology

注釋：關于間隙波導的相關學習資料已經(jīng)上傳至射頻學堂的知識星球，點擊閱讀原文即可查看。