间隙波导的基本原理和优势

在我们学习射频的第二课，就是射频传输线，射频设计在很大程度上其实是射频传输线的设计，尤其对无源器件来说，无论是滤波器，功分器，耦合器，其实都是对某一种射频传输线的一种结构组合，让其能够实现滤波，功分，耦合的功能。

在之前的文章中，我们不厌其烦地给大家介绍微波传输线的知识，一来是微波传输线在射频设计中极其重要，另外这也是射频设计区别于低频的地方。

微波技术的发展，一来是随着射频集成电路的发展，射频电路的集成化程度越来越高，而来是随着新型传输线的出现，射频设计变得也越来越精细。从最早的双线，到后来的同轴线，再到可以与PCB相结合的带状线，微带线，再到共面波导，基片集成波导SIW，每一个新型传输线的出现都带来了射频设计技术的一次飞跃。

今天再给大家介绍一款比较年轻的传输线——间隙波导。

间隙波导，英文名称为Gap Waveguide，简称GW，这款新型的传输线最早是瑞典查尔姆斯理工大学Kildal等人在2009年提出，发表在论文《Local Metamaterial-Based Waveguides in Gaps Between Parallel Metal Plates》，这篇创始论文到现在已经被700余篇论文引用。

这篇文章所提出的间隙波导实际上是是一种具有周期性结构特征、基于非接触电磁带隙原理的新型电磁传输及屏蔽技术，通过周期性电磁结构在一定条件下形成无需物理接触的电磁带隙(Electromagnetic Band Gap, EBG)，利用EBG的电磁禁带特性构建导波或屏蔽结构，并衍生应用于微波毫米波技术的各个领域。

No.1 间隙波导的原理

间隙波导的基本原理是一个由两个平行导体平面组成，两个导体平面之间有一个很小的缝隙d，同时满足λ＞4d，且两个导体之间填充空气或其他电介质材料。

这样的话就可以等效为一个理想电导体PEC和理想磁导体PMC模型，两个无限大的PEC与PMC平行放置且不接触，根据maxwell方程组和电磁场边界条件，两个平面间的波动方程的解不存在传播模式，因而形成频率禁带，构成一种EBG结构。

由于自然界中没有理想磁导体，因此在实际设计中可以采用特定的周期性结构来形成人工磁导体来代替PMC平面。最为典型的即为周期性金属凸体阵列构成的金属钉床和采用蘑菇贴片阵列构建的基片式间隙波导结构。这种周期性结构破坏了平行板波导模式，进而形成频率禁带，即构成非接触EBG。通常采用色散图描述GW的电磁禁带特性，如下图所示

根据这一基本理论，研究者设计了各种间隙波导传输线，比如槽间隙波导（Groove Gap Waveguide， GGW）、脊间隙波导（Ridge Gap Waveguide， RGW）、微带脊间隙波导（Micro-strip Ridge Gap Waveguide， MRGW）、倒置微带间隙波导(Inverted Micro-strip Gap Waveguide, IMGW)等。

如下图所示

GGW通过非接触电磁屏蔽代替传统波导的封闭式宽边或窄边，根据非接触EBG的设置位置，可分为垂直极化和水平极化两种。GGW内部场分布与矩形波导类似，传输主模为准TE10模。**RGW以金属脊和上方非接触的PEC平面构成双导体传输结构，以PEC-AMC作为电磁屏蔽结构，传输特性类似于微带线，传输主模为准TEM模。**当采用基片型AMC配合微带脊结构时，RGW可演变成为MRGW，也称为基片RGW。IMGW结构与RGW相似，通过在AMC平面上放置背面无金属覆层的微带线构成，上方的PEC面与微带线不接触，可看成是一种AMC封装形式的倒置微带或悬置微带线，其最大优点是便于和传统平面电路相互集成。但由于有介质的存在，IMGW比RGW的损耗相对较高。

No.2 间隙波导的优势

间隙波导的宽带、非接触电磁屏蔽特性在构建新型传输线、提升或改善电路系统性能及实现更加灵活的集成等方面显示出极大的优势和潜力，为微波毫米波器件、电路、天线等提供了新的思路和技术途径，相关研究在近年来得到了快速发展，引起了广泛关注。

通过上面表格可以看出，基于间隙波导的天线的损耗比微带线小 10 倍以上，损耗比基板集成波导 （SIW） 天线低 3 倍以上，损耗与矩形波导大致相同。与矩形波导的高生产成本相比，生产成本被认为是低到中等的。间隙波导技术具有与微带波导技术相媲美的高天线设计和集成灵活性。

结构化表面可以通过机械加工（例如铣削、钻孔）、模制或挤出塑料表面金属化或用塑料或弹性体层层压导电带来制造。两块板之间不需要金属接触或导电路径，因此与焊接或紧密机械紧固的矩形波导相比，该组件更简单、更易于制造。

No.3 间隙波导的应用

间隙波导对于毫米波，尤其是30GHz以上的优势特别明显，因此在毫米波电路，天线上也得到了广泛的研究和关注。比如工作在77GHz的毫米波雷达天线，就可以采用间隙波导技术来提高毫米波雷达的性能，如下图所示

同时有论文3基于塑料注塑和微加工工艺实现了140GHz的间隙波导天线阵，如下图所示，

其结构原理图如下

其中的间隙波导三功分器如下图所示

天线阵列单元如下图所示

在论文4中给出了一种基于间隙波导技术的Ka波段平面开槽波导阵列，这篇论文里面给出了一种基于间隙波导的一分四功分器，如下图所示

基于间隙波导的天线设计如下

论文5中提出了一款基于间隙波导的漏波天线，结构图如下图所示：