间隙波导在毫米波器件的研究与应用.pdf

摘要

随着第5代移动通信技术的快速发展，研究高频段、高性能、多功能的通信前端器件具

有十分重要的意义和价值。滤波器和耦合器是通信系统中不可或缺的组成部分，因此其发展

对通信系统的性能至关重要。间隙波导作为近几年毫米波微波研究热点之一，它通过周期性

排列的电磁带隙（EBG）结构单元构成人工磁导体（AMC）表面，并可与平行放置的理想电

导体一起构成非接触式电磁屏蔽结构，可产生一个较宽的电磁禁带。除此之外间隙波导还具

有低损耗，自我封装的特点。间隙波导结构又可细分为：脊间隙波导、槽间隙波导、倒置微

带线间隙波导。相较于槽间隙波导，脊间隙波导体积较小且易于集成；相较于倒置微带线间

隙波导，脊间隙波导剖面较低且可以空气作为传播介质，大大降低了介质损耗。因此本文着

力于研究基于脊间隙波导的毫米波器件。

本文以间隙波导为研究对象，对电磁带隙（EBG）结构单元和间隙波导特性进行了探索

和分析；利用HFSS仿真工具和CST仿真工具协助观察与研究，得出各个参数对电磁禁带的

影响；并以脊间隙波导结构为基础，研究并设计了2款滤波器结构和2款耦合器结构。具体

内容如下：

（1）设计了一款基于脊间隙波导的宽带带通滤波器。该设计利用脊间隙波导结构的电

磁带隙特性和自我封装特点，结合双端开路半波长微带谐振器和阶跃阻抗谐振器，

根据奇偶模理论设计了一款新型三模宽带带通滤波器。实测结果与仿真结果基本吻

合，均具有较低的插入损耗，3dB相对带宽达到30%，带内回波损耗较低，通带两

侧各有一个传输零点，具有较好的带外抑制。

（2）设计了一款基于脊间隙波导的双通带滤波器。该设计巧妙的将双端开路的半波长

微带谐振器与下层的由电磁带隙（EBG）结构单元构成的矩形腔谐振器结合，构造

了一款双通带滤波器。该滤波器中心频率分别为25.5GHz、32.6GHz，3dB相对带

宽分别为8.3%、4%，插入损耗分别为0.27dB、0.43dB，带内回波损耗分别为29

dB、28dB，共有4个低于40dB的零点。

（3）设计了一款基于脊间隙波导的3dB耦合器。该设计利用脊间隙波导传输线构造了

一款新型的分支线耦合器，打破了传统的分支线耦合器结构，替换了⁄4传输线结构，

减小了器件体积，改变了两主传输线之间的耦合路径，构造一款新型的3dB耦合器。

实测结果与仿真结果基本吻合，均能够实现中心频率为31GHz，相对带宽为13.4%，

耦合度为3.9±0.4dB，相位差为89.35º±5.85º。

（4）设计了一款基于脊间隙波导的可重构耦合器。该设计在设计3的基础上，

在底部缝隙处加载若干PIN二极管，构造了一款创新型的可重构耦合器。该耦合器

能快速简单的实现耦合器耦合度可调。仿真结果显示，该耦合器中心频率为28.9GHz，

相对带宽为14.5%，在26.8-31GHz频率范围内实现耦合度5dB到12dB可调，相

位差为-270º±5º，实测结果与仿真结果基本吻合。

关键词:脊间隙波导、电磁带隙（EBG）结构、滤波器、耦合器、可重构

Abstract

Withtherapiddevelopmentof5thgenerationmobilecommunicationtechnology,itisofgreat

significanceandvaluetostudyhighfrequencyband,highperformanceandmulti-function

communicationfront-enddevices.Filtersandcouplersareindispensablecomponentsof

communicationsystems,sotheirdevelopmentisveryimportanttothe