间隙波导综述

主要内容如下：  

间隙波导传输线与其他mmWave和sub-THz频段传输线比较。间隙波导技的基本工作原理及类型；间隙波导天线原理和关键参数；基于间隙波导技术的其他无源元件及加工工艺和最后的设计实例。

就损耗性能和功率处理能力而言，传统的空心波导是毫米波和亚太赫兹通信中经常选用的传输线。中空波导通常完全是金属的，因此提供完全屏蔽的波导传输。由于不需要介电基板，波导可以避免不必要的辐射和介电损耗，但因为复杂的过渡设计和封装问题，空心波导的非平面特征使得与其他传输线的集成仍然很难。因为相邻波导层之间需要良好的电接触，这种波导结构容易受到制造和组装公差的影响，特别是对于阵列天线设计等多层结构。

作为一种替代技术，基板集成波导 (SIW)提供了平面传输线和空心波导的综合优势。SIW结构与矩形电介质填充波导结构相同，只是用两排金属化通孔代替了波导的短壁。与金属波导一样，顶部和底部金属板以及通孔形成横截面电流环路。为了最大限度地减少泄漏，所有这些通孔都紧密地放在一起。由于侧面有通孔，因此不存在横磁 (TM) 模式，传输线只能传播传统矩形波导的TEm0模式。然而，由于仍然使用介质基板，介电损耗是不可避免，通常X频段的 SIW 滤波器设计可能会导致大约 2 dB 的插入损耗，而当频率扩展到 W频段时，插入损耗可能会超过3dB。此外，如果SIW的过孔柱设计和加工误差，可能会发生不良泄漏，导致器件性能下降。

上述传输线技术的性能差异，导致市场开始寻找新型传输线以提供低损耗性能和高效的生产制造。间隙波导技术建立在硬表面和软表面的先前研究的基础上，可以被视为一种新型的基于超材料的波导结构，使用硬边界条件和软边界条件来控制电磁波传播。由于结合了基于基板的技术的集成优势与传统波导的低损耗性能和高功率处理能力，间隙波导技术被认为是毫米波和亚太赫兹通信最有前途的传输线技术之一。此外间隙波导允许两层之间存在间隙，而无需电气连接，从而使制造过程变得相当简单。间隙还解决了由于波导与波导连接之间的电气接触不当而经常发生的无源互调问题。

间隙波导概念基于通过使用边界条件和规范表面的基本原理来控制电磁波在平行板波导内沿所需方向的传播。平行板波导由两个不连接的金属板组成，可以将其建模为理想的完美电导体（PEC），并且在该结构中始终允许电磁波的传播，与两个板之间的距离无关（总是有符合这些边界条件的麦克斯韦方程组的解）。更详细的介绍请见文章AMC+EBG。

如果现在将其中一块板替换为理想的完美磁导体 (PMC)，则只要两块板的间距小于四分之一工作波长，电磁波就无法传播。但自然界中不存在 PMC，由周期性结构制成的超表面可用于在一定频率范围内创建与理想 PMC 相同的等效边界条件。如果在PMC表面中间的某些由PEC制成的路径（以脊、槽或带状金属的形式实现）用于传播信号，则场将沿着该路径严格限制传播，而不会在不需要的方向上泄漏。当场在间隙中传播时，损失将被最小化。

如何实现提供PMC边界条件的超表面，是影响间隙波导器件的损耗、制造成本和工作带宽的一个重要方面。

基于上述原理，常见的有四种类型的间隙波导，即凹槽间隙波导（GGW，Groove Gap Waveguide）、脊间隙波导（RGW，Ridge Gap Waveguide）、基板集成间隙波导（SIGW，Substrate-Integrated Waveguide）（有时也称为微带间隙波导）、和倒置微带间隙波导（IMGW，Inverted Microstrip Gap Waveguide），如图3所示。总体而言GGW和RGW具有与传统矩形空心波导和脊形波导相同的几何形状，只是将PEC壁替换为AMC引脚。在 SIGW 的情况下，蘑菇型EBG结构被内嵌到介质板中，并在它们之间放置带状微带线。另一方面，对于IMGW，AMC引脚放置在PCB下方以封装设计的微带线，这有助于消除电磁泄漏和抑制表面波。

图4.不同波导结构[1]

间隙波导天线

在设计间隙脊波导缝隙阵列天线时，需要考虑天线的增益、带宽、辐射效率和副瓣水平等性能指标。通过调整缝隙的宽度、长度和位置等参数，可以实现不同频率范围内的宽带特性。此外，还可以通过优化缝隙的形状和排列方式来改善天线的辐射效率和副瓣水平。间隙脊波导缝隙阵列天线技术具有许多优点和应用前景。主要优点包括：

1. 低损耗：由于间隙波导的结构特点，其传输过程中的能量损耗相对较小，这使得在长距离传输和高功率应用方面具有优势。  

2. 高方向性：间隙波导技术具有较高的方向性，这意味着能量主要沿着波导的传输方向传播，从而减少了旁瓣干扰和能量泄漏。  

3. 宽频带：间隙波导技术可以覆盖很宽的频率范围，在多种应用场景中具有灵活性、  

4. 易于集成：间隙波导结构相对简单，易于与其他微波器件集成，从而可以实现复杂的系统功能。  

5. 抗干扰性能：间隙波导技术具有较强的抗电磁干扰能力，使得系统在复杂电磁环境下仍能保持稳定的性能。

间隙脊波导缝隙阵列天线技术已经在许多领域得到了广泛的应用。例如，用于移动通信系统、卫星通信系统、雷达系统和无线传感器网络等。在移动通信系统中，间隙脊波导缝隙阵列天线可以提供更好的信号覆盖和容量，满足用户对高速数据传输的需求。在卫星通信系统中，该技术可以实现更高的通信质量和可靠性。在雷达系统中，间隙脊波导缝隙阵列天线可以提供更高的分辨率和探测距离。在无线传感器网络中，该技术可以实现更远的通信距离和更低的能量消耗。间隙脊波导缝隙阵列天线技术的关键参数包括：

1. 缝隙的宽度：缝隙的宽度决定了天线的工作频率范围和带宽。较宽的缝隙可以实现较宽的带宽，但可能会降低天线的增益。  

2. 缝隙的长度：缝隙的长度也会影响天线的工作频率范围和带宽。较长的缝隙可以实现更宽的带宽，但同样可能会降低天线的增益。  

3. 缝隙的位置：缝隙的位置决定了天线的辐射特性。通过调整缝隙的位置，可以实现不同方向的辐射和波束形成。  

4. 缝隙的形状：缝隙的形状也会影响天线的辐射特性。常见的缝隙形状包括直线、曲线、圆形等，不同形状的缝隙会导致不同的辐射模式和波束宽度。  

5. 缝隙的排列方式：缝隙的排列方式决定了天线的阵列结构。常见的排列方式包括线性阵列、矩阵阵列等，不同的排列方式会影响天线的辐射方向性和阵列增益。  

6. 波导的尺寸：波导的尺寸也会对天线的性能产生影响。波导的宽度和高度决定了天线的工作频率范围和模式。  

7. 天线的长度：天线的长度也会影响天线的工作频率范围和增益。较长的天线可以实现较低的工作频率和较高的增益。  

通过优化这些关键参数，可以实现间隙脊波导缝隙阵列天线的设计和性能优化。不同的应用场景和要求可能需要不同的参数设置，因此在设计过程中需要综合考虑各种因素。目前，间隙波导天线技术的研究主要集中在以下几个方面：  

1. 结构设计：间隙波导天线的性能很大程度上取决于其结构设计。研究人员正在研究不同的结构，如矩形波导、圆形波导和异形波导，以提高天线的增益和带宽。  

2. 天线辐射特性：研究人员正在研究间隙波导天线的辐射特性，如辐射模式、波束形成和辐射效率等。通过优化天线的结构和参数，以实现更好的辐射性能。  

3. 多频段天线设计：研究人员正在研究利用间隙波导天线技术实现多频段通信的设计方法。他们通过合理选择天线的结构和参数，以实现在多个频段上的高增益和宽带。  

基于间隙波导的无源器件及加工工艺  

由于间隙波导结构与传统传输线结构（例如矩形波导、SIW甚至共面波导）之间的相似性（取决于所采用的间隙波导技术），假设需要一个高品质因数的无源电路，在这种情况下，GGW由于损耗较小，可以作为此类无源电路设计方案的首选。上面所提及的无源器件主要包括滤波器，功分器、耦合器和双工器等波束形成电路，对于常规阵列天线、相控阵和多波束阵列天线的设计而言，这些器件的性能都至关重要。另外传统上的有源MMIC都放置在介电基板上，并通过微带线和连接过孔与其他电路（例如电源和数字控制）互连。金属罩通常用于保护高速电子电路免受恶劣环境的影响。然而，由于电路和金属盖板之间形成的空腔，容易产生不良谐振导致电路性能显著下降。将间隙波导用于毫米波和太赫兹封装，通过在间隙波导上封装微带线（IMGW），可以有效抑制传统金属盖板和电路之间产生的空腔谐振模式。

根据AMC引脚的构造方式，基于间隙波导的结构的制造方法通常分为两类。第一种是SIGW，其制造方法相对简单，与传统微带技术的制造工艺相当。另一类是完全由金属制成的间隙波导。由于AMC引脚结构的尺寸较小，全金属间隙波导的生产过程要复杂得多，特别是当工作频率增加时。

常用制造技术包括Computer Numerical Control (CNC) milling technology, die-sink electricdischarge machining (EDM), 3D-printing technique（3D打印技术）, 和Chemical Metallic Etching。CNC是最常用的加工方式，在生产过程中，使用计算机控制和旋转多点刀具逐渐剔除金属块中不需要的金属部分，并生成符合设计要求的结构。但CNC相对耗时，并且对于工业所需的大规模制造来说成本可能非常高。当频率增加到太赫兹以下时，制造成本尤其重要，这需要更高的制造精度。EDM技术可作为大规模生产的优选选择。

图5.不同加工工艺[摄图网]

在EDM中通过使用由介电液分隔的两种导电材料（工件和电极）之间的高能放电去除部分材料来产生所需的结构。电火花加工的工作原理是利用电流传递的热量燃烧电极来熔化工件，工件可以是金属或塑料。它能够与 CNC 技术配合使用加工所需的结构。尽管EDM制造更适合大规模制造，但应用不如CNC那么广泛。另一种3D打印技术是近年来发展的增材制造新技术，能够实现复杂结构的一体化成型,克服传统成型工艺的各种局限性。目前大多数基于间隙波导的都是使用基于聚合物的3D打印，然后再涂金属层。3D表面粗糙度导致生产的间隙波导天线损耗极大。化学金属蚀刻与传统的PCB制造类似。金属层厚度的选择对于这种制造方法至关重要，该制造方法通常需要非常薄的金属层。由于薄金属层的这一要求，这种制造技术只能用于制造 70 GHz 以上且具有可接受的制造公差的设计。另一方面，这种制造方法最适合亚太赫兹频段（≥100 GHz），并且可以使用薄金属板轻松实现AMC结构。  

设计案例  

仿真设计实例基于文献[2]Abolfazl Haddadi, Carlo Bencivenni and Thomas Emanuelsson的论文Gap Waveguide Slot Array Antenna for Automotive Applications at E-Band,13th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2019)的模型，对关键参数做了优化设计并观察阵列天线的辐射性能以及一些参数的影响。  

主要分以下内容;

1.首先设计仿真gap值为0的波导缝隙阵列天线；

2.仿真分析不同gap值的天线辐射性能以及S参数，并确定最终的间距值；

3.2T4R天线组阵仿真；

4.分析和总结.

仿真模型及S参数

不同频点的方向图

Step2：对不同的Gap值做仿真分析，观察端口匹配程度、辐射效率以及天线方向图的变化情况。此时需要根据天线性能动态调整端口匹配情况，以达到最优的辐射性能。

仿真模型及不同Gap值的S参数

不同Gap值的方向图@78GHz

不同Gap值的辐射效率

经仿真优化设计后的gap值选为0.05mm，此时的天线性能见下图：  

不同频点的方向图@Gap=0.05mm

Gap=0.05mm和Gap=0mm的方向图对比@78GHz

Step3：对天线做组阵分析，芯片为TI_IWR 1642，2发4收8通道，发射天线间距为2倍波长。

全阵仿真模型

6个端口的S参数

Rx3的方向图

组阵的仿真辐射效率

从全阵的仿真效果来看，单天线的仿真结果优于组阵的仿真结果，这是由于天线间的耦合影响。工作带宽变窄，另外也存在频率偏移的问题。实际上的阻抗匹配还有很大的优化空间，但受限于计算时间未做进一步优化，感兴趣的读者朋友可以调整馈电端口的阻抗匹配、脊波导的尺寸（尤其距离末端PIN脚的距离）做进一步优化。  

1. 1.缝隙长度基于天线工作频率设计，缝隙无偏转，可使交叉极化最小；    
2. 2.AMC结构采用便于加工的正方形柱体，间距和尺寸需要便于加工；    
3. 3.端口阻抗（S参数）的优化主要依赖于脊的形状和尺寸和脊的末端距离PIN的距离；    
4. 4.组阵后的仿真结果可能和单根天线仿真结果会有差异，这是由于天线之间的耦合导致的，因此为避免性能变化，可在硬件条件允许的前提下进行全阵仿真优化设计。    
5. 5.Gap值本次选用的为0.05mm，越小越好，越大则能量泄漏越严重。
7. 参考文献：    

8. 1.Rajo-Iglesias E., Ferrando-Rocher, M., Zaman, A. U.(2018). Gap Waveguide Technology for Millimeter Wave Antenna Systems. IEEECommunications Magazine, 56(7), pp. 14-20；    

9. 2.Abolfazl Haddadi, Carlo Bencivenni and ThomasEmanuelsson, Gap Waveguide Slot Array Antenna for Automotive Applications atE-Band, 13th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2019；    

10. 3.Wai Yan Yong, et al., An Overview of RecentDevelopment of the Gap-Waveguide Technology for mm Wave and Sub-THzApplications. IEEE ACCESS, VOLUME 11, 2023，pp69378- 69400；    

11. 4.A. M. Abbosh “Gap Waveguide Antenna Technology: AReview”，IEEE Antennas and Propagation Magazine，2018。主要介绍了间隙波导天线的设计原理、性能特点和应用领域，对该领域的研究进展进行了全面的总结；    

12. 5. M. Gustafsson, et al.，GapWaveguide Antennas: A Comprehensive Overview"，IEEE Antennas and Propagation Magazine，2019。对间隙波导天线的设计、分析、优化和应用进行了综合概述，同时介绍了该技术的未来发展方向；    

13. 6.X. Chen, et al., Gap Waveguide Technology: A Reviewof Recent Advances and Applications, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2016. 综合了间隙波导技术的最新进展和应用情况，涵盖了设计、分析和优化等方面的内容。