間隙波導(dǎo)技術(shù)及其空間應(yīng)用

陳 翔 孫冬全 崔萬(wàn)照

①(中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院空間微波技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710100)

②(西安電子科技大學(xué)物理學(xué)院 西安 710071)

1 引言

微波毫米波技術(shù)是空間飛行器有效載荷電子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。伴隨空間技術(shù)應(yīng)用的快速發(fā)展，空間微波毫米波技術(shù)總體上呈現(xiàn)出“高功率、高頻率、高集成度”發(fā)展趨勢(shì)。遠(yuǎn)距離、抗干擾通信及高分辨率探測(cè)等應(yīng)用對(duì)發(fā)射功率有著更高的要求，可達(dá)萬(wàn)瓦量級(jí)，隨之而來(lái)的空間大功率可靠性問(wèn)題不容忽視；高速大容量通信需求以及低頻段頻譜資源的逐漸飽和促使Q,V,W等更高頻段毫米波以及太赫茲技術(shù)不斷登上空間應(yīng)用舞臺(tái)[1]；多功能、智能化的載荷系統(tǒng)發(fā)展則需要更高的集成度支撐。在此趨勢(shì)牽引下，空間微波毫米波技術(shù)也面臨著更多的創(chuàng)新需求和挑戰(zhàn)，而電磁傳輸線則是微波毫米波技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)。

間隙波導(dǎo)(Gap Waveguide, GW)由瑞典查爾姆斯理工大學(xué)Kildal等人[2]提出，是一種具有周期性結(jié)構(gòu)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(shù)，通過(guò)周期性電磁結(jié)構(gòu)在一定條件下形成無(wú)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(gòu)建導(dǎo)波或屏蔽結(jié)構(gòu)，并衍生應(yīng)用于微波毫米波技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。GW的寬帶、非接觸電磁屏蔽特性在構(gòu)建新型傳輸線、提升或改善電路系統(tǒng)性能及實(shí)現(xiàn)更加靈活的集成等方面顯示出極大的優(yōu)勢(shì)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(shù)途徑，相關(guān)研究在近年來(lái)得到了快速發(fā)展，引起了廣泛關(guān)注。本文在簡(jiǎn)要介紹GW概念、原理及特征的基礎(chǔ)上，分類歸納總結(jié)了GW技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并進(jìn)一步結(jié)合空間微波毫米波技術(shù)發(fā)展需求，分析了GW的空間應(yīng)用前景，提出了GW與空間技術(shù)相融合的幾個(gè)重要應(yīng)用方向，為空間微波毫米波技術(shù)的研究和創(chuàng)新提供一定的借鑒與參考。

2 間隙波導(dǎo)原理、技術(shù)特征及優(yōu)勢(shì)

2.1 間隙波導(dǎo)原理及間隙波導(dǎo)EBG

GW的基本原理模型是平行板理想電導(dǎo)體-理想磁導(dǎo)體( Perfect Electric Conductor- Perfect Magnetic Conductor , PEC-PMC)模型，如圖1(a)，無(wú)限大PEC與PMC平面平行放置且不接觸，根據(jù)Maxwell方程組及邊界條件，當(dāng)PEC和PMC平面間距d和工作波長(zhǎng)λ滿足λ＞4d時(shí)，兩平面間波動(dòng)方程的解不存在傳播模式，因而形成頻率禁帶，構(gòu)成一種EBG結(jié)構(gòu)。自然界中不存在PMC結(jié)構(gòu)，通常采用特定的周期性結(jié)構(gòu)形成等效的人工磁導(dǎo)體(Artificial Magnetic Conductor, AMC)面代替PMC，最為典型的即為周期性金屬凸體陣列構(gòu)成的金屬釘床和采用蘑菇貼片陣列構(gòu)建的基片式間隙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，如圖1(b)和圖1(c)所示。

GW技術(shù)主要圍繞如何構(gòu)建各類非接觸EBG實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽所展開(kāi)，隨著研究的不斷深入，各種新型非接觸EBG的提出和應(yīng)用進(jìn)一步拓展了GW的理論和技術(shù)范圍。除傳統(tǒng)單面釘床和單面蘑菇貼片結(jié)構(gòu)外，GW無(wú)法完全用PEC-PMC模型描述，更加廣義的描述模型為加載周期性結(jié)構(gòu)的平行板波導(dǎo)，其中的電磁場(chǎng)傳播特性即為Maxwell方程組在Floquet定理[3]約束下的求解結(jié)果，周期性結(jié)構(gòu)破壞了平行板波導(dǎo)模式，進(jìn)而形成頻率禁帶，即構(gòu)成非接觸EBG。通常采用色散圖描述GW的電磁禁帶特性，如圖1(d)所示。

圖1 間隙波導(dǎo)理論和實(shí)際模型

2.2 間隙波導(dǎo)傳輸線

基于GW的非接觸電磁屏蔽特征，衍生出各種新型的GW傳輸線，這是GW技術(shù)研究和應(yīng)用的一個(gè)重要方面。圖2列舉了幾種經(jīng)典的GW傳輸線，包括槽間隙波導(dǎo)[4](Groove Gap Waveguide, GGW)、脊間隙波導(dǎo)[5](Ridge Gap Waveguide, RGW)、微帶脊間隙波導(dǎo)[6](Micro-strip Ridge Gap Waveguide,MRGW)、倒置微帶間隙波導(dǎo)[7](Inverted Microstrip Gap Waveguide, IMGW)等。GGW通過(guò)非接觸電磁屏蔽代替?zhèn)鹘y(tǒng)波導(dǎo)的封閉式寬邊或窄邊，根據(jù)非接觸EBG的設(shè)置位置，可分為垂直極化和水平極化兩種。GGW內(nèi)部場(chǎng)分布與矩形波導(dǎo)類似，傳輸主模為準(zhǔn)TE10模。RGW以金屬脊和上方非接觸的PEC平面構(gòu)成雙導(dǎo)體傳輸結(jié)構(gòu)，以PEC-AMC作為電磁屏蔽結(jié)構(gòu)，傳輸特性類似于微帶線，傳輸主模為準(zhǔn)TEM模。當(dāng)采用基片型AMC配合微帶脊結(jié)構(gòu)時(shí)，RGW可演變成為MRGW，也稱為基片RGW。IMGW結(jié)構(gòu)與RGW相似，通過(guò)在AMC平面上放置背面無(wú)金屬覆層的微帶線構(gòu)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(diǎn)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(duì)較高。圖2所列舉的只是最具代表性的幾種GW傳輸線，實(shí)際中通過(guò)各種新型非接觸EBG結(jié)構(gòu)結(jié)合特定的應(yīng)用場(chǎng)景，可發(fā)展衍生出更多種類的GW傳輸線。

圖2 典型的間隙波導(dǎo)傳輸線

在構(gòu)建新型GW傳輸線的基礎(chǔ)上，與各種傳統(tǒng)傳輸線間的高性能互聯(lián)是實(shí)現(xiàn)GW在微波毫米波電路系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的前提。已有研究工作中，相關(guān)的互聯(lián)過(guò)渡方法十分普遍[6-13]，幾乎涵蓋了經(jīng)典GW傳輸線與各類傳統(tǒng)傳輸線間的所有過(guò)渡類型，充分體現(xiàn)出GW傳輸線與傳統(tǒng)傳輸線易于混合集成的優(yōu)勢(shì)。

2.3 間隙波導(dǎo)技術(shù)特征及優(yōu)勢(shì)

GW的技術(shù)特征及優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下5個(gè)方面：

(1)非接觸結(jié)構(gòu)。非接觸結(jié)構(gòu)是幾乎所有GW結(jié)構(gòu)、傳輸線及其電路應(yīng)用的典型特征。無(wú)需金屬面直接接觸即可獲得電磁屏蔽特性，基于此可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法或難以實(shí)現(xiàn)的新功能及新特性。相比傳統(tǒng)微波毫米波技術(shù)中的硬接觸要求，GW的非接觸結(jié)構(gòu)是其獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，也衍生出了多個(gè)重要的應(yīng)用方向。

(2)寬帶電磁屏蔽。通過(guò)合理的尺寸設(shè)計(jì)，GW的非接觸EBG結(jié)構(gòu)可以獲得很寬的電磁禁帶，可實(shí)現(xiàn)很寬頻段范圍內(nèi)的電磁屏蔽功能，從而為寬帶、靈活的微波毫米波技術(shù)應(yīng)用提供了保證。

(3)高度靈活性?；谄叫薪饘侔彘g加載周期性結(jié)構(gòu)的廣義構(gòu)建方式，GW技術(shù)呈現(xiàn)出高度的設(shè)計(jì)靈活性和可擴(kuò)展性?？筛鶕?jù)不同的需求構(gòu)建各種類型的非接觸EBG結(jié)構(gòu)及GW傳輸線。同時(shí)，寬帶、非接觸電磁屏蔽特性也使得GW技術(shù)在微波毫米波電路系統(tǒng)中的應(yīng)用更加靈活多樣。

(4)易于集成。GW傳輸線與傳統(tǒng)傳輸線之間可以很方便地實(shí)現(xiàn)高性能的互聯(lián)和過(guò)渡，十分易于與傳統(tǒng)傳輸線混合集成，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，為微波毫米波電路系統(tǒng)性能提升和技術(shù)創(chuàng)新提供了新的途徑。

(5)應(yīng)用范圍廣泛。GW技術(shù)高度的設(shè)計(jì)靈活性和易集成特性使得其在微波毫米波技術(shù)的多個(gè)領(lǐng)域均具有重要的應(yīng)用價(jià)值或潛力，相關(guān)研究已遍布新型器件、電路、天線、測(cè)試、封裝及系統(tǒng)等多個(gè)方面。

在具備多個(gè)優(yōu)勢(shì)特征的同時(shí)，GW技術(shù)也存在著一定的不足和缺陷，主要包括：(1)GW的非接觸EBG在一些應(yīng)用場(chǎng)景下會(huì)占用額外的尺寸空間，導(dǎo)致體積重量增加。(2)頻率較高時(shí)，周期性EBG結(jié)構(gòu)的制造加工難度增加，導(dǎo)致GW技術(shù)在高頻段應(yīng)用受限。(3)GW的非接觸結(jié)構(gòu)有可能帶來(lái)大功率放電風(fēng)險(xiǎn)，從而影響功率容量。另外，如何改善這些不足和缺陷也成為GW研究的重要方向。在小型化、降低制造實(shí)現(xiàn)難度等方面已有較多的解決方案，后文會(huì)有提及；針對(duì)GW功率容量的研究目前較少，文獻(xiàn)[14]開(kāi)展了GGW的電暈放電擊穿研究，結(jié)果表明，雖然GW的非接觸結(jié)構(gòu)增加了放電擊穿風(fēng)險(xiǎn)，但可通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)來(lái)提高其放電閾值。GW的大功率放電擊穿特性及其抗放電設(shè)計(jì)方法也將是一個(gè)有價(jià)值的研究方面。

3 間隙波導(dǎo)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究情況和研究進(jìn)展

GW自提出以來(lái)，鑒于其諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，迅速成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，相關(guān)研究得到了快速發(fā)展?？傮w上，GW研究主要包括新型非接觸EBG、GW傳輸線以及GW的微波毫米波技術(shù)應(yīng)用3大方向，如表1所總結(jié)。各方面研究報(bào)道不勝枚舉，本文選取部分代表性研究成果進(jìn)行分類介紹。

表1 間隙波導(dǎo)國(guó)內(nèi)外研究領(lǐng)域分類

3.1 間隙波導(dǎo)非接觸電磁帶隙結(jié)構(gòu)

非接觸EBG是GW技術(shù)的基礎(chǔ)和核心，是GW領(lǐng)域重要的研究方向之一。針對(duì)各種新型非接觸EBG結(jié)構(gòu)的研究層出不窮，以適應(yīng)不同的技術(shù)和應(yīng)用需求。GW應(yīng)用中最常見(jiàn)的非接觸EBG形式包括由金屬凸體單元構(gòu)成的金屬釘床(bed of nails)和由蘑菇狀貼片單元構(gòu)成的基片結(jié)構(gòu)，如圖1(b)和圖1(c)。除此之外，近年來(lái)研究人員又開(kāi)展了多種新型非接觸EBG結(jié)構(gòu)研究，典型的有：

2017年， Fan等人[15]提出了半高釘床型非接觸EBG，并以RGW為例研究了其禁帶特性。相比傳統(tǒng)釘床，半高釘床的金屬凸體高度降低1/2，可以降低機(jī)械加工難度，且具有較好的結(jié)構(gòu)容差性能，在高頻應(yīng)用中具有重要的意義。2018年，Ebrahimpouri等人[16]提出一種滑動(dòng)對(duì)稱孔結(jié)構(gòu)的非接觸EBG結(jié)構(gòu)，通過(guò)在兩個(gè)金屬平面上周期性交錯(cuò)排布圓孔實(shí)現(xiàn)，如圖3(a)，該滑動(dòng)對(duì)稱孔式非接觸EBG結(jié)構(gòu)易于機(jī)械加工，只需要在金屬表面交錯(cuò)打孔即可。但相比經(jīng)典釘床結(jié)構(gòu)，該類EBG結(jié)構(gòu)的尺寸相對(duì)較大，且其電磁禁帶寬度較窄，不利于寬帶應(yīng)用。

2019年， Sun等人[17]提出新型的交指釘床式非接觸EBG，如圖3(b)，在兩個(gè)平行放置的金屬面上分別任意設(shè)置金屬凸體陣列，只需滿足上下互補(bǔ)關(guān)系即可，具有極高的設(shè)計(jì)靈活度。這種交指釘床可實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)釘床EBG相當(dāng)?shù)碾姶沤麕阅?，且具有很好的結(jié)構(gòu)容差特性。相比傳統(tǒng)釘床式EBG，交指釘床的金屬凸體單元分布于兩個(gè)面中，因而單個(gè)面內(nèi)的金屬單元間距增大，可有效降低在高頻率下的加工制造難度，更加適合毫米波太赫茲頻段的GW技術(shù)應(yīng)用。

2020年， Sun等人[18]針對(duì)小型化雙面非接觸應(yīng)用需求，提出一種滑動(dòng)對(duì)稱褶皺結(jié)構(gòu)的雙間隙非接觸EBG，如圖3(c)，并基于此實(shí)現(xiàn)了一種新型的插入式雙間隙非接觸法蘭適配器膜片。在實(shí)現(xiàn)雙面非接觸應(yīng)用時(shí)，該褶皺雙間隙EBG結(jié)構(gòu)的厚度尺寸相比釘床式結(jié)構(gòu)可縮減約50%，為小型化GW應(yīng)用提供了新的技術(shù)途徑。進(jìn)一步，2021年， Sun等人[19]提出電磁軟-硬表面組合的新型非接觸EBG，通過(guò)在兩個(gè)平行金屬板中以正交的方式分別進(jìn)行1維刻槽實(shí)現(xiàn)，如圖3(d)。這種EBG結(jié)構(gòu)十分易于制造加工，且具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，此外，當(dāng)改變軟硬表面夾角時(shí)還可實(shí)現(xiàn)電磁禁帶帶寬的連續(xù)可調(diào)，進(jìn)一步擴(kuò)充了GW非接觸EBG的理論和技術(shù)范圍。

圖3 近年來(lái)所提出的幾種重要的新型間隙波導(dǎo)非接觸EBG結(jié)構(gòu)

此外，2021年， Peng等人[20]提出內(nèi)嵌釘床式非接觸EBG，在傳統(tǒng)釘床EBG基礎(chǔ)上，將光滑PEC面改為與釘床凸體一一對(duì)應(yīng)的周期性凹坑結(jié)構(gòu)，并將釘床凸體嵌入其中且保持不接觸。該非接觸EBG結(jié)構(gòu)在一定程度上可以改善空氣間隙的尺寸容差性，但也增加了制造和裝配復(fù)雜度。

3.2 新型間隙波導(dǎo)傳輸線

GW傳輸線的研究主要集中于各種新型GW傳輸線以及與傳統(tǒng)傳輸線之間的過(guò)渡、互聯(lián)方法。經(jīng)典GW傳輸線和相關(guān)的過(guò)渡互聯(lián)方法前文已有介紹。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同需求，又相繼發(fā)展了多種新型GW傳輸線，典型的有：

2018年，Bayat-Makou等人[21]針對(duì)空氣填充基片集成波導(dǎo)(Air-Filled Substrate Integrated Waveguide, AF-SIW)在制造過(guò)程中由于介質(zhì)層與上下金屬層間存在微小間隙導(dǎo)致電磁泄漏、影響傳輸性能的問(wèn)題，基于GW思想，在AF-SIW的介質(zhì)板中通過(guò)雙面蘑菇貼片單元構(gòu)建雙面AMC結(jié)構(gòu)，與上下金屬層形成雙間隙非接觸EBG，構(gòu)成非接觸式AF-SIW，也稱空心基片集成間隙波導(dǎo)(Empty Substrate Integrated Gap Waveguide, ESIGW)，如圖4(a)，有效解決了AF-SIW中層間空氣間隙影響傳輸性能的問(wèn)題，這是GW技術(shù)用于改善傳統(tǒng)傳輸線性能的一個(gè)非常成功和典型的實(shí)例。

進(jìn)一步，2021年， Zhao等人[22]將GW技術(shù)與介質(zhì)集成懸置線(Substrate-Integrated SuspendedLine, SISL)相結(jié)合，提出新型的懸置線間隙波導(dǎo)(Suspended-Line Gap Waveguide, SLGW)，如圖4(b)所示，通過(guò)多層堆疊的周期性雙面蘑菇狀貼片單元陣列構(gòu)成EBG結(jié)構(gòu)形成電磁屏蔽效應(yīng)，同時(shí)基于“零間隙”思想以獲得更低的損耗和更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)支撐特性。GW技術(shù)的運(yùn)用有效避免了SISL在封裝過(guò)程中由于層間不連續(xù)性所導(dǎo)致的電磁泄露問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)懸置線的穩(wěn)健封裝，且大幅降低了封裝制造要求，這是GW技術(shù)用于改善提升現(xiàn)有傳輸線性能的又一典型實(shí)例。

圖4 基于間隙波導(dǎo)技術(shù)的新型毫米波傳輸線

此外，圖3所提多種新型非接觸EBG也為構(gòu)建GW傳輸線提供了共性、基礎(chǔ)性方法，可應(yīng)用于各種類型的GW傳輸線，文獻(xiàn)[17,19]也以實(shí)現(xiàn)GGW為例進(jìn)行了驗(yàn)證，同樣獲得了很好的效果。

3.3 間隙波導(dǎo)的微波毫米波無(wú)源器件應(yīng)用

GW的非接觸技術(shù)優(yōu)勢(shì)在微波毫米波無(wú)源電路中得到了充分的發(fā)揮，獲得了廣泛的應(yīng)用，已有的研究報(bào)道包含非接觸法蘭、濾波器、耦合器、移相器、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、功分合成電路及開(kāi)關(guān)等多個(gè)方面。

基于非接觸法蘭思想， Sun等人[26]提出柱面非接觸法蘭，并基于此研制了可彎折矩形波導(dǎo)，如圖5(b)，該可彎折波導(dǎo)與傳統(tǒng)的軟波導(dǎo)功能相當(dāng)?；诜墙佑|法蘭結(jié)構(gòu)間允許相對(duì)運(yùn)動(dòng)的特性，Sun等人[27]又提出可任意角度實(shí)時(shí)扭轉(zhuǎn)的矩形波導(dǎo)扭波導(dǎo)，如圖5(c)。采用傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法或很難實(shí)現(xiàn)以上各種形式的非接觸法蘭結(jié)構(gòu)，非接觸法蘭及其擴(kuò)展應(yīng)用充分體現(xiàn)了GW的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

圖5 基于間隙波導(dǎo)的非接觸法蘭及擴(kuò)展應(yīng)用

除非接觸法蘭，GW在濾波器、耦合器、移相器等各類無(wú)源器件中的應(yīng)用也十分廣泛，比較有代表性的有：濾波器方面，基于GGW可實(shí)現(xiàn)多種新型的濾波器形式，如堆疊式濾波器[28,29]，如圖6(a)，通過(guò)靈活設(shè)計(jì)層間耦合方式，實(shí)現(xiàn)高性能的同時(shí)可獲得較為緊湊的結(jié)構(gòu)，十分適合毫米波應(yīng)用；文獻(xiàn)[30]實(shí)現(xiàn)了基于GW的波導(dǎo)濾波器。這兩種濾波器的各個(gè)部分均單獨(dú)加工制作，通過(guò)簡(jiǎn)單組裝即可構(gòu)成濾波器整體，顯示出GW技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電路結(jié)構(gòu)的高度便利性，且非接觸結(jié)構(gòu)有效改善了由于不良電接觸所導(dǎo)致的損耗惡化問(wèn)題。此外， Rezaee等人[31]提出在GGW的上蓋板中加載新型諧振及耦合結(jié)構(gòu)，共用相同的釘床GGW底座，僅通過(guò)更換不同的上蓋板即實(shí)現(xiàn)了中心頻率及帶寬不同的多個(gè)帶通濾波器功能，一定程度上實(shí)現(xiàn)了毫米波器件的部分結(jié)構(gòu)共享和電氣性能可配置設(shè)計(jì)，這為降低器件實(shí)現(xiàn)成本及更加靈活的功能設(shè)計(jì)提供了一種新思路。類似的工作還包括Sun等人[32]所提耦合度可調(diào)節(jié)的GW耦合器，基于GW的非接觸結(jié)構(gòu)特征，通過(guò)替換窄邊耦合板即可獲得不同的耦合度。

移相器方面，文獻(xiàn)[33]提出一種新型的機(jī)械可重構(gòu)式移相器，相比傳統(tǒng)波導(dǎo)，在GGW腔內(nèi)很容易放置柔性金屬條，如圖6(b)，通過(guò)調(diào)諧螺釘對(duì)金屬條施加不同壓力使其以不同的曲率半徑彎曲，從而在輸出端口獲得不同的相移，且GW的非接觸電磁屏蔽特性也保證了其低損耗性能。Sánchez-Escuderos等人[34]于2021年針對(duì)陣列天線應(yīng)用提出一種基于GW的移相功分饋電結(jié)構(gòu)，移相單元采用圓弧形設(shè)計(jì)，只需部分結(jié)構(gòu)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)即可獲得不同的相移量，從而實(shí)現(xiàn)天線的波束掃描。

利用GW的非接觸特性還可實(shí)現(xiàn)更為靈活多樣的動(dòng)態(tài)化電磁結(jié)構(gòu)，典型的應(yīng)用即為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。例如，在同軸過(guò)渡段外部設(shè)置圓弧面釘床結(jié)構(gòu)并嵌入圓柱形金屬腔中，形成一種非接觸可旋轉(zhuǎn)EBG結(jié)構(gòu)，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)寬帶的電磁屏蔽功能，配合寬帶的波導(dǎo)-同軸過(guò)渡，即可構(gòu)成超寬帶波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)[35]，可有效解決傳統(tǒng)扼流槽式波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)工作帶寬受限的問(wèn)題，且非接觸式結(jié)構(gòu)還具有無(wú)磨損、旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[36]基于GW實(shí)現(xiàn)了一種寬帶同軸旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，如圖6(c)，在一個(gè)GGW腔內(nèi)設(shè)計(jì)兩個(gè)背靠背的同軸探針結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)同軸輸出作為旋轉(zhuǎn)端口，另一端則保持固定，通過(guò)GGW的TE10模實(shí)現(xiàn)電磁能量耦合。此外，2022年，Horestani等人[37]提出一種基于GGW的位移和旋轉(zhuǎn)傳感器，也是利用非接觸結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)新型應(yīng)用的一個(gè)典型實(shí)例。

圖6 基于間隙波導(dǎo)技術(shù)的新型無(wú)源器件

其他方面，文獻(xiàn)[38]針對(duì)行波管放大器應(yīng)用，利用RGW的準(zhǔn)TEM模作為過(guò)渡，通過(guò)一對(duì)背靠背的RGW，實(shí)現(xiàn)了一種矩形波導(dǎo)TE10模到圓波導(dǎo)TM11模的寬帶小型化變換結(jié)構(gòu)。此外，還有學(xué)者開(kāi)展了先進(jìn)制造方法與GW的融合研究，例如3D打印、MEMS等與GW技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用[39,40]，以及基于干膜光刻實(shí)現(xiàn)亞毫米波頻段下GW傳輸線的微加工[41]等，此處不再贅述。

3.4 間隙波導(dǎo)的微波毫米波有源電路應(yīng)用

截至目前，GW在有源電路中的典型應(yīng)用主要為基于RGW的無(wú)基片有源電路。RGW的傳輸主模為準(zhǔn)TEM模，與微帶線傳輸模式十分相似，且其以空氣作為傳輸介質(zhì)。利用RGW代替微帶線，可有效降低微帶電路由于介質(zhì)所引入的損耗，且RGW的金屬結(jié)構(gòu)也有利于提高系統(tǒng)散熱能力?；诖耍?Ahmadi等人[42]提出無(wú)基片功率放大器，如圖7(a)，放大器的輸入輸出采用矩形波導(dǎo)端口，通過(guò)階梯阻抗匹配將矩形波導(dǎo)過(guò)渡至RGW，RGW末端耦合過(guò)渡至一段很薄的金屬橋，然后通過(guò)金絲鍵合實(shí)現(xiàn)與功率放大器芯片的集成，如圖7(b)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用微帶線代替功放MMIC以計(jì)算無(wú)源部分的傳輸特性。該設(shè)計(jì)方案初步實(shí)現(xiàn)了毫米波功率放大器的無(wú)基片集成，具有重要的開(kāi)拓性意義，但其工作帶寬較窄且對(duì)安裝精度要求苛刻，還有著相當(dāng)?shù)奶嵘透倪M(jìn)空間?；贕W的無(wú)基片有源電路系統(tǒng)是一個(gè)非常有價(jià)值的研究方向。

圖7 基于脊間隙波導(dǎo)傳輸線的無(wú)基片功率放大器

3.5 間隙波導(dǎo)在微波毫米波天線中的應(yīng)用

GW技術(shù)十分適合毫米波陣列天線應(yīng)用，新型的GW結(jié)構(gòu)使得陣列天線的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更為靈活多樣?；诟鞣NGW傳輸線實(shí)現(xiàn)功分饋電網(wǎng)絡(luò)，與輻射結(jié)構(gòu)通過(guò)層疊方式構(gòu)成高增益、高效率的陣列天線，如圖8(a)，關(guān)于此已有較多的研究報(bào)道[43-49]，其中最新的、代表性研究工作如：

圖8 間隙波導(dǎo)陣列天線

2020年， Vilenskiy等人[46]通過(guò)一種近場(chǎng)耦合架構(gòu)，將固定波束GW陣列天線與集成PIN二極管的可重構(gòu)發(fā)射陣列成功組合，實(shí)現(xiàn)了一種新型的8×8毫米波相控陣天線，如圖8(b)，其中，發(fā)射陣列實(shí)現(xiàn)了對(duì)GW陣列天線的輔助波束控制，而GW陣列天線則可看作發(fā)射陣列的一種低損耗集成饋電，提高了發(fā)射單元的效率和可擴(kuò)展性。2021年，Tamayo-Domínguez等人[47]提出基于3D打印GW巴特勒矩陣饋電的W波段單脈沖徑向線縫隙天線陣，饋電部位采用圓腔耦合形式，GW技術(shù)的應(yīng)用使得饋電耦合設(shè)計(jì)更加靈活，且通過(guò)增材制造可有效降低制造成本、減輕天線重量。此外， Liu等人[48]基于GW實(shí)現(xiàn)了Ka頻段低旁瓣陣列天線，采用非等分功分饋電網(wǎng)絡(luò)，如圖8(c)，采用IMGW使得饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)制造更加靈活且成本更低。2022年，Quan等人[49]基于GW實(shí)現(xiàn)了45°線極化的雙層多波束天線，其波束形成網(wǎng)絡(luò)主要通過(guò)GGW實(shí)現(xiàn)，最后過(guò)渡至RGW實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射單元的饋電以有效避免柵瓣。

③為城市交通中的公共交通提供細(xì)致化的服務(wù)。在現(xiàn)代城市交通中，公共交通可以大大減少城市交通的壓力。而且在現(xiàn)代社會(huì)中，公共交通越來(lái)越多樣化，公交、BRT和地鐵等多樣化的交通，大大減少了城市交通的壓力。公共交通不僅要承受來(lái)自交通的壓力，還要給用戶提供更好的服務(wù)體系，滿足用戶在交通出行的良好體驗(yàn)，這就要求公共交通不僅要有強(qiáng)大的運(yùn)輸能力，還要給用戶帶來(lái)良好的用戶體驗(yàn)。

除過(guò)縫隙陣列天線應(yīng)用之外，GW在其他類型天線中也有著重要應(yīng)用，如新型H面喇叭天線[50,51]、透鏡天線[52]等。GW天線已成為一個(gè)獨(dú)立的研究方向，相關(guān)報(bào)道十分眾多，篇幅所限，不再展開(kāi)。

3.6 間隙波導(dǎo)PMC電路封裝技術(shù)

間隙波導(dǎo)的非接觸電磁屏蔽特性可廣泛應(yīng)用于毫米波電路系統(tǒng)的封裝技術(shù)之中。傳統(tǒng)的毫米波電路系統(tǒng)封裝通常采用窄溝道、屏蔽窗結(jié)合吸波材料的方式來(lái)抑制腔體內(nèi)部可能存在的電磁泄露以及腔體諧振。間隙波導(dǎo)PMC封裝只需要在器件表面覆蓋一層經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的釘床結(jié)構(gòu)，即可在寬帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁泄露的抑制，從而有效消除腔體諧振并提高不同通道間的隔離度。

文獻(xiàn)[53]研究了采用釘床PMC封裝的微帶濾波器，在無(wú)PMC封裝時(shí)，濾波器通帶低頻段傳輸系數(shù)塌陷十分嚴(yán)重，能量大部分以電磁輻射的方式損耗，經(jīng)過(guò)PMC封裝之后，濾波器的傳輸系數(shù)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，且插入損耗有效降低。2021年， Ashraf等人[54]在單個(gè)介質(zhì)基板上實(shí)現(xiàn)了PMC封裝形式的微帶4×4巴特勒矩陣，構(gòu)成一種自屏蔽、高效的波束形成網(wǎng)絡(luò)，并用于喇叭陣列天線饋電，這是間隙波導(dǎo)PMC封裝的又一典型成功應(yīng)用?？傊?，間隙波導(dǎo)技術(shù)在毫米波電路封裝技術(shù)領(lǐng)域也有著一定的研究?jī)r(jià)值。

4 間隙波導(dǎo)技術(shù)的空間應(yīng)用

GW的諸多優(yōu)勢(shì)特性為微波毫米波技術(shù)帶來(lái)了全新的研究視角和解決方案，展現(xiàn)出重要的應(yīng)用價(jià)值。進(jìn)一步，GW的技術(shù)優(yōu)勢(shì)也可為解決空間微波毫米波技術(shù)應(yīng)用中的諸多需求和問(wèn)題提供獨(dú)特的思路與途徑。本文結(jié)合當(dāng)前所開(kāi)展的部分應(yīng)用研究，對(duì)GW與空間技術(shù)相融合的重要應(yīng)用方向進(jìn)行簡(jiǎn)要分析和舉例。

4.1 間隙波導(dǎo)技術(shù)解決空間大功率無(wú)源互調(diào)干擾問(wèn)題

GW的非接觸特性為解決空間微波毫米波電路系統(tǒng)中由于不良電接觸所帶來(lái)的諸多可靠性問(wèn)題提供了全新技術(shù)途徑，最為典型的即為無(wú)源互調(diào)(Passive InterModulation, PIM)干擾。通常，微波毫米波無(wú)源部件及系統(tǒng)中存在一定程度的無(wú)源非線性，在大功率激勵(lì)下會(huì)導(dǎo)致PIM。PIM干擾對(duì)具備收發(fā)天線共用體制、高發(fā)射功率、極高接收靈敏度等特點(diǎn)的航天器通信有著嚴(yán)重威脅，且會(huì)伴隨航天器通信系統(tǒng)普遍且長(zhǎng)期存在，對(duì)未來(lái)空間技術(shù)發(fā)展具有重要影響。不良電接觸所導(dǎo)致的金屬接觸非線性是PIM的主要根源，微波毫米波部件及系統(tǒng)中存在大量金屬電接觸，實(shí)際中的金屬接觸無(wú)法達(dá)到理想接觸狀態(tài)，從而導(dǎo)致PIM問(wèn)題十分棘手。傳統(tǒng)PIM抑制方法主要集中于改善電接觸，對(duì)于材料、制造、表面處理及裝配等多個(gè)方面均具有較高要求，且無(wú)法從根本上消除金屬接觸非線性。

GW技術(shù)為解決PIM問(wèn)題提供了獨(dú)特的技術(shù)途徑，非接觸結(jié)構(gòu)可從根源上避免不良金屬電接觸，獲得穩(wěn)定高效的PIM抑制效果，且對(duì)于制造、表面處理及連接力矩的要求大幅降低，同時(shí)，寬帶電磁屏蔽特性則進(jìn)一步保證了微波毫米波部件、系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)低PIM的同時(shí)可獲得寬帶范圍內(nèi)優(yōu)良的電性能。2018年， Chen等人[55]提出非接觸式PIM抑制方法，并針對(duì)低頻應(yīng)用提出了一種折疊小型化非接觸式低PIM法蘭實(shí)現(xiàn)了技術(shù)驗(yàn)證，如圖9(a)，實(shí)測(cè)獲得了超過(guò)30 dB的PIM抑制度，如圖9(b)。此外，針對(duì)小型化需求和部件級(jí)應(yīng)用也研究了多種非接觸低PIM設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，均獲得了良好的電性能和穩(wěn)定的低PIM性能。

圖9 S頻段折疊小型化非接觸式低PIM法蘭及PIM實(shí)測(cè)結(jié)果

非接觸式PIM抑制方法進(jìn)一步豐富擴(kuò)充了間隙波導(dǎo)的研究和應(yīng)用范圍，可以針對(duì)低PIM需求發(fā)展更多新穎的間隙波導(dǎo)技術(shù)、人工電磁材料及其應(yīng)用，也為實(shí)現(xiàn)高性能的PIM抑制提供了一種顛覆性新方法，是間隙波導(dǎo)技術(shù)與空間技術(shù)需求相融合的一個(gè)典型的研究和應(yīng)用方向。

4.2 基于間隙波導(dǎo)技術(shù)的毫米波電路系統(tǒng)堆疊集成方法

在航天器載荷應(yīng)用中，高密度集成是在有限的平臺(tái)空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜功能應(yīng)用的前提，小型化、高密度、高可靠的多功能電路系統(tǒng)集成是重要的發(fā)展方向和關(guān)注焦點(diǎn)。為提高集成密度，3維立體集成是必然趨勢(shì)。傳統(tǒng)技術(shù)由于有著苛刻的電接觸要求，在實(shí)現(xiàn)毫米波模塊化電路3維立體集成時(shí)存在明顯的缺陷，不同電路功能層間難以實(shí)現(xiàn)便捷、穩(wěn)定的垂直互聯(lián)，進(jìn)而導(dǎo)致立體集成架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)困難、可靠性不高。

GW的非接觸結(jié)構(gòu)和寬帶電磁屏蔽特性避免了嚴(yán)格的電接觸要求，因而更加容易實(shí)現(xiàn)微波毫米波電路的非接觸式垂直互聯(lián)，且具有更為穩(wěn)定可靠的電磁傳輸性能，可用于實(shí)現(xiàn)電路模塊的垂直封裝集成[56]。同時(shí)，GW與傳統(tǒng)傳輸線的混合集成應(yīng)用可獲得優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的效果，為電路系統(tǒng)帶來(lái)很大的性能提升空間。此外，如3.6節(jié)所述，GW封裝還可有效改善電路系統(tǒng)的電磁兼容性能，使之更加穩(wěn)定可靠。通過(guò)堆疊集成方式可實(shí)現(xiàn)模塊化電路系統(tǒng)高性能、高可靠的3維立體集成，如圖10(a)，不同的電路功能模塊通過(guò)層層堆疊的方式集成為一體，層間允許存在結(jié)構(gòu)間隙，通過(guò)非接觸式垂直互聯(lián)實(shí)現(xiàn)各層電路間的信號(hào)傳輸和饋電，集成方式便捷、簡(jiǎn)單，且具有良好的電磁兼容性能，堆疊集成后相互獨(dú)立不影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的集成。獨(dú)立的電路功能層設(shè)計(jì)有利于實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵電路模塊的獨(dú)立測(cè)試和調(diào)試，提高系統(tǒng)可擴(kuò)展性，且可實(shí)現(xiàn)一定程度的功能可共享、可復(fù)用。航天五院西安分院基于該方法實(shí)現(xiàn)了Ka頻段小型化堆疊集成發(fā)射機(jī)原理樣機(jī)，如圖10(b)所示，發(fā)射機(jī)整體為一體化自封裝，外部?jī)H包括中頻輸入及電源供電端口，集成方式十分簡(jiǎn)單，通過(guò)少許螺釘實(shí)現(xiàn)層間結(jié)構(gòu)固定即可，實(shí)測(cè)也獲得了非常穩(wěn)定的預(yù)期性能。

圖10 基于間隙波導(dǎo)技術(shù)的堆疊式毫米波電路系統(tǒng)

GW堆疊集成體制進(jìn)一步擴(kuò)展了垂直維度的集成空間，可大幅提高空間利用率和功能集成密度，具有小型化、高可靠、自封裝優(yōu)勢(shì)，是一種新型的毫米波模塊電路系統(tǒng)集成體制，為高集成度空間毫米波載荷應(yīng)用提供了新的技術(shù)途徑，有著重要的研究和應(yīng)用前景。

4.3 其他應(yīng)用領(lǐng)域

GW的非接觸結(jié)構(gòu)特性有效回避了傳統(tǒng)微波毫米波電路的電接觸性能要求，可獲得更低的損耗性能，同時(shí)還可大幅降低表面處理工藝要求，這對(duì)于損耗性能要求較高的太赫茲技術(shù)應(yīng)用具有重要的意義；另外，非接觸結(jié)構(gòu)還可避免傳統(tǒng)硬接觸電路結(jié)構(gòu)在宇宙空間的高低溫交替環(huán)境中由于熱脹冷縮導(dǎo)致電路功能受損的問(wèn)題，具有更高的穩(wěn)定性和可靠性。此外，基于GW的微波毫米波電路部件在抗空間低氣壓放電方面也有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。低氣壓放電多發(fā)生在航天器發(fā)射至入軌階段以及火星探測(cè)等低氣壓環(huán)境下，外部氣壓變化時(shí)電路部件內(nèi)部氣體若無(wú)法及時(shí)排出，則在大功率激勵(lì)下容易發(fā)生低氣壓放電[57]，損壞電路部件功能，GW的非接觸式開(kāi)放結(jié)構(gòu)則為避免此問(wèn)題提供了一種思路。

以上部分實(shí)例初步展現(xiàn)了GW在空間技術(shù)領(lǐng)域重要的應(yīng)用潛力，相信隨著各項(xiàng)研究的不斷展開(kāi)，GW的技術(shù)優(yōu)勢(shì)將會(huì)在空間微波毫米波技術(shù)創(chuàng)新中得到進(jìn)一步體現(xiàn)，獲得更加廣泛的應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文綜合歸納了國(guó)內(nèi)外間隙波導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域的各方面研究和進(jìn)展情況，并進(jìn)一步分析闡述了間隙波導(dǎo)技術(shù)與空間技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用前景，以期拋磚引玉，將間隙波導(dǎo)相關(guān)研究和應(yīng)用進(jìn)一步拓展至空間技術(shù)領(lǐng)域?？傮w上，間隙波導(dǎo)作為微波毫米波領(lǐng)域的一個(gè)新技術(shù)方向，有著很高的研究和應(yīng)用價(jià)值。結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景需求，在微波毫米波電路系統(tǒng)中充分運(yùn)用間隙波導(dǎo)的技術(shù)特點(diǎn)并發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是間隙波導(dǎo)技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用的主要價(jià)值所在；與此同時(shí)，針對(duì)間隙波導(dǎo)技術(shù)所存在的不足和缺陷，提出更多新型的技術(shù)方案或有效的解決方法也是未來(lái)開(kāi)展間隙波導(dǎo)研究的重點(diǎn)方向。隨著各項(xiàng)研究工作的不斷深入，將會(huì)進(jìn)一步豐富間隙波導(dǎo)技術(shù)研究?jī)?nèi)涵，擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域，不斷將間隙波導(dǎo)相關(guān)研究發(fā)揚(yáng)光大，邁向新高。