基片集成波導仿真與教學應用研究

韓波，王詩兵，王先超，王秀友，宋有才，王中心，史曉鳳，李軍

(阜陽師范學院計算機與信息工程學院，安徽阜陽236037)

基片集成波導仿真與教學應用研究

韓波，王詩兵，王先超，王秀友，宋有才，王中心，史曉鳳，李軍

(阜陽師范學院計算機與信息工程學院，安徽阜陽236037)

電磁場與微波技術是電子信息類專業的一門重要專業基礎課，該課程具有概念抽象、計算復雜等特點。本文采用電磁仿真軟件HFSS，設計并仿真了基片集成波導與慢波基片集成波導結構。結果顯示基片集成波導可有效工作在16.3～35 GHz頻率范圍內，而相同結構的慢波基片集成波導能夠降低波導通帶，減小基片集成波導縱向尺寸。仿真實驗表明，引入電磁仿真軟件能夠改革電磁場與微波技術實驗教學模式，使抽象的概念形象化、直觀化，提高實驗教學效果。

電磁仿真；基片集成波導；慢波效應；實驗教學

信息技術的發展日新月異，對電子信息類專業人才培養要求越來越高。電子類專業課程模式急需改革，特別是對實驗教學模式的改革[1-2]。電磁場與微波技術是電子信息類專業重要的必修基礎課程之一，這門課程具有理論性強、邏輯嚴密和概念抽象等特點。電磁場與微波技術是天線、電波傳播、無線通信和射頻電路等專業課程的基本理論，該課程對提高信息類大學生交叉學科的介入能力與創新能力具有非常重要的作用。傳統電磁場與微波技術實驗課程采用實驗箱、波導測量系統、網絡分析儀和微波暗室等實驗設備與環境，但這些設備一般價格比較昂貴，這就制約了電磁場與微波技術實驗課程的順利開展[3-4]。

隨著電磁仿真軟件的發展，電磁場與微波技術的實驗技術發生了巨大變化。目前，主流電磁仿真軟件主要由Ansoft HFSS、CST、MICROWAVE STUDIO等軟件[5-6]。電磁仿真軟件不僅能夠精確繪制各種微波元件模型，而且能夠以圖形與動畫形式展示元件仿真結果。采用計算機電磁仿真技術替代傳統電磁場與微波技術教學實驗，不但能夠節約教學成本，而且能夠提高學生興趣與學習效率，提高電磁場與電磁波實驗教學效果。

Ansoft HFSS是世界上第一個商業化三維結構電磁仿真軟件[7]。它利用有限元方法，對求解的元件結構以四面體為單元進行剖分，通過對各剖分單元電場的計算來獲得元件的特性參數。該軟件不僅能夠精確仿真任意結構元件的散射參數、傳播常數、電磁場和散射場等結果，而且能夠圖形化、動態化顯示元件電場分布、電流分布特性等，廣泛應用于電磁場與微波技術、無線通信、天線、微波集成電路和航空航天等領域設計與教學中。

基片集成波導（SIW）是一種可集成于介質基片中的具有低插損率、低輻射和高功率容量等特性的新型波導結構。基片集成波導由吳柯于2001年提出，SIW通過在正反面覆蓋金屬的介質基片上嵌入連接上下金屬面的金屬通孔來實現[8-9]。與傳統微波毫米波波導結構相比，SIW結構可利用普通PCB工藝、LTCC工藝及薄膜電路工藝等精確實現，加工成本十分低廉，適合于微波毫米波電路的集成設計和大批量生產。SIW技術在高速互連、系統集成、器件小型化等領域有廣泛應用前景。在電磁場與微波技術課程中引入基片集成波導教學內容，能夠充實課程教學內容，開闊學生學習視野，提高學生課程學習興趣，為將來從事電磁場與微波技術相關工作打下更好的理論基礎。

1 基片集成波導設計

基片集成波導的傳輸特性與矩形波導類似，它可以構成濾波器、功分器等多種波導器件。圖1顯示了基片集成波導結構，金屬通孔直徑R等于0.4 mm，相鄰兩通孔圓心之間距離D為0.8 mm，所設計的基片集成波導其他物理尺寸如表1所示。

圖1 基片集成波導（a）三維圖（b）俯視圖

表1 基片集成波導物理尺寸值（mm）

集成波導其他物理尺寸如表1所示。基片集成波導等效為矩形波導時等效寬度W如下所示[9]：

W4表示兩排通孔圓心之間的距離，H表示介質基片的高度。實驗案例選擇基片材料為羅杰斯4350，金屬厚度為50 μm，介質相對介電常數εr等于3.45，損耗角的正切值為0.004。所設計的基片集成波導通過Ansoft HFSS仿真，仿真端口設置為集總端口，仿真頻率范圍為6～38 GHz。

基片集成波導工作時電場分布比較抽象，而通過HFSS仿真可很容易將其圖形化顯示。所設計基片集成波導電場傳播模式仿真結果如圖2所示。由圖可知，該基片集成波導在10 GHz時信號不能夠由端口1傳輸至端口2，而在20 GHz時，

圖2 基片集成波導電場傳播模式仿真圖（a）10 GHz；（b）20 GHz

信號由端口1幾乎無損耗傳輸至端口2。圖3顯示了基片集成波導散射參數仿真結果。由圖可知，所設計的基片集成波導工作頻段為16.3～35 GHz，10 GHz頻點處于其阻帶，20 GHz頻點處于其通帶。該結果與圖2相互對應。同時也能看出在整個通帶范圍內，S21值較小，意味著所設計的基片集成波導損耗較小，表明該波導可以很好的應用于微波毫米波電路設計。

這些可視化的電場分布圖與散射參數結果圖對學生深刻理解基片集成波導等電磁場與微波技術器件的工作原理具有很大幫助，能夠激發學生學習熱情，提高電磁場與微波技術課程教學效果。

圖3 基片集成波導散射參數仿真圖(a)S11參數；（b）S21參數

2 慢波基片集成波導設計

與傳統矩形波導相比，基片集成波導尺寸較小。但相對于微電子集成電路元器件，基片集成波導元件尺寸還是比較大。在小型化基片集成波導方面，已提出折疊模式基片集成波導、半模基片集成波導、四分之一模基片集成波導和八分之一模基片集成波導結構等等。這些新結構能夠大大降低SIW橫向結構[10-11]。Martin等人提出了慢波SIW結構，對減小SIW縱向尺寸具有重要意義[12]。

與上節所設計基片集成波導類似，所設計相同尺寸慢波基片集成波導結構如圖4所示。與基片集成波導不同的是，所設計慢波基片集成波導由兩層介質和三層金屬構成。兩層介質仍由羅杰斯4350材料構成，兩層介質高度相同，其中H1+H2=H。兩層介質中的金屬過孔直徑仍為0.4 mm，過孔間中心距離為0.8 mm。為實現慢波效應，在介質2中設計了5排金屬通孔，這些通孔下端與底層金屬相連，上端懸空。相鄰兩排金屬通孔中心距離為0.9 mm，所設計慢波基片集成波導詳細物理尺寸如表2所示。

圖4 基片集成波導結構圖（a）俯視圖；（b）橫截面圖

表2 慢波基片集成波導物理尺寸值（mm）

所設計的慢波基片集成波導電場傳播模式HFSS仿真結果如圖5所示。與圖2(b)相比可以看出，慢波基片集成波導電場在波導傳播中比基片集成波導多一個傳播周期，這很好的通過圖形化解釋了慢波效應。圖6顯示了慢波基片集成波導散射參數仿真結果。由圖可看出，所設計基片集成波導工作頻段為12～32.7 GHz。與相同結構的基片集成波導相比，慢波基片集成波導工作頻帶降低了4.3 GHz。由矩形波導知識可知，波導傳播主模最低頻率由波導縱向尺寸確定，傳播主模頻率越低，縱向尺寸越大。由此可看出若設計相同工作頻帶的波導結構，慢波基片集成波導能夠明顯降低波導縱向尺寸。由圖6(b)可知，在整個通帶范圍內，慢波基片集成波導S21值較小，顯示了所設計慢波基片集成波導損耗較小，可以應用于集成電路設計。綜上，電磁仿真軟件HFSS的引入，不僅能夠對抽象的電磁場與微波技術相關概念形象化和可視化，提高教學效果，而且對于新型微波元器件設計亦具有較高應用價值。在電磁場與微波技術實驗課程中引入Ansoft HFSS軟件對學生后續從事相關研究工作具有深刻的意義。

圖5 慢波基片集成波導電場傳播模式仿真圖（20 GHz）

圖6 慢波基片集成波導散射參數仿真圖：(a)S11參數；（b）S21參數

3 小結

本文采用電磁仿真軟件Ansoft HFSS仿真了基片集成波導結構與相同尺寸的慢波基片集成波導。所設計的慢波基片集成波導電場傳播模式圖顯示慢波基片集成波導電場在波導傳播中比基片集成波導多一個周期，很好地解釋了慢波效應。結果顯示基片集成波導工作頻帶為16.3～35 GHz，而慢波基片集成波導工作頻段為12～32.7 GHz。由此可知慢波結構能夠減小基片集成波導縱向尺寸。可以看出在電磁場與微波技術實驗教學引入電磁仿真軟件Ansoft HFSS，不僅能夠使抽象的概念形象化、直觀化，提高實驗教學效果，而且能夠提高學生學習興趣，為后續從事電磁場與微波技術相關研究工作打下堅實基礎。

[1]胡金花.MATLAB和HFSS在天線教學中的研究與應用[J].合肥師范學院學報，2015,3(3):85-87.

[2]宋立眾，王淼，聶玉明，等.超寬帶縫隙螺旋天線仿真與教學應用研究[J].實驗技術與管理，2014，31（5）: 107-111.

[3]陳曉輝，郭欣欣，裴進明.Ansoft HFSS在微波技術與天線教學實踐中的應用[J].中國現代教育裝備，2015 (11):69-72.

[4]龔克，袁迎春.基于Ansoft HFSS的矩形波導可視化教學[J].電氣電子教學學報，2012，21（3）:118-120。

[5]王云秀.HFSS在電磁場與電磁波教學中的應用[J].大眾科技，2011(12):199-200.

[6]侯維娜，劉占軍.HFSS軟件在微帶天線教學中的應用[J].數字通信，2013，41（1）:92-94.

[7]HFSS.Ansys,Canonsburg,PA,USA,2014.Available online:http://www.ansys.com/Products/Simulation+ Technology/Electronics/Signal+Integrity/ANSYS+ HFSS.

[8]Deslandes D,Wu K.Integrated microstrip and rectangular waveguide in planar form[J].IEEE microwave and wireless components letters,2001,11（2）：68-70.

[9]郝張成.基片集成波導技術的研究[D].南京：東南大學，2005.

[10]Liu B,Hong W,Wang Y Q,et al.Half mode substrate integrated waveguide(HMSIW)3-dB coupler[J].IEEE microwave and wireless components letters,2007,17（1）：22-24.

[11]蔣迪，徐躍杭，徐銳敏，等.基于半模基片集成波導的新型帶通濾波器研究，電波科學學報[J].2013,28（2）：:305-308.

[12]Martin A N,et al.Slow-wave substrate integrated waveguide[J].IEEE transactions on microwave theory and techniques,2014，62（8）：1625-1633.

Simulation of substrate integrated waveguide and its application in teaching

HAN Bo，WANG Shi-bing，WANG Xian-chao,WANG Xiu-you,SONG You-cai, WANG Zhong-xin,SHI Xiao-feng,LI Jun
(School of Computer and Information Engineering,Fuyang Normal University,Fuyang Anhui236037,China)

Electromagnetic field and microwave technology is an important professional basic course for electronic information major.In this paper,the electromagnetic simulation software HFSS is used to design and simulate the substrate integrated waveguide and the slow-wave integrated waveguide.The simulation results show that the substrate integrated waveguide can work effectively in the frequency range of 14.7 to 35 GHz,while the same structure of the slow-wave substrate integrated waveguide can cut down the passband of the waveguide and reduce the longitudinal size of the substrate integrated waveguide.The simulation results also show that the electromagnetic simulation software can reform the experimental teaching mode of electromagnetic field and microwave technology,make the abstract concept image and visualization,and improve the effect of experimental teaching.

electromagnetic simulation;substrate integrated waveguide;slow-wave effect;experimental teaching

G642

A

1004-4329（2017）01-117-04

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329（2017）01-117-04

2016-08-22

國家自然科學基金項目（61401101）；安徽省自然科學基金項目（1408085QF122）；安徽省高校優秀中青年骨干人才國內外訪學研修重點項目（gxfxZD2016164）；阜陽師范學院教研項目（2016WLKC04）資助。

韓波（1983-），男，博士，副教授，研究方向：微波毫米波元器件設計與建模。