一種新型SIW傳輸線結構設計*

田偉成，汪曉光

0 引 言

基片集成波導（Substrate Integrated Waveguide，SIW）是一種可集成于介質基片中的傳輸線結構。通常，SIW是在介質基板上打兩排金屬通孔，再在基板兩面覆以金屬得到的。在滿足一定條件下，將通孔陣列等效為金屬壁，傳輸特性則可近似矩形波導分析。SIW結構具有低輻射、低插損、較高Q值、高功率容量、小型化和易于連接等優點。當電磁波在導波結構中傳播時，會形成表面電流。目前，一般使用全波分析法和有限元法來對基片集成波導進行場分析，得出SIW各項參數和傳統波導的等效公式。

1 傳輸線仿真與計算

SIW結構可以看作是一系列特殊的兩邊墻壁上細薄的插槽的矩形波導。橫向切割這些電流的槽，將會帶來大量的電流輻射。因為橫向磁性場會產生縱向表面電流，所以存在縱向電流的TM模和存在橫向磁場的TEmn(n≠0)是不能存在SIW結構中的。實驗發現，如果引腳不焊接在一起的PCB金屬板，SIW的參數屬性將以非常顯著的方式下降。因此，金屬柱不僅起到屏蔽電磁波的作用，而且負責連接表面電流以保持導波傳播。下面是通用的SIW與傳統矩形波導的寬邊的轉換公式[1]：

其中，d為金屬通孔的直徑，s為相鄰金屬通孔孔間距，w為兩行金屬化通孔之間的距離。

本文通過在金屬通孔內側加入磁性圓柱，合理調節金屬通孔和磁性圓柱的直徑與間隙，使得SIW傳輸線的性能得到提高。所述兩行磁性介質圓柱設置于兩行金屬通孔內側并與其平行，各行磁性介質圓柱的中心線與同側金屬通孔中心線的行距相等，其距離為0.3～1.2 mm；各行磁性介質圓柱由相同的磁性介質圓柱等間距構成，如圖1所示。

圖1 本文SIW傳輸線結構

設計方法如下SIW經驗公式（1）和本結構SIW經驗公式s=2.5d-0.360 1，得到對應的中心頻率和金屬通孔的直徑d、相鄰金屬通孔孔間距s和兩行金屬化通孔之間的距離w。

將磁性介質圓柱的直徑d2、相鄰圓柱間隙s2應用經驗公式：d=1.133d2+0.04，s2=5.618d2+0.713 6；掃描磁性圓柱行與金屬通孔行的最短距離，得到最優化尺寸；固定s、d、s2、d2這4個參數中的一個參數，并掃描其他參數得到最優的尺寸解。

2 入射與性能分析

眾所周知，在SIW結構中，金屬通孔的直徑越小，金屬通孔之間的間隙越小，SIW結構的參數性能越好。這不僅有利于散射特性、泄漏損失和帶阻特性SIW結構，而且大大簡化了設計流程，并使PCB設計更加緊湊。如圖2所示[2]，電磁波在SIW結構中的傳播方式與在傳統矩形波導中的傳播方式類似，電磁波通過在兩個寬側壁之間反射而在Z方向上傳播。圖3為電磁波入射金屬通孔。通過幾何關系可以得到[1]：

其中θ稱為入射角，w為矩形波導的寬邊寬度，n為電磁波模式階數，λ為波長長度。雖然入射角不是直接可以表征的參數，但是衰減系數與入射角成反比例，從而影響SIW結構幾乎所有的性能參數，如圖4所示。

圖2 電磁波在波導中傳輸

圖3 電磁波入射金屬通孔

圖4 衰減常數與入射角關系

當頻率增加[3]時，如果入射角不變，電磁波的穿透性加強，會使得泄漏量增加。同時，入射角度會隨著頻率的增加升高，衰減系數又會變小。但是，在15°～50°時，該入射角對衰減系數的影響會大于頻率對其的影響，特別是低頻范圍內的頻率。模式順序增加時，入射角度會減小，導致衰減系數增加，使得SIW結構性能變差。所以，對于SIW結構，入射角至關重要，一般選擇大于或等于30°。磁性介質圓柱的加入，使得電磁波在傳播時先經過磁性介質圓柱再入射到金屬通孔，從而增大入射角，使得衰減系數減小。新型傳輸線的插損如圖5所示，現有SIW結構損如圖6所示，新型傳輸線的回波損耗如圖7所示，現有SIW結構回波損耗如圖8所示?？梢钥闯?，新型傳輸線插損和回波均優于現有SIW結構，提高了SIW結構的性能。

3 結 語

通過在傳統SIW結構中緊靠兩行金屬通孔加入兩行與其平行的磁性圓柱，形成新結構SIW傳輸線，從而實現在相同直徑下插入損耗和回波損耗的性能優于現有SIW結構，且駐波比VSWR和傳播常數保持不變。所述SIW傳輸線的設計方法中，SIW的經驗公式為s=2.5d-0.360 1，新型傳輸線經驗公式為d=1.133d2+0.04和s2=5.618d2+0.713 6。寬邊寬度w則參考式（1）。需要說明的是，此類SIW傳輸線僅用于了X波段。

圖5 本文S12參數仿真結果

圖6 相同條件下現有SIW傳輸線的S12仿真結果

圖7 本文S11參數仿真結果

圖8 相同條件下現有SIW傳輸線的S11仿真結果

[1] Xu F,Wu K.Guided-Wave and Leakage Characteristics of Substrate integrated waveguide[J].Microwave and Wireless Components Letters IEEE,2002,53(01):66-73.

[2] R.E.柯林.導波場論[M].上海:科學技術出版社,1966.Colin R E.Waveguide Theory[M].Shanghai:Science and Technology Press,1966.

[3] Zhu L,Wu K.Unified Equivalent-circuit Model of Planar Discontinuities Suitable for Field Theory-based CAD and Optimizationof M(H)MIC’s[J].IEEE Trans. Microw.Theory Tech.,1999,47(09):1589-1602.