一種基片集成波導(dǎo)-微帶過渡器的仿真設(shè)計

武歡歡

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

0 引 言

基片集成波導(dǎo)是加拿大吳柯教授和東南大學(xué)洪偉教授共同提出的一種新技術(shù)[1]。由于基片集成波導(dǎo)可以等效成矩形波導(dǎo)，近年來國內(nèi)外學(xué)者紛紛采用基片集成波導(dǎo)設(shè)計功分器、濾波器、雙工器、定向耦合器和天線等多種微波毫米波電路[2]。基片集成波導(dǎo)-微帶過渡器在微波集成電路中主要應(yīng)用于兩個方面。一方面是器件間的互連，在電路中不一定完全由基片集成波導(dǎo)（SIW）結(jié)構(gòu)構(gòu)成[2]，而大部分器件是由微帶線設(shè)計的。為了方便基片集成波導(dǎo)與其他形式的電路集成，需要設(shè)計一種高性能、結(jié)構(gòu)簡單、易于加工的過渡轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)。另一方面，通常微波器件的測試在Ka波段以下常采用同軸電纜測試，在Ka波段以上常采用矩形波導(dǎo)測試系統(tǒng)。

1 基片集成波導(dǎo)概念

基片集成波導(dǎo)是近幾年出現(xiàn)的一種新型的微帶傳輸線，主要應(yīng)用于高頻段。其主要原因是由于高頻段的波長過小，容差過高會使微帶線失效，而基片集成波導(dǎo)的主要思想就是在介質(zhì)基片上采用LTCC或者薄膜工藝實現(xiàn)兩排通孔，形成電壁，與上下金屬面一起構(gòu)成類似于普通波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)。基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖1所示，上下表面為金屬化層，類似與傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)的兩個波導(dǎo)壁，基片集成波導(dǎo)的兩排周期性的金屬化過孔類似于矩形波導(dǎo)的窄壁，電磁波被限制在由兩排金屬化孔和上下金屬化層形成的矩形腔內(nèi)，由于兩邊存在的金屬化過孔，所以橫磁波（TM）是不存在的，而橫電波的主模為TE10模，所以矩形波導(dǎo)的電場結(jié)構(gòu)與普通矩形波導(dǎo)的場結(jié)構(gòu)相類似，但是由于兩排周期性通孔之間存在一定的縫隙，所以磁場會產(chǎn)生微量的干擾，電磁能量會有少量泄露。但當(dāng)相鄰兩個金屬化孔間距s與金屬化孔直徑d滿足一定的關(guān)系的時候，這種微量的泄露可以忽略不計。圖1中的h表示基片集成波導(dǎo)的介質(zhì)基板的厚度，a表示兩排金屬化通孔的圓心間的距離，也就是基片集成波導(dǎo)的寬度。

圖1 SIW結(jié)構(gòu)圖

2 基片集成波導(dǎo)-微帶過渡器的設(shè)計

基片集成波導(dǎo)-微帶過渡器的微帶漸變式結(jié)構(gòu)可以分為兩類：直接型過渡結(jié)構(gòu)和曲線型過渡結(jié)構(gòu)[3]。其中，直接型過渡結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和加工工藝較為簡單，故本文主要研究直接型微帶漸變式，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 直接型微帶漸變式結(jié)構(gòu)圖

基片集成波導(dǎo)設(shè)計首先根據(jù)設(shè)計要求選擇合適的介質(zhì)基板，其次根據(jù)設(shè)計選定的頻段計算SIW波導(dǎo)的寬度，選擇合適的板材（介電常數(shù)，厚度）。利用式（1）[4]計算得出基片集成波導(dǎo)的等效阻抗，令Z0=Ze，即可求得基片集成波導(dǎo)到微帶過渡部分的微帶線的寬度ws，再根據(jù)同軸線的特性阻抗，計算出微帶輸出端口的微帶線的寬度w。最后，確定過渡部分的長度。選取12～18 GHz頻段進(jìn)行直接型微帶漸變式過渡器的仿真設(shè)計，仿真模型如圖3所示。

基片集成波導(dǎo)的等效阻抗計算公式[5]為：

其中a為基片集成波導(dǎo)的等效寬度，aRWG為矩形波導(dǎo)的寬度，η0=120πΩ為TEM模在空氣中的波阻抗；h為介質(zhì)基板的厚度；εr為介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)。

圖3 直接型微帶漸變式過渡結(jié)構(gòu)仿真圖

通過HFSS仿真和理論分析可以得出基片集成波導(dǎo)與傳統(tǒng)的矩形波導(dǎo)具有相同的散射特性和場分布，傳輸模式同為TE10模，但微帶線與基片集成波導(dǎo)的連接部分會出現(xiàn)不連續(xù)性問題，而通過一系列的仿真調(diào)試，可以將這種不連續(xù)性通過阻抗匹配的方式來削弱[6]。

由于波在兩種不同的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)中進(jìn)行傳輸，在兩種導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的連接部分會產(chǎn)生反射。為了消除這種反射波，引入等效阻抗來解決阻抗匹配問題。傳統(tǒng)的矩形波導(dǎo)的等效阻抗為：

式中：a為矩形波導(dǎo)寬度；λ為工作波長；b為波導(dǎo)高度；μ為磁導(dǎo)率；角頻率，ε為介電常數(shù)，波數(shù)。基片集成波導(dǎo)中兩排金屬化通孔形成的電壁與矩形波導(dǎo)的場分布十分類似，這兩排金屬化通孔的存在，使得基片集成波導(dǎo)中不存在橫磁波，所以基片集成波導(dǎo)與矩形波導(dǎo)一樣傳輸?shù)闹髂＞鶠門E10模。因此，矩形波導(dǎo)與基片集成波導(dǎo)的阻抗存在一定的等效關(guān)系。

微帶線的寬度w可以由式（3）求出：

Z0為微帶線的特性阻抗。

通過仿真優(yōu)化可以得出，過渡段的長度l2對于傳輸性能的影響較大，過渡段的長設(shè)度定為：

其中，c為常數(shù)，將其定義為過渡系數(shù)。c值越小，l2的尺寸越小，過渡段越陡峭。所以，選取合適的過渡系數(shù)是設(shè)計過渡器的關(guān)鍵。

采用HFSS高頻電磁仿真軟件對過渡器進(jìn)行建模，選取泰康利的介電常數(shù)為2.55、厚度為0.762 mm的介質(zhì)基板。通過以上分析可以計算得到錐型基片集成波導(dǎo)-微帶過渡器的設(shè)計參數(shù)，如表1所示。當(dāng)c取不同值時，S參數(shù)的變化如圖4所示，其中過渡系數(shù)c一般選取3～4為宜。圖4為不同過渡系數(shù)下的S11仿真結(jié)果，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是過渡段過于陡峭，阻抗變化劇烈，影響了電磁波的傳輸。但是，過渡段過于緩慢會增加電路的物理尺寸，增加電磁波的損耗，也不利于能量的傳輸。通過調(diào)整參數(shù)掃描的間隔，最終選取過渡系數(shù)為3.2，則相應(yīng)的過渡段的長度為3.4 mm，HFSS仿真結(jié)果如圖5所示。

表1 基片集成波導(dǎo)-微帶過渡器設(shè)計參數(shù)/mm

圖4 不同過渡系數(shù)下的S11的仿真結(jié)果

圖5 基片集成波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)S參數(shù)仿真結(jié)果

3 結(jié) 論

本文主要闡述基片集成波導(dǎo)的基本特性和設(shè)計方法，仿真設(shè)計了基片集成波導(dǎo)-微帶的過渡器，采用直接過渡的方式在12～18 GHz的頻帶范圍內(nèi)通過HFSS進(jìn)行仿真設(shè)計，各端口均得到了良好匹配，在所設(shè)計的頻帶范圍內(nèi)回波損耗均小于-20 dB。