东南大学
硕士学位论文
基片集成波导缝隙阵天线设计
姓名：滕飞
申请学位级别：硕士专业：电磁场与微波技术
指导教师：洪伟;华光
20070101
第二章基片集成波导一微带线转接器设计
基片集成波导（ＳＩＷ）是通过在介质基片上的金属化通孔阵形成的一种新型波导，此类波导的一个重要性质是具有与传统矩形波导类似的传播特性，诸如品质因数高、易于设计等，同时较传统波导更为紧凑，具有体积小、重量轻、易于加丁和集成等优点，因此可以广泛地应用于微波及毫米波电路中。但是由于微波有源器件大都是表面封装或芯片形式，在安装时需要共面电路结构如共面波导、微带线等。应此基片集成波导与共面传输线的过渡问题是这项技术推广的一个重要前提。普通矩形波导与微带和共面波导的转换㈣１”１的这种三维结构在设计和装配时非常复杂，体积较大，不适合电路集成的要求。
本章首先介绍基片集成波导器件的基本分析和设计方法，然后讨论了基片集成波导与其他形式的波导结构转换的问题，并设计了单层结构中基片集成波导一微带线转换器，仿真和实测结果均表明这种转换器可以达到设计要求。
§２．１基片集成波导基本结构及研究方法
§２．１．１基片集成波导基本结构
一个典型的单层基片集成波导机构如图２．１所示。图中介质基片的上卜．表面均为金属化层，可以被看作是传统矩形波导的上下金属壁；在介质基片中间隔一定距离制作两排金属化通孔，代替传统矩形波导的两个侧壁，在上下金属面和两排金属化孔之问就形成了一个类矩形波导的结构，称为基片集成波导，类波导模在两排金属化通孔和上下金属表面之间的类波导结构中传播。图２．１中口表示两排金属通孔的圆心之间的距离，即基片集成波导的宽度，ｄ表示金属通孔的直径，ｈ是介质基片的厚度，而Ｐ为金属化通孔的周期长度。
图２．１基片集成波导结构示意图
§２．１．２基片集成波导的分析方法
目前分析基片集成波导结构的方法主要有全波分析法、等效模型法和商业电磁软件仿真等。电磁场全波分析方法是分析复杂结构电磁特性最准确的方法，全波分析方法的种类很多，通常对于某一种特定的结构，选择分析方法时必须综合考虑到各种因素，而且对于不同的结构，算法复杂度和所需计算时间相差很大，算法效率也各不相同。当在多层基片集成波导中通过开槽来形成器件，以及为了调节各种基片集成波导谐振腔之间的耦合而使用各种复杂形状的耦合结构时，如果用全波方法对以上问题进行分析，首先网格剖分将是一个非常复杂的问题，其次高阶矩阵方程的求解也相当困难，对以上问题如果全部采用人工编程计算，将会影响设计效率。
基片集成波导内传输的主模为ＴＥｔ。模，它的传播常数及辐射损耗由ａ，ｐ，ｄ决定。如图２．２所示，基片集成波导可以等效为传统的介质填充矩形波导，所以对ＳＩＷ的分析就可以用等效的介质填充矩形波导来代替。基片集成波导和传统矩形金属波导之间的等效关系式可以表示如下田】：
一￡
”卣＋Ｆ才奢虿（２Ｊ）
ｄ点一点
图２．２基片集成波导及等效介质填充矩形波导
上式中，ａ为等效矩形金属波导的Ｉ门～化宽度，它的物理意义是基片集成波导的宽度口和对应的有着类似性质的等效矩形金属波导的宽度之比，其中
卣＝１．０１９８＋瓦０而．３４６５（２．２）
州ｐ—Ｉ?Ｕ０５４
彘＝卸．１１８３一品ａＰ１（２３）
一?２ＵｌＵ磊＝１．００８２一根据上式可求得等效矩形波导宽度口。”
０．９１６３
历丽（２?４）
口口ＷＧ＝ａａ
（２．５）
根据这个公式，可以直接从基片集成波导的结构参数４、Ｐ、ｄ计算出相应的等效波导宽度，主要模式的相位特性可以从等效的金属波导的分析理论中获得。目前用于微波高频全波分析的商用软件主要有：ＨｉｇｈＦｒｅｑｕｅｎｃｙＳｔｒｕｃｔｕｒｅＳｉｍｕｌａｔｏｒ（ＨＦＳＳ），ＣＳＴＭｉｃｒｏｗａｖｅＳｔｕｄｉｏ，ＺｅｌａｎｄＩＥ３Ｄ等，本文将结合所设计器件的性能选择合适的商用软件来进行分析和设计基片集成波导器件。
§２．２ＳＩＷ与各种传输线的转换
由于微波有源器件大都是表面封装或芯片形式，在安装时需要共面电路结构如共面波导、微带线等。因此，基片集成波导与共面传输线的过渡阀题是这项技术应用于具体设计的一个重要前提，设计这类转换的最重要的指标是带宽及回波损耗。
微带线与ｓｌｗ的过渡形式可以分为两类：第一类为共面形式，即微带线与ｓｌｗ的一个宽面在同一层介质基片上，这类结构可以仅用一层介质基片实现，加工工艺简单；第二类为异面形式，微带线与ｓｌｗ的宽面分布在不同层的介质基片上，通过－＇ｂｉＬ或缝隙发生耦合。参考文献Ⅱ”给出了一种锥形的微带．ｓｌｗ转换器结构。下面，我们对微带线与ｓｌｗ的过渡形式进行介绍。
§２．２．１共面形式
共面形式的微带．ＳｌＷ转换器的基本结构示于图２．３，这种转换器属于窄带转换器。为展宽频带可采用多级的阻抗变换或渐变线形式，如图２．４所示：
图２．３共面形式微带．ｓｌｗ转换器
图２．４渐变线形式微带．ＳＩＷ转换器
设计渐变线形式的基片集成波导一微带线转换器首先需要确定基片集成波导的宽度和高度，从而获得基片集成波导的等效阻抗，求得基片转换器中靠近基片集成波导一侧微带的宽度，即图２．５中石＝厶～处的微带宽度，另一方面，转换器以５０Ｑ的微带线输出，可以计算出微带线的宽度田１。§２．２．２异面形式
—／／
ｌ厂一厂Ｉ一
。一ｑ濞ｗ．Ｌ７ｘ＝０
图２．５渐变线形式微带．ＳＩＷ转换器等效图
多层板技术已在微波及毫米波电路中得剑广泛应用，它提供了更为紧凑的系统设计平台和更佳的性能。异面形式的微带。ＳＩＷ过渡的基本结构如Ｉ圣｜２．６所示，这类结构很容易在低温共烧结陶瓷（ＬＴＣＣ）上实现。为了得到强的耦合，一般上面一层介质片的厚度＾远小丁ＩＦ一层的厚度ｂ。设计这类转换器的关键要素是耦合孔径的尺寸和位置。可以看到底层的金属通孔形成一个闭合的腔体，在腔体的上表面有两个矩形的耦合缝隙。这种结构将在几个频率谐振点上得剑较好的传输㈣。
。一下ＩｌＩｌ上下Ｉ上
去
§２．３设计实例
图２．６不同介质层闻的微带．ＳＩＷ转换
利用以上的分析方法，本文给出了在Ｓ波段基片集成波导一微带线转换器的设计，并利用网络分析仪对实物进行了测试，所用的矢量网络分析仪的测试频带范围为１０ＭＨｚ～４０ＧＨｚ。结构和实物分别如图２．７、２．８所示，它的设计参数如表２．１所示，其中￡。，表示基片集成波导一微带线转换器中基片集成波导部分的长度，介质基片选用相对介电常数￡－２．２的Ｒｏｇｅｒｓ５８８０材料，损耗角正切为ｔａｎ８＝０．ｏｏｌ（在２．５ＧＨｚ时）。由于基片集成波导一微带线转换器的设计目标是使之能够正常工作于Ｓ波段，所以我们要求在２．２ＧＨｚ－３．８ＧＨｚ频段内其反射参数小于．１５ｄＢ。图２．９显示了测试结果，由图中可以看出，该基片集成波导的截至频率约为１．８ＧＨｚ，在２．２ＧＨｚ～３．８ＧＨｚ频段范嗣内这种转换器的反射系数小于一１５ｄＢ，它的Ｊ：作带宽约为６０％（２．２ＧＨｚ－３．８ＧＨｚ），覆盖了整个Ｓ波段，整个器件包括两个对称的微带渐变线、一个基片集成波导以及朋于测试的一对ＳＭＡ接头，在２．２ＧＨｚ处的插入损耗约一Ｏ．８ｄＢ。
图２．７ｓ波段基片集成波导一微带线转换器结构
表２．１Ｓ波段基片集成波导一微带线转换器设计参数
Ｄ（ｍｉｌｌ）
Ｏ．４％ｏ（ｍｍ）６．２Ｗｓ，∥（ｒａｍ）５５Ｓｖｐ（ｒａｍ）０．８
阡乙，（ｍｍ）２６ｔ２．２ｋ∥（ｍｍ）
１５０Ｚ伽。，（ｍｍ）１５ｈ（ｍｍ）２
０
．１０
．２０
∞
刁．３９
§２．４小结－５０
．６０
图２．８ｓ波段基片集成波导一微带线转换器
５４５５ｏ
Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＧＨｚ）
图２．９Ｓ波段基片集成波导一微带线转换器测试结果
本章主要讨论了基片集成波导器什的分析方法平¨设计ｆ：具，为了使基片集成波导能够和其他形式电路集成，同时方便测试，通过理论分析和实验测试研究了单层结构的基片集成波导一微带线转换器，由于波导本身所具有的传播模式的色散特性，造成这种转接必然是窄带的，但是可以通过阻抗变换或渐变线来展宽Ｉ：作带宽。本章中给出了一个ｓ波段基片集成波导一微带线转换器的设计实
例，实验结果验证了设计的正确性和有效性。