基片集成波导的研究与应用

K_u波段小型化波导缝隙阵列天线的设计与实现
王小明;翁子彬;焦永昌;张福顺
【期刊名称】《微波学报》
【年(卷),期】2008(24)3
【摘要】基片集成波导(SIW)是一种新型高Q值、低损耗的集成波导结构,易于设计和加工,可广泛应用于微波毫米波集成电路。

本文设计并制作了一种SIW五元谐振缝隙阵天线,它能大大减轻阵列天线重量和减小尺寸,且成本低,便于加工和集成。

实验结果表明:在工作频段内,其理论和测试结果吻合,回波损耗低于-10dB,方向图良好,具有较高的工程实用性。

【总页数】3页(P33-35)
【关键词】缝隙阵列天线;基片集成波导;小型化
【作者】王小明;翁子彬;焦永昌;张福顺
【作者单位】西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TN823.24;TN252
【相关文献】
1.Ku波段波导混合缝隙阵列全向天线的设计与实现 [J], 王莉莉;李迎松;杨晓冬;杨祁
2.L波段宽带超低副瓣波导缝隙阵列天线设计 [J], 陈良圣
3.X波段低副瓣波导缝隙阵列天线设计 [J], 简玲;石磊;陈晓鹏
4.关于口径双波段波导缝隙阵列天线设计技术的研究 [J], 吴淼;陆凯;
5.应用于毫米波车地通信的小型化间隙波导缝隙阵列天线设计 [J], 第五健健;张健穹;王庆峰;李相强
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基片集成缝隙天线及阵列研究I. 内容综述随着无线通信技术的飞速发展，基片集成缝隙天线及阵列的研究日益受到学术界和产业界的关注。

本文旨在对基片集成缝隙天线及阵列的研究现状、发展趋势和关键技术进行全面的梳理和分析，为相关领域的研究者提供一个全面的理论参考和实践指导。

首先本文对基片集成缝隙天线的基本原理进行了简要介绍，基片集成缝隙天线是一种利用微纳加工技术制造的具有特殊结构和性能的天线，其主要特点是在基片上形成一定数量的缝隙，通过控制缝隙的数量和宽度来实现频率选择性、阻抗匹配等功能。

近年来随着纳米技术和MEMS技术的发展，基片集成缝隙天线的设计和制造取得了显著的进展，其性能也得到了很大的提高。

其次本文对基片集成缝隙天线阵列的研究现状进行了详细的梳理。

基片集成缝隙天线阵列是一种由多个基片集成缝隙天线组成的天线系统，其主要优点是具有较强的方向性和空间分辨率。

目前基片集成缝隙天线阵列的研究主要集中在以下几个方面：一是优化阵列结构以提高阵列增益和方向性；二是设计高效的馈源和耦合器以满足阵列的工作频段；三是研究阵列的波束形成和自适应算法以实现对多径干扰的抑制。

本文对基片集成缝隙天线及阵列的发展趋势进行了展望，随着5G、物联网等新兴技术的快速发展，对无线通信系统的需求将越来越高，这将为基片集成缝隙天线及阵列的研究提供广阔的应用空间。

未来的研究重点将集中在以下几个方面：一是进一步提高基片集成缝隙天线的性能，如降低尺寸、提高功率效率等；二是研究新型的阵列结构和材料，以满足不同场景下的需求；三是开发新的阵列设计和仿真方法，以提高阵列设计的效率和准确性。

A. 研究背景和意义随着科技的不断发展，无线通信技术在各个领域的应用越来越广泛。

其中基片集成缝隙天线(FSSMA)作为一种新型的天线结构，具有较高的增益、低的剖面尺寸和可调谐性等优点，已经在很多领域取得了显著的应用效果。

然而目前对FSSMA的研究主要集中在单天线性能分析和设计优化方面，对于阵列天线的研究相对较少。

一种新型的HMSIW宽带带通滤波器宋秋雨;李旺东【摘要】提出一种基于半模基片集成波导和缺陷地结构的新型宽带带通滤波器,将半模基片集成波导的高通特性与改进的哑铃形缺陷地结构的低通特性结合,实现了一种宽带小型化的带通滤波器.仿真与测试结果表明,该滤波器中心频率为5.3 GHz,相对带宽为53％,通带范围内插入损耗小于1.6 dB.该滤波器具有宽带小型化,容易集成等优点.%A novel wideband bandpass filter based on half mode substrate integrated waveguide (HMSIW) and defected ground structure is proposed in this paper. A compact wideband bandpass filter was realized by combining the highpass charac-teristic of half mode substrate integrated waveguide with the lowpass characteristic of the improved periodic dumbbell-shaped de-fected ground structure. The simulated and measured results show that the center frequency of the filter is 5.3 GHz, its relative bandwidth is 53%, and the insertion loss in the passband is less than 1.6 dB. This filter has the advantages of wideband and miniaturization, and is easy to integrate.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2013(036)002【总页数】3页(P126-128)【关键词】半模基片集成波导;缺陷地结构;哑铃形缺陷地结构;宽带带通滤波器【作者】宋秋雨;李旺东【作者单位】陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院,陕西西安710075;陕西延长石油(集团)管道运输公司,陕西延安716000【正文语种】中文【中图分类】TN911-34近年来，基片集成波导（SIW）在微波及毫米波电路设计中得到了广泛的应用。

基于基片集成波导的巴特勒矩阵馈电网络文瑞虎;王海彬;李元光;孙学文【摘要】针对传统无线电引信多波束精确探测成本高、功耗大的问题,提出将基于基片集成波导的Butler矩阵作为馈电网络应用于多波束阵列天线中.信号从一个端口输入被平均分配到四个输出端口,同时各个端口之间保持一个恒定的相位差,从而使得波束指向固定角度,不同的输入端口对应不同的相位差从而使得天线阵列波束指向不同的方向.实验结果表明:该馈电网络在工作频段内各输出端口等功率输出,输出端相位差与理论分析一致.%Traditional multi-beam radio fuze has the problems of high cost and high power consumption. In order to solve these problems, the substrate integrated waveguide Butler matrix was used as the multi-beam array antennas' feed network. Signals were input from one port and divided equally into four output ports,and there was a constant phase subtraction among the outputs so that the beam could point to a fixed direction. When the signal input was from different port,the outputs had a different phase subtraction so that the beam pointed to the different directions. The test results showed that, in the work band, the signals were output equally from different ports and the output phase subtraction well matched with the theoretical analysis.【期刊名称】《探测与控制学报》【年(卷),期】2011(033)005【总页数】6页(P29-33,40)【关键词】多波束天线;Butler矩阵;基片集成波导;馈电网络【作者】文瑞虎;王海彬;李元光;孙学文【作者单位】机电动态控制重点实验室,陕西西安710065;西安机电信息研究所,陕西西安710065;机电动态控制重点实验室,陕西西安710065;西安机电信息研究所,陕西西安710065;西安机电信息研究所,陕西西安710065;西安机电信息研究所,陕西西安710065【正文语种】中文【中图分类】TN711.30 引言将多波束天线［1］应用于无线电引信探测技术，可以实现对目标的精确探测，达到高效毁伤。

基于SIW技术的毫米波滤波器研究与设计杨君豪;孙曼;张金玲【摘要】基于基片集成波导(substrate integrated waveguide,SIW)结构设计了两款四阶的耦合带通滤波器,使用三维全波电磁场仿真软件HFSS对设计的两款滤波器进行了仿真设计和优化.由仿真结果分析得出,两款滤波器的工作频率均位于毫米波频段.第一款SIW滤波器实现了切比雪夫型响应,中心频率为20 GHz,带宽为2 GHz,通带内的插入损耗低于1.5 dB,回波损耗低于-20 dB,在阻带中对信号的衰减程度可以达到50 dB.第二款SIW滤波器实现了准椭圆函数型的响应,中心频率为29.1 GHz,带宽为300 MHz,通带内的插入损耗低于1 dB,回波损耗低于-20 dB,在通带到阻带的过渡中实现了两个陷波点.仿真结果表明,在毫米波滤波器设计中引入SIW结构,有利于优化滤波器尺寸,得到较好的滤波器性能指标,是毫米波滤波器发展的一个重要方向.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2019(034)004【总页数】6页(P518-523)【关键词】毫米波;带通滤波器;基片集成波导(SIW);切比雪夫响应;准椭圆函数响应;交叉耦合【作者】杨君豪;孙曼;张金玲【作者单位】北京邮电大学,北京100876;中国移动福建分公司,福建362200;北京邮电大学,北京100876;北京邮电大学,北京100876【正文语种】中文【中图分类】TN713引言毫米波无线通信技术是微波无线通信技术向更高频段的延伸,近年来得到了广泛关注与重视,其主要原因有:毫米波对应的频谱资源丰富;毫米波自身的传输特性良好;现代芯片制造工艺的快速发展为毫米波通信设备的制造提供了保障;毫米波通信技术已经成为许多新兴技术的发展需要. 滤波器作为通信系统中重要的组成部分,发挥着对信号频率分割和提取的功能,其性能的优劣直接影响了整个系统的通信质量. 研究小体积、高性能的毫米波滤波器对于实现收发组件单片化,以及促进毫米波技术的发展具有重要意义.基片集成波导(substrate integrated waveguide, SIW)结构是2000年提出的一种新型电路结构,它兼有传统金属波导和微带电路等平面传输线的双重优点[1-3], 其辐射损耗低、功率容量大、易与平面电路集成且抗干扰能力强. 近年来,对SIW 技术的关注度不断增加,相关的技术在微波及毫米波电路领域得到了广泛的应用[4-6]. 基于SIW结构设计的滤波器具备波导滤波器损耗低、Q值高和功率容量大的优点,同时还具备了微带线滤波器尺寸小、易集成的优点. 在滤波器朝着小型化、集成化发展的过程中,电磁兼容、电磁干扰等技术问题也日益突出. 将SIW结构运用到滤波器的设计中是毫米波电路发展的一个重要方向.2003年,文献[7]在绝缘介质基片中加入周期排列的金属通孔,通过四个中心偏置的金属化通孔的直径大小与偏离度控制各谐振腔之间的耦合,实现了三阶的滤波器结构. 这是第一款真正意义上的SIW滤波器.2005年,文献[8]将电磁带隙(electromagnetic band gap, EBG)结构运用到滤波器的设计中,设计出了一款应用周期性EBG结构的SIW滤波器. 该滤波器实现了超宽带特性与结构上的紧凑性,既具备了EBG结构的阻带特性,又保留了SIW结构本身的高通特性. 随后,利用圆形SIW谐振腔进一步实现SIW滤波器的小型化. 圆形SIW谐振腔滤波器的结构特点在于可以通过改变输入首末两端的角度来调节滤波器的品质因数.近年来,频率选择性表面(frequency selective surface, FSS)、互补开口谐振环(complementary split ring resonator, CSRR)和周期排列的十字形缺陷地(defected ground structure, DGS)结构相继被应用到SIW腔体滤波器与SIW矩形谐振滤波器中. 基于FSS设计的SIW滤波器具有单边陡降效应,通过调节腔体尺寸可以实现低频、高频陡降特性的转换,并能通过单元结构合成实现双边的陡降特性;应用耦合开口谐振环技术的SIW滤波器在利用微扰原理实现双模特性的同时,实现了阻带上的传输零点,提高了带外抑制特性;基于周期十字型DGS结构设计的SIW滤波器在提高了高频带外抑制的同时,保持了谐振腔的品质因数. 此外,应用到SIW滤波器的结构还包括共面波导、缺陷地等[9-12].针对毫米波通信系统中对滤波器小型化、高性能的需求,本文对SIW结构在毫米滤波器设计中的应用进行了研究. 对SIW的结构特点、传输特性进行了分析,结合在耦合谐振带通滤波器的设计中常用的耦合矩阵法,设计了两款工作频率位于毫米波频段的带通滤波器. 第一款为直接耦合型SIW滤波器,馈电方式采用微带线——SIW的直接转换结构,滤波器响应形式为传输零点位于无穷远传处的切比雪夫型带通滤波器. 为了进一步实现滤波器小型化、高带外抑制性能的需求,设计了第二款交叉耦合型SIW滤波器,馈电方式采用共面波导——SIW转换结构,进一步缩小了滤波器整体大小,且滤波器响应形式为通带两侧各有一个传输零点的准椭圆函数型带通滤波器,提高了滤波器带外抑制性能. 通过电磁仿真软件分别对两款滤波器进行了仿真,并对仿真结果进行了分析.1 SIW毫米波滤波器的理论分析1.1 SIW的结构特点SIW结构特点在于它将周期排列的金属圆柱或金属通孔嵌入介质基片,以此来达到与矩形金属波导侧壁类似的效果,将电磁波限制在基片上下两个金属面和两排金属通孔间. SIW的结构示意如图1所示. 其中,d表示金属通孔的直径,s表示相邻金属孔间圆心到圆心的距离,h表示基板厚度,l表示两列金属孔之间的距离.图1 SIW结构示意图Fig.1 Configuration schematic of SIW由于金属圆孔之间存在间隔,使得电磁波会在孔间产生泄露,造成了SIW结构特有的漏波特性. 漏波损耗的程度主要由金属通孔的直径d和相邻金属孔的间距s决定. 为了尽量减小漏波损耗,SIW尺寸的一般设计原则有[13]d<0.2λg,s<2d,d<0.2l.(1)由式(1)可以看出,s/d的数值即孔间隙越小,电磁波越难以在孔间发生泄露. 但从实际的角度出发,由于制造工艺有限,过小的孔直径和孔间距无疑会给实际生产带来困难. 因此对于SIW结构来说,选取合适的d值与s值,使得整个结构漏波损耗小且易于加工是相当有必要的. 图2是SIW单个谐振腔模型,两端采用微带线直接过渡型转换结构.图2 SIW单个谐振腔结构Fig.2 Configuration of a single SIW resonator通过对如图2所示的SIW单个谐振腔进行仿真优化,当d取0.5 mm,s取1 mm时,工作在30 GHz的SIW谐振腔实现了与传统矩形波导相似的传输特性. 在d与s值确定的情况下,谐振频率fc主要由两列金属孔之间的距离l决定,计算公式如下:(2)图2的SIW谐振腔的电场分布情况如图3所示.由仿真结果可以看出,通过谐振腔的电磁波被有效地限制在两排金属孔之间,几乎没有在孔间产生漏波损耗.图3 SIW谐振腔电场分布Fig.3 Magnitude of electric field distribution in the SIW cavity at resonance frequency1.2 SIW的转换结构SIW主要由介质基板和金属化通孔构成,虽然它也是一种平面结构,但是在实际电路应用中SIW难以和其他平面电路直接相连,因此SIW滤波器设计中应用了常用平面电路(如微带线)到SIW的转换结构,用来解决SIW连接与测试的问题.SIW与平面电路之间的转换结构一般有如下设计要求[8]:能实现较宽的工作带宽、较小的插入损耗和较简易的加工结构.SIW滤波器常用的五种基本平面电路转换结构如图4所示[14-17]. 其中,(a)为直接过渡结构,适用于SIW的等效阻抗与微带线特性阻抗相同的情况;(b)为凸型过渡结构,在实现SIW与微带结构过渡的同时完成了二者阻抗的匹配;(c)是凹型过渡结构,通过一段共面波导的过渡来完成阻抗匹配;(d)是SIW滤波器设计中最为常见的锥形过渡结构,其结构简单,能起到很好的展宽频段的效果,在实现微带线与SIW的阻抗匹配的同时,又减小反射带来的影响;(e)是共面波导过渡结构,相比于其他过渡结构,该结构最为紧凑,能够在体积更小的滤波器中发挥很好的作用. 其主要由一段共面波导短截线和两条短路槽构成,实现的效果与锥型过渡类似. 在后续设计中分别采用了(a)和(e)的过渡结构.(a) 直接过渡 (b) 凸型过渡 (c) 凹型过渡 (a) Direct (b) Convex (c) Concave transition transition transition(d) 锥型过渡 (e) 共面波导过渡 (d) Cone transition (e) CPW transition图4 SIW 滤波器平面电路转换结构Fig.4 Transitions from planar circuits to SIW filter 2 SIW毫米波带通滤波器的设计与仿真2.1 直接耦合型SIW带通滤波器本节设计了一款直接耦合的SIW带通滤波器,采用直接耦合的形式,工作频率覆盖19～21 GHz,通带内插入损耗小于1.5 dB,回波损耗小于-20 dB,带外抑制特性良好. 具体设计过程如下:根据所需设计的滤波器中心频率和带宽,确定滤波器的截止频率,通过公式(1),由截止频率计算得出滤波器中SIW谐振腔的尺寸. 由于设计中实现的滤波器为耦合谐振器带通滤波器,因此采用耦合矩阵法计算出各谐振腔之间的耦合系数和外部品质因数. 利用电磁仿真软件HFSS建立子工程,通过仿真得到耦合系数和外部品质因数与谐振腔的物理尺寸之间的对应关系,计算得到滤波器各部分的尺寸大小. 建立初步的滤波器整体模型,并设置相关的激励和边界条件. 其中,金属圆柱可以用边界条件为perfect E的圆柱面代替. 对模型进行仿真分析,仿真得到的响应波形与理论上会存在误差,该误差可以通过对整体模型的进一步优化来减小或消除.通过仿真对比得到,在谐振频率处于20 GHz时,谐振腔宽度H=10.5 mm. 根据技术指标要求,确立该滤波器使用的阶数为4阶. 采用耦合系数法,利用Matlab编程计算得出该滤波器的归一化耦合矩阵为(3)通过转换可以得到相邻谐振腔之间的耦合系数,转换公式如下:Mi,j=WFB×mi,j,i≠j.(4)计算得到M1,2=0.083 6,M2,3=0.060 59,M3,4=0.082 36. 滤波器的外部Q值是影响滤波性能的一个重要因素,可以通过式(5)得到:(5)式(4)、(5)中:WFB表示滤波器的相对带宽;M0,1表示输入端口与第一个谐振腔之间的M矩阵耦合系数;M4,5表示输出端口与最后一个谐振腔之间的M矩阵耦合系数,由“N+2”型耦合矩阵的计算方法可以得到. 带入数值后得到品质因数Q1=Q2=17.3.综上计算得到了谐振器之间的相关系数,使用电磁仿真软件HFSS建立该SIW之间耦合带通滤波器的初始模型,通过参数扫描对模型尺寸进行调整,以实现较好的传输特性.直接耦合SIW滤波器平面结构如图5所示. 从图中可以看出,四个由金属板面与金属圆柱组成的四个谐振腔呈横向排列. 第一个和第二个谐振腔通过过渡结构接入源和负载,各谐振腔通过横向的耦合窗口进行能量的传递.整个滤波器平面尺寸为26 mm×15 mm,具体尺寸为:L1=4.0 mm,L2=4.5 mm,W0=4.3 mm,W1=3.2 mm,W2=3.0 mm,H=10.5 mm.图5 直接耦合SIW滤波器平面结构图Fig.5 Top view of the direct coupled SIW filter通过电磁仿真软件HFSS得到的S11、S21仿真曲线如图6所示,因为滤波器采用直接耦合,所实现的响应为切比雪夫型响应. 从仿真结果可以看出,在滤波器通带19～21 GHz的范围内,插入损耗始终小于1.5 dB,回波损耗始终小于-20 dB. 带外抑制特性十分良好,在通带外的17 GHz处,对信号的衰减程度达到了50 dB.图6 直接耦合SIW滤波器S参数仿真曲线Fig.6 Simulated S parameters of the direct coupled SIW filter2.2 交叉耦合型SIW带通滤波器2.1节中所设计的SIW直接耦合带通滤波器,实现的是一般的切比雪夫响应,其传输零点位于无穷远处. 为了在通带与阻带的过渡带中实现明显的下陷,即在通带的两边实现一对陷波点,本小节用置于腔体中心的金属孔对代替原SIW滤波器中的金属孔窗口,设计了一款实现交叉耦合的SIW带通滤波器. 工作频率覆盖28.9～29.2 GHz,通带内插入损耗小于1 dB,回波损耗小于-20 dB,带外抑制特性良好.为了使设计的滤波器结构更为紧凑,该滤波器在连接端采用共面波导过渡结构,在输入、输出两端加入了共面波导短截线和1/4波长短路槽.共面波导过渡结构与其他过渡结构相比更适用于小体积的SIW滤波器,相应的代价是该转换结构会使滤波器的通带带宽受到限制. 采用耦合系数法,利用Matlab编程计算得到该滤波器的耦合矩阵如式(6)所示,引入交叉耦合后,矩阵中M1,4与M4,1的数值不再为零.(6)通过电磁仿真软件HFSS建立该滤波器的初始模型,模型的平面结构如图7所示. 可以看到,滤波器由三对纵向金属孔构成了四个谐振腔. 通过调整孔间距W1、W2,可以改变对应的耦合量. 对比2.1节设计的直接耦合型SIW滤波器,本款滤波器的尺寸更小、结构更为紧凑. 整体的尺寸为4 mm×14 mm,其中W1=0.65mm,W0=2.10 mm,W2=1.10 mm,L1=2.50 mm,L2=2.35 mm,H=2.80 mm.图7 交叉耦合SIW滤波器平面示意图Fig.7 Top view of the cross coupled SIW filter通过电磁仿真软件HFSS得到的滤波器S11、S21仿真曲线如图8所示.图8 交叉耦合SIW滤波器S参数仿真曲线Fig.8 Simulated S parameters of the cross coupled SIW filter从仿真曲线可以看出,通带内插入损耗小于1 dB,回波损耗小于-20 dB,在通带两边各产生一个陷波点,带外抑制特性良好.对上述设计的两款SIW带通滤波器进行对比分析,由滤波器的平面结构示意图可知(如图5、图7所示,其中图5中馈电结构采用微带线——SIW直接转换结构,图7中馈电结构采用共面波导——SIW转换结构),共面波导转换结构使滤波器整体更加紧凑,进一步缩小了滤波器的整体大小,实现了滤波器小型化的应用需求．由仿真结果S参数曲线可知(如图6、图8所示),设计的第二款准椭圆函数型SIW带通滤波器,通过引入交叉耦合,在通带两侧各引入了一个传输零点,在相同阶数下,相比较于传输零点在无穷远处的切比雪夫型SIW带通滤波器,提高了带通滤波器的选择性,抑制更加陡峭.3 结论本文针对毫米波滤波器的设计,引入SIW结构,研究了SIW的结构特点及传输特性,结合耦合谐振带通滤波器设计中的耦合矩阵法,设计了两款工作频率位于毫米波频段的带通滤波器,并通过电磁仿真软件HFSS分别进行了仿真．结果表明,两款滤波器均实现了设计指标,满足毫米波通信系统需求. 分析得出,将SIW结构应用到毫米波滤波器的设计中,有利于优化滤波器尺寸,得到较好的滤波器性能指标,是毫米波滤波器发展的一个重要方向.参考文献【相关文献】[1] CASSIVI Y, PERREGRINI L, ARCIONI P, et al. Dispersion characteristics of substrate integrated rectangular waveguide[J]. IEEE microwave & wireless components letters, 2002, 12(9):333-335.[2] DESLANDES D, WU K. Integrated microstrip and rectangular waveguide in planar form[J]. IEEE microwave & wireless components letters, 2002, 11(2):68-70.[3] HONG W. Development of microwave antennas, components and subsystems based on SIW technology[C]//IEEE International Symposium on Microwave, Antenna, Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications, 2006: 14.[4] LI H, HONG W, CUI T J, et al. Propagation characteristics of substrate integrated waveguide based on LTCC[C]//IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. IEEE, 2003:2045-2048.[5] YAN L, HONG W, WU K, et al. Investigations on the propagation characteristics of the substrate integrated waveguide based on the method of lines[J]. IEE proceeding H:microwaves， antennas and propagation, 2005, 152(1): 35-42.[6] ZHANG Y L, HONG W, XU F, et al. Analysis of guided-wave problems in substrate integrated waveguides:numerical simulations and experimental results[C]//IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. IEEE, 2003:2049-2052.[7] DESLANDES D, WU K. Single-substrate integration technique of planar circuits and waveguide filters[J]. IEEE transactions on microwave theory & techniques, 2003, 51(2): 593-596.[8] HAO Z C, HONG W, CHEN J X, et al. Compact super-wide bandpass substrate integrated waveguide (SIW) filters[J]. IEEE transactions on microwave theory & techniques, 2005, 53(9): 2968-2977.[9] ESPARZA N, ALCN P, HERRN L F, et al. Substrate Integrated waveguides structures using frequency selective surfaces operating in stop-band (SBFSS-SIW)[J]. IEEE microwave & wireless components letters, 2016, 26(2):113-115.[10] CHOUDHARY D K, CHAUDHARY R K. 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Novel substrate integrated waveguide (SIW) type high power amplifier using microstrip-to-SIW transition[C]//IEEE Microwave Conference Proceedings, 2014:101-103.[16] DU M, XU J, DONG Y, et al. LTCC SIW-vertical-fed-dipole array fed by a microstrip network with tapered microstrip-to-SIW transitions for wideband millimeter-wave applications[J]. IEEE antennas & wireless propagation letters, 2017, 16(99):1953-1956. [17] FANG R Y, LIU C F, WANG C L. Compact and broadband CB-CPW-to-SIW transition using stepped-impedance resonator with 90°-bent slot[J]. IEEE transactions on components packaging & manufacturing technology, 2013, 3(2):247-252.。

提高基片集成波导圆极化天线轴比带宽方法概述张叶枫;郭园园;刘明飞【摘要】概述了提高基片集成波导圆极化天线轴比带宽的方法.首先介绍了圆极化天线的基本知识;其次介绍了基片集成波导圆极化天线存在的问题;最后分析了提高基片集成波导圆极化天线轴比带宽的方法,为设计基片集成波导宽带圆极化天线提供依据和指导.【期刊名称】《电子世界》【年(卷),期】2017(000)020【总页数】2页(P158-159)【关键词】基片集成波导;圆极化天线;轴比带宽【作者】张叶枫;郭园园;刘明飞【作者单位】武警工程大学研究生管理大队13队;武警工程大学研究生管理大队13队;武警工程大学研究生管理大队13队【正文语种】中文圆极化天线常用于雷达通信系统，可以解决极化失配和多径效应等问题。

基片集成波导是通过在上下底面为金属层的低损耗介质基片上，利用金属化通孔阵列而实现的[1]，作为一种新型的导波结构，因其低剖面、易于平面集成、功率容量大等优势，在众多领域应用广泛。

2009年，一种基于基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide,SIW）矩形腔的圆极化天线首次被提出[2]，该天线在顶面刻蚀十字交叉缝隙，采用共地共面波导馈电结构，性能良好。

经过十多年的发展，基片集成波导圆极化天线种类繁多。

由于基片集成波导的低剖面结构和大多数结构采用的单馈电方式，基片集成波导圆极化天线的轴比带宽较低，一般在3%以下。

因此，拓展基片集成波导圆极化天线的轴比带宽是研究的重点和难点。

为此，许多学者进行了探索并取得了显著的成果，经归纳整理，主要是通过改变馈电方式来提高天线的轴比带宽。

改进的提高SIW圆极化天线轴比带宽的馈电方式主要分为以下三种：加载分支耦合器馈电法、加载枝节的带状线馈电法和顺序旋转馈电。

其中顺序旋转馈电法又可分为三种实现方法：采用微带结构的威尔金森功分器、采用基片集成波导结构的功分器和采用同轴线-SIW结构的功分器。

分类号学号M201072843 学校代码10487 密级硕士学位论文新型聚合物光波导的研究独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

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（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学硕士学位论文摘要伴随着当今社会的进步和发展，通信必然会朝着超大容量、超长距离的方向发展。

传统的电互连存在着很多限制其发展的因素，而光互连与之相比，则有着损耗低、容量大、带宽高、无串扰、抗电磁干扰等优点，因此，电互连将会逐渐的被光互连所取代。

光波导是光互连中的重要器件，制作光波导的材料有铌酸锂晶体、半导体和聚合物等等，聚合物材料因其加工工艺简单，价格低廉，易集成，驱动电压小等特点，引起了广泛关注。

近年来，聚合物光波导的研究已成为学术界的一个热点。

本论文首先用几何光学方法和波动光学方法分析了光在平板波导中的传播特性，并介绍了分析矩形波导的马卡梯里方法。

然后利用OptiBPM软件对矩形波导、梯形波导、渐变型波导进行了仿真模拟，着重对渐变型波导进行仿真，验证了渐变型波导的传输损耗比阶跃型波导的传输损耗低很多，并分析了芯层与包层的折射率差、梯形波导的倾斜角、参数g对光在波导中传播特性的影响。

收稿日期:2020-12-06基金项目:陕西省重点研发计划(2020GY -040)通信作者:宋维勇,研究生,研究方向为通信专用集成电路设计㊂E-mail :songweiyong 1995@电子元件与材料Electronic Components and Materials第40卷Vol .40第11期No .1111月Nov2021年2021圆形半模空气隙填充基片集成波导带通滤波器设计与实现刘维红,宋维勇,穆㊀林(西安邮电大学电子工程学院,陕西西安㊀710121)摘㊀要:为了满足滤波器小型化㊁低插损的要求,基于圆形半模空气隙填充基片集成波导(HMSAFSIW )谐振腔结构,设计并实现了一款带通滤波器㊂通过加载金属通孔㊁径向槽线可以灵活调节滤波器中心频率㊂研究发现,在TM 010电场处加载金属通孔,谐振频率从8.2GHz 增加到9.7GHz ,当金属通孔直径从0.05mm 增加到0.2mm ,TM 010谐振频率从9.7GHz 增加到10GHz ㊂在TM 110电场中心处加载径向槽线,其谐振频率随着槽线长度的增加向低频移动,当槽线长度从3mm 增加到6mm ,TM 110谐振频率从12GHz 降到10.6GHz ㊂利用双面覆铜LCP 基板进行了滤波器的加工,并进行了实物测试㊂测试结果显示,滤波器的中心频率为9.4GHz ,带宽为1.3GHz ,插入损耗为-2.6dB ,回波损耗优于-18dB ,在12~15.6GHz 较宽的范围内,阻带带外抑制大于20dB ㊂关键词:滤波器;谐振腔;HMSAFSIW ;宽阻带中图分类号:TN 713+.5文献标识码:ADOI :10.14106/j .cnki .1001-2028.2021.1813引用格式:刘维红,宋维勇,穆林.圆形半模空气隙填充基片集成波导带通滤波器设计与实现[J ].电子元件与材料,2021,40(11):1140-1144.Reference format :LIU Weihong ,SONG Weiyong ,MU Lin.Design and implementation of circular HMSAFSIW bandpass filter [J ].Electronic Components and Materials ,2021,40(11):1140-1144.Design and implementation of circular HMSAFSIW bandpass filterLIU Weihong ,SONG Weiyong ,MU Lin(School of Electrical Engineering,Xi an University of Posts &Telecommunications,Xi an㊀710121,China)Abstract :To meet the requirement of miniaturization and low insertion loss for filter design ,a bandpass filter was proposed and implemented based on the resonant cavity structure of circular half mode slab air filled substrate integrated waveguide (HMSAFSIW ).The central frequency of the filter can be flexibly controlled by adjusting the position and diameter of the metallic via holes.The study shows that the resonant frequency of TM 010mode can be increased from 8.2GHz to 9.7GHz by adding metallic via holes ,which can be then increased from 9.7GHz to 10GHz as the diameter of the metallic via expandsfrom 0.05mm to 0.2mm.In addition ,radial slot perturbation was introduced to tune the central frequency of resonant cavity.The resonance frequency of TM 110mode decreases from 12GHz to 10.6GHz as the length of radial slot line increases from 3mm to 6mm.The filter was implemented by LCP process.The measured results show that the central frequency of the filter is 9.4GHz with bandwidth of 1.3GHz ,insertion loss of -2.6dB ,and return loss of better than -18dB.Moreover ,in the wide range of 12-15.6GHz ,the out -of -band rejection of the stopband is greater than 20dB.Key words :filter ;resonant cavity ;HMSAFSIW ;wide stopband刘维红,等:圆形半模空气隙填充基片集成波导带通滤波器设计与实现㊀㊀随着微波通信系统小型化㊁高性能需求的迅速发展,作为核心器件的微波滤波器如何减小体积和提高滤波器电学特性,日益成为工程技术人员关注的焦点之一㊂基片集成波导(SIW)滤波器具有低损耗㊁低成本㊁低剖面等优点[1],被广泛应用于微波滤波器的设计㊂为了进一步减小微波滤波器体积,2007年,洪伟等[2]首次提出半模基片集成波导(HMSIW)结构,并设计制作了HMSIW滤波器,使得滤波器尺寸在原有的基础上减小了50%;2017年,李明康等[3]对多模基片集成波导进行了研究,在不增加尺寸的情况下设计了多款小型化多模带通滤波器;2018年,Nguyen等[4]提出了空气隙填充基片集成波导(Slab Air Filled Substrate Integrated Waveguide,SAFSIW)结构,该结构在波导内部引入了空气介质,相较于传统SIW结构降低了电磁波的传输损耗;2020年,Nguyen等[5]基于对SAFSIW的研究,设计了一款低损耗三阶带通滤波器㊂本文基于半模空气隙填充基片集成波导(Half Mode Slab Air Filled Substrate Integrated Waveguide, HMSAFSIW)结构优异的传输特性,利用一腔多模理论[6-7],通过加载金属化通孔以及径向槽实现对本征模谐振点的调节㊂通过引入空气隙,降低了谐振腔内部的损耗,在不增加尺寸的情况下设计了一款损耗较低的二阶宽阻带带通滤波器[8],并进行了实物制作和测试㊂1　圆形HMSAFSIW结构的设计与分析本设计使用的基板材料为日本松下公司的双面覆铜LCP柔性基板(R-F705S42EC-M),板材相对介电常数为 2.9,损耗角正切tanδ=0.0025㊂圆形HMSAFSIW谐振腔的结构如图1所示,该谐振腔是一个半圆形结构,由一个圆形SIW对称切割而来,谐振腔中芯板厚度为0.1mm,金属化通孔沿半圆的圆周分布,上下两面由厚度为0.018mm的铜箔覆盖,实现电磁波的屏蔽㊂圆形HMSAFSIW谐振腔结构主要特点是在谐振腔介质层引入了空气介质,空气介质的引入减小了高频下的介电损耗,提高了谐振腔的Q值[9],为实现低损耗高性能的滤波器设计奠定了基础㊂圆形HMSAFSIW谐振腔的基模为TM模,基模谐振频率和腔体尺寸的关系式如公式(1)所示㊂利用公式(1)可以确定谐振腔尺寸大小,通过分析谐振腔内电场分布情况,可以对腔内多个谐振模式进行调节,进而设计出满足要求的带通滤波器结构㊂f TM=2.4052πaμε(1)式中:a为圆形谐振腔半径;μ为磁导率;ε为介电常数㊂图1㊀圆形HMSAFSIW谐振腔结构图Fig.1㊀Schematic of the circular HMSAFSIW cavity利用高频仿真软件HFSS对谐振腔进行本征模求解,根据表面电场分布,可以观察到不同的谐振模式[10]㊂谐振腔前三个谐振模式电场分布如图2所示㊂图2(a)表示谐振腔的TM010模,其谐振频率为8.2 GHz,电场在切割线中心处最强;图2(b)为TM110模,谐振频率为13.2GHz,其电场强度在谐振腔中心处最强;图2(c)为TM210模,谐振频率为17.5GHz㊂图2㊀圆形HMSIW谐振腔中前三个谐振模式的电场Fig.2㊀Simulated E-fields of the first three resonantmodes in the circular HMSIW cavity基于以上分析,本文将利用一腔多模理论设计一款二阶带通滤波器[11]㊂通过调节谐振腔内基模TM010和高次模TM110的谐振频率,进行二阶带通滤波器的设计㊂空气介质在谐振腔内的位置以及体积大小对谐振腔电磁特性影响较大,在设计圆形HMSAFSIW谐振腔时,需尽量减小空气介质对通带主模TM010和TM110的㊃1411㊃电子元件与材料影响㊂因此,空气介质主要放在TM 210模电场最强处,以减小电磁波在谐振腔内的损耗㊂图3表示空气介质在谐振腔内的位置分布图㊂图3㊀圆形HMSAFSIW 谐振腔空气介质分布图Fig .3㊀Distribution of air in the circular HMSAFSIW cavity2㊀滤波器的设计与分析2.1㊀滤波器馈电结构设计微带线直接对谐振腔进行馈电,由于阻抗失配会引起较大的反射损耗,因此需要对微带电路和谐振腔进行过渡匹配的设计㊂传统SIW 到微带的过渡结构设计中,渐变型微带结构是较为常用的方法[12],但是这种方法一般会增加滤波器的尺寸,为了减小过渡结构尺寸,本文参考渐变型微带结构,通过在谐振腔上表面导体内引入两条呈喇叭状的槽线(如图4所示),实现了谐振腔和外部微带电路的低损耗小型化过渡匹配[13]㊂图4㊀滤波器馈电端口结构图Fig .4㊀Structure of filter with two feed ports2.2㊀滤波器通带的设计与分析本文利用一腔多模理论进行滤波器通带的设计,分别对基模TM 010和二次模TM 110随金属通孔以及槽线结构尺寸的变化规律进行详细分析㊂图2(a )表示圆形HMSIW 的基模电场图,其谐振频率为8.2GHz ,当在TM 010电场中心处引入两个金属通孔后[14],TM 010谐振频率增加到9.7GHz ,金属通孔对谐振频率有较大影响㊂图5所示为S 21曲线中TM 010谐振频率随金属通孔直径d 的变化趋势图,随着金属通孔的孔径增加,TM 010谐振频率向高频移动,当d 从0.05mm 增加到0.2mm 时,其谐振频率从9.7GHz 增加到10GHz㊂图5㊀TM 010随金属通孔变化趋势图Fig .5㊀Simulated TM 010resonance frequency with differentdiameters of the via holes图2(b )为圆形HMSIW 的TM 110电场图,当没有槽线情况下,TM 110谐振点为13.2GHz ㊂如果在电场最强处加载径向槽[15],TM 110谐振点将随径向槽线的长度(L )的增加而向低频移动㊂图6所示为S 21曲线中TM 110随槽线长度变化趋势图,当L 从3mm 增加到6mm 时,TM 110谐振频率从12GHz 降低到10.6GHz㊂图6㊀TM 110随槽线长度变化趋势图Fig .6㊀Simulated TM 110resonant frequency withdifferent lengths of the slot line空气介质为低损耗介质,通过在LCP [16]介质层引入空气介质,可以减小滤波器的插入损耗㊂在TM 210电场处引入弧形空气介质隙,并通过改变空气介质隙的㊃2411㊃刘维红,等:圆形半模空气隙填充基片集成波导带通滤波器设计与实现数量对插入损耗进行了分析㊂图7表示引入空气介质后,滤波器中心频率处S 21参数与空气隙数量N (N =1,2,3)的变化关系㊂由图7可知,当空气隙在介质中占比越来越高,其插入损耗会明显降低㊂图7㊀通带插入损耗随空气隙数量变化关系图Fig .7㊀S 21of SAFSIW filter with different number of airgaps filled in the SAFSIW cavity3　滤波器加工与测试综合上述分析,使用金属通孔和径向槽可以方便地调节TM 010和TM 110的谐振频率,进而实现一个宽阻带二阶带通滤波器㊂同时,通过在TM 210处引入空气介质,可以减小滤波器插入损耗,优化滤波器的性能㊂在电磁仿真软件HFSS 中对滤波器尺寸进行优化仿真,最终圆形HMSAFSIW 带通滤波器的结构如图8所示㊂图8㊀圆形HMSAFSIW 带通滤波器结构图Fig .8㊀Structure of circular HMSAFSIW bandpass filter设计得到的圆形HMSAFSIW 带通滤波器的仿真S 参数如图9所示,滤波器的中心频率为11GHz ,3dB 带宽为1GHz ,带内最小插入损耗为-1.6dB ,回波损耗均大于-22dB ;低阻带衰减在6GHz 时达到-45dB 以下,高阻带衰减在15GHz 时达到-21dB 以下,上边带阻带带宽达到6GHz ㊂为测试滤波器性能,对滤波器进行实物加工和测试,如图10所示㊂如图10(a ),HMSAFSIW 谐振腔空气介质部分通过使用双面导电铜胶带对其进行覆盖,防止电磁波的泄露,图10(b )为实物测试图㊂图9㊀圆形HMSAFSIW 带通滤波器的仿真S 参数Fig .9㊀Simulated S -parameters of circular HMSAFSIWbandpassfilter图10㊀滤波器加工及测试图Fig .10㊀Photograph of fabricated and tested filter图11为圆形HMSAFSIW 带通滤波器实物测试的S 参数㊂测试结果显示,滤波器中心频率为9.4GHz ,插入损耗为-2.6dB ,回波损耗优于-18dB ,3dB 带宽为1.3GHz ,上边带阻带带宽为7GHz ,相比仿真结果,滤波器发生了1.6GHz 的频偏㊂由图10(a )可知,在滤波器加工过程中,滤波器空气介质㊃3411㊃电子元件与材料部分的屏蔽是利用导电铜箔胶带实现,因此很难保证导电铜箔胶带和滤波器表面铜箔的紧密连接,连接处缝隙的存在破坏了谐振腔上下两面铜箔的完整性,同时,由于滤波器工作频段较高,因此产生了较大的频偏和损耗㊂图11㊀圆形HMSAFSIW 带通滤波器的实测S 参数Fig .11㊀Measured S -parameters of the circular HMSAFSIWbandpass filter4　结论本文基于圆形HMSAFSIW 谐振腔结构,利用一腔多模理论设计并实现了一款损耗较小的宽阻带带通滤波器㊂对圆形HMSAFSIW 谐振腔上加载的金属通孔直径大小㊁径向槽线长度对圆形HMSAFSIW 谐振腔中TM 010和TM 110谐振频率的影响规律进行了研究㊂结果表明,在TM 010电场处加载金属通孔后,谐振频率从8.2GHz 增加到9.7GHz ,随着金属通孔直径从0.05mm 增加到0.2mm ,TM 010谐振频率从9.7GHz 增加到10GHz ;在TM 110电场中心处加载径向槽线,TM 110谐振频率随着槽线的增加向低频移动,当槽线长度从3mm 增加到6mm ,TM 110谐振频率从12GHz 降低到10.6GHz ㊂同时,空气介质的引入大大改善了滤波器微波传输特性㊂该滤波器结构紧凑,带外抑制较好,可以被应用于X 波段通信系统㊂参考文献:[1]刘炜.基于基片集成波导的宽带带通滤波和Fabry -Perot 谐振天线研究[D ].合肥:中国科学技术大学,2014.[2]Wang Y ,Hong W ,Dong Y ,et al.Halfmode substrate integratedwaveguide (HMSIW )bandpass filter [J ].IEEE Microwave and Wireless Components Letters ,2007,17(4):265-267.[3]李明康.小型化多模基片集成波导(SIW )滤波器研究[D ].合肥:中国科学技术大学,2017.[4]Nguyen N H ,Ghiotto A ,Vuong T P ,et al.Slab air -filled substrateintegrated waveguide [C ]//2018IEEE /MTT -S International Microwave Symposium -IMS.NY ,USA :IEEE ,2018:312-315.[5]Nguyen N H ,Ghiotto A ,Vuong T P ,et al.Dielectricslab air -filledsubstrate integrated waveguide (SAFSIW )bandpass filters [J ].IEEE Microwave and Wireless Components Letters ,2020,30(4):363-366.[6]史晓瑞.微波多模滤波器研究与设计[D ].西安:西安电子科技大学,2019.[7]杨增.基于基片集成波导的多模多频带滤波器的设计与研究[D ].杭州:杭州电子科技大学,2019.[8]关雪芹,刘太君,赵辉,等.宽阻带SIW 滤波器设计[J ].无线通信技术,2020,29(1):21-25.[9]Ghiotto A ,Parment F ,Martin T ,et al.Air -filled substrateintegrated waveguide A flexible and low loss technological platform [C ]//201713th International Conference on 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