基片集成波导仿真与教学应用研究

韩 波，王诗兵，王先超，王秀友，宋有才，王中心，史晓凤，李 军

(阜阳师范学院 计算机与信息工程学院，安徽 阜阳 236037)

基片集成波导仿真与教学应用研究

韩 波，王诗兵，王先超，王秀友，宋有才，王中心，史晓凤，李 军

(阜阳师范学院 计算机与信息工程学院，安徽 阜阳 236037)

电磁场与微波技术是电子信息类专业的一门重要专业基础课，该课程具有概念抽象、计算复杂等特点。本文采用电磁仿真软件HFSS，设计并仿真了基片集成波导与慢波基片集成波导结构。结果显示基片集成波导可有效工作在16.3～35 GHz频率范围内，而相同结构的慢波基片集成波导能够降低波导通带，减小基片集成波导纵向尺寸。仿真实验表明，引入电磁仿真软件能够改革电磁场与微波技术实验教学模式，使抽象的概念形象化、直观化，提高实验教学效果。

电磁仿真；基片集成波导；慢波效应；实验教学

信息技术的发展日新月异，对电子信息类专业人才培养要求越来越高。电子类专业课程模式急需改革，特别是对实验教学模式的改革[1-2]。电磁场与微波技术是电子信息类专业重要的必修基础课程之一，这门课程具有理论性强、逻辑严密和概念抽象等特点。电磁场与微波技术是天线、电波传播、无线通信和射频电路等专业课程的基本理论，该课程对提高信息类大学生交叉学科的介入能力与创新能力具有非常重要的作用。传统电磁场与微波技术实验课程采用实验箱、波导测量系统、网络分析仪和微波暗室等实验设备与环境，但这些设备一般价格比较昂贵，这就制约了电磁场与微波技术实验课程的顺利开展[3-4]。

随着电磁仿真软件的发展，电磁场与微波技术的实验技术发生了巨大变化。目前，主流电磁仿真软件主要由 Ansoft HFSS、CST、MICROWAVE STUDIO等软件[5-6]。电磁仿真软件不仅能够精确绘制各种微波元件模型，而且能够以图形与动画形式展示元件仿真结果。采用计算机电磁仿真技术替代传统电磁场与微波技术教学实验，不但能够节约教学成本，而且能够提高学生兴趣与学习效率，提高电磁场与电磁波实验教学效果。

Ansoft HFSS是世界上第一个商业化三维结构电磁仿真软件[7]。它利用有限元方法，对求解的元件结构以四面体为单元进行剖分，通过对各剖分单元电场的计算来获得元件的特性参数。该软件不仅能够精确仿真任意结构元件的散射参数、传播常数、电磁场和散射场等结果，而且能够图形化、动态化显示元件电场分布、电流分布特性等，广泛应用于电磁场与微波技术、无线通信、天线、微波集成电路和航空航天等领域设计与教学中。

基片集成波导（SIW）是一种可集成于介质基片中的具有低插损率、低辐射和高功率容量等特性的新型波导结构。基片集成波导由吴柯于2001年提出，SIW通过在正反面覆盖金属的介质基片上嵌入连接上下金属面的金属通孔来实现[8-9]。与传统微波毫米波波导结构相比，SIW结构可利用普通PCB工艺、LTCC工艺及薄膜电路工艺等精确实现，加工成本十分低廉，适合于微波毫米波电路的集成设计和大批量生产。SIW技术在高速互连、系统集成、器件小型化等领域有广泛应用前景。在电磁场与微波技术课程中引入基片集成波导教学内容，能够充实课程教学内容，开阔学生学习视野，提高学生课程学习兴趣，为将来从事电磁场与微波技术相关工作打下更好的理论基础。

1 基片集成波导设计

基片集成波导的传输特性与矩形波导类似，它可以构成滤波器、功分器等多种波导器件。图1显示了基片集成波导结构，金属通孔直径R等于0.4 mm，相邻两通孔圆心之间距离D为0.8 mm，所设计的基片集成波导其他物理尺寸如表1所示。

集成波导其他物理尺寸如表1所示。基片集成波导等效为矩形波导时等效宽度W如下所示[9]：

W4表示两排通孔圆心之间的距离，H表示介质基片的高度。实验案例选择基片材料为罗杰斯4350，金属厚度为50 μm，介质相对介电常数εr等于3.45，损耗角的正切值为0.004。所设计的基片集成波导通过Ansoft HFSS仿真，仿真端口设置为集总端口，仿真频率范围为6~38 GHz。

基片集成波导工作时电场分布比较抽象，而通过HFSS仿真可很容易将其图形化显示。所设计基片集成波导电场传播模式仿真结果如图2所示。由图可知，该基片集成波导在10 GHz时信号不能够由端口1传输至端口2，而在20 GHz时，

信号由端口1几乎无损耗传输至端口2。图3显示了基片集成波导散射参数仿真结果。由图可知，所设计的基片集成波导工作频段为16.3~ 35 GHz，10 GHz频点处于其阻带，20 GHz频点处于其通带。该结果与图2相互对应。同时也能看出在整个通带范围内，S21值较小，意味着所设计的基片集成波导损耗较小，表明该波导可以很好的应用于微波毫米波电路设计。

这些可视化的电场分布图与散射参数结果图对学生深刻理解基片集成波导等电磁场与微波技术器件的工作原理具有很大帮助，能够激发学生学习热情，提高电磁场与微波技术课程教学效果。

2 慢波基片集成波导设计

与传统矩形波导相比，基片集成波导尺寸较小。但相对于微电子集成电路元器件，基片集成波导元件尺寸还是比较大。在小型化基片集成波导方面，已提出折叠模式基片集成波导、半模基片集成波导、四分之一模基片集成波导和八分之一模基片集成波导结构等等。这些新结构能够大大降低SIW横向结构[10-11]。Martin等人提出了慢波SIW结构，对减小SIW纵向尺寸具有重要意义[12]。

与上节所设计基片集成波导类似，所设计相同尺寸慢波基片集成波导结构如图4所示。与基片集成波导不同的是，所设计慢波基片集成波导由两层介质和三层金属构成。两层介质仍由罗杰斯4350材料构成，两层介质高度相同，其中H1+ H2=H。两层介质中的金属过孔直径仍为0.4 mm，过孔间中心距离为0.8 mm。为实现慢波效应，在介质2中设计了5排金属通孔，这些通孔下端与底层金属相连，上端悬空。相邻两排金属通孔中心距离为0.9 mm，所设计慢波基片集成波导详细物理尺寸如表2所示。

所设计的慢波基片集成波导电场传播模式HFSS仿真结果如图5所示。与图2(b)相比可以看出，慢波基片集成波导电场在波导传播中比基片集成波导多一个传播周期，这很好的通过图形化解释了慢波效应。图6显示了慢波基片集成波导散射参数仿真结果。由图可看出，所设计基片集成波导工作频段为12~32.7 GHz。与相同结构的基片集成波导相比，慢波基片集成波导工作频带降低了4.3 GHz。由矩形波导知识可知，波导传播主模最低频率由波导纵向尺寸确定，传播主模频率越低，纵向尺寸越大。由此可看出若设计相同工作频带的波导结构，慢波基片集成波导能够明显降低波导纵向尺寸。由图6(b)可知，在整个通带范围内，慢波基片集成波导S21值较小，显示了所设计慢波基片集成波导损耗较小，可以应用于集成电路设计。综上，电磁仿真软件HFSS的引入，不仅能够对抽象的电磁场与微波技术相关概念形象化和可视化，提高教学效果，而且对于新型微波元器件设计亦具有较高应用价值。在电磁场与微波技术实验课程中引入Ansoft HFSS软件对学生后续从事相关研究工作具有深刻的意义。

3 小结

本文采用电磁仿真软件Ansoft HFSS仿真了基片集成波导结构与相同尺寸的慢波基片集成波导。所设计的慢波基片集成波导电场传播模式图显示慢波基片集成波导电场在波导传播中比基片集成波导多一个周期，很好地解释了慢波效应。结果显示基片集成波导工作频带为16.3~35 GHz，而慢波基片集成波导工作频段为12~32.7 GHz。由此可知慢波结构能够减小基片集成波导纵向尺寸。可以看出在电磁场与微波技术实验教学引入电磁仿真软件Ansoft HFSS，不仅能够使抽象的概念形象化、直观化，提高实验教学效果，而且能够提高学生学习兴趣，为后续从事电磁场与微波技术相关研究工作打下坚实基础。

[1]胡金花.MATLAB和HFSS在天线教学中的研究与应用[J].合肥师范学院学报，2015,3(3):85-87.

[2]宋立众，王 淼，聂玉明，等.超宽带缝隙螺旋天线仿真与教学应用研究[J].实验技术与管理，2014，31（5）: 107-111.

[3]陈晓辉，郭欣欣，裴进明.Ansoft HFSS在微波技术与天线教学实践中的应用[J].中国现代教育装备，2015 (11):69-72.

[4]龚 克，袁迎春.基于Ansoft HFSS的矩形波导可视化教学[J].电气电子教学学报，2012，21（3）:118-120。

[5]王云秀.HFSS在电磁场与电磁波教学中的应用[J].大众科技，2011(12):199-200.

[6]侯维娜，刘占军.HFSS软件在微带天线教学中的应用[J].数字通信，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]郝张成.基片集成波导技术的研究[D].南京：东南大学，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]蒋 迪，徐跃杭，徐锐敏，等.基于半模基片集成波导的新型带通滤波器研究，电波科学学报[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 Anhui 236037,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