一种基片集成波导-微带过渡器的仿真设计

2020-08-19武欢欢

通信电源技术 2020年10期

武欢欢

（陕西国防工业职业技术学院，陕西西安 710300）

0 引言

基片集成波导是加拿大吴柯教授和东南大学洪伟教授共同提出的一种新技术[1]。由于基片集成波导可以等效成矩形波导，近年来国内外学者纷纷采用基片集成波导设计功分器、滤波器、双工器、定向耦合器和天线等多种微波毫米波电路[2]。基片集成波导-微带过渡器在微波集成电路中主要应用于两个方面。一方面是器件间的互连，在电路中不一定完全由基片集成波导（SIW）结构构成[2]，而大部分器件是由微带线设计的。为了方便基片集成波导与其他形式的电路集成，需要设计一种高性能、结构简单、易于加工的过渡转换的结构。另一方面，通常微波器件的测试在Ka波段以下常采用同轴电缆测试，在Ka波段以上常采用矩形波导测试系统。

1 基片集成波导概念

基片集成波导是近几年出现的一种新型的微带传输线，主要应用于高频段。其主要原因是由于高频段的波长过小，容差过高会使微带线失效，而基片集成波导的主要思想就是在介质基片上采用LTCC或者薄膜工艺实现两排通孔，形成电壁，与上下金属面一起构成类似于普通波导的结构。基片集成波导结构如图1所示，上下表面为金属化层，类似与传统矩形波导的两个波导壁，基片集成波导的两排周期性的金属化过孔类似于矩形波导的窄壁，电磁波被限制在由两排金属化孔和上下金属化层形成的矩形腔内，由于两边存在的金属化过孔，所以横磁波（TM）是不存在的，而横电波的主模为TE10模，所以矩形波导的电场结构与普通矩形波导的场结构相类似，但是由于两排周期性通孔之间存在一定的缝隙，所以磁场会产生微量的干扰，电磁能量会有少量泄露。但当相邻两个金属化孔间距s与金属化孔直径d满足一定的关系的时候，这种微量的泄露可以忽略不计。图1中的h表示基片集成波导的介质基板的厚度，a表示两排金属化通孔的圆心间的距离，也就是基片集成波导的宽度。

图1 SIW结构图

2 基片集成波导-微带过渡器的设计

基片集成波导-微带过渡器的微带渐变式结构可以分为两类：直接型过渡结构和曲线型过渡结构[3]。其中，直接型过渡结构设计方法和加工工艺较为简单，故本文主要研究直接型微带渐变式，结构如图2所示。

图2 直接型微带渐变式结构图

基片集成波导设计首先根据设计要求选择合适的介质基板，其次根据设计选定的频段计算SIW波导的宽度，选择合适的板材（介电常数，厚度）。利用式（1）[4]计算得出基片集成波导的等效阻抗，令Z0=Ze，即可求得基片集成波导到微带过渡部分的微带线的宽度ws，再根据同轴线的特性阻抗，计算出微带输出端口的微带线的宽度w。最后，确定过渡部分的长度。选取12～18 GHz频段进行直接型微带渐变式过渡器的仿真设计，仿真模型如图3所示。

基片集成波导的等效阻抗计算公式[5]为：

其中a为基片集成波导的等效宽度，aRWG为矩形波导的宽度，η0=120πΩ为TEM模在空气中的波阻抗；h为介质基板的厚度；εr为介质基板的相对介电常数。

图3 直接型微带渐变式过渡结构仿真图

通过HFSS仿真和理论分析可以得出基片集成波导与传统的矩形波导具有相同的散射特性和场分布，传输模式同为TE10模，但微带线与基片集成波导的连接部分会出现不连续性问题，而通过一系列的仿真调试，可以将这种不连续性通过阻抗匹配的方式来削弱[6]。

由于波在两种不同的导波结构中进行传输，在两种导波结构的连接部分会产生反射。为了消除这种反射波，引入等效阻抗来解决阻抗匹配问题。传统的矩形波导的等效阻抗为：

式中：a为矩形波导宽度；λ为工作波长；b为波导高度；μ为磁导率；角频率，ε为介电常数，波数。基片集成波导中两排金属化通孔形成的电壁与矩形波导的场分布十分类似，这两排金属化通孔的存在，使得基片集成波导中不存在横磁波，所以基片集成波导与矩形波导一样传输的主模均为TE10模。因此，矩形波导与基片集成波导的阻抗存在一定的等效关系。

微带线的宽度w可以由式（3）求出：

Z0为微带线的特性阻抗。

通过仿真优化可以得出，过渡段的长度l2对于传输性能的影响较大，过渡段的长设度定为：

其中，c为常数，将其定义为过渡系数。c值越小，l2的尺寸越小，过渡段越陡峭。所以，选取合适的过渡系数是设计过渡器的关键。

采用HFSS高频电磁仿真软件对过渡器进行建模，选取泰康利的介电常数为2.55、厚度为0.762 mm的介质基板。通过以上分析可以计算得到锥型基片集成波导-微带过渡器的设计参数，如表1所示。当c取不同值时，S参数的变化如图4所示，其中过渡系数c一般选取3～4为宜。图4为不同过渡系数下的S11仿真结果，产生这种现象的主要原因是过渡段过于陡峭，阻抗变化剧烈，影响了电磁波的传输。但是，过渡段过于缓慢会增加电路的物理尺寸，增加电磁波的损耗，也不利于能量的传输。通过调整参数扫描的间隔，最终选取过渡系数为3.2，则相应的过渡段的长度为3.4 mm，HFSS仿真结果如图5所示。