基片集成波導(dǎo)仿真與教學(xué)應(yīng)用研究

韓波，王詩兵，王先超，王秀友，宋有才，王中心，史曉鳳，李軍

(阜陽師范學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，安徽阜陽236037)

基片集成波導(dǎo)仿真與教學(xué)應(yīng)用研究

韓波，王詩兵，王先超，王秀友，宋有才，王中心，史曉鳳，李軍

(阜陽師范學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，安徽阜陽236037)

電磁場(chǎng)與微波技術(shù)是電子信息類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程具有概念抽象、計(jì)算復(fù)雜等特點(diǎn)。本文采用電磁仿真軟件HFSS，設(shè)計(jì)并仿真了基片集成波導(dǎo)與慢波基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示基片集成波導(dǎo)可有效工作在16.3～35 GHz頻率范圍內(nèi)，而相同結(jié)構(gòu)的慢波基片集成波導(dǎo)能夠降低波導(dǎo)通帶，減小基片集成波導(dǎo)縱向尺寸。仿真實(shí)驗(yàn)表明，引入電磁仿真軟件能夠改革電磁場(chǎng)與微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，使抽象的概念形象化、直觀化，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

電磁仿真；基片集成波導(dǎo)；慢波效應(yīng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

信息技術(shù)的發(fā)展日新月異，對(duì)電子信息類專業(yè)人才培養(yǎng)要求越來越高。電子類專業(yè)課程模式急需改革，特別是對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革[1-2]。電磁場(chǎng)與微波技術(shù)是電子信息類專業(yè)重要的必修基礎(chǔ)課程之一，這門課程具有理論性強(qiáng)、邏輯嚴(yán)密和概念抽象等特點(diǎn)。電磁場(chǎng)與微波技術(shù)是天線、電波傳播、無線通信和射頻電路等專業(yè)課程的基本理論，該課程對(duì)提高信息類大學(xué)生交叉學(xué)科的介入能力與創(chuàng)新能力具有非常重要的作用。傳統(tǒng)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程采用實(shí)驗(yàn)箱、波導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)分析儀和微波暗室等實(shí)驗(yàn)設(shè)備與環(huán)境，但這些設(shè)備一般價(jià)格比較昂貴，這就制約了電磁場(chǎng)與微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程的順利開展[3-4]。

隨著電磁仿真軟件的發(fā)展，電磁場(chǎng)與微波技術(shù)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)生了巨大變化。目前，主流電磁仿真軟件主要由Ansoft HFSS、CST、MICROWAVE STUDIO等軟件[5-6]。電磁仿真軟件不僅能夠精確繪制各種微波元件模型，而且能夠以圖形與動(dòng)畫形式展示元件仿真結(jié)果。采用計(jì)算機(jī)電磁仿真技術(shù)替代傳統(tǒng)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，不但能夠節(jié)約教學(xué)成本，而且能夠提高學(xué)生興趣與學(xué)習(xí)效率，提高電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

Ansoft HFSS是世界上第一個(gè)商業(yè)化三維結(jié)構(gòu)電磁仿真軟件[7]。它利用有限元方法，對(duì)求解的元件結(jié)構(gòu)以四面體為單元進(jìn)行剖分，通過對(duì)各剖分單元電場(chǎng)的計(jì)算來獲得元件的特性參數(shù)。該軟件不僅能夠精確仿真任意結(jié)構(gòu)元件的散射參數(shù)、傳播常數(shù)、電磁場(chǎng)和散射場(chǎng)等結(jié)果，而且能夠圖形化、動(dòng)態(tài)化顯示元件電場(chǎng)分布、電流分布特性等，廣泛應(yīng)用于電磁場(chǎng)與微波技術(shù)、無線通信、天線、微波集成電路和航空航天等領(lǐng)域設(shè)計(jì)與教學(xué)中。

基片集成波導(dǎo)（SIW）是一種可集成于介質(zhì)基片中的具有低插損率、低輻射和高功率容量等特性的新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)?；刹▽?dǎo)由吳柯于2001年提出，SIW通過在正反面覆蓋金屬的介質(zhì)基片上嵌入連接上下金屬面的金屬通孔來實(shí)現(xiàn)[8-9]。與傳統(tǒng)微波毫米波波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相比，SIW結(jié)構(gòu)可利用普通PCB工藝、LTCC工藝及薄膜電路工藝等精確實(shí)現(xiàn)，加工成本十分低廉，適合于微波毫米波電路的集成設(shè)計(jì)和大批量生產(chǎn)。SIW技術(shù)在高速互連、系統(tǒng)集成、器件小型化等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。在電磁場(chǎng)與微波技術(shù)課程中引入基片集成波導(dǎo)教學(xué)內(nèi)容，能夠充實(shí)課程教學(xué)內(nèi)容，開闊學(xué)生學(xué)習(xí)視野，提高學(xué)生課程學(xué)習(xí)興趣，為將來從事電磁場(chǎng)與微波技術(shù)相關(guān)工作打下更好的理論基礎(chǔ)。

1 基片集成波導(dǎo)設(shè)計(jì)

基片集成波導(dǎo)的傳輸特性與矩形波導(dǎo)類似，它可以構(gòu)成濾波器、功分器等多種波導(dǎo)器件。圖1顯示了基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，金屬通孔直徑R等于0.4 mm，相鄰兩通孔圓心之間距離D為0.8 mm，所設(shè)計(jì)的基片集成波導(dǎo)其他物理尺寸如表1所示。

圖1 基片集成波導(dǎo)（a）三維圖（b）俯視圖

表1 基片集成波導(dǎo)物理尺寸值（mm）

集成波導(dǎo)其他物理尺寸如表1所示?；刹▽?dǎo)等效為矩形波導(dǎo)時(shí)等效寬度W如下所示[9]：

W4表示兩排通孔圓心之間的距離，H表示介質(zhì)基片的高度。實(shí)驗(yàn)案例選擇基片材料為羅杰斯4350，金屬厚度為50 μm，介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)εr等于3.45，損耗角的正切值為0.004。所設(shè)計(jì)的基片集成波導(dǎo)通過Ansoft HFSS仿真，仿真端口設(shè)置為集總端口，仿真頻率范圍為6～38 GHz。

基片集成波導(dǎo)工作時(shí)電場(chǎng)分布比較抽象，而通過HFSS仿真可很容易將其圖形化顯示。所設(shè)計(jì)基片集成波導(dǎo)電場(chǎng)傳播模式仿真結(jié)果如圖2所示。由圖可知，該基片集成波導(dǎo)在10 GHz時(shí)信號(hào)不能夠由端口1傳輸至端口2，而在20 GHz時(shí)，

圖2 基片集成波導(dǎo)電場(chǎng)傳播模式仿真圖（a）10 GHz；（b）20 GHz

信號(hào)由端口1幾乎無損耗傳輸至端口2。圖3顯示了基片集成波導(dǎo)散射參數(shù)仿真結(jié)果。由圖可知，所設(shè)計(jì)的基片集成波導(dǎo)工作頻段為16.3～35 GHz，10 GHz頻點(diǎn)處于其阻帶，20 GHz頻點(diǎn)處于其通帶。該結(jié)果與圖2相互對(duì)應(yīng)。同時(shí)也能看出在整個(gè)通帶范圍內(nèi)，S21值較小，意味著所設(shè)計(jì)的基片集成波導(dǎo)損耗較小，表明該波導(dǎo)可以很好的應(yīng)用于微波毫米波電路設(shè)計(jì)。

這些可視化的電場(chǎng)分布圖與散射參數(shù)結(jié)果圖對(duì)學(xué)生深刻理解基片集成波導(dǎo)等電磁場(chǎng)與微波技術(shù)器件的工作原理具有很大幫助，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，提高電磁場(chǎng)與微波技術(shù)課程教學(xué)效果。

圖3 基片集成波導(dǎo)散射參數(shù)仿真圖(a)S11參數(shù)；（b）S21參數(shù)

2 慢波基片集成波導(dǎo)設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)相比，基片集成波導(dǎo)尺寸較小。但相對(duì)于微電子集成電路元器件，基片集成波導(dǎo)元件尺寸還是比較大。在小型化基片集成波導(dǎo)方面，已提出折疊模式基片集成波導(dǎo)、半?；刹▽?dǎo)、四分之一?；刹▽?dǎo)和八分之一模基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)等等。這些新結(jié)構(gòu)能夠大大降低SIW橫向結(jié)構(gòu)[10-11]。Martin等人提出了慢波SIW結(jié)構(gòu)，對(duì)減小SIW縱向尺寸具有重要意義[12]。

與上節(jié)所設(shè)計(jì)基片集成波導(dǎo)類似，所設(shè)計(jì)相同尺寸慢波基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖4所示。與基片集成波導(dǎo)不同的是，所設(shè)計(jì)慢波基片集成波導(dǎo)由兩層介質(zhì)和三層金屬構(gòu)成。兩層介質(zhì)仍由羅杰斯4350材料構(gòu)成，兩層介質(zhì)高度相同，其中H1+H2=H。兩層介質(zhì)中的金屬過孔直徑仍為0.4 mm，過孔間中心距離為0.8 mm。為實(shí)現(xiàn)慢波效應(yīng)，在介質(zhì)2中設(shè)計(jì)了5排金屬通孔，這些通孔下端與底層金屬相連，上端懸空。相鄰兩排金屬通孔中心距離為0.9 mm，所設(shè)計(jì)慢波基片集成波導(dǎo)詳細(xì)物理尺寸如表2所示。

圖4 基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖（a）俯視圖；（b）橫截面圖

表2 慢波基片集成波導(dǎo)物理尺寸值（mm）

所設(shè)計(jì)的慢波基片集成波導(dǎo)電場(chǎng)傳播模式HFSS仿真結(jié)果如圖5所示。與圖2(b)相比可以看出，慢波基片集成波導(dǎo)電場(chǎng)在波導(dǎo)傳播中比基片集成波導(dǎo)多一個(gè)傳播周期，這很好的通過圖形化解釋了慢波效應(yīng)。圖6顯示了慢波基片集成波導(dǎo)散射參數(shù)仿真結(jié)果。由圖可看出，所設(shè)計(jì)基片集成波導(dǎo)工作頻段為12～32.7 GHz。與相同結(jié)構(gòu)的基片集成波導(dǎo)相比，慢波基片集成波導(dǎo)工作頻帶降低了4.3 GHz。由矩形波導(dǎo)知識(shí)可知，波導(dǎo)傳播主模最低頻率由波導(dǎo)縱向尺寸確定，傳播主模頻率越低，縱向尺寸越大。由此可看出若設(shè)計(jì)相同工作頻帶的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，慢波基片集成波導(dǎo)能夠明顯降低波導(dǎo)縱向尺寸。由圖6(b)可知，在整個(gè)通帶范圍內(nèi)，慢波基片集成波導(dǎo)S21值較小，顯示了所設(shè)計(jì)慢波基片集成波導(dǎo)損耗較小，可以應(yīng)用于集成電路設(shè)計(jì)。綜上，電磁仿真軟件HFSS的引入，不僅能夠?qū)Τ橄蟮碾姶艌?chǎng)與微波技術(shù)相關(guān)概念形象化和可視化，提高教學(xué)效果，而且對(duì)于新型微波元器件設(shè)計(jì)亦具有較高應(yīng)用價(jià)值。在電磁場(chǎng)與微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程中引入Ansoft HFSS軟件對(duì)學(xué)生后續(xù)從事相關(guān)研究工作具有深刻的意義。

圖5 慢波基片集成波導(dǎo)電場(chǎng)傳播模式仿真圖（20 GHz）

圖6 慢波基片集成波導(dǎo)散射參數(shù)仿真圖：(a)S11參數(shù)；（b）S21參數(shù)

3 小結(jié)

本文采用電磁仿真軟件Ansoft HFSS仿真了基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與相同尺寸的慢波基片集成波導(dǎo)。所設(shè)計(jì)的慢波基片集成波導(dǎo)電場(chǎng)傳播模式圖顯示慢波基片集成波導(dǎo)電場(chǎng)在波導(dǎo)傳播中比基片集成波導(dǎo)多一個(gè)周期，很好地解釋了慢波效應(yīng)。結(jié)果顯示基片集成波導(dǎo)工作頻帶為16.3～35 GHz，而慢波基片集成波導(dǎo)工作頻段為12～32.7 GHz。由此可知慢波結(jié)構(gòu)能夠減小基片集成波導(dǎo)縱向尺寸?？梢钥闯鲈陔姶艌?chǎng)與微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)引入電磁仿真軟件Ansoft HFSS，不僅能夠使抽象的概念形象化、直觀化，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，而且能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，為后續(xù)從事電磁場(chǎng)與微波技術(shù)相關(guān)研究工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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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 Anhui236037,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

2016-08-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61401101）；安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（1408085QF122）；安徽省高校優(yōu)秀中青年骨干人才國(guó)內(nèi)外訪學(xué)研修重點(diǎn)項(xiàng)目（gxfxZD2016164）；阜陽師范學(xué)院教研項(xiàng)目（2016WLKC04）資助。

韓波（1983-），男，博士，副教授，研究方向：微波毫米波元器件設(shè)計(jì)與建模。