一種基片集成波導-微帶過渡器的仿真設計

武歡歡

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院，陜西 西安 710300）

0 引 言

基片集成波導是加拿大吳柯教授和東南大學洪偉教授共同提出的一種新技術[1]。由于基片集成波導可以等效成矩形波導，近年來國內外學者紛紛采用基片集成波導設計功分器、濾波器、雙工器、定向耦合器和天線等多種微波毫米波電路[2]?；刹▽?微帶過渡器在微波集成電路中主要應用于兩個方面。一方面是器件間的互連，在電路中不一定完全由基片集成波導（SIW）結構構成[2]，而大部分器件是由微帶線設計的。為了方便基片集成波導與其他形式的電路集成，需要設計一種高性能、結構簡單、易于加工的過渡轉換的結構。另一方面，通常微波器件的測試在Ka波段以下常采用同軸電纜測試，在Ka波段以上常采用矩形波導測試系統(tǒng)。

1 基片集成波導概念

基片集成波導是近幾年出現(xiàn)的一種新型的微帶傳輸線，主要應用于高頻段。其主要原因是由于高頻段的波長過小，容差過高會使微帶線失效，而基片集成波導的主要思想就是在介質基片上采用LTCC或者薄膜工藝實現(xiàn)兩排通孔，形成電壁，與上下金屬面一起構成類似于普通波導的結構?；刹▽ЫY構如圖1所示，上下表面為金屬化層，類似與傳統(tǒng)矩形波導的兩個波導壁，基片集成波導的兩排周期性的金屬化過孔類似于矩形波導的窄壁，電磁波被限制在由兩排金屬化孔和上下金屬化層形成的矩形腔內，由于兩邊存在的金屬化過孔，所以橫磁波（TM）是不存在的，而橫電波的主模為TE10模，所以矩形波導的電場結構與普通矩形波導的場結構相類似，但是由于兩排周期性通孔之間存在一定的縫隙，所以磁場會產生微量的干擾，電磁能量會有少量泄露。但當相鄰兩個金屬化孔間距s與金屬化孔直徑d滿足一定的關系的時候，這種微量的泄露可以忽略不計。圖1中的h表示基片集成波導的介質基板的厚度，a表示兩排金屬化通孔的圓心間的距離，也就是基片集成波導的寬度。

圖1 SIW結構圖

2 基片集成波導-微帶過渡器的設計

基片集成波導-微帶過渡器的微帶漸變式結構可以分為兩類：直接型過渡結構和曲線型過渡結構[3]。其中，直接型過渡結構設計方法和加工工藝較為簡單，故本文主要研究直接型微帶漸變式，結構如圖2所示。

圖2 直接型微帶漸變式結構圖

基片集成波導設計首先根據(jù)設計要求選擇合適的介質基板，其次根據(jù)設計選定的頻段計算SIW波導的寬度，選擇合適的板材（介電常數(shù)，厚度）。利用式（1）[4]計算得出基片集成波導的等效阻抗，令Z0=Ze，即可求得基片集成波導到微帶過渡部分的微帶線的寬度ws，再根據(jù)同軸線的特性阻抗，計算出微帶輸出端口的微帶線的寬度w。最后，確定過渡部分的長度。選取12～18 GHz頻段進行直接型微帶漸變式過渡器的仿真設計，仿真模型如圖3所示。

基片集成波導的等效阻抗計算公式[5]為：

其中a為基片集成波導的等效寬度，aRWG為矩形波導的寬度，η0=120πΩ為TEM模在空氣中的波阻抗；h為介質基板的厚度；εr為介質基板的相對介電常數(shù)。

圖3 直接型微帶漸變式過渡結構仿真圖

通過HFSS仿真和理論分析可以得出基片集成波導與傳統(tǒng)的矩形波導具有相同的散射特性和場分布，傳輸模式同為TE10模，但微帶線與基片集成波導的連接部分會出現(xiàn)不連續(xù)性問題，而通過一系列的仿真調試，可以將這種不連續(xù)性通過阻抗匹配的方式來削弱[6]。

由于波在兩種不同的導波結構中進行傳輸，在兩種導波結構的連接部分會產生反射。為了消除這種反射波，引入等效阻抗來解決阻抗匹配問題。傳統(tǒng)的矩形波導的等效阻抗為：

式中：a為矩形波導寬度；λ為工作波長；b為波導高度；μ為磁導率；角頻率，ε為介電常數(shù)，波數(shù)?；刹▽е袃膳沤饘倩仔纬傻碾姳谂c矩形波導的場分布十分類似，這兩排金屬化通孔的存在，使得基片集成波導中不存在橫磁波，所以基片集成波導與矩形波導一樣傳輸?shù)闹髂＞鶠門E10模。因此，矩形波導與基片集成波導的阻抗存在一定的等效關系。

微帶線的寬度w可以由式（3）求出：

Z0為微帶線的特性阻抗。

通過仿真優(yōu)化可以得出，過渡段的長度l2對于傳輸性能的影響較大，過渡段的長設度定為：

其中，c為常數(shù)，將其定義為過渡系數(shù)。c值越小，l2的尺寸越小，過渡段越陡峭。所以，選取合適的過渡系數(shù)是設計過渡器的關鍵。

采用HFSS高頻電磁仿真軟件對過渡器進行建模，選取泰康利的介電常數(shù)為2.55、厚度為0.762 mm的介質基板。通過以上分析可以計算得到錐型基片集成波導-微帶過渡器的設計參數(shù)，如表1所示。當c取不同值時，S參數(shù)的變化如圖4所示，其中過渡系數(shù)c一般選取3～4為宜。圖4為不同過渡系數(shù)下的S11仿真結果，產生這種現(xiàn)象的主要原因是過渡段過于陡峭，阻抗變化劇烈，影響了電磁波的傳輸。但是，過渡段過于緩慢會增加電路的物理尺寸，增加電磁波的損耗，也不利于能量的傳輸。通過調整參數(shù)掃描的間隔，最終選取過渡系數(shù)為3.2，則相應的過渡段的長度為3.4 mm，HFSS仿真結果如圖5所示。

表1 基片集成波導-微帶過渡器設計參數(shù)/mm

圖4 不同過渡系數(shù)下的S11的仿真結果

圖5 基片集成波導-微帶過渡結構S參數(shù)仿真結果

3 結 論

本文主要闡述基片集成波導的基本特性和設計方法，仿真設計了基片集成波導-微帶的過渡器，采用直接過渡的方式在12～18 GHz的頻帶范圍內通過HFSS進行仿真設計，各端口均得到了良好匹配，在所設計的頻帶范圍內回波損耗均小于-20 dB。