一種基于SIW的階梯式太赫茲寬帶傳輸線

熊毓俊，丁 麗

（上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093）

引 言

在太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)中，太赫茲波導(dǎo)的傳輸結(jié)構(gòu)是不可缺少的關(guān)鍵部件。例如在一個多輸入多輸出（multi input multi output，MIMO）成像系統(tǒng)里，需要根據(jù)信號發(fā)生器波導(dǎo)口位置和收發(fā)天線波束角大小，設(shè)計合適的傳輸網(wǎng)絡(luò)，以滿足成像需求。由于太赫茲波在潮濕空氣中損耗較大，因此需要低損耗、低色散、方便使用的太赫茲傳輸結(jié)構(gòu)[1]。基片集成波導(dǎo)（SIW）作為一種新型的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，已成為太赫茲波低成本、低剖面?zhèn)鬏斁€路的一種選擇[2]。近年來，在對SIW結(jié)構(gòu)的傳輸特性進行充分研究的基礎(chǔ)上，已經(jīng)研制出高性能器件。Fu等在半絕緣碳化硅基板上設(shè)計出SIW傳輸線和濾波器，該傳輸線在220 GHz時的衰減低至0.45 dB/mm[3]。Rahimi等提出了一種用SIW基底代替空氣做腔體輻射器的H面喇叭天線[4]。這些應(yīng)用大大促進了SIW技術(shù)的發(fā)展。

但是，由于非共面?zhèn)鬏斁€缺乏有效的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，SIW技術(shù)在太赫茲頻段的發(fā)展受到了限制。微帶和接地共平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（grounded coplanar waveguide, GCPW）已被廣泛應(yīng)用于太赫茲低頻段，如W波段的轉(zhuǎn)換[5]。Kai等首先提出了SIW-矩形波導(dǎo)的垂直轉(zhuǎn)換，他們在55.5～63.0 GHz的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)了12.7%的相對帶寬[6]。Jiang等在75～110 GHz范圍內(nèi)實現(xiàn)了基板集成同軸線到矩形波導(dǎo)的垂直轉(zhuǎn)換，相對帶寬達到20%[7]。然而，高頻段的儀器比，如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的接口類型一直是矩形波導(dǎo)的形式。太赫茲低頻段轉(zhuǎn)換的開放性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致輻射損耗大、相對帶寬小等問題，因此這些低頻段的方法不能在高頻段應(yīng)用[8]。階梯型傳輸線不僅能夠在與信號發(fā)生器波導(dǎo)口有垂直錯位時進行連接，也能在非共面?zhèn)鬏斨斜ＷC波場出射方向的一致。而階梯型傳輸線研制的關(guān)鍵就在于減小SIW-矩形波導(dǎo)垂直轉(zhuǎn)接的帶寬損失。太赫茲頻段SIW-矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的缺乏在很大程度上限制了太赫茲頻段SIW傳輸線的研究。因此，研究寬頻帶SIW-矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換成為開發(fā)高性能傳輸線的關(guān)鍵。

本文提出了一種含有耦合窗結(jié)構(gòu)的傳輸線，耦合窗為一種新型電場平面的探針結(jié)構(gòu)，加在SIW結(jié)構(gòu)與矩形波導(dǎo)的連接處，可以保證傳輸線實現(xiàn)寬頻帶SIW-波導(dǎo)的垂直過渡、矩形波導(dǎo)的連接和長距離傳輸。垂直過渡是通過SIW和矩形波導(dǎo)之間的耦合窗口實現(xiàn)的。SIW介質(zhì)基板采用了Rogers RT/duroid 5880，可實現(xiàn)低損耗傳輸，同時在基板的末端設(shè)置耦合窗，可以實現(xiàn)無模式轉(zhuǎn)換的垂直轉(zhuǎn)接。由于SIW內(nèi)部不含微帶結(jié)構(gòu)，太赫茲波可以在矩形波導(dǎo)中以最小的反射向前傳播。

1 階梯式傳輸線

SIW是一種類似于矩形波導(dǎo)的集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[9]。SIW結(jié)構(gòu)是由介質(zhì)基片和上下2層金屬鍍層以及內(nèi)部的金屬通孔組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。2列金屬通孔中的介質(zhì)是傳輸太赫茲波的通道，且傳輸損耗低。2排金屬通孔之間的介質(zhì)基板構(gòu)成SIW結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體，類似于同軸金屬線波導(dǎo)。這種平面?zhèn)鬏斀Y(jié)構(gòu)在寬頻段內(nèi)支持波的TE10和準(zhǔn)TE10模式，同時通過金屬通孔抑制其他不需要的平行波模式[10]。

圖1 SIW結(jié)構(gòu)及電場分布Fig.1 Electric field distribution of SIW structures

在一個太赫茲單站成像系統(tǒng)中，由于信號發(fā)射模塊和接收模塊固有的物理尺寸相對于波長過大，在實際應(yīng)用中發(fā)射和接收天線在垂直方向上會有一定的錯位，因此本文提出階梯式的SIW傳輸線來彌補這一錯位。圖2是SIW結(jié)構(gòu)的實用場景和仿真，其中（a）為傳輸線實用場景。傳輸線模型如圖2（b）所示，位于2塊SIW介質(zhì)基板之間的矩形波導(dǎo)決定了垂直傳輸距離，其長度為h。

圖2 SIW結(jié)構(gòu)的實用場景和仿真Fig.2 Practical scenarios and simulations of SIW structures

在低頻段，傳統(tǒng)的SIW轉(zhuǎn)矩形波導(dǎo)的方法是，將SIW連接到微帶線，通過將介質(zhì)基板中的TE10模式轉(zhuǎn)換為微帶線的TEM模式，再將微帶的TEM模式轉(zhuǎn)換回矩形波導(dǎo)中的TE10模式，完成波導(dǎo)的垂直過渡[11]。本文SIW到矩形波導(dǎo)的過渡方法是將SIW內(nèi)的TE10模式直接轉(zhuǎn)換到矩形波導(dǎo)中。在傳輸性能不受影響的條件下，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換方法相比，本文轉(zhuǎn)換方法具有更高的帶寬、更低的插入損耗和更好的阻抗匹配。

本文的傳輸線是在SIW介質(zhì)基片的末端設(shè)置一個新型基于電場平面探針耦合方式的結(jié)構(gòu)，以此完成SIW-波導(dǎo)的過渡。該結(jié)構(gòu)包括在矩形波導(dǎo)的兩端設(shè)置了2個SIW到矩形波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)過渡。首先，通過改變金屬通孔的排列方式，在SIW端部產(chǎn)生擴大場；然后，通過開槽直接連接矩形波導(dǎo)空腔，實現(xiàn)矩形波導(dǎo)到SIW的良好過渡。圖2（c）反映了從SIW到矩形波導(dǎo)的過渡，其中SIW基片和矩形波導(dǎo)在擴大場范圍內(nèi)是垂直相交。

SIW端口的激勵源為TE10模式，耦合窗口設(shè)置在擴大場范圍內(nèi)，擴大場為SIW基片后部的短路端子，由此可以減少太赫茲波泄漏和增加場強[12]。在矩形波導(dǎo)的后端，耦合窗中心到擴大場邊緣的距離約為SIW寬度的十分之一，耦合窗設(shè)置在介質(zhì)基板后部擴大場范圍內(nèi)的中心位置，與矩形波導(dǎo)的寬邊平行，因此在矩形波導(dǎo)中產(chǎn)生TE10模式場，實現(xiàn)SIW與矩形波導(dǎo)的場匹配。如圖2（d）所示，在改變通孔分布的擴大場范圍中形成了強電場和強磁場，同時我們在電場和磁場最大的位置放置了探針式臺階。

為了使SIW與矩形波導(dǎo)之間有良好的阻抗匹配，需要優(yōu)化SIW基片上耦合窗的相關(guān)參數(shù)。通過調(diào)整波導(dǎo)腔的大小和位置以及SIW的設(shè)計參數(shù)，可以優(yōu)化SIW-波導(dǎo)的過渡效率。由此擴大場內(nèi)的耦合窗口結(jié)構(gòu)可以在不產(chǎn)生其他平行波模式的情況下完成波導(dǎo)的垂直連接。

在耦合分析中，將基片集成波導(dǎo)等效于具有相同導(dǎo)波波長的矩形波導(dǎo)[13]。根據(jù)場等效定理，將分析區(qū)域劃分為SIW基片腔體、擴大場范圍耦合窗、矩形波導(dǎo)腔3個規(guī)范區(qū)域，相鄰區(qū)域邊界的金屬通孔被完美的電導(dǎo)體和等效的磁電流所覆蓋。在這3個區(qū)域中，對偶格林函數(shù)以模態(tài)的形式被分析給出[14]，連續(xù)磁場的積分方程是根據(jù)金屬通孔孔徑得出的。未知磁電流的積分方程用Galerkin矩法（Galerkin’s method of moments，MOM）求解[15]，并利用得到的磁電流計算出耦合窗的散射矩陣。

該結(jié)構(gòu)的基片介質(zhì)材料為Rogers RT/duroid 5880，相對介電常數(shù)為2.2，損耗正切為0.000 9。由于SIW元件的質(zhì)量因子與基片的厚度成正比，所以為了實現(xiàn)低的插入損耗，必須使用較厚的基片來設(shè)計SIW元件。在本文提出的傳輸線結(jié)構(gòu)中，SIW基片厚度為0.254 mm，同時為了降低基片內(nèi)的傳輸損耗，將SIW基片長度設(shè)置為3 mm。SIW結(jié)構(gòu)的尺寸如圖3所示，其中：d為金屬通孔的直徑；s為相鄰2個金屬通孔中心之間的距離；w為SIW兩側(cè)2排金屬通孔中心之間的距離；Wa為耦合窗的寬邊長度；Lb為耦合窗的窄邊長度；Lc為耦合窗邊緣到SIW波導(dǎo)激勵源的距離?？紤]到成本和制造公差，SIW的寬度應(yīng)該選得盡可能的寬，本文提出的SIW基片寬度為1.6 mm。通過Galerkin矩法分析使垂直轉(zhuǎn)接內(nèi)有最小反射值，并以此確定耦合窗的尺寸和位置，其中Wa與Lb應(yīng)該小于TE高次模式截止波長對應(yīng)寬邊長和窄邊長以抑制轉(zhuǎn)接處高次模的形成。

圖3 190 GHz頻率下從SIW到矩形波導(dǎo)的過渡Fig.3 Transition from SIW to rectangular waveguide at 190 GHz

2 仿真結(jié)果

本文使用有限元電磁仿真軟件ANSYS Electronics Desktop 19.0對傳輸線進行仿真，設(shè)定d= 0.060 mm，s= 0.090 mm，w=1.080 mm，Wa= 1.060 mm，Lb= 0.630 mm，Lc= 2.096 mm。傳輸線中過渡結(jié)構(gòu)的傳輸性能是整個結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。過渡結(jié)構(gòu)的S參數(shù)仿真結(jié)果如圖4（a）所示，圖中：S11是波導(dǎo)口1接收的功率與波導(dǎo)口1發(fā)射的功率比；S21是波導(dǎo)口2接收的功率與波導(dǎo)口1發(fā)射的功率比。該結(jié)構(gòu)的S21略小于0，而S11在180～235 GHz以外的頻段中回波損耗小于-10 dB。圖4（b）為過渡結(jié)構(gòu)的電場分布，該結(jié)果表明，在擴大場范圍內(nèi)無明顯電磁泄漏和高次模式的能量損耗，耦合性能良好。

圖4 單個過渡結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results for a single transition structure

本文提出的SIW傳輸線包含2個過渡結(jié)構(gòu)和一個可以設(shè)定長度且用于連接的矩形波導(dǎo)。該傳輸線的傳輸性能與基片集成波導(dǎo)基底的衰減常數(shù)以及2個耦合窗口之間的矩形波導(dǎo)的長度呈正相關(guān)關(guān)系。該傳輸線的電場分布情況如圖5所示，說明傳輸線結(jié)構(gòu)內(nèi)無高階模態(tài)產(chǎn)生，能量損耗低。整個傳輸線的S11參數(shù)變化如圖6所示，本文結(jié)構(gòu)的傳輸性能在超過5個波長幅度的變化時有較大的差異。

圖5 在190 GHz（h=45 mm）時，傳輸線結(jié)構(gòu)的電場分布Fig.5 Electric field distribution of the transmission line at 190 GHz（h=45 mm）

圖6 4種不同長度矩形波導(dǎo)下的傳輸線結(jié)構(gòu)的S11參數(shù)Fig.6 S11 parameters of the transmission line for four different lengths of rectangular waveguides

傳輸線隨頻率變化的衰減常數(shù)情況如圖7（a）所示，可以看出，當(dāng)h=45 mm時，隨著頻率的變化，傳輸線結(jié)構(gòu)在190～230 GHz范圍內(nèi)對不同頻率的響應(yīng)和諧振能力不同，傳輸線的插入損耗在190～230 GHz頻率范圍內(nèi)小于1.2 dB。由于矩形波導(dǎo)長度對于傳輸線結(jié)構(gòu)的影響微乎其微，所以隨著h變化而引起的傳輸線插入損耗的變化可以忽略不計。圖7（b）為不同矩形波導(dǎo)長度對應(yīng)的傳輸線可用帶寬大小。矩形波導(dǎo)長度對傳輸線性能的影響有限，傳輸線在垂直方位差異較大的情況下仍有穩(wěn)定的帶寬。

圖7 傳輸線的插入損耗與帶寬Fig.7 Transmission line insertion loss and bandwidth

3 結(jié) 論

本文根據(jù)太赫茲波在SIW結(jié)構(gòu)和矩形波導(dǎo)內(nèi)傳輸模式的相似性，設(shè)計了一個結(jié)構(gòu)內(nèi)部無模式轉(zhuǎn)換且實現(xiàn)傳輸線入口和出口的波場出射方向不變的階梯型傳輸線。該傳輸線在200 GHz中心頻段有穩(wěn)定的帶寬和良好的傳輸性能。太赫茲波的垂直轉(zhuǎn)接是由2個SIW-矩形波導(dǎo)來完成的，具體是通過在SIW基片末端改變金屬通孔布局增加擴大場范圍，再在擴大場范圍內(nèi)設(shè)置與矩形波導(dǎo)連接的耦合窗，通過矩形波導(dǎo)完成太赫茲波的長距離傳輸。該傳輸線結(jié)構(gòu)具有寬帶傳輸和易于集成等特點。擴大場范圍的金屬通孔分布，耦合窗的尺寸、相對位置，矩形波導(dǎo)的長度都會影響結(jié)構(gòu)的傳輸性能，主要表現(xiàn)為可用帶寬的大小改變。矩形波導(dǎo)的長度可以根據(jù)實際應(yīng)用的需求進行靈活調(diào)整，可以在不同的水平面完成與信號發(fā)生器波導(dǎo)口的連接，為解決器件尺寸與波長級的成像中心距離之間的矛盾提供了參考。