基片集成波導(dǎo)多層轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與仿真

摘要：基片集成波導(dǎo)(SubstrateIntegrated Waveguide，SIW)是可以集成于介質(zhì)基片中的具有低插損、低輻射、高功率容量等特性的新的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，易于設(shè)計(jì)、加工，并可方便地實(shí)現(xiàn)與微帶線、共面波導(dǎo)等平面?zhèn)鬏斁€的集成。然而，一個(gè)非常重要的問題就是它與其它形式的傳輸線之間的過渡問題。文中給出了兩種異面多層轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。新結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果均表現(xiàn)出良好的傳播特性，且較傳統(tǒng)共面轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)更為緊湊，便于微帶集成電路系統(tǒng)的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：基片集成波導(dǎo)；轉(zhuǎn)換器；多層介質(zhì)；脊波導(dǎo)

O 引言
    基片集成波導(dǎo)(SIW)是一種立體的周期性結(jié)構(gòu)，它可利用PCB、LTCC等集成工藝獲得，并可通過金屬通孔或者空氣過孔限制向外輻射的電磁波，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)矩形金屬波導(dǎo)或非輻射介質(zhì)波導(dǎo)(NRD)的集成類波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
    和傳統(tǒng)的矩形金屬波導(dǎo)相比，SIW同樣有著良好的傳播特性，諸如品質(zhì)因數(shù)高、易于設(shè)計(jì)加工等，同時(shí)較傳統(tǒng)波導(dǎo)更為緊湊，具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，而且這種結(jié)構(gòu)易于集成，因而可大大減小原有微波毫米波波導(dǎo)器件以及建立在波導(dǎo)基礎(chǔ)上的其它微波無源器件的尺寸、重量和價(jià)格?；刹▽?dǎo)技術(shù)可提供一種高品質(zhì)的微波毫米波電路集成新技術(shù)，目前，它已逐漸為微波界所認(rèn)識(shí)，并受到國際學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的重視。
    然而，該技術(shù)一個(gè)重要的問題就是它與其它形式的傳輸線之間的過渡問題(轉(zhuǎn)換)。微波有源器件大都是表面封裝或芯片形式，在安裝時(shí)需要共面電路結(jié)構(gòu)(如共面波導(dǎo)、微帶線等)。因此，SIW與共面?zhèn)鬏斁€的過渡問題是這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)重要前提，其最重要的指標(biāo)是帶寬及回波損耗。

1 SIW的基本原理
    矩形波導(dǎo)與微帶線的轉(zhuǎn)換在毫米波頻段是較常用的一種。對(duì)其轉(zhuǎn)換的基本要求是傳輸損耗和回波損耗要低，而且應(yīng)有足夠的頻帶寬度；裝配容易，同時(shí)具有良好的重復(fù)性和一致性。另外，它還可與電路協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，十分便于加工制作。
    SIW側(cè)壁由周期排列的金屬通孔構(gòu)成，等效于在矩形波導(dǎo)的窄壁橫向開槽，以使SIW只能傳輸TEno模。
    實(shí)驗(yàn)證明，SIW的傳輸特性和矩形波導(dǎo)類似，因此，SIW可以轉(zhuǎn)化為等效矩形波導(dǎo)，并運(yùn)用矩形波導(dǎo)的理論加以設(shè)計(jì)，從而提高設(shè)計(jì)效率。SIW的寬度W與等效矩形波導(dǎo)寬度W的等效關(guān)系如下：
   
    式中，d為金屬通孔直徑，s為相鄰?fù)字行拈g距，W為SIW寬度。

2 微帶-探針-SIW異面轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)
    采用異面結(jié)構(gòu)，可設(shè)定下層基板為SIW，上層基板為普通PCB，并在上層基板上蝕刻微帶線。上層微帶線通過金屬探針與下層SIW連接，探針與SIW底部接觸。
    為使能量更好的通過探針進(jìn)入SIW，可在上層基板探針周圍設(shè)計(jì)一種包圍它的金屬柱，并適度調(diào)節(jié)該轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的各參數(shù)值，以最終得到圖1所示的微帶-探針-SIW異面轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)圖。

    該結(jié)構(gòu)的上下基板厚度h均為0．508 mm，探針半徑R_pin為0．28 mm，探針中心距底邊圓柱中心的距離Distance為2．465mm，SIW上層蝕刻圓孔半徑R_cave為0．6 mm。
    該結(jié)構(gòu)的工作頻率為15GHz，在11．51～13．74GHz、14．76～25．38 GHz頻段內(nèi)，其回波損耗均在-10 dB以下，插入損耗總體小于-0．8 dB，因此，該結(jié)構(gòu)在兩個(gè)頻段內(nèi)，均表現(xiàn)為帶通特性。
    而在14．31～14．47GHz頻段內(nèi)，回波損耗大于-2 dB，插入損耗小于-10 dB，表現(xiàn)為帶阻特性。最終整體呈現(xiàn)為雙帶通且寬頻帶的帶通濾波特性，其仿真結(jié)果如圖2所示。

3 結(jié)束語
    本文設(shè)計(jì)仿真的多層轉(zhuǎn)換器，表現(xiàn)出了良好的傳播特性，而且工藝要求低、加工簡單，易于實(shí)現(xiàn)。該轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在Ku波段和K波段能夠分別實(shí)現(xiàn)100％和86．82％良性傳播，且比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊，也更便于實(shí)際應(yīng)用，完全適應(yīng)微波器件日趨小型化的要求。該結(jié)構(gòu)可用于設(shè)計(jì)常用微波器件、天線饋電結(jié)構(gòu)等，故在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中具有廣泛的應(yīng)用前景。