基片集成波导多层转换器的设计与仿真

摘要：基片集成波导(SubstrateIntegrated Waveguide，SIW)是可以集成于介质基片中的具有低插损、低辐射、高功率容量等特性的新的导波结构，易于设计、加工，并可方便地实现与微带线、共面波导等平面传输线的集成。然而，一个非常重要的问题就是它与其它形式的传输线之间的过渡问题。文中给出了两种异面多层转换结构。新结构的仿真结果均表现出良好的传播特性，且较传统共面转换结构更为紧凑，便于微带集成电路系统的应用。
关键词：基片集成波导；转换器；多层介质；脊波导

O 引言
    基片集成波导(SIW)是一种立体的周期性结构，它可利用PCB、LTCC等集成工艺获得，并可通过金属通孔或者空气过孔限制向外辐射的电磁波，从而代替传统矩形金属波导或非辐射介质波导(NRD)的集成类波导结构。
    和传统的矩形金属波导相比，SIW同样有着良好的传播特性，诸如品质因数高、易于设计加工等，同时较传统波导更为紧凑，具有体积小、重量轻等优点，而且这种结构易于集成，因而可大大减小原有微波毫米波波导器件以及建立在波导基础上的其它微波无源器件的尺寸、重量和价格。基片集成波导技术可提供一种高品质的微波毫米波电路集成新技术，目前，它已逐渐为微波界所认识，并受到国际学术界与工业界的重视。
    然而，该技术一个重要的问题就是它与其它形式的传输线之间的过渡问题(转换)。微波有源器件大都是表面封装或芯片形式，在安装时需要共面电路结构(如共面波导、微带线等)。因此，SIW与共面传输线的过渡问题是这项技术的一个重要前提，其最重要的指标是带宽及回波损耗。

1 SIW的基本原理
    矩形波导与微带线的转换在毫米波频段是较常用的一种。对其转换的基本要求是传输损耗和回波损耗要低，而且应有足够的频带宽度；装配容易，同时具有良好的重复性和一致性。另外，它还可与电路协调设计，十分便于加工制作。
    SIW侧壁由周期排列的金属通孔构成，等效于在矩形波导的窄壁横向开槽，以使SIW只能传输TEno模。
    实验证明，SIW的传输特性和矩形波导类似，因此，SIW可以转化为等效矩形波导，并运用矩形波导的理论加以设计，从而提高设计效率。SIW的宽度W与等效矩形波导宽度W的等效关系如下：
   

    式中，d为金属通孔直径，s为相邻通孔中心间距，W为SIW宽度。

2 微带-探针-SIW异面转换结构
    采用异面结构，可设定下层基板为SIW，上层基板为普通PCB，并在上层基板上蚀刻微带线。上层微带线通过金属探针与下层SIW连接，探针与SIW底部接触。
    为使能量更好的通过探针进入SIW，可在上层基板探针周围设计一种包围它的金属柱，并适度调节该转换结构的各参数值，以最终得到图1所示的微带-探针-SIW异面转换的结构图。

    该结构的上下基板厚度h均为0．508 mm，探针半径R_pin为0．28 mm，探针中心距底边圆柱中心的距离Distance为2．465mm，SIW上层蚀刻圆孔半径R_cave为0．6 mm。
    该结构的工作频率为15GHz，在11．51～13．74GHz、14．76～25．38 GHz频段内，其回波损耗均在-10 dB以下，插入损耗总体小于-0．8 dB，因此，该结构在两个频段内，均表现为带通特性。
    而在14．31～14．47GHz频段内，回波损耗大于-2 dB，插入损耗小于-10 dB，表现为带阻特性。最终整体呈现为双带通且宽频带的带通滤波特性，其仿真结果如图2所示。

3 结束语
    本文设计仿真的多层转换器，表现出了良好的传播特性，而且工艺要求低、加工简单，易于实现。该转换结构在Ku波段和K波段能够分别实现100％和86．82％良性传播，且比传统结构更紧凑，也更便于实际应用，完全适应微波器件日趋小型化的要求。该结构可用于设计常用微波器件、天线馈电结构等，故在现实生产生活中具有广泛的应用前景。