許濤 王寧 賈宏志

摘要：為了解決基片集成波導(dǎo)帶寬窄的局限性，設(shè)計(jì)了一種新型的基片集成脊波導(dǎo)（ridgesubstrate integrated waveguide，RSIW）結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)的基片集成脊波導(dǎo)基礎(chǔ)上采用了不同介電常數(shù)的兩層介質(zhì)板，同時(shí)在其兩側(cè)還設(shè)置了兩排周期性排列的空氣孔。仿真結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的單模工作帶寬達(dá)到10.88 GHz，相對(duì)帶寬B達(dá)到了4.42，相比其他結(jié)構(gòu)的單模工作帶寬和相對(duì)帶寬分別提高了57%和18.8%;該結(jié)構(gòu)在整個(gè)通帶范圍內(nèi)表現(xiàn)出了良好的傳輸特性，能夠覆蓋整個(gè)超寬帶范圍的應(yīng)用。該設(shè)計(jì)為解決基片集成波導(dǎo)帶寬窄的局限性以及實(shí)現(xiàn)緊湊型寬帶互連提供了參考。

關(guān)鍵詞：基片集成波導(dǎo);脊波導(dǎo);基片集成脊波導(dǎo);超寬帶

中圖分類號(hào)：TN928 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引言

基片集成波導(dǎo)（substrate integrated waveguide，SIW）是近些年來(lái)提出的一種高性能、低損耗、小型化的傳輸線，用周期性金屬通孔代替?zhèn)鹘y(tǒng)矩形波導(dǎo)的金屬側(cè)壁，其電磁波傳播特性與傳統(tǒng)的矩形波導(dǎo)類似。SIW具有體積小、成本低、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于天線、濾波器、功分器、耦合器等研制中。隨著現(xiàn)代微波集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)基片集成波導(dǎo)器件的集成度提出了更高要求，因此SIW作為天線、集成系統(tǒng)的基礎(chǔ)組件，其優(yōu)點(diǎn)十分明顯。但是，由于SIW的單模工作帶寬被限制在一個(gè)倍頻程，不適合應(yīng)用于寬帶微波系統(tǒng)中，所以如何展寬基片集成波導(dǎo)的帶寬和提高集成度是目前亟待解決的問(wèn)題。

針對(duì)基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的展寬帶寬和提高集成度問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了一系列研究。Grigoropoulos等提出了折疊基片集成波導(dǎo)（substrate integrated folded waveguides，snow），利用金屬膜片折疊波導(dǎo)使波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)尺寸減小了50%以上，但同時(shí)也使該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的損耗?；赟IW的垂直切口可以等效為理想磁壁的機(jī)理，Wang等提出了半模基片集成波導(dǎo)（half-mode substrate integrated waveguide，HMSIW），實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)尺寸減小近50%。為了進(jìn)一步減小波導(dǎo)尺寸，Zhai等結(jié)合S1FW和HMSIW兩種技術(shù)，提出了折疊半模基片集成波導(dǎo)（folded half-mode S1W，F(xiàn)HMSIW）。與標(biāo)準(zhǔn)SIW相比，上述三種技術(shù)可顯著減小結(jié)構(gòu)尺寸，但帶寬沒(méi)有明顯改善。

已知在常規(guī)波導(dǎo)中加入縱向金屬脊可以提高波導(dǎo)的工作帶寬，而不會(huì)影響其射頻傳輸特性。因此，為了提高基片集成波導(dǎo)SIW的單模工作帶寬，在S1W的中間加入一排與兩側(cè)壁類似的周期性排列的懸空金屬柱，從而構(gòu)成了基片集成脊波導(dǎo)（ridge substrate integrated waveguide，RSIW）?；杉共▽?dǎo)是由基片集成波導(dǎo)發(fā)展而來(lái)的，它可以突破基片集成波導(dǎo)的局限性，在形成緊湊型寬帶互連中發(fā)揮作用。

本文設(shè)計(jì)了一種由兩種材料組成并帶有空氣孔填充的基片集成脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的單模工作帶寬更寬，不僅能滿足整個(gè)超寬帶應(yīng)用的需求，而且在整個(gè)通帶范圍具有很低的插入損耗和回波損耗，表現(xiàn)出了良好的傳輸特性。

1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了比較不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的帶寬，將主模截止頻率和高次模截止頻率之間的相對(duì)帶寬定義為式中：f1為基模TEl0模的截止頻率;f2為高次模TE20模的截止頻率。假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)的寬度為a，高度為b，則b≤a/2，此時(shí)相對(duì)帶寬曰為1，代表相對(duì)帶寬為一個(gè)倍頻程。為了滿足超寬帶（ultra wideband，uwB）應(yīng)用需求，B值最小需要達(dá)到3.5。

本文提出的由兩種材料組成并帶有空氣孔填充的基片集成脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該結(jié)構(gòu)由兩層介質(zhì)板構(gòu)成，上層介質(zhì)板采用介電常數(shù)較低的Rogers 5880板材，其介電常數(shù)εr1為2.2，介質(zhì)損耗角正切tan δ為0.000 9，板厚度用H1表示。下層介質(zhì)板采用介電常數(shù)較高的Rogers6010LM板材，其介電常數(shù)εr2為10.2，介質(zhì)損耗角正切tan δ為0.002 3，板厚度用H2表示。有兩排周期性排列的空氣孔置于上下層介質(zhì)板之間，空氣孔直徑為D3。波導(dǎo)的兩側(cè)壁由兩排周期性排列的金屬通孔組成，通孔直徑為D2，而中間脊是由一排周期性排列的懸空金屬柱組成，金屬柱直徑為D1。金屬柱的下端連接一塊金屬條，金屬條寬度為W1。內(nèi)兩排空氣孔間距為W2，外兩排空氣孔間距為W3，兩側(cè)壁金屬通孔間的間距為W4?；杉共▽?dǎo)由多個(gè)單元組成，每個(gè)單元的縱向長(zhǎng)度為s，基片集成脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)見(jiàn)表1。

基片集成脊波導(dǎo)RSIW的傳輸模式和基片集成波導(dǎo)SIW的傳輸模式一樣，主模傳輸?shù)氖荰E10模，而高次模傳輸?shù)氖荰E20模。在基片集成波導(dǎo)的中間加入一排與兩側(cè)壁類似的周期性排列的懸空金屬柱，金屬柱的下底面與介質(zhì)板的下底面之間存在一定的間隙，形成脊電容，從而降低了TE10模的截止頻率，但并不影響其射頻傳輸特性。主模TE10模的電場(chǎng)主要集中在波導(dǎo)中心的脊棱附近，其截止頻率降低的主要原因是脊電容的引入，脊電容越大，TE10模的截止頻率將會(huì)越低。因此，在懸空金屬柱下加入縱向金屬條，以此增大電容上下極板之間的面積使得脊電容增大，同時(shí)選用厚度較小、介電常數(shù)較高的Rogers 6010LM板材，以此減小電容極板間距和增大介質(zhì)的介電常數(shù)來(lái)增大脊電容。高次模TE20模的電場(chǎng)主要集中在波導(dǎo)的兩側(cè)，通過(guò)降低介質(zhì)材料的有效介電常數(shù)可以提高TE20模的截止頻率。為此，該結(jié)構(gòu)的上層采用厚度較高、介電常數(shù)較低的Rogers 5880板材，上下層介質(zhì)的兩側(cè)還布置了兩排周期性排列的空氣孔，以此進(jìn)一步降低兩側(cè)介質(zhì)材料的有效介電常數(shù)，提高TE20模的截止頻率。由于空氣孔的位置位于結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，而主模的截止頻率主要受下方中心部分介質(zhì)材料的介電常數(shù)的影響，因此空氣孔對(duì)于主模的截止頻率影響很小。

2仿真結(jié)果及分析

由兩種材料組成并帶有空氣孔填充的基片集成脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是一種周期性結(jié)構(gòu)，所以可以利用全波電磁仿真軟件HFSS對(duì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)單元進(jìn)行本征模求解來(lái)獲取結(jié)構(gòu)的色散圖。通過(guò)HFSS中的設(shè)計(jì)優(yōu)化模塊，在傳播方向（z方向）上將單元結(jié)構(gòu)兩個(gè)面上的參數(shù)設(shè)置為相移變量Ф，利用參數(shù)掃描分析對(duì)Ф值進(jìn)行0°至180°的掃描。然后通過(guò)式（2）的求解，最終可以得到結(jié)構(gòu)的色散圖，即相移常數(shù)和頻率的關(guān)系圖。

在相同的結(jié)構(gòu)尺寸下，對(duì)由一種材料組成的有空氣孔填充的RSIW（記為RSIWI）、由兩種材料組成的無(wú)空氣填充的RSIW（記為RSIW2）和由兩種材料組成的有空氣孔填充的RSIW（記為RSIW3）三種結(jié)構(gòu)的色散圖進(jìn)行了比較。三種結(jié)構(gòu)的主模TE10模式和高次模TE20模式的色散圖如圖2所示，對(duì)應(yīng)的具體數(shù)值如表2所示。

RSIWI結(jié)構(gòu)的上下層介質(zhì)都采用了Rogers6010LM，主模的截止頻率f1為2.36 GHz，高次模的截止頻率f2為9.29 GHz，B值達(dá)到2.93。RSlW3結(jié)構(gòu)上層采用了介電常數(shù)較小的Rogers5880板材，其介電常數(shù)為2.2，下層采用了Rogers6010LM板材。比較RSIWl與RSIW3，兩種結(jié)構(gòu)的主模截止頻率相近，這是因?yàn)橹髂５碾妶?chǎng)主要被限制在下層的脊柱之下，而RSIWI高次模的截止頻率遠(yuǎn)低于RSIW3高次模的截止頻率，所以RSIW3具有更寬的單模工作帶寬，B值更高。產(chǎn)生這種實(shí)質(zhì)性差異的主要原因是，結(jié)構(gòu)的高次模的電場(chǎng)主要分布在兩側(cè)，受到上層介質(zhì)介電常數(shù)的影響較大。從RSIW2和RSIW3的比較中可以進(jìn)一步驗(yàn)證這一結(jié)論。RSIW2和RSIW3的差異主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)兩側(cè)有無(wú)空氣孔填充，RSlW3由于結(jié)構(gòu)兩側(cè)空氣孔的存在，降低了兩側(cè)介質(zhì)材料的有效介電常數(shù)，因此RSIW3的高次模截止頻率要高于RSIW2的高次模截止頻率。此外，對(duì)比RSIW2和RSIW3結(jié)構(gòu)的主模截止頻率，可以看出兩側(cè)空氣孔對(duì)主模的截止頻率幾乎沒(méi)有影響。

3轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了研究基片集成脊波導(dǎo)的傳輸損耗，需要對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)接設(shè)計(jì)。由兩種材料組成并帶有空氣孔填充的基片集成脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖3所示，該結(jié)構(gòu)以共面波導(dǎo)作為輸入輸出端口，由12個(gè)單元組成。選取梯形漸變結(jié)構(gòu)作為連接共面波導(dǎo)與基片集成脊波導(dǎo)的橋梁，梯形漸變結(jié)構(gòu)的主體為一段微帶漸變線，這一微帶漸變線實(shí)現(xiàn)基片集成脊波導(dǎo)和50Ω共面波導(dǎo)之間的阻抗變換。本文對(duì)圖3所示波導(dǎo)的主模散射參數(shù)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。圖中，通帶內(nèi)插入損耗的曲線較平穩(wěn)，在13 GHz時(shí)$21取得最小值-1.1 dB，表現(xiàn)出良好的傳輸特性，而通帶內(nèi)回波損耗值在-15 dB以下，在3.03～4.38 GHz頻率范圍內(nèi)反射略微偏大，但回波損耗值仍在-10 dB以下，符合傳輸要求。

4結(jié)論

本文提出了一種由兩種材料組成并帶有空氣孔填充的基片集成脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并將其和由一種材料組成的有空氣孔填充的基片集成脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（RSIWI）、由兩種材料組成的無(wú)空氣孔填充的基片集成脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（RSIW2）進(jìn)行了比較。研究表明，所提出的結(jié)構(gòu)的單模工作帶寬更寬，達(dá)到了10.88 GHz，能夠滿足超寬帶應(yīng)用的需求。同時(shí)，選取了梯形漸變結(jié)構(gòu)作為連接共面波導(dǎo)與基片集成脊波導(dǎo)的橋梁，該結(jié)構(gòu)在整個(gè)通帶范圍內(nèi)表現(xiàn)出了良好的傳輸特性。