一种新型基片集成脊波导结构的设计

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　　摘要：为了解决基片集成波导带宽窄的局限性，设计了一种新型的基片集成脊波导（ridgesubstrate integrated waveguide，RSIW）结构。该结构在传统的基片集成脊波导基础上采用了不同介电常数的两层介质板，同时在其两侧还设置了两排周期性排列的空气孔。仿真结果表明：所设计结构的单模工作带宽达到10.88 GHz，相对带宽B达到了4.42，相比其他结构的单模工作带宽和相对带宽分别提高了57%和18.8%;该结构在整个通带范围内表现出了良好的传输特性，能够覆盖整个超宽带范围的应用。该设计为解决基片集成波导带宽窄的局限性以及实现紧凑型宽带互连提供了参考。
　　关键词：基片集成波导;脊波导;基片集成脊波导;超宽带
　　中图分类号：TN928 文献标志码：A
　　引言
　　基片集成波导（substrate integrated waveguide，SIW）是近些年来提出的一种高性能、低损耗、小型化的传输线，用周期性金属通孔代替传统矩形波导的金属侧壁，其电磁波传播特性与传统的矩形波导类似。SIW具有体积小、成本低、抗电磁干扰等优点，已经广泛应用于天线、滤波器、功分器、耦合器等研制中。随着现代微波集成电路技术的快速发展，对基片集成波导器件的集成度提出了更高要求，因此SIW作为天线、集成系统的基础组件，其优点十分明显。但是，由于SIW的单模工作带宽被限制在一个倍频程，不适合应用于宽带微波系统中，所以如何展宽基片集成波导的带宽和提高集成度是目前亟待解决的问题。
　　针对基片集成波导结构的展宽带宽和提高集成度问题，国内外学者开展了一系列研究。Grigoropoulos等提出了折叠基片集成波导（substrate integrated folded waveguides，snow），利用金属膜片折叠波导使波导的结构尺寸减小了50%以上，但同时也使该结构产生了较大的损耗。基于SIW的垂直切口可以等效为理想磁壁的机理，Wang等提出了半模基片集成波导（half-mode substrate integrated waveguide，HMSIW），实现了波导的结构尺寸减小近50%。为了进一步减小波导尺寸，Zhai等结合S1FW和HMSIW两种技术，提出了折叠半模基片集成波导（folded half-mode S1W，FHMSIW）。與标准SIW相比，上述三种技术可显著减小结构尺寸，但带宽没有明显改善。
　　已知在常规波导中加入纵向金属脊可以提高波导的工作带宽，而不会影响其射频传输特性。因此，为了提高基片集成波导SIW的单模工作带宽，在S1W的中间加入一排与两侧壁类似的周期性排列的悬空金属柱，从而构成了基片集成脊波导（ridge substrate integrated waveguide，RSIW）。基片集成脊波导是由基片集成波导发展而来的，它可以突破基片集成波导的局限性，在形成紧凑型宽带互连中发挥作用。
　　本文设计了一种由两种材料组成并带有空气孔填充的基片集成脊波导结构。该结构的单模工作带宽更宽，不仅能满足整个超宽带应用的需求，而且在整个通带范围具有很低的插入损耗和回波损耗，表现出了良好的传输特性。
　　1结构设计
　　为了比较不同波导结构的带宽，将主模截止频率和高次模截止频率之间的相对带宽定义为式中：f1为基模TEl0模的截止频率;f2为高次模TE20模的截止频率。假设标准矩形波导的宽度为a，高度为b，则b≤a/2，此时相对带宽曰为1，代表相对带宽为一个倍频程。为了满足超宽带（ultra wideband，uwB）应用需求，B值最小需要达到3.5。
　　本文提出的由两种材料组成并带有空气孔填充的基片集成脊波导结构如图1所示，该结构由两层介质板构成，上层介质板采用介电常数较低的Rogers 5880板材，其介电常数εr1为2.2，介质损耗角正切tan δ为0.000 9，板厚度用H1表示。下层介质板采用介电常数较高的Rogers6010LM板材，其介电常数εr2为10.2，介质损耗角正切tan δ为0.002 3，板厚度用H2表示。有两排周期性排列的空气孔置于上下层介质板之间，空气孔直径为D3。波导的两侧壁由两排周期性排列的金属通孔组成，通孔直径为D2，而中间脊是由一排周期性排列的悬空金属柱组成，金属柱直径为D1。金属柱的下端连接一块金属条，金属条宽度为W1。内两排空气孔间距为W2，外两排空气孔间距为W3，两侧壁金属通孔间的间距为W4。基片集成脊波导由多个单元组成，每个单元的纵向长度为s，基片集成脊波导结构的具体参数见表1。
　　基片集成脊波导RSIW的传输模式和基片集成波导SIW的传输模式一样，主模传输的是TE10模，而高次模传输的是TE20模。在基片集成波导的中间加入一排与两侧壁类似的周期性排列的悬空金属柱，金属柱的下底面与介质板的下底面之间存在一定的间隙，形成脊电容，从而降低了TE10模的截止频率，但并不影响其射频传输特性。主模TE10模的电场主要集中在波导中心的脊棱附近，其截止频率降低的主要原因是脊电容的引入，脊电容越大，TE10模的截止频率将会越低。因此，在悬空金属柱下加入纵向金属条，以此增大电容上下极板之间的面积使得脊电容增大，同时选用厚度较小、介电常数较高的Rogers 6010LM板材，以此减小电容极板间距和增大介质的介电常数来增大脊电容。高次模TE20模的电场主要集中在波导的两侧，通过降低介质材料的有效介电常数可以提高TE20模的截止频率。为此，该结构的上层采用厚度较高、介电常数较低的Rogers 5880板材，上下层介质的两侧还布置了两排周期性排列的空气孔，以此进一步降低两侧介质材料的有效介电常数，提高TE20模的截止频率。由于空气孔的位置位于结构的两侧，而主模的截止频率主要受下方中心部分介质材料的介电常数的影响，因此空气孔对于主模的截止频率影响很小。 　　2仿真结果及分析
　　由两种材料组成并带有空气孔填充的基片集成脊波导结构是一种周期性结构，所以可以利用全波电磁仿真软件HFSS对结构的一个单元进行本征模求解来获取结构的色散图。通过HFSS中的设计优化模块，在传播方向（z方向）上将单元结构两个面上的参数设置为相移变量Ф，利用参数扫描分析对Ф值进行0°至180°的扫描。然后通过式（2）的求解，最终可以得到结构的色散图，即相移常数和频率的关系图。
　　在相同的结构尺寸下，对由一种材料组成的有空气孔填充的RSIW（记为RSIWI）、由两种材料组成的无空气填充的RSIW（记为RSIW2）和由两种材料组成的有空气孔填充的RSIW（记为RSIW3）三种结构的色散图进行了比较。三种结构的主模TE10模式和高次模TE20模式的色散图如图2所示，对应的具体数值如表2所示。
　　RSIWI结构的上下层介质都采用了Rogers6010LM，主模的截止频率f1为2.36 GHz，高次模的截止频率f2为9.29 GHz，B值达到2.93。RSlW3结构上层采用了介电常数较小的Rogers5880板材，其介电常数为2.2，下层采用了Rogers6010LM板材。比较RSIWl与RSIW3，两种结构的主模截止频率相近，这是因为主模的电场主要被限制在下層的脊柱之下，而RSIWI高次模的截止频率远低于RSIW3高次模的截止频率，所以RSIW3具有更宽的单模工作带宽，B值更高。产生这种实质性差异的主要原因是，结构的高次模的电场主要分布在两侧，受到上层介质介电常数的影响较大。从RSIW2和RSIW3的比较中可以进一步验证这一结论。RSIW2和RSIW3的差异主要表现在结构两侧有无空气孔填充，RSlW3由于结构两侧空气孔的存在，降低了两侧介质材料的有效介电常数，因此RSIW3的高次模截止频率要高于RSIW2的高次模截止频率。此外，对比RSIW2和RSIW3结构的主模截止频率，可以看出两侧空气孔对主模的截止频率几乎没有影响。
　　3转接结构设计
　　为了研究基片集成脊波导的传输损耗，需要对其进行转接设计。由两种材料组成并带有空气孔填充的基片集成脊波导结构如图3所示，该结构以共面波导作为输入输出端口，由12个单元组成。选取梯形渐变结构作为连接共面波导与基片集成脊波导的桥梁，梯形渐变结构的主体为一段微带渐变线，这一微带渐变线实现基片集成脊波导和50Ω共面波导之间的阻抗变换。本文对图3所示波导的主模散射参数进行了仿真，仿真结果如图4所示。图中，通带内插入损耗的曲线较平稳，在13 GHz时$21取得最小值-1.1 dB，表现出良好的传输特性，而通带内回波损耗值在-15 dB以下，在3.03～4.38 GHz频率范围内反射略微偏大，但回波损耗值仍在-10 dB以下，符合传输要求。
　　4结论
　　本文提出了一种由两种材料组成并带有空气孔填充的基片集成脊波导结构，并将其和由一种材料组成的有空气孔填充的基片集成脊波导结构（RSIWI）、由两种材料组成的无空气孔填充的基片集成脊波导结构（RSIW2）进行了比较。研究表明，所提出的结构的单模工作带宽更宽，达到了10.88 GHz，能够满足超宽带应用的需求。同时，选取了梯形渐变结构作为连接共面波导与基片集成脊波导的桥梁，该结构在整个通带范围内表现出了良好的传输特性。
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