CN104393385A - 一种k波段siw传输线及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波、传输线技术。提出了一种K波段SIW传输线及其设计方法：通过在介质基片上打上两排正方形通孔，正方形通孔的两条平行边平行于传播方向,正方形孔的边长0.4mm<d≤0.8mm，两排金属通孔的行距w<8mm，s是同一排相邻两个金属通孔的间距0.4<d/s<0.8，SIW的传播常数和介质波导宽边的等效公式为w_eff＝w-d。通过改变通孔形状，实现了一种传输性能满足实际需求，体积小，功率容量高，可用带宽达到满频带，并与介质波导有精确的等效公式的新型SIW传输线。使设计平面电路的各种微波器件时，有了一种新的结构选择方案。

Description

一种K波段SIW传输线及其设计方法

技术领域

本发明涉及微波、传输线技术。

背景技术

在过去的几十年内，传输线技术的研究有了很大进展。在传统的波导之外，还出现了微带线、带状线等微带型结构。以上几种传输线都有各自的优点与缺陷。波导结构能传输较大的功率，损耗较小，传输性能好，但是体积较大，不易实现与各种平面电路的集成；微带型结构体积较小，易于集成，但是损耗较大，传输性能远远低于波导结构。

基片集成波导SIW(Substrate Integrated Waveguide)是一种新型的微波传输结构。SIW传输线是一种兼顾波导和微带结构优点的传输线。SIW的结构通常是在介质基片上打上两排金属通孔，以代替介质波导的窄边。电磁波从而被限制在接地的上下边界和金属通孔之间。并且由于金属通孔的不连续性会切断TM模式的管壁电流，因此SIW中只有TE模式存在。同矩形波导一样，TE₁₀模为主模。

SIW结构拥有与微带结构类似的体积，传输性能优于微带，但是弱于波导。2002至2005年加拿大蒙特利尔大学吴柯教授等人在IEEE上发表了一系列文章，提出了设计SIW结构的等效公式其中，w_eff是等效介质波导的宽边长度，w是两排金属通孔的行距，d是金属通孔的直径，s是同一排金属通孔的间距但通常用2d代替。于是影响SIW传输性能的参数被认为就是s、d和w，之前对传输性能的优化研究方向也集中在对这三个参数的调整。然而此公式精确度不高。现有的SIW传输线打的金属通孔，是按照之前在波导中打销钉的技术，在基板上打圆形的金属通孔。

发明内容

针对上述存在问题或不足，本发明提出了一种K波段SIW传输线及其设计方法。

如图1所示，其结构是在介质基片上打上两排正方形通孔，正方形通孔的两条平行边平行于传播方向,d是正方形孔的边长0.4mm<d≤0.8mm，w是两排金属通孔的行距w<8mm，s是同一排相邻两个金属通孔的间距0.4<d/s<0.8，SIW的传播常数和介质波导宽边的等效公式为w_eff＝w-d。

其设计方法具体如下：

步骤一、按照圆孔SIW结构的经验公式，得出传统K波段SIW传输线的各参数，以得到圆孔SIW传输线的性能。

步骤二、将d作为正方形通孔的边长，孔间距和宽度仍使用s和w，以此作为正方形孔SIW传输线的初始值仿真。

步骤三、分别对d、s、w，固定两个参数，扫描剩下一个参数，以较大步长，确定最优值的大致范围。

步骤四、对d、s、w同步扫参，以确定其符合要求的最优值。

步骤五、对参数扫描中不同的d、s、w的值，用HFSS计算得到SIW的传播常数，并分别与相同传播常数的介质波导相对应，以归纳得到SIW和介质波导宽边的等效公式w_eff＝w-d，依据等效公式和各参数取值范围0.4mm<d<0.8mm，5mm<w<7mm，s＝2d±0.3mm，确定各参数值。

如果正方形孔的角度不按照本方案布置，比如，角点朝内，则会由于孔边与电磁波传播方向存在夹角而加大反射。

本发明的有益效果是，通过改变通孔形状，实现了一种传输性能满足实际需求，体积小，功率容量高，可用带宽达到满频带，并与介质波导有精确的等效公式的新型SIW传输线。使设计平面电路的各种微波器件时，有了一种新的结构选择方案。

附图说明

图1是本发明K波段正方形孔SIW传输线的立体图

图2是本发明K波段正方形孔SIW传输线的初始仿真S₁₁参数

图3是本发明K波段正方形孔SIW传输线的初始仿真S₂₁参数

图4是本发明K波段正方形孔SIW传输线的最终结果的S₁₁参数

图5是本发明K波段正方形孔SIW传输线的最终结果的S₂₁参数

图6是本发明K波段正方形孔SIW传输线的最终结果的VSWR曲线

图7是本发明K波段正方形孔SIW传输线的最终结果的传播常数

图8是本发明K波段正方形孔SIW传输线的最终结果的衰减常数

图9是本发明K波段正方形孔SIW传输线的最终结果的高次模出现频率

具体实施方式

作为更具体的实施示例，以设计中的几个主要参数为例，对本发明进行说明。

本发明使用三维电磁仿真软件HFSS(High Frequency Structure Simulator)进行设计。

步骤一、按照圆孔SIW结构的经验公式，得出K波段长30mm SIW传输线的各参数：金属通孔直径d，同一排两个相邻金属通孔的孔间距s，以及两排金属孔之间宽度w。介质基板的参数为：相对介电常数为3，损耗角正切为0.0013。基板厚度1mm。初试的d和s选择0.6mm和1.2mm。得出w的值为6.49mm。

步骤二、将d作为方形孔的边长，孔间距和宽度仍使用s和w。以此作为正方形孔SIW传输线的初始值。仿真得出各S参数。由于SIW传输线可以等效为一个双口网络，故S₁₁参数即为此段传输线的回波损耗。S₂₁参数即为此段传输线的插入损耗。由图2和图3得到，S参数虽然已满足实际使用的需求，但仍然有优化的空间，尤其是S₂₁参数。

步骤三、分别对d、s、w，固定两个参数，扫描剩下一个参数，以确定最优值的大致范围。故本步骤所取的扫频步长较长，范围较大。通过改变固定长度30mmSIW传输线中一排金属通孔的数量n，可以改变孔间距s的大小，其对应关系为s＝30/(n-1),单位为毫米。选择d的取值从0.4mm至0.8mm，步长0.2mm；金属通孔个数，其首尾两端两个半孔各算一个孔，从20至40，步长5。w从5.5mm至7mm，步长0.5mm。对以上结果进行筛选：为使高次模介质频率大于等于标准波导，需要使w-d≤6.2mm；由于传输性能的需要，要使S₁₁参数小于30dB，并且波纹较为平整。综合起来，选择d＝0.6mm，n＝25，w＝6mm。

步骤四、对d、s、w同时进行小步长的扫参，比较各传输特性参数以确定符合使用要求的最优值。d从0.5mm至0.7mm，步长0.05mm；w从5mm至7mm，步长0.2mm；n从20至30，步长1。最终选择d＝0.5mm，w＝6.6mm，n＝26(即s＝1.2mm)。最终得出w_eff＝w-d。在设计过程中，d/s的值最小为0.4，最大为0.8。

步骤五、对步骤三和步骤四中不同的d、s、w的值，计算SIW传输线的传播常数，并分别与相同传播常数的介质波导相比较，以归纳得到SIW和介质波导宽边的等效公式。

最终各参数如图4至图8。可以看出，表征回波损耗的S₁₁参数在整个频段小于34dB(作为对比，行业中实际应用的标准约为20dB)，表征插入损耗的S₂₁参数大于0.198dB，端口的驻波系数小于1.038，衰减常数小于0.75，并且在28.5GHz才出现高次模，甚至略高于标准波导(28GHz前)。而与使用相同介质基板的圆孔SIW结构对比，两者在全频段都不会出现高次模，但是圆孔SIW传输线的回波损耗只能控制在25dB以下，比正方形孔SIW传输线损耗大10dB左右。

Claims (2)

1.一种K波段SIW传输线，在介质基片上打上两排通孔，其特征在于：所述通孔为正方形，且其两条平行边平行于传播方向,正方形通孔的边长0.4mm<d≤0.8mm，两排金属通孔的行距w<8mm，s是同一排相邻金属通孔的间距0.4<d/s<0.8，SIW的传播常数和介质波导宽边的等效公式为w_eff＝w-d。

2.如权利要求1所述K波段SIW传输线的设计方法，包括以下步骤：

步骤一、按照圆孔SIW结构的经验公式，得出传统K波段SIW传输线的各参数，以得到圆孔SIW传输线的性能；

步骤二、将d作为正方形通孔的边长，孔间距和宽度仍使用s和w，以此作为正方形孔SIW传输线的初始值仿真；

步骤三、分别对d、s、w，固定两个参数，扫描剩下一个参数，以较大步长，确定最优值的大致范围；

步骤四、对d、s、w同步扫参，以确定其符合要求的最优值；

步骤五、对参数扫描中不同的d、s、w的值，用HFSS计算得到SIW的传播常数，并分别与相同传播常数的介质波导相对应，以归纳得到SIW和介质波导宽边的等效公式w_eff＝w-d，依据等效公式和各参数取值范围0.4mm<d<0.8mm，5mm<w<7mm，s＝2d±0.3mm，确定各参数值。