CN107546448B

CN107546448B - 一种基于siw传输线的斜面吸收阵列负载

Info

Publication number: CN107546448B
Application number: CN201710654520.8A
Authority: CN
Inventors: 汪晓光; 方健成; 邓龙江; 陈良; 梁迪飞
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2017-08-03
Filing date: 2017-08-03
Publication date: 2019-11-05
Anticipated expiration: 2037-08-03
Also published as: CN107546448A

Abstract

本发明涉及微波、传输线负载技术，具体涉及一种基于SIW损耗传输线的斜面吸收阵列负载，应用于X波段。包括SIW损耗传输线和斜面吸收阵列。本发明基于SIW传输线，通过在SIW传输线以及斜面吸收阵列负载的金属化孔和金属化通孔外围设置管状吸波材料层，实现了X波段内的吸波效果良好，回波损耗小于‑29dB，易于集成化和小型化；可应用于SIW器件测试夹具校准件或环行隔离器的吸收负载。

Description

一种基于SIW传输线的斜面吸收阵列负载

技术领域

本发明涉及微波、传输线负载技术，具体涉及一种基于SIW损耗传输线的斜面吸收阵列负载，应用于X波段。

技术背景

近年来，传输线技术有了很大的发展。传统波导是较早应用于微波领域的传输线，其功率容量大，损耗小，但是体积较大，难以集成化和小型化，随着微波集成电路的发展，相继出现带状线，微带线和槽线等微带结构，这些结构易于集成和小型化，较好地满足微波集成电路发展的需要，但是微带型结构损耗较大。

基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide.SIW)是一种可集成于介质基片新型传输线。SIW通常是在介质基板上打两行平行的金属化通孔，同行的各个金属化通孔与另一行的各金属化通孔呈一一对应关系构成一组组垂直于入射波传输方向的金属化通孔组，再在基板两面覆以金属得到的。在保证传输线上能量不泄露的情况下，将通孔阵列等效为金属壁，传输特性则可近似矩形波导分析。基片集成波导既有微点型传输线的优点也有传统波导的优点。相比于传统微带型传输线，基片集成波导具有更低的辐射、更低的损耗、更高的Q值、更高的功率容量。相比于传统波导，基片集成波导更易于集成化小型化。基于基片集成波导可将各种无源器件、有源器件和天线等所有通信器件集成在同一衬底中。

微波负载用于吸收微波功率，是一种应用非常广泛的器件，可用于铁氧体隔离器的匹配负载，用于雷达发射机的剩余功率或反射功率的吸收，以及用于测试校准中的匹配负载。基于传统波导的负载通常设计为劈尖的形式，有良好的吸波性能，但基于传统波导的负载体积巨大，难于集成化和小型化。

发明内容

针对上述存在问题或不足，本发明提供了一种基于SIW传输线的斜面吸收阵列负载，应用于X波段(8～12GHz)实现了良好的电磁波吸收效果。

一种基于SIW传输线的斜面吸收阵列负载，包括SIW损耗传输线和斜面吸收阵列。

所述SIW损耗传输线，包括介质基板、介质基板上下表面的金属层和两行平行并贯穿介质基板和二层金属层的金属化通孔，以及设置于金属化通孔外围的管状吸波材料层。

所述斜面吸收阵列由设置于介质基板的n排平行的金属化孔组成，相邻两排的金属化孔排间距p2相等，且与SIW损耗传输线的单行相邻金属化通孔的孔间距相等。(n-1)*p2>λ/2，λ为X波段下限频率在传输线中的波长。各排金属化孔与SIW传输线的两行平行的金属化通孔所在的直线垂直，第n排金属化孔为金属化通孔，其余均为金属化孔仅贯穿下表面金属层至介质基板中，即嵌入于介质基板。金属化孔外围设置有管状吸波材料层。

所述管状吸波材料层是以金属化孔或金属化通孔的轴心为物理中心设置于其外围，即金属化孔和金属化通孔与管状吸波材料层同轴，管状吸波材料层的壁厚dr＞0，0＜2dr+d＜p1且0＜2dr+d＜p2，d为金属化孔和金属化通孔的直径，p1为同排相邻金属化孔的轴心距，管状吸波材料层高度与各金属化孔和金属化通孔高度相同并相适应。

各排金属化孔在同一排高度相等，相邻两排高度差为Δh，且高度随排数序号按等差数列规律递增，金属化孔整体呈斜坡状。第n排金属化孔与SIW传输线中的两行金属化通孔的一组金属化通孔(即金属化通孔组)在一条直线上呈对应关系，各排金属化孔与SIW传输线的两行金属化通孔的n组金属化通孔均依次一一对应设置于同一直线。

上述基于SIW传输线的斜面吸收阵列负载应用于SIW器件测试夹具校准件或环行隔离器的吸收负载。

本发明基于SIW传输线，通过在SIW传输线以及斜面吸收阵列负载的金属化孔和金属化通孔外围设置管状吸波材料层，实现了X波段内的吸波效果良好，回波损耗小于-29dB，易于集成化和小型化，可应用于SIW器件测试夹具校准件或环行隔离器的吸收负载。

附图说明

图1为实施例的结构示意图；

图2为实施例的俯视图；

图3为实施例的局部俯视图；

图4为实施例的斜面吸收结构示意图；

图5为实施例斜面吸收阵列侧视图；

图6为实施例的斜面吸收阵列局部俯视图；

图7为实施例的不同u取值下的通带内最大回波损耗S₁₁max与磁损耗角正切u关系曲线图及其对应的拟合三次多项式；

图8为实施例图6中每一个拟合三次多项式的三次项系数a、二次项系数b、一次项系数c、常数项d与相对应的u关系曲线图以及对其拟合的表达式；

图9为实施例中最优结果的回波损耗S11与频率f的关系图；

图10为实施例中最优结果的驻波系数VSWR与频率f的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

图1示出本实施例的斜面吸收阵列负载结构示意图，其俯视图如图2所示：包括SIW损耗传输线和斜面吸收阵列。

在传统SIW传输线上，设置22排金属化孔，第22排金属化孔为通孔，各排金属化孔与SIW传输线的两行的金属化通孔一一对应设置于同一直线。

斜面吸收阵列中的金属化孔和金属化通孔以其轴心为物理中心设置有管状吸波材料层于其外围，即金属化孔和金属化通孔与管状吸波材料层同轴，管状吸波材料层的壁厚dr＞0，0＜2dr+d＜p1且0＜2dr+d＜p2，d为金属化孔和金属化通孔的直径，p1为同排相邻金属化通孔的轴心距。管状吸波材料层高度与各金属化孔和金属化通孔高度相同并相适应。管状吸波材料层选用磁损耗材料。

相邻两排金属化孔高度差为Δh，Δh＝0.023mm，金属化通孔和金属化孔的外围均设置一层管状吸波材料层，金属化通孔和金属化孔与其对应的吸波材料层同轴，管状吸波材料层的材料选用磁损耗吸波材料。

其设计过程为：

步骤1：设置各个参数的初始值。

吸波材料层的厚度dr＝0.05mm，相对介电常数为2.1，相对磁导率u＝1和磁损耗角正切tanθ＝0.5；介质基板的相对介电常数为2.1和相对磁导率为1；SIW损耗传输线的单行金属化通孔个数为33；斜面吸收阵列的平行金属化孔的排数n＝22，每排为13个。斜面吸收阵列的平行金属化孔排间距与SIW损耗传输线中相邻金属化通孔距离s相等，s＝0.8mm。金属化通孔和金属化孔的直径均为d＝0.5mm。

步骤2：根据X波段圆孔SIW传输线的等效公式得到上述两排平行金属化孔的距离w，d和s的初始值分别为15mm，0.5mm，0.8mm。固定上述三个参数中的任意两个参数，以端口的回波损耗S₁₁为优化目标，在一定数值范围内调节剩下的参数，筛选最优结果，从而确定w、d和s。具体地，w从15mm到18mm，步长为0.1mm；d从0.4mm到1.0mm，步长为0.1mm；s从d到4d，步长为0.1mm。筛选最优的结果为w＝17mm、d＝0.4mm、s＝1.4mm。

步骤3：扫描dr参数以探究dr对回波损耗S₁₁的影响，在扫描结果中筛选最优值。具体地，dr从0.025mm到0.3mm，步长为0.025mm；最优结果为dr＝0.3mm。

步骤4：确定上述的参数后，探究u和tanθ对S₁₁的影响。

设S₁₁max为X波段频带内回波损耗S₁₁曲线的最大值，扫描u和tanθ参数，得到S₁₁max与u、dr参数的函数关系式S₁₁max(u,tanθ)。具体地，u从1到4，步长为0.2；tanθ从1到3，步长为0.2。

步骤5：根据步骤4所得的数据，先作u在某一特定值(该特定值为数列1，1.2，1.4……4中的一个)下的S₁₁max和tanθ的关系曲线图，得到16条不同u下的曲线如图7所示，分别对所述的16条曲线进行拟合，得到16个三次多项式如图7所示。

步骤6：根据步骤5所得的16个三次多项式，探究所述的每一个三次多项式与对应的u的关系，设所述的每个三次多项式的三次项系数为a、二次项系数为b、一次项系数为c、常数项系数为d。分别作u与a、b、c、d的关系曲线图，如图8所示，再分别对上述的4条曲线进行拟合，得到表达式如图所示。

步骤7：得到函数关系式S₁₁max(u,tanθ)为：

S11max＝ad³+bd²+cd+d，

其中，a＝0.52402cos(3.14u-0.17673)-1.3147，

b＝-3.592cos(3.14u+0.032706)+9.7522，

c＝8.3415cos(3.14u+0.24655)-22.428，

d＝-6.0895cos(3.14u-12.1165)-11.3436

上述所有数据中回波损耗S₁₁最优结果为通带内小于-29.09dB，如图9所示，驻波系数小于1.057，如图10所示。对应的结构参数和材料参数为：基板介电常数2.1，基板相对磁导率为1；w＝17mm，b＝0.5mm；d＝0.4mm，s＝1.4mm，dr＝0.3mm；u＝1，tanθ＝3。

综上可见，通过结构参数和材料参数的调节可使本发明基于SIW传输线的斜面吸收阵列负载的回波损耗性能进一步优化。本发明应用于X波段，其回波损耗低于-29dB，为用于集成负载器件使得器件在集成方面提供了一种新结构选择方案，且易于集成化和小型化。

Claims

1.一种基于SIW传输线的斜面吸收阵列负载，包括SIW损耗传输线和斜面吸收阵列，其特征在于：

所述SIW损耗传输线，包括介质基板、介质基板上下表面的金属层和两行平行并贯穿介质基板和二层金属层的金属化通孔，以及设置于金属化通孔外围的管状吸波材料层；

所述斜面吸收阵列由设置于介质基板的n排平行的金属化孔组成，相邻两排的金属化孔排间距p2相等，且与SIW损耗传输线的单行相邻金属化通孔的孔间距相等，(n-1)*p2>λ/2，λ为X波段下限频率在传输线中的波长；各排金属化孔与SIW传输线的两行平行的金属化通孔所在的直线垂直，第n排金属化孔为金属化通孔，其余均为金属化孔仅贯穿下表面金属层至介质基板中，即嵌入于介质基板；金属化孔外围设置有管状吸波材料层；

所述管状吸波材料层是以金属化孔或金属化通孔的轴心为物理中心设置于其外围，即金属化孔和金属化通孔与管状吸波材料层同轴，管状吸波材料层的壁厚dr＞0，0＜2dr+d＜p1且0＜2dr+d＜p2，d为金属化孔和金属化通孔的直径，p1为同排相邻金属化孔的轴心距，管状吸波材料层高度与各金属化孔和金属化通孔高度相同并相适应；

各排金属化孔在同一排高度相等，相邻两排高度差为Δh，且高度随排数序号按等差数列规律递增，金属化孔整体呈斜坡状；第n排金属化孔与SIW传输线中的两行金属化通孔的金属化通孔组在一条直线上呈对应关系，各排金属化孔与SIW传输线的两行金属化通孔的n组金属化通孔均依次一一对应设置于同一直线。

2.如权利要求1所述基于SIW传输线的斜面吸收阵列负载，其特征在于：所述管状吸波材料层的材料选用磁损耗材料。

3.如权利要求1所述基于SIW传输线的斜面吸收阵列负载，应用于SIW器件测试夹具校准件或环行隔离器的吸收负载。